化工原理实验讲义20101013

化工原理实验讲义

化工原理实验讲义

中国石油大学化学化工学院

化学工程系 二00八年四月

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化工原理实验讲义

目 录

目 录 .................................................................................................................................................... 2 序 言 ............................................................................................................................................... 1 实验一 流体摩擦阻力系数测定 ................................................................................................................ 3 实验二 流量计校核 ................................................................................................................................... 9 实验三 离心泵特性曲线的测定 .............................................................................................................. 12 实验四 恒压过滤常数的测定 .................................................................................................................. 16 实验五 固体流态化 ................................................................................................................................. 21 实验六 空气在圆形直管中对流传热系数的测定 .................................................................................. 26 实验七 板式精馏塔塔板效率的测定 ...................................................................................................... 31 实验八 吸收实验——填料塔吸收传质系数的测定 ............................................................................ 35

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序 言

一、化工原理实验的特点

化工原理实验属于工程实验范畴，它不同于基础课程的实验。后者面对的是基础科学，采用的方法是理论的、严密的，处理的对象通常是简单的、基本的甚至是理想的，而工程实验面对的是复杂的实际问题和工程问题。对象不同，实验研究方法也必然不同。工程实验的困难在于变量多，涉及的物料千变万化，设备大小悬殊，实验工作量之大之难是可想而知的。因此不能把处理一般物理实验的方法简单地套用于化工原理实验。数学模型方法和因次分析方法是研究工程问题的两个基本的实验研究方法，因为这两种方法可以成功地使实验研究结果由小见大，由此及彼地应用于大设备的生产设计上。例如，在因次分析法指导下的实验，可不需要过程的深入理解，不需要采用真实的物料、真实流体或实际的设备尺寸，只需借助模拟物料（如空气、水等）在实验室规模的小设备中，经一些设备性的实验或理性的推断得出过程的因素，从而加以归纳和概括成经验方程。这种因次分析法指导下的实验研究方法，是解决难于作出数学描述的复杂问题的一种有效方法。数学模型方法是在对过程有比较深入认识的基础上，将过程进行概括，得到简单而不失真的物理模型，然后进行数学上的描述。这种研究方法同样可以具备以小见大，由此及彼的功能（因次分析法指导下的实验方法和数学模型方法反映了工程实验和基础实验的主要区别）。化工原理实验的另一目的是理论联系实际。化工过程由很多单元过程和设备所组成，学生应该运用理论去指导并且能够独立进行化工单元的操作，应能在现有设备中完成指定的任务，并预测某些参数的变化对过程的影响。

二、基本要求

1、实验研究方法及数据处理

1）掌握处理化学工程问题的两种基本实验研究方法。一种是经验的方法，即应用因次分析法进行实验的规划；另一种是半经验半理论的方法或数学模型方法，掌握如何规划实验，去检验模型的有效性、模型参数的估值的可靠性。

2）掌握最基本的经验参数和模型参数的估值方法——最小二乘法。

3）对于特定的工程问题，在缺乏数据的情况下，学会如何组织实验以及取得必要的设计数据。

2、熟悉化工数据的基本测试技术

其中包括操作参数（例如流量、温度、压强等）和设备特性参数（例如阻力参数、传热系数、传质系数等）、特性曲线的测试方法。

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3、熟悉并掌握化工中典型设备的操作

了解影响设备操作的参数，能预测某些参数的变化对设备操作的影响，并能在现有设备中通过调整操作参数以完成指定的工艺要求。

三、实验课教学内容及教学方法

通过实验课的教学应让学生掌握工程实验的全过程，此过程应包括：1）实验前的准备；2）进行实验操作；3）正确记录和处理实验数据；4）撰写实验报告。

以上四个方面是实验课的主要环节，认为实验课就是单纯进行实验“操作”的观点应该改变。 为使学生对于实验有严肃的态度，严格的要求和严密的作风，我们推荐典型的实验程序如下：

1）认真阅读实验指导书和有关参考资料，了解实验目的和要求；2）进行实验室现场预习。了解

实验装置，摸清实验流程、测试点、操作控制点，此外还需了解所使用的检测仪器、仪表的基本原理和使用方法；3）预先组织好实验小组，实验小组讨论并拟订实验方案，预先作好分工，并写出实

验的预习报告，预习报告的内容应包括：①实验目的和内容；②实验的基本原理及方案；③实验装置及流程图；④实验操作步骤及实验数据的布点；⑤设计原始数据的记录表格。

预习报告应在实验前交给实验指导教师审阅，获准后学生方能参加实验。

进行实验操作，要求认真细致地记录实验原始数据。操作中应能进行理论联系实际的思考。 实验数据的处理：重复计算过程可以采用表格化的方式表达；具体计算过程需要有一组手算的计算示例，鼓励使用现代化方法进行实验数据处理。

撰写实验报告。撰写实验报告是实验教学的重要组成部分，应避免单纯填写表格的方式，而应由学生自行撰写成文，内容大致包括：1）实验目的和原理；2）实验装置简介；3）实验数据记录及数据处理；4）实验结果及讨论。

四、学生实验守则

1、遵守纪律不迟到不早退，在实验室内保持安静，不大声谈笑，遵守实验室的一切规章制度，听从教师指导。

2、实验前要认真预习，作好预习报告，经教师提问通过后，方可准予参加实验。

3、实验时要严格遵守仪器、设备、电路的操作规程不得擅自变更，操作前须经教师检查同意后方可接通电路和开车，操作中仔细观察，如实记录现象和数据。仪器设备发生故障严禁擅自处理，应立即报告教师。

4、实验后根据原始记录，处理数据、分析问题并及时作好实验报告。 5、爱护仪器、注意安全，水、电、煤气及药品要节约使用。 6、保持实验室整洁，废品、废物丢入垃圾箱内。

7、实验完毕记录数据须经教师审查签字，做好清洁工作，恢复仪器设备原状，关好门窗，检查水、电及气源是否关好后，方可离开实验室。

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实验一 流体摩擦阻力系数测定

一、实验目的及任务

1、学习流体在管道内摩擦阻力?Pf及摩擦阻力系数λ的测定方法； 2、确定摩擦阻力系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度?d之间的关系； 3、在双对数坐标纸上绘出λ～Re曲线并与莫迪图进行比较； 4、测定局部（阀门）阻力系数?。

二、实验基本原理

由于有粘性和涡流的影响，流体流动时会产生流动阻力。其大小与管子的长度、直径、流体流速和管道摩擦阻力系数有关。本实验分为直管摩擦系数?和局部（阀门）阻力系数?两种情况。

1、直管摩擦系数与雷诺数Re的测定

直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即??f(Re,?/d)，对一定的相对粗糙度而言，??f(Re)。

流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：

hf?P1?P2???Pf? （1-1）

又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）

hf?整理（1-1）（1-2）两式得

?Pf?lu2 （1-2） ??d2??2d?Pf?2 （1-3） ??lud?u?? （1-4）

Re?式中：d?管径，m ；

? ?Pf?直管阻力引起的压强降，Pa； l?管长，m；

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u?流速，m / s；

??流体的密度，kg / m3； ??流体的粘度，N·s / m2。

在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降?Pf与流速u（流量V）之间的关系。

根据实验数据和式（1-3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ，用式（1-4）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。

