阻聚劑對四丁基溴化銨水合物蓄冷特性的影響

張雯翔,杜鑫研,楊燕,王世杰,楊麗玲,何夢竹,郭凱

(昆明學院 化學化工學院,云南 昆明 650214)

四丁基溴化銨(TBAB)既可作為氣體水合物的熱力學促進劑[1],其自身也可在0 ℃以上形成半籠型水合物[2]。前期研究發現,提高溶液濃度可增加結晶固相中TBAB水合物占比[3]。然而,固相濃度增加,動態蓄/制冷時將導致流動困難或堵塞。目前報道的水合物蓄/制冷空調系統所使用的水合物漿液,其固相占比需低于0.35(質量分數,下同),造成蓄/制冷密度降低,總功耗增加[4]。

有研究指出,添加阻聚劑(AAs)是一種最為有效地抑制水合物大量聚集的方法,可在一定程度上阻止顆粒聚積,保持漿液狀態[5]。Hou等[6]研究了司班40(Span 40)與鼠李糖脂復配時的阻聚效果,提出濃度和過冷度會對其造成影響。Mohammadi和Jodat[7]研究指出不同濃度的吐溫80(Tween 80)對TBAB+CO2體系水合物的形成產生不同的作用(促進或抑制),同時Tween 80也具有阻聚效果。

本文研究阻聚劑Tween 80和Span 40對質量分數為0.30,0.40,0.50的TBAB水合物漿液蓄冷特性的影響,分析其降黏效果與熱物性的變化規律。

1 實驗方法與材料儀器

實驗材料包括:TBAB(AR)、Tween 80、Span 40、去離子水(18 MΩ·cm)。測試儀器包括:夾套燒杯、高低溫恒溫循環水浴、高剪切均質乳化機(HR-500D-20F)、旋轉黏度計(NDJ-5S)、差示掃描量熱儀(DSC25)。測定其黏度與熱物性,評價水合物漿液的蓄冷性能。

黏度測定實驗步驟如下:(1)配置TBAB水溶液(水合物漿液中水合物相理論質量分數為0.30,0.40,0.50),倒入夾套燒杯;(2)再加入質量分數為0.025,0.05,0.10的阻聚劑(Tween 80或Span 40),用均質機攪拌均勻(12 000 r/min);③啟動高低溫恒溫循環水浴,對夾套燒杯進行循環制冷,控制溶液溫度為4～8 ℃;④合成TBAB水合物漿液后,利用旋轉黏度計測量水合物漿液的黏度。

熱物性測定實驗條件:DSC測量范圍-30～20 ℃;升降溫速率5 ℃/min;氮氣50 mL/min。

2 結果分析與討論

2.1 阻聚劑對TBAB水合物漿液黏度的影響

阻聚劑對TBAB水合物漿液黏度的影響如圖1所示。

圖1 阻聚劑對TBAB水合物漿液黏度的影響

未添加阻聚劑時,漿液黏度隨水合物質量分數的增加而增加,由質量分數0.30時的55.5 mPa·s增至0.50時的694 mPa·s。添加Tween 80或Span 40后,TBAB水合物漿液的黏度發生變化。低漿液質量分數(0.3),添加0.025 Tween 80可使體系黏度降低約46%,而進一步提高阻聚劑質量分數至0.05,黏度反而略有提升,這是由于阻聚劑自身具有一定黏度造成的。中等漿液質量分數(0.4),分別添加質量分數0.025和0.05的兩種阻聚劑均可起到降黏效果,最高可降低60.71%,但增大濃度至0.10時,黏度會大幅增加。高漿液質量分數(0.5),添加阻聚劑有一定降黏效果,添加質量分數0.05 Tween 80可降黏36.31%,添加0.025 Span 40可降黏56.77%。具體降黏效果統計列于表1。

表1 阻聚劑對TBAB水合物漿液降黏效果統計

2.2 阻聚劑對TBAB水合物熱物性的影響

利用DSC測定Tween 80對TBAB水合物漿液分解吸熱過程的影響,如圖2所示。隨著Tween 80濃度的增加,冰峰與水合物峰分離程度愈明顯,冰峰減小,水合物峰增強,即水合物生成量逐漸增多。此外,水合物相變溫度逐漸增大,三種漿液濃度最高分別可提升約1,2和0.5 ℃,水合物相變溫度條件變得緩和。而冰的相變溫度變化趨勢則相反,阻聚劑使冰的相變溫度變低,分別降低約1.5,2和2 ℃,抑制冰生成,有利于黏度的降低和流動性的提升,吸熱(供冷)速率提高。總分解焓為198.2～280.5 kJ/kg,如表2所示。Tween 80的加入對表觀總分解焓產生不利的影響,但提升了水合物相焓值占比。在0 ℃以上相變蓄冷或制冷過程中(無冰),可利用的焓值僅為水合物分解焓,故阻聚劑的加入對有效焓值(水合物分解焓)具有較好的提升作用。

表2 阻聚劑對TBAB水合物漿液熱物性的影響

圖2 阻聚劑對TBAB水合物漿液DSC分解曲線的影響

3 結論

利用阻聚劑Tween 80和Span 40對TBAB水合物漿液進行調控,分析漿液黏度、相變熱物性的變化規律,得到以下結論:

(1)添加質量分數為0.025和0.05的阻聚劑具有較好的降黏效果,最高可降黏60.17%;

(2)Tween 80可提高水合物相變溫度、增大水合物占比、降低冰含量,從而實現漿液流動性的提升。