化工原理实验讲义 - 图文

工 原 理 实

泉州师范学院化学与生命科学学院化工教研室2008.6

化 验

目 录

绪 论??????????????????????????????????1 实验一 伯努利方程实验???????????????????????????3 实验二 雷诺演示实验????????????????????????????6 实验三 节流式流量计的校核?????????????????????????8 实验四 流体流动阻力的测定?????????????????????????12 实验五 离心泵特性曲线测定?????????????????????????17 实验六 传热系数的测定???????????????????????????20 实验七 传热膜系数实验???????????????????????????22 实验八 二氧化碳吸收实验??????????????????????????26 实验九 筛板式精馏塔的操作及塔板效率的测定?????????????????31 实验十 填料精馏实验????????????????????????????32 实验十一 恒压过滤常数测定?????????????????????????36 实验十二 干燥特性曲线测定实验???????????????????????41

绪 论

1. 化工原理实验的目的

化工原理是化工类专业密切联系化工生产实际,实践性很强的一门技术基础课，化工原理实验则是学习,掌握和应用这门课程必不可少的重要环节。化工原理实验与一般实验不同之处在于它具有明显的工程特点。许多工程上复杂因素的分析，往往不能从理论上计算得到，须依据实验方法解决。通过实验，能达到如下目的：

（1）巩固和加深对理论的认识和理解,验证有关化工单元操作的理论。 （2）熟悉实验装置的结构,性能和流程,掌握一定的实验技能。

（3）通过对实验数据的分析,整理及关联,培养学生编写实验报告,处理一般工程问题和进行科学研究的初步能力。

2. 实验要求

1．认真预习实验讲义、教材的有关原理部分，弄懂实验的大致步骤、主要设备、,实验方法。 2．.进入实验室后，详细了解实验装置的结构、工艺流程、仪器、仪表使用方法、实验步骤、数据测取方法。

3．实验过程中，认真操作，细心观察，深入思考，以科学的态度填写实验记录。 4．对实验中出现的各种现象要加以分析，对测得的实验数据要考虑它们是否合理。 5．实验结束后，认真处理数据，并编写项目齐全、整洁、清楚的实验报告。

3. 实验注意事项

1. 遵守实验室的各项制度,听从指导教师的安排。 2. 准时进入实验室,不准吸烟,不准大声喧哗。

3. 爱护各种仪器设备,轻拿轻放,不要动用与本实验无关的仪器。 4. 对实验中损坏的仪器应及时登记,并报告指导教师,等待处理。 5. 格外注意水,电,汽的使用,防止触电及热灼伤发生。 6. 保持实验室卫生,实验完毕,一切动用物品应恢复原样。 7. 实验数据与记录经指导教师签字后方可离开实验室。

4. 实验数据记录与处理

4.1 实验数据的测取及记录

(1)测取数据力求准确，要求实事求是，取实验点原则上应步长一直，以使曲线上的点分布均匀。 (2)对于明显不可靠的数据,经分析应予以弃去。

(3)测取数据必须满足要求，不得遗漏，如大气压、室温、物料物性、设备尺寸等，必须清晰记录与表格中，以免事后混淆。

(4)记事应记在事前准备好的记录中，不应记在活页纸或碎纸片上，不应将实验记录视为草稿，即

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便重抄一遍实验记录，也应保存原始记录以备插队。

(5)所记录的数据应当是直接读的数据，不应经过计算再记，例如秒表停 表时的读数为1分38秒，应记作1'38\，而不应记作98\。 4.2 实验数据的整理与标绘

整理数据的目的是将所测的数据用最合适的方法表达出来，以便明显显示出数据之间的关系和变化规律。. 数据处理常用的方法是将计算数据标绘在座标纸上,在化工原理实验中,通常用到的坐标纸有直角坐标纸，半对数坐标纸，双对数坐标纸。 4.3 实验误差

实验数据整理以后，呈现出一定的特性规律。应该与理论上的规律加以比较和分析，找出引起误差的原因，这些原因，可能是粗心大意造成的疏忽误差，也可能是设备不完善或仪器系统误差,或者是由于测量本身随机性产生的偶然误差。要求每个学生能够通过自己的实验独立思考，分析，提出自己的见解。

5. 实验报告

实验报告应包括下列内容 （1）实验目的 （2）实验基本原理

（3）实验设备,装置简图,流程图 （4）原始数据表

（5）计算示例(举出一个实验点完整的计算过程) （6）计算结果一览表及图 （7）思考题 （8）体会和讨论

实验报告是实验的总结，整理实验结果也是一种基本训练。因此,要求各自独立完成实验报告。实验报告文句力求简明，书写清楚，正确使用标点，图线整齐，插图附在适当位置,并装订成册。实验报中应填写出姓名、班级、实验时间、指导教师姓名及同组人，并在规定时间内交给指导教师批阅。

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实验一 伯努利方程实验

一、实验目的

1．通过实验静止和流动的流体中各项压头及其相互转换，验证流体静力学原理和伯努利方程。 2．通过实测流速的变化与之相应的压头损失的变化，确定两者之间的关系。（测定文氏管的孔流系数Cv）

