冷凝管中冷却水流向问题再研究

1、杭州市化学会2006年年会 论文冷凝管中冷却水流向问题再研究章哲承（杭州二中 310053）论文摘要：水冷凝管经常用在蒸馏和冷凝回流实验中，其中冷却水的流向问题经常存在着争论，到底是选择“下进上出”，还是选择“上进下出”？本文试着通过实验进行对比冷却水流向不同的冷凝回流效果，并从理论角度进行了分析论证，从而得出较为合理的冷却水流向结论。关键词：冷凝管、 冷却水流向、 热交换、 蒸馏、 回流图1 蒸馏实验装置1. 问题的提出冷凝管在化学实验中经常用于蒸馏和冷凝回流实验中。对于蒸馏实验中，实验装置如图1所示，冷却水的流向问题人们一般都不会有异议，都是采用下进上出的流向1。但在回流实验中，人们对于冷

2、却水的流向问题却有着不同的看法，有人认为是采用下进上出流向比较自然、合理2；但也有人认为是上进下出流向，利用了逆流原理进行热交换冷凝效果更好3。但在大学有机化学实验教材上大都极少明确指出，冷凝回流实验冷却水到底是该从上口进还是应该从下口进4、5。也有人仅仅从冷水充满冷凝管外管的难易程度分析冷却水的流向问题6。所以本文试着从实验的角度对比二种冷却水流向的回流效果。2. 实验部分2.1 实验仪器、装置和试剂仪器：78HW-1恒温加热磁力搅拌器、直型水冷凝管（标准磨口）、50mL蒸馏烧瓶（磨口）、50mL量筒、秒表、100温度计、200温度计、铁架台、乳胶管试剂：无水乙醇、丙酮（分析纯）、液体石蜡、

3、沸石2.2 实验方法和步骤本实验通过控制相同冷却水流速和加热温度，用不同的冷却水流向对丙酮试剂分别进行冷凝回流实验，通过测定冷却水出水口温度和回流液剩余体积等参数对回流效果进行了测定。实验装置如图2所示。图2 回流对比实验装置2.3 实验结果表1 回流丙酮的实验情况实验步骤冷却水流向冷却水流速（mL/s）水浴温度（）回流时间（min.）出水口温度（）回流液剩余体积（mL）回流百分率（）上进下出3.0806028.528.896下进上出26.927.892.7上进下出3.01206029.525.284下进上出28.924.581.7上进下出1.11306036.519.264下进上出38.12

4、5.284上进下出1.11403036.213.846下进上出37.125.8863. 分析与讨论本实验的目的是对比二种冷却水流向对冷凝回流效果的影响，因此力求排除其它因素对实验的干扰。采用控制相同的冷却水流速的和同时采用同一个水（油）浴加热装置加热。但在实验初期控制冷却水水流速度的时候发现，采用从下口进水的方式，冷却水很容易充满冷凝管，但采用从上口进水的方式要想充满整个冷凝管往往需要将冷凝管拿下来横放或倒放才能顺利充满，然后才能将其竖直固定于铁架台上。实验最初选用无水乙醇作为回流试剂，但是当控制水流速度为3mL/s，水浴温度为90时，回流60分钟，冷却水不论是采用上进下出还是下进上出，最后的

5、出水口温度都没有明显差异，最后的回流液体积均为30.5mL（因为是趁热测量，应该是热胀冷缩的缘故）。故后续实验均采用沸点更低、黏度更小的丙酮作为回流试剂。我们发现，当冷却水流速较快时（3mL/s），水浴温度为80时，从出水口温度看，冷却水采用上进下出的为28.5，下进上出的为26.9，说明上进下出的冷却水与热蒸气的热交换效率高，从回流液的剩余体积也可以证明这一点，从上口进的装置加热60分钟后后还剩余28.8mL，回流百分率为96%，而下口进冷水的蒸馏烧瓶中只剩余27.8mL，回流百分率为92.7%。当冷却水流速不变，改用液体石蜡作油浴加热，温度升高到120时，还是从上进下出的冷却水冷凝回流效果