2、局部（阀门）阻力系数?的测定

h?f??P'f?u2 （1-5） ??2?2??P'f ????????u2 （1-6）

??式中：??局部阻力系数，无因次； ?Pf'?局部阻力引起的压强降，Pa；

h'f?局部阻力引起的能量损失，J／kg。

图1-1 局部阻力测量取压口布置图

局部阻力引起的压强降?Pf' 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a’和b-b＇，见图1-1，使

ab＝bc ； a＇b＇＝b＇c＇ 则 △Pf，a b ＝△Pf，bc ； △Pf，a＇b＇= △Pf，b＇c＇ 在a~a＇之间列柏努利方程式：

Pa－Pa＇ =2△Pf，a b+2△Pf，a＇b＇+△P

在b~b＇之间列柏努利方程式：

Pb－Pb＇ = △Pf，bc+△Pf，b＇c＇+△Pf = △Pf，a b+△Pf，a＇b＇+△Pf （1-8）

联立式（1-7）和（1-8），则：

4

＇

＇

＇

f （1-7）

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?Pf'＝2（Pb－Pb＇）－（Pa－Pa＇）

为了实验方便，称（Pb－Pb＇）为近点压差，称（Pa－Pa＇）为远点压差。用差压传感器来测量。

三、实验装置及流程

实验流程示意图见图1-2。水泵2将储水槽1中的水抽出，送入实验系统，首先经流量调节阀14、玻璃转子流量计15、16测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力；或经阀门10测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体流动阻力△p可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置∪型管22来测量。

图1-2 流动阻力实验流程示意图

1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；

7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压阀；9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀； 11-U型管进水阀；12-压力传感器；14-流量调节阀； 15、16-水转子流量计；17-光滑管阀； 18-粗糙管阀；21-倒置U型管放空阀；22-倒置U型管；23-水箱放水阀；24-管线放水阀；

25-压差表；26-温度表；27-泵开关；28-总电源开关

本实验共有8套实验设备，其主要技术数据如下:

被测光滑直管段：

设备编号 1 2 3 4 5 管径d/ m 0.008149 0.008010 0.008161 0.008016 0.008152 管长L/ m 1.70 1.70 1.70 1.70 1.70 材料 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9 5

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设备编号 6 7 8 管径d/ m 0.008150 0.008050 0.008058 管长L/ m 1.70 1.70 1.70 材料 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9 2. 被测粗糙直管段： 管径 d—0.010m； 管长L—1.70m； 材料—不锈钢管 3．被测局部阻力直管段： 管径 d—0.015m； 管长 L—1.2m； 材料—不锈钢管 4．压力传感器：

型号：LXWY 测量范围： 200 KPa 5 .直流数字电压表：

型号：PZ139 测量范围：0 ～ 200 KPa 6．离心泵：

型号： WB70/055 流量： 8 m3／h 扬程： 12 m 电机功率：550 W 7. 玻璃转子流量计：

型 号 LZB—40 LZB—10 测量范围/ L?h-1 100～1000 10～100 精度 1.5 2.5 四、实验步骤及注意事项

1、实验步骤

向储水槽内注水，直到水满为止。全关出口阀门14，启动离心泵。 1) 光滑管阻力测定：

①关闭局部阻力管阀10、局部阻力近端测压阀6；局部阻力远端测压阀7、15；关闭粗糙管阀18、粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，将光滑管阀17全开。

②在流量为零条件下，打开光滑管测压进水阀19和回水阀9，旋开倒置U型管进水阀11，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置U型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。导压系统如图1-3所示。

赶气泡操作方法如下：

开大控制阀门开度，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量阀关闭；慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀21，打开阀3、4，使液柱降至零点上下时马上关闭，管内形成气-水柱，此时管内液柱高度差应为零。然后关闭放空阀21。

③ 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。

④ 差压变送器与倒置U型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置∪型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取10～15组数据。建议当流量小于100L／h时，只用倒置∪型管来测量压差。

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2) 粗糙管阻力测定

①关闭阀17、光滑管测压进水阀19、光滑管测压回水阀9，全开阀18，旋开粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8，逐渐调大流量调节阀，赶出导压管内气泡。

② 从小流量到最大流量，一般测取15~20组数据。 ③ 直管段的压差用差压变送器测量。

光滑管和粗糙管直管阻力的测定使用同一差压变送器，当测量光滑管直管阻力时，要把通向粗糙管直管阻力的阀门关闭；同样当测量粗糙管直管阻力时，要把通向光滑管直管阻力的阀门关闭。

图1-3 导压系统示意图

13-粗糙管测压进水阀；14-直管压力传感器；15-粗糙管测压回水阀；16-光滑管测压回水阀； 17-光滑管测压进水阀；18-U型管进水阀；19-排水阀；20-U型管出水阀；21-U型管放空阀 3) 局部阻力测定

关闭阀门17和18，全开或半开阀门10，改变流量，用差压变送器测量远点、近点压差。 远点、近点压差的测量使用同一差压变送器。当测量远点压差时，要把通向近点压差的阀门关闭；同样当测量近点压差时，要把通向远点压差的阀门关闭。

4) 测取水箱内水的温度。

5) 待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。

2、实验注意事项

1）直流数字表操作方法请仔细阅读说明书后，方可使用。

2）较长时间未做实验，启动离心泵之前应先盘轴转动，否则易烧坏电机。

3）启动离心泵之前，以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。

4）在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。 5）利用压力传感器测量大流量下△P时，应切断空气—水倒置∪型玻璃管的阀门18、20否则影响测量数值。

6）大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热10～15分钟，调好数字表的零点，然后启动泵进行实验。

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五、实验数据记录及数据处理

1、将实验数据和数据处理结果列在表格中。

表1-1 实验原始数据记录表

实验装置编号：________ 实验水温：T＝________℃ 水温： 管径： 管长： 密度： 黏度：

序号 1 2 3 4 5 6 流量 l/h 直管压降(表示) kPa U形管读数 R1/mm R2/mm 2、写出计算示例，即以某一组数据为例写出计算过程。

3、在双对数坐标纸上绘出λ～Re关系曲线并与莫迪图进行比较。

4、求本实验条件下层流区光滑管λ～Re关系式，并与理论公式??64Re比较。

六、思考及讨论

1、在测量前为什么要将设备中的空气排尽？怎样才能迅速地排尽？ 2、以水为介质做出的λ～Re关系曲线，能否适用于其他流体？为什么？

3、在不同设备上（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的数据是否能关联在一条曲线上？为什么？

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实验二 流量计校核

一、实验目的及任务

1、了解孔板流量计和文丘里流量计的构造和使用方法。

2、学习掌握流量计的校核方法，计算标准孔板流量计和文丘里流量计的流量系数，验证流量计流量系数的变化规律。

3、标绘出标准孔板流量计和文丘里流量计的流量曲线。

4、测定并比较孔板流量计和文丘里流量计的流量系数大小及永久压降（阻力损失）的大小。

二、实验基本原理

孔板流量计是利用流体经过孔板前后的压差变化来实现测量流量的。流体流过孔板流量计孔口时，由于流动截面突然收缩，流体约在孔口后1/3或2/3处形成缩脉，引起流体静压能和动能的变化。根据机械能衡算方程，选择缩脉取压方式，将测定的静压差和相应的动能变化进行关联，可以求出流量。

孔板流量计流量与U形管压差计内指示液高度差之间的关系为：

V0?C0A0式中：Ao—孔板的截面积，m2； Co—孔板流量计的孔流系数。

2Rg(?0??)? (2-1)

孔流系数Co由实验测定。Co是流体雷诺数Re（以管内径计算）和孔径与管内径之比do/d1的函数。当do/d1一定时，随Re的增加Co是下降的。当Re达到一定值后，C0趋于常数。当雷诺数Re一定时，随着孔径比do/d1的增大C0增大。设计选用孔板流量计时应使孔流系数Co处于常数区。孔板流量计的C0范围一般是在0.6~0.7 。

文丘里流量计用一段渐缩渐扩管代替孔板减小阻力损失。文丘里流量计的工作原理和孔板流量计是完全一样的。

文丘里流量计的流量与U形管压差计内指示液的高度差之间的关系为：

Vv?CvAv2Rg(?v??)? (2-2)

式中，Av—文丘里流量计的喉径截面积，m2； Cv—文丘里流量计的孔流系数。

当流体流经孔板流量计或文丘里流量计时，由于突然的收缩或扩大，形成涡流，产生阻力，损失部分能量，使压力不能恢复，这种压力损失是永久压力损失。可以用实验方法测得。为保证测量的准确性，需消除涡流等因素的影响。两测压口应选在孔板前1d（1倍管径长度）和孔板后6d（6倍管径长度）的2个截面处。对于文丘里流量计，两测压口应选在距离入口和扩散管出口为1d（1倍管径长