3．观察流体流经收缩、扩大管段时，各截面上静压之关系。

二、实验原理

流动的流体具有三种机械能：位能、动能和静压能，这三种能量可以相互转化。在没有摩擦损失且不输入外功的情况下，流体在稳定流动中流过的各截面上的机械能总和是相等的；在有摩擦没有外功输入时，任意两截面间机械能的差即为摩擦损失。 机械能可用测压管中液柱的高度来表示。

取任意两测试点，列出能量衡算式：

2u12P1u2PZ1g???Z2g??2??hf （1-1）

2?2?式中，Z1，Z2——两测试点距基准面的高度；

u1，u2——两点的流速；

?hf——两点的阻力损失。

对于水平测试管，Z1=Z2，则

2u12P1u2P???2??hf （1-2） 2?2?（1） 有阻力损失情况下，若u1=u2，则P2

则P1=P2。

其中，dE=dA=25mm，dB=dD=25mm，dC =7mm。

?hf=0，若u1?u2，则P1

三、实验装置

装置如图：一个液面高度保持不变的水箱，与管径不均匀的玻璃实验管连接，实验管上取有不同的测试点。水的流量由入口阀和出口阀门调节，出口阀关闭时流体静止。

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转子流量计E出口阀DCBA泵开关入口阀低位槽

图1-1 伯努利方程实验装置图

四、实验步骤

1．向水箱注入清洁的水至2/3左右。

2．检查出口阀和入口阀是否关闭。（正确为关闭）

3．接通电源，按电源开关启动水泵后，立即打开入口阀到160L/h，让水充满测试管并排尽管内的空气（包括测压管内）。（为什么？）

4．缓慢打开出口阀，使各点的测压液柱控制在标尺范围内（约2/3的高度），稳定后，记录各测压管的读数。

5．逐步调节入口阀和出口阀，改变管道内的流量，仔细观察不同导管截面处产生的不同静压强变化规律，测取若干点流量下，动能与压能的变化规律并加以计算。 6．实验结束，关入口阀后，马上关电源按钮。清理现场，填写实验记录。

五、实验数据处理

1. 实验记录 序号 1 2 3 4 5

4

流量（L/h） 160 120 80 40 20 hA（cm） hB（cm） hC（cm） hD（cm） hE（cm）

2. 数据处理 序号 1 2 3 4 5 流量（m3/s） ?h fAB ?h fAC ?h fDE ?h fCE Re Cv 六、实验注意事项

1．严禁泵在无液体状态下运转。 2．必须将管中存在的气体排净。

七、思考题

1．如果C截面变得更小，那么hC会如何变化？ 2．测定孔流系数Cv，对其有何理解？

3。关闭入口阀，各测压管内液位是否相同，为什么？

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实验二 雷诺演示实验

一、实验目的

1、观察流体在管内流动的两种不同流型。 2、测定临界雷诺数Re c 。

二、基本原理

流体流动有两种不同型态，即层流（或称滞流，Laminar flow）和湍流（或称紊流，Turbulent flow），这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。

流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个由各影响变量组合而成的无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：

Re?式中：Re —雷诺准数，无因次；

d —管子内径，m；

u —流体在管内的平均流速，m／s；

du?? （2-1）

?—流体密度，kg／m3；

μ—流体粘度；Pa·s。

层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Re c表示。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re>4000时，圆管内已形成湍流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。

式（2－1）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。本实验即是通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体的流动型态。

三、实验装置及流程

实验装置如图2－1所示。主要由玻璃试验导管、流量计、流量调节阀、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽等部分组成，演示主管路为?20?2mm硬质玻璃。

实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。

示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入试验导管。细孔玻璃注射管(或

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注射针头)位于试验导管人口的轴线部位。

注意：实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避免震动。

1 2 6 3 4 7 8 9 5 图2－1 流体流型演示实验

1－红墨水储槽； 2－溢流稳压槽； 3－实验管； 4－转子流量计； 5－循环泵； 6－上水管； 7－溢流回水管； 8－调节阀； 9－储水槽

四、演示操作

（1）层流流动型态

试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。待流动稳定后．记录主体流体的流量。此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。

（2）湍流流动型态

缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。此时可观察到，玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。

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实验三 节流式流量计的校核

一、 实验目的

1. 熟悉孔板流量计的构造、性能及安装方法。 2. 掌握流量计的标定方法之一——容量法。 3. 测定孔板流量计的孔流系数与雷诺准数的关系。

二、 基本原理

对非标准化的各种流量仪表在出厂前都必须进行流量标定，建立流量刻度标尺（如转子流量计）、给出孔流系数（如涡轮流量计）、给出校正曲线（如孔板流量计）。使用者在使用时，如工作介质、温度、压强等操作条件与原来标定时的条件不同，就需要根据现场情况，对流量计进行标定。

孔板、文丘里流量计的收缩口面积都是固定的，而流体通过收缩口的压力降则随流量大小而变，据此来测量流量，因此，称其为变压头流量计。而另一类流量计中，当流体通过时，压力降不变，但收缩口面积却随流量而改变，故称这类流量计为变截面流量计，此类的典型代表是转子流量计。