6、较好，但两者的差距在缩小。出水口的温度差由1降至0.7，回流百分率也由相差3.3个百分点降至相差2.3个百分点。但当我们将冷却水的流速降低至1.1mL/s（水滴刚刚成线状），油浴温度升高到130时，情况出现了变化。这时由于冷却水的流速在减小，油浴的温度又进一步升高，导致出水口的温度也都升高，进出水口的温差甚至超过了10，这种情况下，反而是冷却水下进上出的装置冷凝回流效果要好，加热60分钟后，出水口温度为38.1，回流液剩余体积为25.2mL，回流百分率为84；而上进下出的装置冷却水出水口温度为36.5，回流液剩余体积为19.2mL，回流百分率仅为64%，两者回流百分率相差达20个百分点。继续保

7、持1.1mL/s的水流速度，将油浴温度继续升高至水冷凝管的极限温度140，这时蒸馏烧瓶中的丙酮沸腾非常剧烈，蒸气的速度非常快，在冷却水上进下出的冷凝管口还能看到有未能冷凝的丙酮蒸气蒸发出来，冷却水下进上出的冷凝管的回流高度也基本达到了出水口位置，在加热30分钟后，冷却水上进下出的冷凝管回流百分率仅为46%，而冷却水下进上出的冷凝管回流百分率为86%，两者的回流百分率相差高达40个百分点。为什么改变冷却水流速和升高加热温度会导致不同的实验结果？本文试着借助于化工原理进行分析。根据化工原理，冷凝回流过程其实既包含了传热的过程也包含了流体流动过程。在冷凝回流实验中，若冷凝管套管中的冷却水自上而下流动

8、，内管中的蒸气自下而上流动，在流动过程中进行热量传递，使蒸气全部冷凝并冷却下来。这种流动方向相反的二种物质所进行的传热过程，称为“逆流”传热，反之，则称为“并流”传热（也有资料上称为“顺流”传热）。用T表示内管中蒸气或冷凝液的温度，t表示套管中冷却水的温度，用下标1、2分别表示它们进出冷凝管的温度，并用“”表示流动方向，则“逆流”、“并流”传热可示意如下：蒸气： T1 T2 T1 T2冷却水： t2 t1 t1 t2 逆流 并流根据传热的基本方程式： Q = KAtm， 式中：Q为传热速率， K为总传热系数，A为传热面积，tm为温度差。而在冷凝管不同位置的tm是不相同的，所以传热推动力必须用平

9、均推动力，即对数平均温度差tm 表示，其表达式为 ：tm = (t1-t2) / ln(t1/t2) ，其中t1为冷凝管一端的冷、热流体的温度差，t2为冷凝管另一端冷、热流体的温度差。当传热系数K、传热面积A不变时，对数平均温度差tm决定了传热速率的大小。则tm(逆) = ( T1 -t2) - ( T2 - t1) / ln ( T1 - t2) / ( T2 - t1) ；tm(并) = ( T1 - t1) - ( T2 - t2) / ln ( T1 - t1) / ( T2 - t2) 。由此可知，一般情况下， tm(逆)都会大于tm(并)，这也就是通常所说的“逆流原理”，即在同样的

10、进、出口温度条件下，逆流的传热温差比并流的大。因此当换热器中传热速率和传热系数都相同时，采用逆流流动所需的传热面积比并流的小 7。由此不少人认为，在冷凝回流实验中也应该采用“逆流原理”，即热气是自下而上，则冷水应该从上往下流。但其实“逆流原理”一般仅仅适用于无相变化的热交换过程。而对于冷凝回流实验还存在蒸气冷凝成为液体的过程，这样就会伴随着流体在内管流动的过程。在冷凝回流实验中的蒸气冷凝一般都属于膜状冷凝，即冷凝液能够润湿壁面，在壁面上形成一层完整的液膜，壁面被冷凝液所覆盖，蒸气冷凝只能在液膜表面进行，即蒸气冷凝放出的潜热只有通过液膜后才能传给壁面，这层液膜往往成为冷凝传热的主要热阻，液膜越厚