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度）地方的2个截面处。2个截面压力差为：

?p永?p1?p2 (2-3)

永久压力损失ΔP永，可以用U形管压差计测定。常将它表示为流量计测量压差的一个百分比，即：

???p永?p测 (2-4)

η与孔板孔径（或文丘里管喉径）do和管道直径d1的比值有关。do/d1越小则永久压力损失就越大。各种孔板流量计的永久压力损失在40%~90%。由于文丘里管入口和出口都为扩散形管，流体流过时涡流损失较小，所以永久压降比孔板流量计小得多，文丘里流量计的永久压力损失一般为8%~18%。

三、实验装置及流程

本实验装置由水箱、水泵、转子流量计、孔板流量计、文丘里流量计、U形管压差计和计量槽组成。实验流程如图2-1所示。

图2-1 流量计校核实验装置流程图

孔板流量计的孔径为20.0mm， 文丘里流量计的喉径为19.0mm。水管管内径为26.0mm。本实验以水为介质，其流量用计量槽和秒表测量。计量槽底面积为1.570×10-3 m2 。

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四、 实验步骤及注意事项

1、实验步骤

1）在启动泵之前，检查旁路是否全开，出口阀是否关闭。

2）将压差计测压导管中的气泡赶出，检查U形管水银压差计中指示液面是否处于平衡位置，使各压差计处于备用状态。

3）启动水泵，调节出口及旁路阀阀门开度，使流量达到最大，流量最大值以压差计最大量程为准。 4）分别读取孔板流量计文丘里流量计对应U形管压差计的压差及永久损失压差，关闭计量槽排水阀，用计量槽和秒表测量水的流量。

5）改变流量再重复测定以上各数据，共取12~15组。 6）测取水的温度。

7）实验完毕，先关闭出口阀和旁路阀，然后停泵，切断电源。

2、注意事项

1）在做实验之前确保将取压管中气泡赶尽。

2）为保证测量精度，每次测量的时间要尽量长，水的体积要尽量多。 3）出口阀要缓缓打开，以防压差计内的水银冲出。

4）旁路阀需要开的小一点，这样携带进转子流量计的气泡就会少些。

五、实验数据记录及数据处理

1、将实验数据和数据处理结果列在表格中。 根据实验数据得到实验结果和结论。

2、在坐标纸上绘制Co与lgRe之间的关系曲线。

3、在双对数坐标纸上标绘出流量Vv与压差计读数R之间的关系曲线，并求出斜率，验证是否为0.5次方的关系。

4、计算孔板流量计和文丘里流量计的流量系数Co和Cv，比较二者的大小。 5、计算实验条件下的永久压降之比η，比较两种压差计的永久压降损失大小。

六、思考及讨论

1、U形管水银压差计测压导管中的气泡该怎样除去？

2、流量计的流量系数Co和Cv一般范围是多少?它们与哪些参数有关？这些参数对流量系数Co和Cv有什么影响?

3、比较孔板和文丘里流量计流量系数Co和Cv的大小，永久压降η的大小，并做出适当的说明。

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实验三 离心泵特性曲线的测定

一、实验目的与任务

1、了解离心泵的结构特点，熟悉并掌握离心泵的工作原理和操作方法； 2、测定离心泵在一定转速下的特性曲线。

二、实验基本原理

离心泵是一种液体输送机械，它籍助于泵的叶轮高速旋转，使充满在泵体内的液体在离心力的作用下，从叶轮中心被甩至边缘，在此过程中液体获得能量，提高了静压能和动能。液体在离开叶轮进入壳体时，由于流动截面积的增大，部分动能变成静压能，进一步提高了静压能。流体获得能量的多少，不仅取决于离心泵的结构和转速，而且与流体的密度有关。当离心泵内存在空气，空气的密度远比液体的小，使离心泵所产生的离心力不足以在泵的进口处形成所需的真空度，无法吸入液体，该现象称为“气缚”。为了保证离心泵的正常操作，在启动前必须在离心泵和吸入管路内充满液体，并确保运转过程中尽量不使空气漏入。

离心泵的主要性能参数是扬程H、流量Q、功率N、效率?和转速n。在一定的转速下，离心泵的扬程、功率、效率均随流量的大小改变。扬程与流量的特性曲线H=f（Q）、功率消耗与流量的特性曲线N=f（Q）、以及效率与流量的特性曲线?=f（Q）是离心泵的三条特性曲线。它们与离心泵的设计、制造有关，必须由实验测定。

泵特性曲线的具体测定方法如下：

1、扬程的测定

在泵的吸入口和压出口之间列柏努利方程：

P出u2出P入u2入 Z入???H?Z出???Hf入?出 （3-1）

?g2g?g2gH??Z出?Z入??P出?P入u2出?u2入??Hf入?出 （3-2）

2g?g上式中Hf入?出是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努力方程中其它项比较，

Hf入?出值很小，故可忽略。于是上式变为：

H??Z出?Z入??P出?P入u2出?u2入 (3-3) ?2g?g12

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将测得的Z出?Z入和P入的值以及计算所得的u入,u出代入上式即可求得H的值。 出?P??2、轴功率的测定

功率表测得的功率为电动机的输入功率。由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。即：

泵的轴功率N=电动机的输出功率，kw

电动机的输出功率=电动机的输入功率×电动机的效率。 泵的轴功率=功率表的读数×电动机效率，kw。

3、效率的测定

Ne (3-4) NHQ?gHQ?Ne?? (3-5)

1000102??式中：?—泵的效率；

N—泵的轴功率，kw

Ne—泵的有效功率kw； H—泵的压头，m

Q—泵的流量，m3/s；

?—水的密度，kg/m3

三、实验装置与流程

水泵2将水槽1内的水输送到实验系统，用流量调节阀8调节流量，流体经涡轮流量计5计量后，流回储水槽。流程示意图见图3-1。

实验设备主要技术参数如下：

离心泵：流量Q=1.2～7.2 m3/h ，扬程H=14～19m ，轴功率N=550w 真空表测压位置管内径d入=0.030m 压强表测压位置管内径d出=0.030m

真空表与压强表测压口之间的垂直距离△h =0.355m 实验管路d=0.050m 电机效率为60%

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图3-1 离心泵性能测定实验装置流程示意图

1-水箱 2-离心泵 3-真空表 4-出口压力表 5-涡轮流量计6-温度计7-排水阀计 8-流量调节阀 9-流量表10-功率表 11-流体温度表 12-变频器 13-总电源关 14-总电源开关 15 底阀

四、实验步骤及注意事项

1、实验步骤

1）向储水槽1内注入蒸馏水。水位最好没过回水出口，避免震动。 2）检查流量调节阀8，压力表4及真空表3的开关应关闭。

3）启动实验装置总电源，启动离心泵，缓慢打开调节阀8至全开。待系统内流体稳定，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。

4）调节流量，测取数据。可从0至最大流量。一般测12~15组数据。

5）每次在稳定的条件下同时记录：流量、压力表、真空表、功率表的读数及流体温度。 6）实验结束，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。

2、注意事项

1）该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好地接地。

2）启动离心泵前，关闭流量调节阀，压力表和真空表的开关以免损坏涡轮流量计和压强表。

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五、实验数据记录及数据处理

1、将实测数据记入表3-1；

2、将所取得的实验数据及通过计算求得的各参数在坐标纸上作出以下三条特性曲线： 扬程和流量的特性曲线H ～Q； 轴功率消耗和流量的特性曲线N ～Q； 效率和流量的特性曲线?～Q；