2.1 孔板流量计的校核

孔板流量计是应用最广泛的节流式流量计之一，本实验采用自制的孔板流量计测定液体流量，用容量法进行标定，同时测定孔流系数与雷诺准数的关系。

孔板流量计是根据流体的动能和势能相互转化原理而设计的，流体通过锐孔时流速增加，造成孔板前后产生压强差，可以通过引压管在压差计或差压变送器上显示。其基本构造如图3-1所示。

若管路直径为d1，孔板锐孔直径为d0，流体流经孔板前后所形成的缩脉直径为d2，流体的密度为ρ，则根据柏努利方程，在界面1、2处有：

2u2?u12p1?p2?p ??2??3-1 孔板流量计

（3-1）

或

2u2?u12?2?p/? （3-2）

由于缩脉处位置随流速而变化，截面积A2又难以指导，而孔板孔径的面积A0是已知的，因此，用孔板孔径处流速u0来替代上式中的u2，又考虑这种替代带来的误差以及实际流体局部阻力造成的能量

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损失，故需用系数C加以校正。式（3－2）改写为

2u2?u12?C2?p/?

（3-3）

对于不可压缩流体，根据连续性方程可知u1?A0u0，代入式（3-3）并整理可得 A1 （3-4）

u0?C2?p/?1?(A0)2A1令 C0?C （3-5） A1?(02)A1则式（3-4）简化为 u0?C02?p/? （3-6） 根据u0和A0即可计算出流体的体积流量：

V?u0A0?C0A02?p/? （3-7）

或 V?u0A0?C0A02gR(?i??)/? （3-8） 式中：V－流体的体积流量， m3/s； R－U形压差计的读数，m；

?i－压差计中指示液密度，kg/m3；

C0－孔流系数，无因次；

C0由孔板锐口的形状、测压口位置、孔径与管径之比和雷诺数Re所决定，具体数值由实验测定。

当孔径与管径之比为一定值时，Re超过某个数值后，C0接近于常数。一般工业上定型的流量计，就是规定在C0为定值的流动条件下使用。C0值范围一般为0.6-0.7。

孔板流量计安装时应在其上、下游各有一段直管段作为稳定段，上游长度至少应为10d1，下游为5d2。孔板流量计构造简单，制造和安装都很方便，其主要缺点是机械能损失大。由于机械能损失，使下游速度复原后，压力不能恢复到孔板前的值，称之为永久损失。d0/d1的值越小，永久损失越大。 2.2 文丘里流量计的校核

孔板流量计的主要缺点时机械能损失很大，为了克服这一缺点，可采用一渐缩渐括管，如图3-2所示，当流体流过这样的锥管时，不会出现边界层分离及漩涡，从而大大降低了机械能损失。这种管称为文丘里管。

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文丘里管收缩锥角通常取15°-25°，扩大段锥角要取得小些，一般为5°-7°，使流速改变平缓，因为机械能损失主要发生在突然扩大处。

文丘里流量计测量原理与孔板完全相同，只不过永久损失要小很多。流速、流量计算仍可用式（3－6）、（3－7），式中u0仍代表最小截面处（称为文氏喉）的流速。文丘里管的孔流系数C0约为0.98-0.99。机械能损失约为

2 （3-9） wf?0.1u0图3-2 文丘里流量计

文丘里流量计的缺点是加工比孔板复杂，因而造价高，且安装时需占去一定管长位置，但其永久损失小，故尤其适用于低压气体的输送。

三、实验装置与流程

实验装置 如图3-3所示。主要部分由循环水泵、流量计、U型压差计、温度计和水槽等组成，实验主管路为1寸不锈钢管（内径25mm）。

图3-3 流量计较核实验示意图

四、实验步骤与注意事项

1. 熟悉实验装置，了解各阀门的位置及作用。

2. 对装置中有关管道、导压管、压差计进行排气，使倒U形压差计处于工作状态。

3. 对应每一个阀门开度，用容积法测量流量，同时记下压差计的读数，按由小到大的顺序在小流

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量时测量8－9个点，大流量时测量5－6个点。为保证标定精度，最好再从大流量到小流量重复一次，然后取其平均值。

4. 测量流量时应保证每次测量中，计量桶液位差不小于100mm或测量时间不少于40s。 5. 主要计算过程如下：

（1）根据体积法（秒表配合计量筒）算得流量V（m3/h）； （2）根据u?4V，孔板取喉径d0＝15.347mm，文丘里取喉径d＝12.403mm； ?d2（3）读取流量V（由闸阀开度调节）对应下的压差计高度差R，根据u0?C02?p/?和?p??gR，

求得C0值。 （4）根据Re?du??，求得雷诺数，其中d取对应的d0值。

（5）在坐标纸上分别绘出孔板流量计和文丘里流量计的C0－Re图。

五、实验报告

1. 将所有原始数据及计算结果列成表格，并附上计算示例。

2. 在单对数坐标纸上分别绘出孔板流量计和文丘里流量计的C0－Re图。 3. 讨论实验结果。

六、思考题

1. 孔流系数与哪些因素有关？ 2. 如何检查系统排气是否完全？

3. 从实验中，可以直接得到ΔR－V的校正曲线，经整理后也可以得到C0－Re的曲线，这两种表

示方法各有什么优点？

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实验四 流体流动阻力的测定

一、实验目的

1．掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。

2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线。 3．测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数?。 4．学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法。 5．识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。

