阻聚剂对四丁基溴化铵水合物蓄冷特性的影响

张雯翔,杜鑫研,杨燕,王世杰,杨丽玲,何梦竹,郭凯

(昆明学院 化学化工学院,云南 昆明 650214)

四丁基溴化铵(TBAB)既可作为气体水合物的热力学促进剂[1],其自身也可在0 ℃以上形成半笼型水合物[2]。前期研究发现,提高溶液浓度可增加结晶固相中TBAB水合物占比[3]。然而,固相浓度增加,动态蓄/制冷时将导致流动困难或堵塞。目前报道的水合物蓄/制冷空调系统所使用的水合物浆液,其固相占比需低于0.35(质量分数,下同),造成蓄/制冷密度降低,总功耗增加[4]。

有研究指出,添加阻聚剂(AAs)是一种最为有效地抑制水合物大量聚集的方法,可在一定程度上阻止颗粒聚积,保持浆液状态[5]。Hou等[6]研究了司班40(Span 40)与鼠李糖脂复配时的阻聚效果,提出浓度和过冷度会对其造成影响。Mohammadi和Jodat[7]研究指出不同浓度的吐温80(Tween 80)对TBAB+CO2体系水合物的形成产生不同的作用(促进或抑制),同时Tween 80也具有阻聚效果。

本文研究阻聚剂Tween 80和Span 40对质量分数为0.30,0.40,0.50的TBAB水合物浆液蓄冷特性的影响,分析其降黏效果与热物性的变化规律。

1 实验方法与材料仪器

实验材料包括:TBAB(AR)、Tween 80、Span 40、去离子水(18 MΩ·cm)。测试仪器包括:夹套烧杯、高低温恒温循环水浴、高剪切均质乳化机(HR-500D-20F)、旋转黏度计(NDJ-5S)、差示扫描量热仪(DSC25)。测定其黏度与热物性,评价水合物浆液的蓄冷性能。

黏度测定实验步骤如下:(1)配置TBAB水溶液(水合物浆液中水合物相理论质量分数为0.30,0.40,0.50),倒入夹套烧杯;(2)再加入质量分数为0.025,0.05,0.10的阻聚剂(Tween 80或Span 40),用均质机搅拌均匀(12 000 r/min);③启动高低温恒温循环水浴,对夹套烧杯进行循环制冷,控制溶液温度为4～8 ℃;④合成TBAB水合物浆液后,利用旋转黏度计测量水合物浆液的黏度。

热物性测定实验条件:DSC测量范围-30～20 ℃;升降温速率5 ℃/min;氮气50 mL/min。

2 结果分析与讨论

2.1 阻聚剂对TBAB水合物浆液黏度的影响

阻聚剂对TBAB水合物浆液黏度的影响如图1所示。

图1 阻聚剂对TBAB水合物浆液黏度的影响

未添加阻聚剂时,浆液黏度随水合物质量分数的增加而增加,由质量分数0.30时的55.5 mPa·s增至0.50时的694 mPa·s。添加Tween 80或Span 40后,TBAB水合物浆液的黏度发生变化。低浆液质量分数(0.3),添加0.025 Tween 80可使体系黏度降低约46%,而进一步提高阻聚剂质量分数至0.05,黏度反而略有提升,这是由于阻聚剂自身具有一定黏度造成的。中等浆液质量分数(0.4),分别添加质量分数0.025和0.05的两种阻聚剂均可起到降黏效果,最高可降低60.71%,但增大浓度至0.10时,黏度会大幅增加。高浆液质量分数(0.5),添加阻聚剂有一定降黏效果,添加质量分数0.05 Tween 80可降黏36.31%,添加0.025 Span 40可降黏56.77%。具体降黏效果统计列于表1。

表1 阻聚剂对TBAB水合物浆液降黏效果统计

2.2 阻聚剂对TBAB水合物热物性的影响

利用DSC测定Tween 80对TBAB水合物浆液分解吸热过程的影响,如图2所示。随着Tween 80浓度的增加,冰峰与水合物峰分离程度愈明显,冰峰减小,水合物峰增强,即水合物生成量逐渐增多。此外,水合物相变温度逐渐增大,三种浆液浓度最高分别可提升约1,2和0.5 ℃,水合物相变温度条件变得缓和。而冰的相变温度变化趋势则相反,阻聚剂使冰的相变温度变低,分别降低约1.5,2和2 ℃,抑制冰生成,有利于黏度的降低和流动性的提升,吸热(供冷)速率提高。总分解焓为198.2～280.5 kJ/kg,如表2所示。Tween 80的加入对表观总分解焓产生不利的影响,但提升了水合物相焓值占比。在0 ℃以上相变蓄冷或制冷过程中(无冰),可利用的焓值仅为水合物分解焓,故阻聚剂的加入对有效焓值(水合物分解焓)具有较好的提升作用。

表2 阻聚剂对TBAB水合物浆液热物性的影响

图2 阻聚剂对TBAB水合物浆液DSC分解曲线的影响

3 结论

利用阻聚剂Tween 80和Span 40对TBAB水合物浆液进行调控,分析浆液黏度、相变热物性的变化规律,得到以下结论:

(1)添加质量分数为0.025和0.05的阻聚剂具有较好的降黏效果,最高可降黏60.17%;

(2)Tween 80可提高水合物相变温度、增大水合物占比、降低冰含量,从而实现浆液流动性的提升。