表3-1 原始数据记录表

实验装置编号：________ 实验水温：T＝________℃

流量 l／s 压力表 MPa 真空表 MPa 功率 kW 转速 rpm 序号 六、思考及讨论

1、离心泵在启动前为什么要引水灌泵？如果已经引水灌泵了，但离心泵还是启动不起来，你认为可能是什么原因？

2、为什么离心泵启动时要关闭出口阀和拉下功率表的开关？

3、为什么调节离心泵的出口阀可调节其流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其它方法调节泵的流量？

4、正常工作的离心泵，在其进口管上设阀门是否合理？为什么？

5、为什么在离心泵的进口管下安装底阀？从节能观点上看，底阀的设置是否有利？你认为应如何改进？

15

化工原理实验讲义

实验四 恒压过滤常数的测定

一、实验目的及任务

1、了解板框压滤机的构造，学会板框压滤机的操作方法；

2、在恒压操作时测定过滤常数K，qe，τe，并以实验所得结果验证过滤方程式； 3、测定压缩指数s和物料特性常数k； 4、了解操作压力对过滤速率的影响；

5、了解压力定值调节阀的工作原理和使用方法。

二、实验基本原理

过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液的操作。在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截流下来，从而实现固液分离，因此，过滤操作本质上是流体通过固体颗粒床层的流动，所不同的是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进行而不断增加，故在恒压过滤操作中，其过滤速率不断降低。

影响过滤速度的主要因素除压强差△p，滤饼厚度L外，还有滤饼和悬浮液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等，故难以用流体力学的方法处理。

比较过滤过程与流体经过固定床的流动可知：过滤速度即为流体通过固定床的表现速度u。同时，流体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动属于低雷诺数范围，因此，可利用流体通过固定床压降的简化模型，寻求滤液量与时间的关系，运用层流时泊唆叶公式不难推导出过滤速度计算式：

1?3?p (4-1) u?．22K?a(1??)?L式中，u—过滤速度，m/s；

K—康采尼常数，层流时，K=5.0； ε—床层的空隙率，m/m； a—颗粒的比表面积，m/m； △p—过滤的压强差，Pa； μ—滤液的粘度，Pa.s； L—床层厚度，m。 由此可导出过滤基本方程式为

2

3

3

3

dVA2?p1?s (4-2) ?d??r?v(V?Ve)16

化工原理实验讲义

3

式中，V—滤液体积，m；

τ—过滤时间，s； A—过滤面积，m；

S—滤饼压缩性指数，无因次。一般情况下S=0~1，对不可压缩滤饼S=0； r—滤饼比阻，1/m，r=5.0a2(1??)2/?3；

22

r?—单位压差下的比阻，1/m2，r=r??ps；

v—滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次； Ve—虚拟滤液体积，m。

恒压过滤时，令k=1/?r?v，K?2k?p(1?s)，q=V/A，qe?Ve/A对式(4-2)积分可得

3(q?qe)2?K(???e) (4-3)

式中，q—单位过滤面积的滤液体积，

m3/m2；

32qe—单位过滤面积的虚拟滤液体积，m/m； τe—虚拟过滤时间，s；

K—滤饼常数，由物料特性及过滤压差所决定，m/s。

K，qe，τe三者总称为过滤常数。利用恒压过滤方程进行计算时，必须首先需要知道K，qe，τe，它们只有通过实验才能确定。对式（4-3）微分整理可得

2d?22?q?qe （4-4） dqKK该式表明以

d?为纵坐标，以q为横坐标作图可得一直线，直线斜率为2/K，截距为2 qe /K。在dqd???替代，把式（4-4）改写成 ?qdq实验测定中，为便于计算，可用

??22?q?qe?qKK （4-5）

在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔△τi(i=1 、2 、3······)及对应的滤液

17

化工原理实验讲义

体积△Vi(i=1 、2 、3······)，也可采用计算机软件自动采集一系列时间间隔△τi(i=1 、2 、3······)及对应的滤液体积△Vi(i=1 、2 、3······)，由此算出一系列△τi，△qi，qi在直角坐标系中绘制

??2~q的函数关系，得一直线。有直线的斜率便可求出K和qe，再根据?e?qe/K，求出?e。 ?q改变实验所用的过滤压差△p，可测得不同压强差下的K值，由K的定义式两边取对数得

lgK?(1?s)lg(?P)?lg(2k) (4-6)

在实验压差范围内，若k为常数，则lgK~lg(△P)的关系在直角坐标上应是一条直线，直线的斜率为（1-s），可得滤饼压缩性指数s，由截矩可得物料特性常数k。

三、实验装置及流程

图4-1 恒压过滤常数测定实验装置流程图

1-配料槽 2-压力料槽 3-板框压滤机 4-压力表 5-安全阀 6-压力定值调节阀 7-洗涤液槽 8-压缩机

本实验装置由空压机、配料槽、压力储槽、板框过滤机和压力定值调节阀等组成。其实验流程如图4-1所示。MgCO3的悬浮液在配料桶内配置一定浓度后利用位差送入压力储槽中，用压缩空气加以搅拌使MgCO3不致沉降，同时利用压缩空气的压力将料浆送入板框过滤机过滤，滤液流入量筒或滤液量自动测量仪计量。

板框过滤机的结构尺寸如下：框厚度25mm，每个框过滤面积0.024m，框数2个。 空气压缩机规格型号为：2VS—0.08/7，风量0.08m/min，最大气压为0.7MPa。

18

3

2

化工原理实验讲义

四、实验步骤及注意事项

1、实验步骤

过滤实验：

1) 配制含MgCO3 8%~13%(wt.%)的水悬浮液； 2) 熟悉实验装置流程； 3) 开启空气压缩机；

4) 正确装好滤板、滤框及滤布。滤布使用前先用水浸湿。滤布要绑紧，不能起绉（用丝杆压紧时，千万不要把手压伤，先慢慢转动手轮使滤框合上，然后再压紧）；

5) 打开阀（3）、（2）、（4），将压缩空气通入配料槽，使MgCO3悬浮液搅拌均匀；（开阀时从小到大缓慢打开，以防止悬浮液喷出配料槽）

6) 关闭阀（2），打开压力料槽排气阀（18），打开阀（6），使料浆由配料桶流入压力料槽至1/2～2/3处，关闭阀（6）；

7) 打开阀（5），后打开阀（7）、阀(8) 、阀(15)通压缩空气入压力料槽，再打开阀(20)开始做低压过滤实验(压力为0.02MPa左右)；

8) 每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时刻作为开始时刻，每次ΔV取为800ml左右，记录相应的过滤时间Δτ。要熟悉双秒表轮流读数的方法。量筒交替接液时不要流失滤液。等量筒内滤液静止后读出ΔV值和记录Δτ值。测量6～8个读数即可停止实验。

9) 关闭阀（7）、阀(8)、 阀(20)，再打开阀（9）、阀（10）、阀（20），重复上述操作做中等压力过滤实验(压力在0.2MPa左右)。

10) 关闭阀（15）、阀（20）打开阀（6）、（4），将压力料槽剩余的悬浮液压回配料桶，关闭阀（4），阀（6）。

洗涤实验：

打开阀（14），进行横穿洗涤，测定洗涤速率。测定完后关闭阀门。打开排气阀（12），卸除压力料槽内的压力。然后卸下滤饼，清洗滤布、滤框及滤板。

关闭空气压缩机电源，总电源开关。

2、注意事项

1）滤饼、滤液要全部回收到配料桶 。

2）过滤进行时，阀(18)一定要稍开一点，以搅拌料液。

3）搅拌及压力槽料浆压回配料槽时注意要控制好阀门的开度，以免料浆溅出配料槽．

19

化工原理实验讲义

五、实验数据记录及数据处理

1、将实测数据记入表4-1，计算结果记入计算结果表。 2、由恒压过滤实验数据求过滤常数K，qe，τe；

3、比较几种压差下的K、qe及τe值，讨论压差变化对以上参数数值的影响； 4、在直角坐标纸上绘制lgK~lg(?p)关系曲线，求出S 及k； 5、写出完整的过滤方程式，弄清其中各个参数的符号及意义； 6、比较洗涤速率与过滤终了时的过滤速率两者之间的关系。