二、基本原理

流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的存在，要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。 1．直管阻力摩擦系数λ的测定

流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为： hf??pf??p1?p2??lu2lu2?? （4-1）

d2 （4-2）

即， ??式中： λ —直管阻力摩擦系数，无因次；

d —直管内径，m；

2d?pf?pf—流体流经l米直管的压力降，Pa；

hf—单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg； ρ —流体密度，kg/m3； l —直管长度，m；

u —流体在管内流动的平均流速，m/s。

滞流(层流)时，

??64 （4-3） Redu?Re?? （4-4）

式中：Re —雷诺准数，无因次；

μ —流体粘度，kg/(m·s)。

湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。

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由式（4-2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定?pf、u、ρ、μ等参数。 l、d为装置参数（装置参数表格中给出）， ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得， u通过测定流体流量，再由管径计算得到。

例如本装置采用涡轮流量计测流量，V，m3/h。 u?V (4-5) 2900?d ?pf可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。（1）当采用倒置U型管液柱压差计时

?pf??gR (4-6) 式中：R－水柱高度，m。

（2）当采用U型管液柱压差计时

?pf???0???gR (4-7)

式中：R－液柱高度，m；

?0－指示液密度，kg/m3。

根据实验装置结构参数l、d，指示液密度?0，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(4-5)、(4-6)或(4-7)、(4-4)和式(4-2)求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。

2．局部阻力系数? 的测定

局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。 (1) 当量长度法

流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为le的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号le表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，则流体在管路中流动时的总机械能损失

?hf 为：

l??leu2?hf??d2 (4-8)

(2) 阻力系数法

流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。即：

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u2?? h?f? (4-9) ?g2故 ?? 式中：? —局部阻力系数，无因次；

?p?f －局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。）

ρ —流体密度，kg/m3； g —重力加速度，9.81m/s2；

u —流体在小截面管中的平均流速，m／s。

待测的管件和阀门由现场指定。本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。 根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度?0，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(4-5)、(4-6)或(4-7)、(4-10)求取管件或阀门的局部阻力系数?。

2?p?f?p?f?gu2 (4-10)

三、实验装置与流程

1． 实验装置

实验装置如图4-1所示。： 2.实验流程

实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成的。管路部分有三段并联的长直管，分别为用于测定局部阻力系数，光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。

水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪。 3．装置参数

装置参数如表4-1所示。

表4-1 流体流动阻力实验装置参数表

名称 装置1 局部阻力 光滑管 粗糙管

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材质 闸阀 不锈钢管 镀锌铁管 管内径（mm） 管路号 管内径 测量段长度（cm） 95 100 100 1A 1B 1C 20.0 20.0 21.0

1－水箱； 2－管道泵；3－涡轮流量计；4－进口阀；5－均压阀；6－闸阀；

7－引压阀；8－压力变送器；9－出口阀；10－排水阀；11－电气控制箱

图4-1 实验装置流程示意图

四、实验步骤

1．泵启动：首先对水箱进行灌水，然后关闭出口阀，打开总电源和仪表开关，启动水泵，待电机转动平稳后，把出口阀缓缓开到最大。

2. 实验管路选择：选择实验管路，把对应的进口阀打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5－10min。

3. 排气：在计算机监控界面点击”引压室排气”按钮,则差压变送器实现排气。

4．引压：打开对应实验管路的手阀,然后在计算机监控界面点击该对应,则差压变送器检测该管路压差。

5．流量调节：手控状态，在出口阀最大开度下，调节变频器输出，让流量从0.5到3.5m3/h范围内变化，建议每次实验变化0.5m3/h左右。每次改变流量，待流动达到稳定后，记下对应的压差值；自控状态，流量控制界面设定流量值或设定变频器输出值，待流量稳定记录相关数据即可。 6．计算：装置确定时，根据?P和u的实验测定值，可计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列λ～Re的实验点，从而绘出λ～Re曲线。

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7．实验结束：关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，清理装置。

五、实验数据处理

根据上述实验测得的数据填写到下表：

实验日期： 实验人员： 学号： 温度： 装置号： 直管基本参数： 光滑管径 粗糙管径 局部阻力管径 序号 流量（m3/h） 光滑管压差（KPa） 粗糙管压差（KPa） 局部阻力压差（KPa） 六、实验报告

1．根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，对照化工原理教材上有关曲线

图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。

2．根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。 3．根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。 4．对实验结果进行分析讨论。

七、思考题

1．在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀?为什么? 2．以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体?如何应用?

3．如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?

