基于新型AHT循環(huán)的IPA—CaCl2—H2O工質(zhì)對(duì)

萬紅梅　王春雷　劉傳波

摘 要：文章從優(yōu)化工質(zhì)對(duì)的角度出發(fā)實(shí)驗(yàn)研究了加入IPA的CaCl2溶液各項(xiàng)分配系數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)證明，CaCl2不溶于IPA中，IPA對(duì)CaCl2溶液具有明顯的鹽析作用。用真空干燥法可以得到擬合曲線來修正IPA的含量精度。在各個(gè)溫度下，上層液中的CaCl2分配系數(shù)都很低，說明CaCl2很少進(jìn)入發(fā)生器中；下層液的IPA分配系數(shù)很低，說明吸收器溶液并不會(huì)受到IPA的鹽析影響。加入IPA后，循環(huán)的放氣范圍大大提高，從而能得到更高的能量品位。

關(guān)鍵詞：異丙醇；氯化鈣；第二類吸收式熱泵循環(huán)；鹽析溫度；余熱利用；工質(zhì)對(duì)；有機(jī)鹽析劑

第二類吸收式熱泵循環(huán)（Absorption Heat Transformer，AHT）以一部分余熱為驅(qū)動(dòng)力，可提高另一部分余熱的品位，因而對(duì)于中低溫余熱利用有著良好的適用性和發(fā)展前景。

蘇慶泉等提出了一種新型的AHT循環(huán)，其技術(shù)特點(diǎn)是在現(xiàn)有AHT循環(huán)吸收器與發(fā)生器之間的溶液循環(huán)回路中加設(shè)了一級(jí)IPA+CaCl2溶液溶解分離裝置，將混合溶液進(jìn)行有機(jī)鹽析結(jié)晶、固液分離和重新溶解。固液分離后得到的上清液中吸收劑CaCl2含量遠(yuǎn)小于下層液（包含部分結(jié)晶）中CaCl2含量，因此，將上清液送至發(fā)生器使發(fā)生過程在低濃度條件下進(jìn)行，而將下層液送至吸收器使吸收過程在高濃度條件下進(jìn)行，從而使得可利用余熱的品位得到降低的同時(shí)，可達(dá)到熱泵溫升得到提高。

可見，對(duì)于該AHT循環(huán)，關(guān)鍵在于提高上清液和下層液的濃度差。由于一般有機(jī)鹽析劑的鹽析能力與溫度和初始溶液濃度配置有關(guān)，因此，探索不同溫度和不同初始溶液濃度對(duì)最終溶液的分配系數(shù)的影響，是優(yōu)化該循環(huán)的一個(gè)研究課題。

文章將化工領(lǐng)域結(jié)晶工藝中的鹽析方法應(yīng)用于該AHT循環(huán)的鹽析結(jié)晶過程，通過在吸收溶液中添加具有親水性、同時(shí)不溶解吸收溶液成分的有機(jī)鹽析劑組分，使得一定溫度下的吸收溶液飽和濃度進(jìn)一步的減小。IPA具備與水完全互溶，又不溶解CaCl2的基本條件，因而文章首先以CaCl2-H2O工質(zhì)為例，研究了作為鹽析劑的IPA組分對(duì)CaCl2吸收溶液飽和濃度、上下層的分配系數(shù)、進(jìn)而對(duì)該循環(huán)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

文章測(cè)定了溫度為30℃-80℃（間隔10℃）、初始CaCl2濃度為各溫度下飽和濃度以及初始濃度為30%-55%（間隔5%）時(shí)，IPA：H2O=1：1的添加量對(duì)CaCl2最終溶液分配系數(shù)的影響。將不同濃度的CaCl2溶液在磁力攪拌機(jī)上加熱完全溶解，保持高溫狀態(tài)加入相應(yīng)IPA，密閉，在恒溫水浴中靜置2h。分別對(duì)上清液和下層液進(jìn)行成分分析。IPA的含量分析采用真空干燥法。真空干燥法將樣品置于真空干燥箱中抽至恒重，失去的質(zhì)量即為IPA質(zhì)量；Cl-分析采用銀量法，以鉻酸K為指示劑進(jìn)行莫爾滴定。CaCl2含量即為Cl-分析值，而H2O含量則由IPA 與Cl-的分析值之差得出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，IPA并不能溶解CaCl2，同時(shí)，IPA對(duì)CaCl2具有較強(qiáng)的鹽析作用，這就為采用IPA作為鹽析劑提供了基礎(chǔ)。

文章首先驗(yàn)證了真空干燥法測(cè)量IPA含量的準(zhǔn)確性。因?yàn)镮PA在常壓下的沸點(diǎn)是82.3℃，與水沸點(diǎn)100℃相差不大，因此需要加入LiCl來固定水分。圖1給出了不同比例的LiCl、IPA和H2O混合溶液在真空干燥環(huán)境中失重隨時(shí)間的變化規(guī)律。圖中可以看出，起初溶液失重基本呈直線，到某個(gè)時(shí)間段時(shí)突然失重減慢，出現(xiàn)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)之后溶液基本呈恒重狀態(tài)。不同比例的溶液失重都具有一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，可以認(rèn)為這個(gè)拐點(diǎn)是IPA被完全抽出的時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)溶液中含有53.3% IPA時(shí)，拐點(diǎn)在3.5h左右出現(xiàn)，IPA含量的降低，使得拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)間提前，當(dāng)IPA含量13.38%時(shí)，拐點(diǎn)出現(xiàn)在0.7h左右。從圖1中可以分析得出，對(duì)于未知IPA含量的溶液，依然可以用真空干燥法測(cè)出它的拐點(diǎn)，然后用擬合曲線來得到IPA的含量。

真空干燥法法有個(gè)不足，就是測(cè)量值與真實(shí)值之間有一定的偏差，圖2給出了真實(shí)值和測(cè)量值之間的關(guān)系。這就說明，對(duì)于未知溶液用第一次擬合曲線得出結(jié)果后，必須再用圖2的擬合曲線進(jìn)行第二次修正，以求獲得更真實(shí)的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

為了提高新型AHT循環(huán)的性能和優(yōu)化工質(zhì)對(duì)，文章結(jié)合有機(jī)鹽析結(jié)晶與新型AHT循環(huán)的基本原理，用實(shí)驗(yàn)的方法研究了通過在吸收溶液中添加具有親水性、同時(shí)不溶解吸收溶液成分的有機(jī)鹽析劑組分對(duì)不同鹽析溫度下吸收溶液各相分配系數(shù)的影響。結(jié)果表明，IPA對(duì)結(jié)CaCl2吸收溶液具有較強(qiáng)的鹽析作用，該鹽析作用隨溫度的升高而增強(qiáng)；同時(shí)溫度對(duì)下層液CaCl2含量基本無影響，這給出了我們進(jìn)行有機(jī)鹽析結(jié)晶工藝操作方面的條件，即盡量采取在高溫下操作，使得鹽析能力達(dá)到最大。上層液中CaCl2含量很少，下層液中IPA含量很低，有利于上下兩層的分離操作，并且IPA并不進(jìn)入吸收器中。發(fā)生器中CaCl2濃度可以降得較低，吸收器中CaCl2的濃度能達(dá)到很高，系統(tǒng)的放氣范圍較之純CaCl2工質(zhì)對(duì)大大提高。

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