表4-1 原始数据记录表

实验装置编号：________ 操作压力：P＝________MPa

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 时间t（秒） 体积V(ml) 六、思考及讨论

1) 通过实验你认为过滤的一维模型是否适用？

2) 当操作压强增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同样的过滤液，其过滤时间是否缩短了一半？

3）影响过滤速率的主要因素有哪些？

4）滤浆浓度和操作压强对过滤常数K值有何影响？

5）为什么过滤开始时，滤液常常有点浑浊，而过段时间后才变清？

20

化工原理实验讲义

实验五 固体流态化

一、实验目的和任务

1、学习流体通过固体颗粒层流动特性的测量方法； 2、观察散式流化和聚式流化的实验现象；

3、测定流化曲线和临界流化速度，验证流体通过固体颗粒床层的规律，加深对这些规律的认识和理解；

4、测定液体和气体分别通过固体颗粒床层时流速与床层压降的关系； 5、观察空气固体颗粒床中颗粒输送现象及旋风分离器收集颗粒的现象。

二、实验基本原理

流体通过固体颗粒床层时，流体的流速保持在一定的范围内将大量固体颗粒悬浮于流动的流体中，并在流体作用下使颗粒作翻滚运动，类似于液体的沸腾，从而大大强化了物质的扩散过程，提高了反应速度，具有流体的某些特性故这种状态为固体流态化。流态化技术是研究和处理工业过程中固体颗粒与气相、液相、气液相之间的混合、传质、传热的多相流技术。流态化技术是化学工程及相关学科中一个非常重要的研究领域，在石油化工、煤燃烧、制药、污水处理等过程中得到重要应用。

掌握流态化技术，了解流态化床层的性质对工业生产和科学研究都有重要的意义。

根据系统的不同，流化床可以分为散式流化床和聚式流化床。由液-固系统形成的流化床，由于固体颗粒和液体颗粒的密度相差不是很大，当颗粒的直径很小时，流体以较低速度通过固体颗粒床层，就能形成流化态。且个个粒子的运动以相对比较一致的平均自由路程通过床层，床层有相对稳定的上界面，固体颗粒均匀的分散在液体中，这种流化态称为散式流化。对气-固系统形成的流化床，因为固体颗粒与气体的密度差很大或颗粒直径较大，气体必须以较大的速度通过固体颗粒床层，此时的流化态是不平稳的。气体通过固体颗粒床层时，主要是呈大气泡状态，由于这些气泡的上升与破裂，床层上界面波动大，更看不到清晰的上界面，所以将这种气—固系统所形成的流态化称为聚式流态化。

根据流体通过固体颗粒床层的流速大小，床层可表现为固定床层、流化床层和气体输送等阶段。在各个阶段，流体的流速与床层压降关系具有不同的规律。

1 流体通过固定床层的压降与流体流速的关系

关于流体通过固体床层的压降与流速之间的关系，一般使用欧根半经验公式进行计算

?p(1??)2?u(1??)?u2 (5-1) ?K1?K2323L?d?(?sdp)?sp式中 △p——床层压降，Pa；

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化工原理实验讲义

dp—颗粒平均直径，m；

ε—床层空隙率； L—床层高度，m； μ—流体粘度，Pa·s；

u—以床层横截面为基准的流体速度，m/s； ρ—测定温度下流体的密度，kg·m； φs— 球形度；

公式（5-1）中，右边第一项为粘性阻力，第二项为空隙收缩放大而导致的局部阻力。欧根采用的系数K1=150，K2=1.75。

-3

2 临界流化速度的确定

为保持稳定的流化床操作，需要将流体流速控制在一定的范围内。其起始流化速度为临界流化速度；流化床消失的速度为带出速度。稳定流态化操作的流体流速应控制在临界流化速度和带出速度之间。这两个速度对流化设备的设计和操作都是至关重要的。

临界流化速度可由公式计算出，为数众多的计算颗粒初始流态化速度的公式大体上分为三类:第一类以Ergun 公式为基础，引入经验系数加以修正；第二类以某种流体力学关系为基础；第三类属于纯经验公式。然而，液—固流态化颗粒特性计算公式很多，计算结果差别很大，例如，据不完全统计，有关资料上介绍适用于球形颗粒初始流态化速度umf的经验公式超过30 种。 在众多的计算公式中， Ergun 型的计算式适用的较宽， 精度较高。当颗粒雷诺数Rep<5时，可用李伐公式计算：

umf.820.94d1p[?(?s??)]?0.009230.88?? （5-2）

式中 dp—颗粒平均直径，m；

μ —流体粘度，Pa·s。

(a) (b)

图5-1 流化床的L、△P随流化床表观速度u的变化关系

临界流化速度umf也可以通过实验测得。临界流化速度与颗粒的性质及流体的性质有关。由实验做出△p/L-u图，由曲线的斜率计算出临界流化速度。

22

化工原理实验讲义

由图5-1（b）可以看出，在固定床阶段压降与流体流速的关系为

?p?Ku （5-3） L又流化床层的压降式可以写成

?p??1?????s???g （5-4） L联立上两式，可得

umf??1?????s???gK （5-5）

测得流体速度u与压降的数据，标出流化曲线，求出直线的斜率K，进而求出临界流化速度。比较图中的临界流化速度与计算出的流化速度。

带出速度只测气—固流化床，并采用旋风分离器对固体颗粒进行分离，使固体粒循环使用。为了防止固体颗粒的损失而影响实验的进行，所以不作液固流态化相关的实验。

三、实验装置及流程

如图5-2所示，实验装置主要由散式（液-固系统）流化部分和聚式（气-固系统）流化部分组成。两个部分各有一个透明二维床。床底部的分布板是不锈钢多孔板，床层内的固体颗粒为砂粒。

图5-2 固体流态化实验装置流程图

1-泵；2、8、9-转子流量计；3、10-温度计；4、11-分布板； 5、12-床层；6、13-U型管压差计；7-风机；14-旋风分离器；15-灰斗

对气-固系统，空气由风机供给，经过流量调节阀、转子流量计进入分布板。空气流经二维床中固

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化工原理实验讲义

体床层后从旋风分离器顶部排出，而颗粒落入灰斗中。通过调节空气流量，可以进行不同流动状态下的测定实验。设备中装有压差计指示床层压降，标尺用于测量床层高度。

对液-固系统，用泵输送的水经调节阀、转子流量计送至分布板，经二维床层后从床层上部溢流至下水槽。

颗粒特性及设备参数列于表5-1中。

表5 -1装置的颗粒特性及设备参数表

气-固系统 液-固系统 截面积A mm2 120×20 140×20 粒径d mm 0.415 0.475 粒重W g 一定量 一定量 球形度φ1.0 1.0 颗粒密度ρS s 3 kg/m 1040 2490 四、实验步骤及注意事项

1、实验步骤

在熟悉实验设备、流程、各控制开关、阀门的基础上按以下步骤进行实验： 散式流态化（液-固系统） 1）检查阀①应处于全关状态；

2）启动泵（按下绿色按钮，启动前应搬动泵轴使其转动灵活）；

3）缓缓打开阀①，流量计浮子升起，使流化床内充满水至上部溢流槽，检查U形管压差计的测压引线如有气泡应排除；

4）调节阀①从小到大测取十个以上不同流量下的床层压降值，同时观察床层的变化（记录下床层高度和变化现象）；

5）结束实验：先把阀①全关恢复固定床状态，然后按下红色按钮停泵。 聚式流态化（气-固系统）

1）检查阀②应处于全开状态，阀③、④应处于全关状态； 2）启动鼓风机（按下绿色按钮）；

3）缓缓打开阀③，关小阀②，待床层出现流态化后重新打开阀②关闭阀③恢复固定床状态； 4）调节阀③（小流量调节阀③，大流量调节阀④）和阀②从小到大测取十个以上不同空气流量下的床层压降值，同时观察床层的变化（记录下床层高度和变化现象）；