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实验五 离心泵特性曲线测定

一、实验目的

1．熟悉离心泵的操作和结构。

2．测定离心泵在一定转速下的特性曲线。

二、实验原理

在一定转速下，离心泵的压头He，轴功率N及效率?均随实际流量Qe的大小而改变，因此泵的特性是由H=f1（Qe），Ne= f2（Qe），?= f3（Qe）三条曲线来决定，而此三条曲线是经实验测得标绘出来。

1. 流量：Qe?f/?（L/s）或 Qe?m/?t（m3/h）

222. 扬程：He?H0?(PB?PA)/g??(wB?wA)/2g

式中：PB——压力表读数（Pa）； PA——真空表读数（Pa）；

H0——A、B两截面之间的垂直距离（m）； wA，wB——进出口两截面的流速（m/s）； f——流量计读数（s-1）；

?——流量计系数（L-1）

3. 泵的有效功率：Ne?QeHeg? （W） 4. 离心泵轴功率N

泵轴功率N=电机输出功率=功率表读数?电机效率 （W） 电机输入功率=功率表读数?3 （W） 5. 离心泵效率?：??Ne N三、实验装置

本实验用1.5B1-6型离心泵进行实验，用离心泵将储水槽内的水抽出，送入离心泵性能测定管路测量系统 ，然后由压出管排至水槽。在泵的吸入口和压出口处，分别装有真空表和压力表，以测量水进出口处的压力。泵的出口管线装有文氏流量计及调节阀门，用来调节水的流量或管内压力。

四、实验步骤

1．向储水槽内注入清洁水，直到80%为止。

2．打开泵上的放水考克（竖立），通过引水阀向泵内罐满水（为什么？），直到考克喷出水，关闭所有阀门（考克、注水阀、泵出口阀）。

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压力表考克引水阀出口阀真空表功率流量开关低位槽

图5-1 离心泵实验装置简图

3．接上电源，按绿钮启动离心泵，立即打开泵的出口阀门至全开。稍停片刻，读取功率表、流量表、压强表、真空表的读数。（功率表读数>750时，要停机）

4．测取数据顺序可任选。切记流量从最大知流量接近零的范围内应均匀取8组数据。 5．数据测量完毕，按红钮关闭出水阀门后，马上关闭离心泵的电源，并清理实验场地。

五、实验数据处理

1.数据记录 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 2.数据处理 序号 1 2 3

出口管径?25mm H0 =215mm T水= 进口管径?40mm 真空度（MPa） 流量计读数（s-1） 轴功率?3 （W） 压力（Pa） 扬程H（m） 流量Q（m3/h） 有效功率Ne（W） 18

功率?（%）

讲解时间长短）。在U型湿漏斗中加入一定水量，并关注干球温度，干燥室温度（干球温度）

图11-3干燥装置流程图

1－风机； 2－管道； 3－进风口； 4－加热器； 5－厢式干燥器； 6－气流均布器； 7－称重传感器； 8－湿毛毡； 9－玻璃视镜门； 10，11，12－蝶阀

要求达到恒定温度（例如70℃）。

（3）将毛毡加入一定量的水并使其润湿均匀，注意水量不能过多或过少。

（4）当干燥室温度恒定在70℃左右时, 将湿毛毡十分小心地放置于称重传感器上。放置毛毡时应

特别注意不能用力下压，因称重传感器的测量上限仅为500克，用力过大容易损坏称重传感器。

（5）记录时间和脱水量，每分钟记录一次重量数据；每两分钟记录一次干球温度和湿球温度。 （6）待毛毡恒重时，即为实验终了时，关闭仪表电源，注意保护称重传感器，非常小心地取下毛

毡。

（7）关闭风机，切断总电源，清理实验设备。 2. 注意事项

（1）必须先开风机，后开加热器，否则加热管可能会被烧坏。

（2）特别注意传感器的负荷量仅为500克，放取毛毡时必须十分小心，绝对不能下压，以免损坏

称重传感器。

（3）实验过程中，不要拍打、碰扣装置面板，以免引起料盘晃动，影响结果。

五、实验报告

1. 绘制干燥曲线（失水量~时间关系曲线）； 2. 根据干燥曲线作干燥速率曲线；

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3. 读取物料的临界湿含量； 4. 对实验结果进行分析讨论。

六、思考题

1. 什么是恒定干燥条件？本实验装置中采用了哪些措施来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行？ 2. 控制恒速干燥阶段速率的因素是什么？控制降速干燥阶段干燥速率的因素又是什么？

3. 为什么要先启动风机，再启动加热器？实验过程中干、湿球温度计是否变化？为什么？如何判断实验已经结束？

4. 若加大热空气流量，干燥速率曲线有何变化？恒速干燥速率、临界湿含量又如何变化？为什么？

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4 5 6 7 8 六、实验注意事项

1.启动离心泵之前，一定要检查各处阀门是否关闭。 2.流体在管路输送中不应有气存在。 3.泵内无水时，严禁启动泵。 4.离心泵不要长时间空转。

七、思考题

1.为什么在启动离心泵前要先灌水排气？ 2.离心泵的特性曲线是否与连接管路系统有关？

3.由实验得知，泵的流量越大，泵进出口处真空度越大，为什么？

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实验六 传热系数的测定

一、实验目的

1．掌握列管换热器传热系数的测定。 2．通过实验确定流速对传热系数的影响。 3．验证并流、逆流换热器的特点。

二、实验原理

热流体在列管热交换器的管内流过，而冷流体在管外流过（逆流），通过固体壁面传递热量。穿热过程由热流体对壁面的对流传热、间壁的固体热传导和壁面对冷流体的对流传热。 热流体的热量：q?Cpqm(T1?T2)（J/S） 传热速率：q?KA?Tm（J/S） 式中：?Tm??t1??t2，?t1?T1?t2，?t2?T2?t1 ?t1ln?t2所以，传热系数K?qmCp(T1?T2)A?Tm （W/m2.K）

