冷凝管内冷却水流动方向的解析

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文章编号：1005－6629(2007)11－0073－02中图分类号：TQ026.2 文献标识码：B

1 问题的提出

在室温下，有些反应速率很小或难于进行。为了使反应顺利地进行，常常需要使反应物质较长时间保持沸腾。这种情况就需要使用回流冷凝装置，使蒸气不断地在冷凝管内冷凝而返回反应器中，以防止反应瓶中的物质逃逸损失[1]。 图 1给出了一种最简单、最常用的回流冷凝装置，将反应物质放在圆底烧瓶中，在适当的热源上或热浴中进行加热并保持沸腾状态。但是在实验过程中发现，很多学生总是错误地在直立的冷凝管夹套中从上至下通入冷却水，并认为这样从上至下地通入冷却水，使蒸气与冷却水保持逆流流动可获得最大的传热推动力，以达到快速冷凝的目的。针对教学中出现的此类问题，本文从传热理论的角度进行详细的分析，说明了在回流操作中冷却水应自下至上地通入冷凝管，与蒸气保持并流流动的操作原理。

2 蒸馏实验中冷却水的流动方向

蒸馏是分离和提纯液态有机物最常用的重要方法之一，普通蒸馏装置如图2所示。它主要包括蒸馏烧瓶、冷凝管和接受器三大部分。液态有机物在蒸馏烧瓶中经加热沸腾后，其蒸气沿倾斜的冷凝管从左至右向接受器流动并冷凝，在接受器内收集起来。冷却水从冷凝管的右端进入，从其左端流出，与蒸气保持逆流状态。

按照传热理论，上述冷凝过程属于冷、热两流体通过间壁式换热器的传热过程。在传热过程中，蒸气冷凝成液滴并释放大量的热，而冷却水受热温度升高，整个传热过程的速率方程式为：

Q=KAtm。(1)

其中，传热速率Q表示单位时间内通过传热面的热量；K表示总传热系数，与冷凝管的材质及流体的种类、性质、流速等因素有关；A表示热量从蒸气向冷却水传递过程中所通过的传热面积；tm表示冷、热流体的平均温度差，是传热过程的推动力，温差越大传热速率越快。

在同样的实验条件下，对于特定的冷凝管及冷、热流体，其传热过程中的总传热系数K和传热面积A将保持一定，那么蒸气冷凝的传热速率Q就取决于两流体的平均温度差tm。

图2普通蒸馏装置

以逆流为例推导平均温度差tm的计算公式。取换热器中一微元段为研究对象，其传热面积为dA，在dA内热流体因放热而温度下降dT，冷流体因受热而温度上升dt，传热量为dQ（如图3所示）。

图3 平均温度差计算

若忽略换热器的热损失，并假设在整个传热过程中，热、冷流体的质量流量qm1与qm2及比热容cp1与cp2均保持不变，则dA段内热量守衡的微分式为：

因此，平均温度差是换热器进、出口处两侧流体温度差Δt1与Δt2的对数平均值（较大者为Δt1，较小者为Δt2）。当冷、热流体的进口温度t1、T1和出口温度t2、T2一定时，平均温度差Δtm仅取决于两者的接触方式，即并流操作或逆流操作。根据传热学的计算结果，在相同的进、出口温度条件下，平均温度差Δtm,逆>Δtm,并[2]。因此，在实验操作过程中，采取逆流操作方式，即冷却水从冷凝管的下端进入，从上端流出，冷却水与蒸气通过管壁保持逆流接触传热。

3 回流实验中冷却水的流动方向

虽然回流冷凝与蒸馏冷凝都是蒸气在冷凝管内的冷凝，但两者却有着本质的差异。在蒸馏操作里，蒸气通过冷凝得到所需要的蒸馏产品，不仅要发生相变化，转变成同温度下的液体，而且温度降得越低越好，便于收集。整个传热冷凝过程中，冷却水的温度从t1升至t2、蒸气的温度从T1降至T2，属于两侧变温传热。

但是，在回流操作里，蒸气冷凝是防止反应物质的逸散损失，同时还需反复加热以保证其彻底反应，因此在冷凝过程中蒸气应仅发生相变，即将蒸气冷凝成同温度下的液滴，也就是沸点温度下的液滴。如果将液滴温度继续降至沸点以下，为保持反应物的沸腾状态，热源就必需提供更多的热量使其升温返回至沸点，这将造成能源的浪费。所以，整个回流冷凝过程中，热流体仅发生相变，其温度应始终保持在沸点T，属于一侧变温传热，其并流和逆流的温差变化如图4所示[2]。

图4 冷流体变温时的温差变化

从图4可以看到，对于一侧变温传热，冷凝管内的冷、热流体无论是并流接触传热，还是逆流接触传热，冷凝管两端的温度差是一致的，即：

据此可以得出，在这种情况下，蒸气回流冷凝为同温度液滴的传热速率与蒸气、冷却水的接触方式无关，既可以采取并流操作，也可以采取逆流操作。但是，在实际操作中采用逆流方式有两个弊端：第一，水流过小时，直立的冷凝管内不能充满冷却水，甚至有时只有一半的水量，同时水流中充满了气泡，影响了冷凝的效果；第二，为了使冷凝管内充满水，往往需要加大水流量，造成水资源的浪费，过量的水还容易将液滴冷凝至沸点以下。所以，在回流冷凝操作中宜采取并流方式，即冷却水从直立的冷凝管下端流入，从上端流出，水的流速以冷凝管口没有蒸气逸出为限。

4 结论

蒸馏与回流是两种本质不同的加热过程。在蒸馏过程中，为了迅速冷却、收集分离出来的馏份，冷凝管内的冷却水应与蒸气保持逆流流动方向；在回流加热中，冷凝管内的冷却水应与蒸气保持并流流动方向，这样既有利于保持反应溶液的持续沸腾，又能节约能源和水资源。

参考文献：

[1]周科衍,高占先.有机化学实验(第三版)[M],北京:高等教育出版社,1994:20~36.

[2]王志魁.化工原理(第三版)[M],北京:化学工业出版社,2004:141~163.

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”

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