11、，热阻越大。液膜的厚度取决于液体的密度、黏度以及冷凝管内管的光滑度、热蒸气的流速等。一般液体的密度越大、黏度越小、冷凝管内壁越光滑，冷凝所形成的液膜就越薄，而对于逆向流动的热蒸气来说一般流速越快，液膜就越厚，但假如蒸气流速过快又会吹散冷凝所形成的液膜，会导致液膜厚度变薄。又由于冷凝回流管是竖直放置，液膜在重力的作用下，以层流状态从顶端向下流动，逐渐变厚，随着液膜的增厚，在冷凝管的下部液膜就可能会发展成为湍流（也有资料称为“紊流”），如图5所示，大大增加了液体流动的阻力 8。图5 液膜流动由此，我们就可以解释为什么在冷凝回流实验中当冷却水流速较快，加热温度又不是太高时，逆流进水（即冷却水上进下出

12、）的冷凝管冷凝回流效果比并流进水（即冷却水下进上出）的冷凝管好。因为这时候出水口的温度都是比较低的，液体蒸发的速度比较小，蒸气回流所形成的液膜厚度就比较小，冷凝液膜的下落基本上都还是以层流的形式，热气与冷水进行热交换的热阻就较小，同时液体流动的阻力也较小，整个冷凝回流效果由热交换过程决定，基本适合“逆流原理”。而一旦冷却水流速减慢，加热温度升高导致蒸气的流速加快，蒸气回流所形成的液膜厚度就较厚，逆流进水的冷凝管内管甚至能看到内管被液膜堵塞又被蒸气冲开的过程，这个时候整个冷凝回流效果就由冷凝液膜的厚度决定，液膜越厚，热交换的热阻就越大，液体流动的阻力也越大，冷凝回流效果就越差。对于并流进水的冷凝

13、管来说，由于是热气主要集中在冷凝管的下端冷水进口处冷凝，冷凝后液体直接流入蒸馏烧瓶中，回流液体所形成液膜的厚度远远小于逆流进水的冷凝管，自然冷凝回流效果也就好些。为了增强冷凝回流效果，实验室中往往还会选择蛇型冷凝管或球型冷凝管，这时候的冷却水水流方向又应该如何选择呢？其实，改用蛇型冷凝管和球型冷凝管都是为了增加冷却水和热气的接触时间，使它们的热交换尽可能更加充分些，但由于冷凝管的内壁不再是光滑的圆柱面，所以冷凝液膜比起直型冷凝管来说要厚的多，冷凝液膜的下落也不再是简单的层流，而会更多的伴随湍流，所以总体来说，要想提高冷凝回流的效率，还是得设法减小液膜的厚度，所以对于蛇型冷凝管和球型冷凝管而言，

14、在做冷凝回流实验时，一般冷却水都是选择下进上出的并流进水方式。同样道理，我们也可以很好的解释，在蒸馏实验中，冷凝管的冷却水始终是采用下进上出的逆流流向，因为这时候不仅热交换效率高，同时也是形成冷凝液膜厚度最小的方式。4. 结论综上所述，对于不易形成液膜的冷凝回流实验来说，可以选择逆流进水。而对于大多数冷凝回流实验来说，都可以选择并流进水，以尽量减小冷却水的流速，节约用水；另外从进水操作来说并流进水比逆流进水也略微简单些、易于控制；同时也可保证冷凝回流的效果。而对于蒸馏实验来说，冷却水的流向始终都应该选择下进上出的逆流流向。 参考文献：1. 严平. 对蒸馏实验操作两个问题的分析. 化学教育，2006.(4)：552. 薛春兰. 冷凝管中冷却水流向问题的思考与分析由一个实验问题说起. 化学教育，2001.(78)：88893. 薛春兰. 冷凝管中冷却水流向问题的思考与分析由一个实验问题说起. 化学教育，2001.(78)：