三、实验装置

图6-1 传热系数实验装置简图

四、实验步骤

1.打开进水阀门，控制水流量在200L/h。

2.启动气源气泵后，马上打开进气阀，控制空气流量在25m3/h。

3.接上电源，按绿钮开启加热电源，待控温仪上温度（120℃左右）稳定后（约10分钟），进行实验测定，记下各流量及温度读数。

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4.测定传热系数K时，在维持水流量不变的情况下，改变空气流量，测定组数据。

5.实验结束，按红钮关闭加热电源，继续通空气和水（10分钟），直至空气出口温度低于50℃，关闭水和空气调节阀后，马上关闭空气和电源。切断总电源，排尽管道中的积水，作好清洁工作，填写使用记录。

五、实验数据处理

1.数据记录

热流体（空气） 序号 1 2 3 4 5 空气流量（m/h） 3冷流体（水） 水流量（L/h） 温度（℃） 温度（℃） T1 T2 t1 t2 注：内管为不锈钢，管径?10?1mm，测试长度l=1000mm，管数20根，管外测传热总面积0.62m2 2.数据处理 序号 1 2 3 4 5 q（W） ?tm逆（℃） K（W/m2 . ℃） K平均（W/m2 . ℃） 六、实验注意事项

1.控温仪上的表键严禁触摸！

2.气源不可在0流量下工作，应用旁路阀来调节。

3.停止实验时，必须先停热电源，待管内热水被冷却手，再停止水泵并停止通冷水。 4.加热时以设定120℃为宜，不得大于120℃。

5.实验用的加热空气，温度达100℃以上时要注意安全！

七、思考题

1.分析本实验中，K产生误差的因素。 2.定量分析K与流速的关系。

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实验七 传热膜系数实验

一、实验目的

1.通过实验掌握传热膜系数?的测定方法，并分析影响?的因素。 2.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。 3.通过实验提高对?关联式的理解。

4.了解影响给热系数的因素和强化传热系数的途径。

二、实验原理

1.对流系数的核心问题是求算传热膜系数?，当流体无相变化时对流传热准数关联式一般形式为

Nu?CRemPrnGrp。对于强制湍流，Gr准数可以忽略，则Nu?CRemPrn。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 （7-1） Pr0.4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C，即

C?Nu （7-2）

Pr0.4Rem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。雷诺数Re?du??，努塞尔准数

Nu?Cp??1d，普兰特准数Pr? ??式中：d——换热器内管内径（m）；

； ?1——空气传热膜系数（W/m2?℃）

?——空气密度（kg/ m3）；

?——空气的导热系数（W/m2?℃）；

。 Cp——空气定压比热（J/kg?℃）

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?值，进而算得Nu准数值。

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2．牛顿冷却定律

? （7-3） q??1A内?tm??式中，?tm???t2??t1??T1?TW2，?t2??T2?TW1（逆流），?t1，A内为内管内表面积。

??t1ln??t23．总传热速率方程式

q?KAm?tm （7-4）

式中，?tm为管内外流体的平均温差（℃），?tm??t1??t2，?t1?T1?t2，?t2?T2?t1（逆?t1ln?t2流）

传热量q可由下式求得：

q?qwCP(T1?T2)/3600?qv?CP(T1?T2)/3600 （7-5）

式中，qw——空气质量流量（kg/h）；

； qv——空气体积流量（m3/h）T1，T2——空气的进出口温度（℃）。 实验条件下的的空气流量qv须按下式计算：

qv?qvt1?273?t （7-6）

273?t1式中，qvt1——空气入口温度下的体积流量（m3/h）；

t——水进出口平均温度（℃）。

因为空气传热膜系数?1远小于水的传热膜系数?2，所以传热管内的对流传热系数?近似于冷热流体间的总传热系数K。

强化传热被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量，提高现有换热器的换热能力，使换热器能在较低温差西啊工作，并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，能有效的利用能源和资金。强化传热时，Nuo?BRem，其中B，m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。同样可用线性回归方法确定B和m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，即强化管的努塞尔特准

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数Nuo与普通管的努塞尔特准数Nu的比。显然，强化比Nuo/Nu>1，而且它的值越大，强化效果越好。

三、实验装置

本实验采用套管式换热器，空气走管程，水走壳程。装置简图如下：

表7-1 传热管参数表 换热器内管内径d1（mm） 换热器内管内径d0（mm） 换热器内管内径D1（mm） 换热器内管内径D0（mm） 测量段长度l（m） 内管 雷诺准数 套管 加热系统 功率 15 18 22 25 2.00 图7-1 传热膜系数实验装置简图 3?105~3?106 0.9?104~0.9?105 3KW 四、实验步骤

1.先打开进水阀门，控制流量计读数在200L/h。

2.接上气泵电源，启动气泵后，马上打开空气出口阀，维持流量计读数在15 m3/h。

3.接上电源，按绿纽开启加热电源，对空气加热10分钟后（T1为180℃左右），开始实验，记录冷、热流体流量和进出口温度，管道壁温。

4.调节空气流量，稳定后（约10分钟），测另一种数据。

5.实验结束后，先按红纽关加热电源，继续通水、气10分钟后，直到空气出口温度低于50℃以下，关闭水和空气调节阀后，马上关闭空气泵的电源。切断总电源，排尽管道中的积水，做好清

