王辉　戴超　张晓慧　刘传发

【摘 要】针对实验室冷凝水浪费严重的情况，设计了一款小型回路循环冷凝水系统，研究证明，该系统安装简单，省水省电，相同时间内，在保证冷却效果的前提下能节约用水90 %以上， 具有极大的推广价值。

【关键词】实验室；冷凝水；装置；设计

中图分类号： TQ016.8 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）02-0217-002

【Abstract】for laboratory condensate waste serious condition，designed a small loop circulation condensate system，the research proves that the system is easy to install，save water electricity savings，the same time，on the premise of guarantee the cooling effect can save water by more than 90%，has a great promotion value.

【Key words】Laboratory；The condensed water；Device；Design

化学实验室中蒸馏、分馏、回流、水蒸气蒸馏、减压蒸馏等有机化学基本操作都需要用到冷凝水，常规实验操作中冷凝水都是直接接自来水龙头，大量水资源白白流入下水道，水资源浪费严重，尤其对于青岛这个严重缺水的城市，此举不仅不利于学生勤俭节约习惯的培养，更与国家提倡的创建节约型社会的大趋势不符。另外，在科研实验室中，有些有机反应需要长时间回流，中途不能停歇，在无人看守情况下，如遇停水，胶管破裂，可能会导致水漫金山或电器短路引起火灾，有巨大的安全隐患。目前，市面上已经有商品化的低温循环冷凝设备，但动辄几千上万元一台的价格，对基础实验室和科研经费相对短缺的科研人员来讲，有点远水解不了近渴。现有文献对实验室冷凝水循环利用有些相关报道[1-3]，但制作过程复杂，操作繁琐，如何利用现有的实验条件，稍作改变，从而达到节水和安全用水的目的，是我们一直在尝试的工作。

1 仪器与药品

仪器：潜水泵（5W）、水槽、三口瓶、直型冷凝管、球型冷凝管、温度计、圆底烧瓶

药品：乙醚（bp 34.6℃）、乙醇（bp78.3℃）、甲苯（bp 110.6℃）、二甲苯（bp 144.4℃）

2 实验

2.1 常规蒸馏用水量及冷凝效果考察

搭建蒸馏装置，分别加入15mL乙醚+15mL蒸馏水、15mL乙醇+15mL蒸馏水、15mL甲苯+15mL二甲苯三种有机混合试剂，并向蒸馏瓶中加入几粒沸石，开冷凝水，分别控制电热套电压在50V、75V和100V进行蒸馏实验[4]。

2.2 串联蒸馏装置用水量及冷凝效果考察

按图1所示，搭建串联蒸馏装置，加入15mL乙醇+15mL蒸馏水，并向蒸馏瓶中加入几粒沸石，开冷凝水，控制电热套电压在75V进行蒸馏实验，考察2组、3组、4组进行串联后的实验效果。

图1 串联型蒸馏及回流装置图

2.3 小型循环水冷凝装置的设计

按图2所示，安裝带循环冷凝水装置的蒸馏装置，按2.1步骤重复实验进行对照。

图2 带循环水冷凝装置的蒸馏、回流装置图

3 结果与讨论

3.1 常规蒸馏用水量及冷凝效果考察

在相同电压条件下，考察了不同流量条件下对不同组分的蒸馏效果，结果见表1。

表1 常规蒸馏用水量及冷凝效果考察结果

从表1数据可以看出，不同组分在相同电压，不同冷凝水流速条件下，所得产物的产率是不同的，冷凝水流速越大，冷凝效果越好，产率越高，想要达到较高的产率，需要更高的流速，这将增加自来水的浪费程度，以相对理想产率时的流速14.50/mL·S计算，10分钟将有8700mL的自来水流入下水道，如果是每次有35组同时做，70个班级做同一个实验呢？简单做一下计算，就可以发现，其消耗量是惊人的，而这仅仅是理想状态下的，实际过程中的消耗更大。以高沸点混合物甲苯+二甲苯为例，较低流速下，其进水口与出水口温度已经达到4℃的差异，加热过程中产生的热量来不及散发，影响了蒸馏效果，产率较低。由此也可以看出，通过调节水龙头开关，减低流速来实现节约用水的想法会影响冷凝效果，并不能从根本上实现节水的目的。

3.2 串联蒸馏用水量及冷凝效果考察

基于上述考虑，我们尝试将两个或多个蒸馏装置串联，即上个装置的出水口接下个装置的入水口，以期实现节约用水的目的，实验结果见表2。

表2 串联蒸馏装置的用水量及冷凝效果考察结果

串联蒸馏装置，理论上串联个数越多，节约用水效果越明显，但从表2 的数据可以看出，装置串联时，冷凝水循环速度下降，无法将热量及时带走，从而导致冷凝效果下降，除第一个装置的产率几乎不受影响外，后面装置的产率会直线下降，当三套装置串联时，进水口与出水口温度差异已经达到9℃，第三套装置的产率下降严重，已经无法满足冷凝的需要。为了保证实验效果，需要加大流量来提升，反而增加了水资源的消耗，装置连接越多，就越需要实验的同步进行，实际操作过程中，存在诸多影响因素，节水效果并不理想。

3.3 小型循环水冷凝装置的设计

为了达到节水的目的，实现水资源的循环利用，我们借助一个电动小型潜水泵来实现供水，经出水口，再流回到水槽中，如图2所示，既达到了冷凝的效果，又实现了循环用水的目的，由于水在循环过程中不断吸收热量，我们考察了水槽加水量对实验效果的影响，结果见表3。

表3 循环水装置对蒸馏实验效果的影响

如表3所示，增大水槽水量，蒸馏产率提升，说明水越多，越有利于热量散发，冷凝效果越好。相对于高沸点化合物的蒸馏，低沸点化合物受水槽水量的影响更小，在进行高沸点物质蒸馏的时候，可考虑水槽内多加水或加冰，来加速热量的散发。相对于常规自来水冷凝，循环冷凝的效果优于或接近，说明改进是合理可行的。由于水在一个回路中循环使用，其消耗量很小，可多次使用，真正实现了节水的目的。对于科研实验中长时间的回流时间，此类冷凝装置的使用，将会更加安全。

4 结论

通过上述实验，可以得出以下结论：

（1）装置冷凝效果与冷凝水流速有关，常规自来水冷凝通过调节自来水开关降低流量会影响冷凝效果，达不到节约用水的目的；

（2）串联型装置可在一定程度上节约用水，与串联装置个数有关，但串联的结果是需要加大自来水流量增大压力，加快热量散发，串联前端的冷凝效果不受影响，中后端的冷凝效果直线下降，且串联型需要步调一致，很难把控。两组串联勉强可以接受；

（3）在保证外接水槽水量的前提下，循环水冷凝装置能够达到或超过常规冷凝方式的冷凝效果，能够从根本上解决实验室水资源浪费严重的现状，而且更加安全。所需添置的仅是小水泵一台，其功率很低，耗电几乎可以忽略不计。

【参考文献】

[1]徐昌学.新型实用的简易式冷凝水循环器[J].教育与装备研究，2009（10）：30-30.

[2]马永明，孙洪英，孙娜.化工实验室冷凝水循环装置的设计[J].盐业与化工，2012，41（8）：22-23.

[3]李众.蒸馏、分馏实验中冷凝水的循环利用[J].中学化学教学参考，2016（13）：58-58.

[4]李吉海.基础化学实验II-有机化学实验[M].化学工业出版社，2016.