5）结束实验：先把阀②全开，然后全关③、④恢复固定床状态，然后按下红色按钮停风机。

2、注意事项

1）实验过程中要注意水电安全；进实验室要通风换气，离开时要关闭电气水的开关。 2）注意泵和风机的正确使用方法。

3）实验记录开始前，先调大流速稳定流化一段时间。

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化工原理实验讲义

五、实验数据记录及数据处理

1）将实测数据记入表5-2。通过数据处理，绘出流态化压强降、床层高度与流速关系曲线图。 2）根据流态化曲线的斜率，计算出临界流化速度。 3）求取实测的临界流化速度umf，并与理论值进行比较。

4）对实验中观察到的现象，运用流体与颗粒运动的规律加以解释。

表5-2 原始数据记录表

实验装置编号：________ 操作温度：T＝_______℃

序 号 流量 (l/h) 床层压力降(mmH2O) R1 R2 床层高度 L(cm) 床层现象 六、思考及讨论

1）临界流化速度与哪些因素有关？ 2）流态化时流体的流速应控制在什么范围？ 3）说明为什么在流化曲线上会出现一“驼峰”？ 4）气固流态化实验中，实际流化时，?p为什么会波动？

5）由小到大与由大到小改变流体流量测定的流化曲线是否重合，为什么？

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化工原理实验讲义

实验六 空气在圆形直管中对流传热系数的测定

一、实验目的与任务

1、 观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象；

2、 通过实验掌握传热膜系数α的测定方法，并分析影响α的因素； 3、 掌握确定传热膜系数准数关联式中的系数C和指数m、n的方法； 4、 通过实验提高对α关联式的理解，了解工程上强化传热的措施； 5、 掌握测温热电偶的使用方法。

二、实验基本原理

1、水蒸气冷凝传热系数α0与空气对流传热系数αi测定

在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气，水蒸气冷凝放热以加热空气，在传热过程达到稳定状态后，有如下关系式：

VρCP(t2－t1)＝α0A0(T－TW)m＝αiAi(tw－t)m （6-1）

式中 V—被加热流体体积流量，m3/s；

ρ—被加热流体密度，kg/m3；

CP—被加热流体平均比热，J/(kg·℃)；

α0、αi—水蒸气对内管外壁的冷凝传热系数和流体对内管内壁的对流传热系数，W/(m2·℃)； t1、t2—被加热流体进、出口温度，℃； A0、Ai—内管的外壁、内壁的传热面积，m2；

(T－TW)m—水蒸气与内管外壁间的对数平均温度差，℃；

(T?Tw)m?(T1?Tw1)?(T2?Tw2) （6-2）

T?Tw1ln1T2?Tw2(tw－t)m—内管内壁与空气的对数平均温度差，℃；

(tw1?t1)?(tw2?t2) （6-3）

(tw?t)m?t?tlnw11tw2?t2式中 T1、T2—蒸汽进、出口温度，℃；

Tw1、Tw2、tw1、tw2—外壁和内壁上进、出口温度，℃。

当内管材料导热性能很好且管壁很薄时，可认为Tw1＝tw1，Tw2＝tw2，即为所测得的该点的壁温。 由式（6-1）、（6-2）与（6-3）可得：

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化工原理实验讲义

?0?V?CP(t2?t1)

A0(T?Tw)m （6-4）

V?CP(t2?t1)?i? （6-5）

Ai(tw?t)m若能测得被加热流体的V、t1、t2，内管的换热面积A0或Ai，以及水蒸气温度T，壁温Tw1、Tw2，则可通过式（6-4）算得实测的水蒸气冷凝传热系数α0；通过式（6-5）算得实测的空气在管内的对流传热系数αi。

2、总传热系数测定

VρCP(t2－t1)＝KA0Δtm （6-6）

式中 K—总传热系数，W/(m2·K)；

A0—传热面积，m2； Δtm—对数平均温差，℃。

3、传热膜系数准数关联式中的系数C和指数m、n的测定

Nu = C Rem Prn Grp （6-7）

对强制湍流，Gr准数可以忽略。

Nu = C Rem Prn （6-8）

本实验中，可用图解法和最小二乘法两种方法计算准数关联式中的指数m、n和系数C。 用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和Pr分别回归。为了便于掌握这类方程的关联方法，可取n = 0.4（实验中流体被加热）。这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程：

lgNu?lgC?mlgRe （6-9） 0.4Pr在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点的函数值代入方程中得到系数C，即

C?Nu （6-10） 0.4mPrRe用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性。

而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。应用计算机对多变量方程进行一次回归，就能同时得到C、m、n。

可以看出对方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。 雷诺准数

Re?d0u? （6-11）

?努塞尔特准数

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化工原理实验讲义

Nu??id0 （6-12） ?普兰特准数

Pr?Cp? （6-13）

?式中 d0—换热器内管内径，m；

αi—空气传热膜系数，W/（m2·℃）； ρ—空气密度，kg/m3；

λ—空气的导热系数，W/（m·℃）； ； Cp—空气定压比热；J/（kg·℃）

?—空气的粘度，cP。

实验中改变空气的流量以改变准数Re之值。根据定性温度计算对应的Pr准数值。同时由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值。进而算得Nu准数值。

因为空气传热膜系数αi远小于蒸汽传热膜系数α0，所以传热管内的对流传热系数αi约等于冷热流体间的总传热系数K 。则有

牛顿冷却定律：

VρCP(t2－t1)＝αiA0Δtm （6-14）

三、实验装置及流程

本实验装置由蒸汽发生器、套管换热器及温度传感器、智能显示仪表等构成。其实验装置流程如图6-1所示。

图6-1 水蒸气－空气对流传热系数测定实验装置流程图

1-风机 2-蒸汽发生器 3-旁路阀 4-转子流量计 5-排污阀 6-蒸汽总阀

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化工原理实验讲义

7-蒸气调节阀 8-冷凝水排放阀 9-空气流量调节阀10-惰性气体排放阀 T：蒸汽温度测量电偶； t1 、t2：空气进、出口温度测量电偶；TW：壁温测量电偶

水蒸气—空气体系：来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器环隙，冷凝水经管道排入地沟。冷空气经转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），与水蒸汽换热后放空。空气流量用阀门调节。

设备与仪表规格如下：

紫铜管规格：直径φ16×3.0mm，长度L=1000mm； 外套玻璃管规格：直径φ80×5mm，长度L=1000mm； 风机：XGB—13型，风量0～90m3/h，风压12kPa； 压力表规格：0～0.1Mpa； 转子流量计LZB-25，2.5-25m3/h。

四、实验步骤及注意事项

1、实验步骤

1）检查仪表、风机、蒸汽发生器及测温点是否正常，检查进系统的蒸气阀（7）是否关闭。 2）打开总电源开关、仪表电源开关；

3）全开旁路阀（3），全关阀（9），启动风机（1）； 4）调节阀（9）的开度，阀门全开使风量达到最大；

5）关闭阀（7），打开阀（8）排除蒸汽管线中原积存的冷凝水；

6）排净后，关闭阀（8），打开阀（7），使蒸汽缓缓进入换热器环隙（切忌猛开，防止玻璃爆裂伤人）以加热套管换热器，再打开换热器冷凝水排放阀（8）（阀（8）开度不要开启过大，以免蒸汽泄漏），使环隙中冷凝水不断地排至地沟；

7）仔细调节阀（7）的开度，使蒸汽压力稳定保持在0.05MPa，以保证在恒压条件下操作，再根据测试要求，由大到小逐渐调节阀（9）的开度，合理确定3～6个实验点，待稳定后，分别从温度、压力显示仪表上读取各有关参数；

8）实验结束，先关闭阀（7），切断设备的蒸汽来路；关闭蒸汽发生器、仪表电源开关及切断总电源。

2、注意事项

1）实验装置仪表柜上的拉门学生不得随便打开，以防触电。

2）一定要在套管换热器内管输以一定量的空气，方可开启蒸汽阀门（7），且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。

3）开始通入蒸汽时，要缓慢打开蒸汽阀门，使蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”不得少于5min，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。

4）操作过程中保证蒸汽在恒压条件下操作。

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化工原理实验讲义

5）测定各参数时，必须是在稳定传热状态下（空气出口温度稳定），并且随时注意压力表读数的调整。

五、实验数据记录及数据处理

1、将实测数据记入表6-1，计算结果记入表6-2、表6-3； 2、对实验结果进行分析讨论； 3、按要求编写实验报告。

表6-1 原始数据记录表

实验装置编号：_________ 实验压力：P＝__________ MPa

实验次数 流量V m3/h 冷入 ℃ 冷出 ℃

蒸汽 ℃ 壁入 ℃ 壁出 ℃ 1 2 3 4 5 6 7 8 六、思考及讨论

1、实验中冷流体和蒸汽的相对流向，对传热效果有何影响?