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洁工作，填写实验记录。

五、实验处理

1.数据记录

热流体 序号 1 2 3 4 5 流量（m/h） 3冷流体 温度（℃） T1 T2 流量（m/h） 3壁温 温度（℃） t1 t2 温度（℃） TW1 TW2 2.数据处理 序号 1 2 3 4 5 ?（℃） K（W/m2?K）q（W） ?tm（℃） ?tm ?h（W/m2?K） Nu Pr0.4 Re 作logNu/Pr0.4~logRe曲线，求C和n。

六、实验注意事项

1.实验装置仪柜上的拉门不得随便打开，以防触电。 2.控温仪上的表键严禁触摸！

3.气源不可在0流量下工作，应用旁路阀来调节为宜，也必须保证空气管线的畅通，即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。

4.停止实验时，必须先停加热电器，待管内热水冷却后，再停止水泵并停止通冷水。 5.加热时以设定180℃为宜，不得大于190℃。

6.实验用的加热空气，温度达100℃以上时要注意安全！

七、思考题

1.本实验中你是如何判断系统达到稳定状态？

2.给热系数?受流体流量的影响有多大，空气或水的流量哪个影响较大，为什么？ 3.为什么数据要整理成Nu-Re的关系，而不是Nu-U的关系？

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实验八 二氧化碳填料吸收实验

一、 实验目的

1. 了解填料吸收塔的结构和流程。

2. 了解吸收剂进口条件的变化对吸收操作结果的影响 3. 掌握吸收总传质系数的测定方法。

二、实验原理

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，所以气体吸收实验常选择CO2

作为溶质组分。本实验采用水吸收空气中的CO2组分。一般CO2在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的CO2气体通入空气中混合以提高空气中的CO2浓度，水中的CO2含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理，并且此体系CO2气体的解吸过程属于液膜控制。

传质平均推动力：

?CAm??CA1??CA2(C*A2?CA2)?(C*A1?CA1)?

?CA2C*A2?CA2lnln?CA1C*A1?CA1式中：?CA1和?CA2分别为塔底溶液和空白液（水）的二氧化碳浓度。C*A1和C*A2分别为塔底溶液和空白液（水）的平衡溶解度，可以根据下式计算：

C*A1?C*A2?C*A?HpA

式中：H为比例系数，pA为大气压。H可根据下式计算：

H??wMw?1 E式中：E为亨利常数，可根据表8-1查出。?w和分别为水的密度和Mw分子量。

由于CO2气体的解吸过程属于液膜控制，所以液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，即：

KL?VCA1?CA2 .hs?CAm式中：V为水的体积流量，h和S分别为塔高和塔截面积。

三、实验装置

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5436107112121139水8 图8-1 二氧化碳吸收实验装置流程

1.二氧化碳钢瓶； 2.减压阀； 3.二氧化碳流量计； 4.水流量计； 5.转换阀； 6.拉西环填料吸收塔； 7.压差计； 8.填料吸收塔液封； 9.转换阀； 10.空气流量计； 11.空气流量控制阀； 12.气泵； 13.转换阀

吸收质（纯二氧化碳气体）由钢瓶经过二次减压阀和转子流量计3，进入吸收塔塔底，气体由下向上经过填料层与液相水逆流接触，到塔顶放空；吸收剂（纯水）经过转子流量计4，进入塔顶，再喷洒而下；吸收后溶液由塔底流出，经液封8排出；空气从吸收塔底由下向上经过填料层与液相逆流接触，自塔顶放空。U型液柱压差计用以测量塔底压强和填料层的压强降。

四、实验步骤

1.测定吸收塔干填料层(?p/Z)~u关系曲线：

先全开阀11并将阀9打开，启动风机，用转子流量计8 调节进塔的空气流量，按空气流量从大到小的顺序，读取填料层压降?p（压差计7）和转子流量计8的读数，然后在对数坐标纸上以空塔气速u为横坐标，以单位高度的压降?p/Z为纵坐标，标绘干填料层(?p/Z)~u的关系曲线。 2.测定吸收塔在某喷淋量下填料层(?p/Z)~u关系曲线

用水喷淋量（拉西环填料吸收踏为喷淋量20 l/h）时，用上面相同方法读取填料层压降?p，转子流量计读数和流量计处空气温度并注意观察塔内的操作现象，一旦看到液泛现象时，记下对应的空气转

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子流量计读数。在对数坐标纸上标出液体喷淋量为20 l/h下(?p/Z)~u的关系曲线。同时，确定液泛气速并与观察到的液泛气速起诉相比较。 3.二氧化碳吸收传质系数的测定

（1） 打开阀门11（空气流量与水流量相对应）

（2） 打开二氧化碳瓶顶上的针阀，将压力调到1MPa，二氧化碳流量一般控制在0.1m/h左右，调节

水流量计4为40l/h，操作达到定常状态以后，测量两塔底的水温，同时，测定塔底二氧化碳的含量。

（3） 溶液中二氧化碳含量的测定方法

用移液管吸取0.1M的Ba（OH）2溶液10ml，放入三角瓶中，并从塔底附设的取样口处接收塔底溶液20ml，用胶管塞塞好，并振荡。滤去瓶中碳酸钡白色沉淀，溶液中加入2-3滴甲基橙指示剂，最后用0.1M的盐酸滴定到终点，直到脱除红色的瞬时为止，由空白试验与溶液滴定用量之差值，按下式计算的出溶液中二氧化碳的浓度：