2、蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？ 3、实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？ 4、实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？为什么？ 5、如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？

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化工原理实验讲义

实验七 板式精馏塔塔板效率的测定

一、实验目的及任务（本科课内实验仅完成全回流部分）

1、 熟悉板式精馏塔的结构、精馏流程、原理及操作方法； 2、 观察精馏过程中汽液两相在塔板上的接触情况； 3、 测定精馏塔全塔效率并掌握板式塔效率的影响因素。

二、实验操作原理

精馏过程是依据各组分在相同操作条件下挥发性能之间的差异来分离液相混合物的最基本最重要的单元操作之一。例如乙醇与水在常压下其沸点分别是78.3℃和100℃，当它们混合时形成一种完全互溶的二元混合物。利用乙醇和水两个组分各自挥发性能不同的特点，通过精馏的方法使混合溶液反复进行部分汽化和部分冷凝，最后在塔顶得到较浓的乙醇水溶液，在塔底得到很稀的乙醇水溶液。

本实验是将乙醇和水的二元混合溶液在筛板塔内进行精馏，测定在全回流及部分回流操作条件下的理论板数。可由实验装置的实际塔板数根据公式（7-1）计算出全塔效率。

??NT?100% （7-1） N 式中NT、N分别表示达到某一分离要求所需的理论板数和实际板数。 对于二元溶液体系，理论板数的求取利用图解法最为简捷。

全回流操作时，只要测取到乙醇—水精馏系统操作稳定时的塔顶和塔底的乙醇组成，在乙醇—水

二元溶液相平衡关系与x-y相图上即可画出理论板数NT。 （7-3）

四、实验装置及流程

精馏塔为筛板塔，全塔共有10块不锈钢板塔板，塔高1.5m，塔身用内径为50mm的不锈钢管制成，每段为100mm，用螺栓连在一起。塔身第二段和第七段是用耐热玻璃制成的，以便于观察塔内的操作状况。不锈钢塔段采用玻璃棉保温。降液管是由外径为8mm的铜管制成。筛板的直径为54mm，筛孔的直径为2mm。塔中装有铂电阻温度计用来测量塔内汽相温度。

塔顶的全凝器和塔底冷却器内是直径为8mm做成螺旋状的的铜管，外面是不锈钢套管。塔顶的物料蒸气和塔底产品在铜管外冷凝、冷却，铜管内通冷却水。塔釜用电炉丝进行加热，塔外部也用保温棉保温。

混合液体由高位槽经转子流量计计量后进入塔内。塔釜的液位计用于观察塔釜内的存液量。塔底产品经过冷却器由平衡管流出，储存在釜产品储罐（8）中。回流比调节器（30）用来控制回流比，馏出液储罐（12）接收塔顶馏出液。

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图7-1板式精馏塔塔板效率测定实验流程示意图

1-原料罐进料口；2-原料罐；3-进料泵旁路阀；4-进料泵；5-电加热器；6-釜料放空阀；7-塔釜产品罐放空阀；8-釜产品储罐；9-塔釜；10-转子流量计；11-顶产品罐放空阀；12-顶产品储罐； 13-塔板；14-塔身；15-观察段；16-塔顶取样口；17-降液管；18-线圈；19-冷凝器20-塔釜取样口；21 22 23-第七、八和九块板进料口及控制阀；24-高位槽进料阀；25-进料阀；26总电源开关；27-加热开关；28-进料泵开关；29-回流比开关；30-电压控制器；31-回流比控制器；32.33-温度显示器

四、实验步骤及注意事项

1、实验步骤

1）实验前准备工作

①将与阿贝折光仪配套的超级恒温水浴调整到20℃，准备好取样注射器和擦镜头纸。

②检查实验装置上的各个旋塞、阀门均应处于关闭状态：电流、电压表及电位器位置均应为零。

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③配制一定浓度(质量浓度10％左右)的乙醇─水混合液(总容量6000毫升左右)，加入原料储罐。 ④打开高位槽进料阀门（23、25），向精馏釜内加料到指定的高度(冷液面在塔釜总高2／3处)，而后关闭阀门。

2）全回流操作

①打开塔顶冷凝器的冷却水 (约8L／min)。 ②记下室温，打开装置上总电源开关（26）。

③调节电位器（30）使加热电压为180V左右，待塔板上建立液层时，可适当减小电压(如140V)，使塔内维持正常操作。

④等各块塔板上鼓泡均匀后，保持加热釜电压不变，在全回流情况下稳定20分钟左右，期间仔细观察全塔传质情况，待操作稳定后分别在塔顶、塔釜取样口同时取样，用阿贝折射仪分析样品浓度。

3）部分回流操作

①打开塔釜冷却水，冷却水流量以保证釜馏液温度接近常温为准。

②调节进料转子流量计阀，以2.5-3.0 l／h的流量向塔内加料；用回流比控制调节器调节回流比R＝4；馏出液收集在塔顶产品储罐（12）中。

③塔釜产品经冷却后由溢流管流出，收集在容器（8）内。

④等操作稳定后，观察板上传质状况，记下加热电压、电流、塔顶温度等有关数据，整个操作中维持进料流量计（10）读数不变，用注射器取塔顶、塔釜和进料三处样品，用折光仪分析，并记录进原料液的温度(室温)。

4）实验结束

①检查数据合理后，停止加料并将加热电压调零；关闭回流比调节器开关。 ②根据物系的t-x-y关系，确定部分回流下进料的泡点温度。 ③停止加热后10分钟，关闭冷却水。装置复原。

2、使用本实验设备应注意事项

1）本实验过程中要特别注意安全，实验所用物系是易燃物品，操作过程中避免洒落发生危险。 2.）实验设备加热功率由电位器来调节，故在加热时应注意控制加热速率，以免发生爆沸(过冷沸腾)，使釜液从塔顶冲出，若遇此现象应立即断电，重新加料到指定冷液面，再缓慢升电压，重新操作。升温和正常操作中釜的电功率不能过大。

3）开车时先开冷却水，再向塔釜供热；停车时则反之。

4）测浓度用折光仪，读取折光率数据，一定要同时记其测量温度，并按给定的折光率─质量百分浓度关系测定有关数据。

五、实验数据记录及数据处理

1、将实验原始数据和计算结果分别列入表中；

表7-1 原始数据表

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实验装置编号：________ 实验水温：T＝_____℃

实验序号 加热电压 回流比 塔 顶 回 流 第三板 第四板 第五板 温度℃ 第六板 第七板 第八板 第九板 第十板 进 料 塔 底 塔顶 进料 塔底 折光率nD20 质量分数 折光率nD20 质量分数 折光率nD20 质量分数 V 1 2 （全回流无此温度） 3 2、画出在全回流条件下塔顶温度随时间的变化规律；

3、画出稳定操作时，在全回流和部分回流条件下塔内温度在塔内分布规律； 4、计算全回流条件下的全塔效率并对实验结果进行分析和讨论； 5、按实验报告要求写出实验报告。

六、思考及讨论

1、精馏塔操作中，塔釜压力为什么是一个重要操作参数？塔釜压力与哪些因数有关？ 2、板式塔汽液两相的流动特点是什么？

3、操作中增加回流比的方法是什么？能否采用减少塔顶出料量D的方法？

4、精馏塔在操作过程中，由于塔顶采出率太大而造成产品不合格，恢复正常的最快、最有效的方法是什么？

5、本实验中，进料状况为冷态进料，当进料量太大时，为什么会出现精馏段干板，甚至出现塔顶既没有回流又没有出料的现象？应如何调节？

6、在部分回流操作时，你是如何根据全回流的数据，选择一个合适的回流比和进料口位置的？ 7、精馏操作过程中，回流温度发生变化，对精馏操作可能产生的影响； 8、如何判断精馏塔内操作是否正常合理？如何判断塔操作是否稳定？

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实验八 吸收实验——填料塔吸收传质系数的测定

一、实验目的

1)．了解填料塔吸收装置的基本结构及流程； 2)．掌握总体积传质系数的测定方法；

3)．了解气体空塔速度和液体喷淋密度对总体积传质系数的影响； 4)．了解气相色谱仪和六通阀在线检测CO2浓度的测量方法。

二、 基本原理

气体吸收是典型的传质过程之一。由于CO2气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验选择CO2

作为溶质组分是最为适宜的。本实验采用水吸收混合气中的CO2组分。一般将原料气中的CO2浓度控制在10%以内，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理。又CO2在水中的溶解度很小，所以此体系CO2气体的吸收过程属于液膜控制过程。因此，本实验主要测定Kxa和HOL。

1）计算公式

填料层高度Z为z??dZ?0ZLx1dx?HOL?NOL （8-1） ??xKxa2x?x式中： L 液体通过塔截面的摩尔流量，kmol / (m2·s)；

Kxa 以△X为推动力的液相总体积传质系数，kmol / (m3·s)；

HOL 液相总传质单元高度，m； NOL 液相总传质单元数，无因次。

（8-2）

 （8-3）

y?mx21ln[(1?A)1?A] 1?Ay1?mx1令：吸收因数A=L/mG NOL?2）测定方法

（1）空气流量和水流量的测定

本实验采用转子流量计测得空气和水的流量，并根据实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和水的摩尔流量。 （2）测定塔顶和塔底气相组成y1和y2； （3）平衡关系。

本实验的平衡关系可写成y = mx  （8-4） 式中： m 相平衡常数，m=E/P；

E 亨利系数，E＝f(t)，Pa，根据液相温度测定值由附录查得； P 总压，Pa。

对清水而言，x2=0,由全塔物料衡算G(y1?y2)?L(x1?x2)可得x1 。

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三、设备主要技术数据及其附件

⒈ 设备主要技术参数 ⑴设备参数：

①风机：XGB-12型，550W；水泵：WB50/025

② 填料塔：内径 D＝0.100 m，内装φ16×16mm不锈钢鲍尔环填料，填料层高度1.20m； ③二氧化碳钢瓶1个、减压阀1个（用户自备）。 ⑵流量测量： 序号 1 2 3 4 5 名称 转子流量计 转子流量计 涡轮流量 涡轮流量 流量调节 ⒊ 浓度测量：

塔底、塔顶气相浓度：SP-1000型气相色谱分析。

⒋ 温度测量：Pt100电阻温度计，空气入口温度、吸收液温度。 ⒉实验装置及流程

本实验装置流程如图8-1所示：水经转子流量计后送入填料塔塔顶再经喷淋头喷淋在填料顶层。由风机输送来的空气和由钢瓶输送来的二氧化碳气体经转子流量计计量后进行混合，然后进入塔底，与水在塔内进行逆流接触，进行质量和热量的交换，由塔顶出来的尾气放空，由于本实验为低浓度气体的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程可看成是等温吸收过程。

测量介质 CO2 空气 水 空气 型号 LZB-4 LZB-10 LWQ-40A-GB LWY-15 流量范围 0.025～0.25m3／h 0.25～2.5m3／h 0～50 m3／h 0～6 m3／h 备注 变频调速器

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图8-1 二氧化碳吸收实验装置流程

1-计算机；

5-液体流量调节阀； 9-吸收液取样阀； 13-填料吸收塔； 17混合气温度计； 21-空气流量计 25-风机；

2-色谱分析仪 6-液体流量旁路阀； 10-水箱； 14-回水阀； 18-排液阀； 22-CO2钢瓶减压阀； 26-空气调节阀；

3-六通阀； 7-氢气瓶； 11-压差传感器； 15-尾气调压阀； 19-液体取样 23-空气涡轮流量计； 27-尾气取样阀；

4-液体流量计； 8-离心泵； 12气体取样口； 16- CO2流量计； 20-吸收液温度计； 24-排空阀； ，28-进气取样阀；

四、实验步骤与注意事项

1、实验步骤

⑴实验前的准备（仪表的调节，手动实验时无须改动）： ⑵二氧化碳吸收传质系数的测定：

①打开阀门6、18，关闭阀门5、14、24、26。

②利用阀门5调节水涡轮流量计4到给定值（300L/h），然后打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，调节一定压力(0.1MPa)，利用二氧化碳流量计16控制流量在0.1-0.2m3/h左右为宜，空气流量利用流量计21控制流量在1-2m3/h左右为宜。稳定状态10分钟后利用设备上的六通阀取空气与二氧化碳

③待实验装置重新恢复稳定再次测量混合气体和塔底尾气测定其二氧化碳的含量并同时记录混合气流量和入口温度、液相流量和出口温度。

⑶实验完毕，关闭CO2钢瓶总阀，风机电源开关、仪表电源开关，整理实验仪器和实验场地。 2、实验过程中应注意的事项：

⑴ 开启CO2总阀前，要先关闭自动减压阀，开启开度不宜过大。 ⑵固定好操作点后，应随时注意调整以保持各量不变。 ⑶作分析时应保证六通阀内气体样品置换完全。

⑷在填料塔操作条件改变或取样后，需有较长的稳定时间，等到稳定以后方能读取有关数据。

五、实验报告要求

1、将原始数据列表。

2、计算实验条件下的总体积传质系数Kya值及总传质单元高度。 3、列出实验结果与计算示例。

六、讨论题

1、本实验中，为什么塔底要有液封？液封高度如何计算？ 2、测定Kxa有什么工程意义？

3、试计算实验条件下填料塔的实际液气比L/V是最小液气比的多少倍。 4、为什么二氧化碳吸收过程属于液膜控制？

5、当气体温度和液体温度不同时，应用什么温度计算亨利系数？ 6、填料吸收塔当提高喷淋量时，对X2，y2有何影响？

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附录：

附表一 实验原始数据记录表

项 目 气 CO2 空流量 压力 流量 温度 流量 温度 m3/h MPa m3/h ℃ l/h ℃ Pa CO2 Air CO2 Air wt% wt% wt% wt% 第一组 第二组 第三组 相 气 液相 水 全塔压降 塔组 底 塔成 顶

附表二 二氧化碳在水中的亨利系数 E×10-5，kPa

温度，℃ 亨利系数 0 0.738 5 0.888 10 1.05 15 1.24 20 1.44 25 1.66

附表三 二氧化碳和空气密度关系数据：

t（℃） 0 5 10 15 20 25 30 35 40 二氧化碳 密度(kg/m3) 1.964 1.928 1.894 1.861 1.830 1.799 1.769 1.741 1.713 空气 密度(kg/m3) 1.294 1.271 1.249 1.227 1.206 1.186 1.166 1.147 1.129 38

30 1.88 35 2.12 40 2.36 45 2.60 50 2.87 60 3.46 t（℃） 45 50 55 60 65 70 75 80 二氧化碳 密度(kg/m3) 1.686 1.660 1.634 1.610 1.586 1.563 1.541 1.519 空气 密度(kg/m3) 1.111 1.094 1.077 1.061 1.045 1.030 1.015 1.001 化工原理实验讲义

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