3

CCO2?五、实验数据处理

1． 几个关键的参数如下：

拉西环?6?6mm

2CBa(OH)2VBa(OH)2?CHClVHCl2V溶液mol/L

填料吸收塔内径：D=0.037m，高度Z=0.58m 二氧化碳在水中的亨利系数见表8-1

表8-1 二氧化碳在水中的亨利系数

温度oC 2. 实验结果

（1） 干填料时(?p/Z)~u关系的测定 序号 填料层压降 mmH2O 1 2 3 4 5

0 5 10 1.05 15 1.24 20 1.44 25 1.66 30 1.88 35 2.12 40 2.36 45 2.60 50 2.87 60 3.46 0.738 0.888 单位填料压降 mmH2O/m 空气流量 m/h 3空气流量计处空气温度C o空塔气速 m/s 28

6 7 8 9 10 11 （2） 喷淋量为20l/h时(?p/Z)~u关系的测定 序号 填料层压降 mmH2O 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 单位填料压降 mmH2O/m 空气流量 m/h 3空气流量计处空气温度C o空塔气速 m/s 操作现象 （3） 传质实验数据

被吸收的气体：纯CO2； 吸收剂：水； 塔内径：37mm 填料种类 填料尺寸 拉西环 ?6?6mm 3CO2转子流量计读数 m/h 水流量 l/h 中和CO2用Ba（OH）2的浓度 mol/l 中和CO2用Ba（OH）2的体积 ml 滴定用盐酸的浓度 mol/l 29

滴定塔底吸收液用盐酸的体积 ml 滴定空白液用盐酸的体积 ml 样品体积 ml 塔底液相的温度 C 亨利常数E 10Pa 塔底液相浓度CA1 Kmol/m 35o 空白液相浓度CA2 Kmol/m 3传质单元高度HL EKmol/ m*Pa -73 平衡浓度CA* 10Kmol/ m -23平均推动力?CAm Kmol/ m 2液相体积传质系数KL m/s 六、思考题

1.填料吸收塔塔底为什么要有液封？

2.从传质推动力和传质阻力两方面分析吸收剂流量对吸收过程的影响？ 3.为什么二氧化碳吸收过程属于液膜控制？

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实验九 筛板式精馏塔的操作及塔板效率的测定

一、实验目的

1. 了解筛板式精馏塔的结构 2. 熟悉筛板式精馏塔的操作方式 3. 测定全回流的总塔板效率

二、基本原理

精馏操作时分离工程中最基本最重要的单元之一。在板式精馏塔中，混合液在塔板上传质、传热、气相逐板上升，液相逐板下降，层层接触，多次部分气化，部分冷凝，在塔顶得到较纯的轻组分，塔釜得到较纯的重组分，从而实现分离。实验物料是乙醇-水体系。

精馏塔理论塔板数的计算利用图解法或捷算发，对于二元物系，若已知其气液平衡数据，则根据流出液的组成XD，料液组成XF，残液组成XW及回流比R，即可求出理论板数NT。

本实验采用全回流状态下，通过测定塔顶，塔釜组成，确定出理论塔板数，计算出全塔效率：

??式中：?——全塔效率；

NT——理论塔板数（块）； NP——实际塔板数（块），NP=18

NTNP?100%

三、实验步骤

1. 首先熟悉精馏塔设备的结构和流程，并了解各部分的作用。

2. 检查：（1）加热釜中料液量在液位计的红线（约为液面计高3/4左右），所配釜内料液组成以含酒精5%（质量分率）的水溶液为宜。（2）加料储罐料液组成以含酒精15%-20%（约为液面计高3/4左右）。 3. 加热：接通总电源，打开仪表柜上的电源（按绿键）和加热开关，用调压器逐渐加大电压指示140V。 4. 开冷却水：注意观察塔顶、塔釜的温度变化和灵敏板的温度的情况和釜内压强，当见到有上升蒸汽时，打开冷却水（注意勿因冷却水过少而使蒸汽从塔顶喷出）。

5. 全回流：（1）关闭产品出口阀门，全开回流阀门，塔顶温度达到72OC左右，将电压调到140V以下，通过修正输入电量的大小，使全回流达到正常（塔顶78OC以下，塔釜96OC和灵敏板温度78.5OC-81.5OC左右，釜压小于等于2KPa）。（2）由塔顶取样管和塔底取样口用烧杯和瓷杯接取适量试样，并使其冷却到20OC-30之间，在量筒中用比重计测定XD，XW的浓度，求全塔效率。

6. 部分回流：调节产品出口阀、回流阀，开料泵后，打开加料阀（开度以保持釜内液位在液位计的红线为准），当各层塔板上汽气液鼓泡正常时，操作稳定，塔顶、塔釜温度恒定不变15分钟后取样，测定Xf、XD、XW，进行物料衡算。

7. 实验结束，先关闭进料阀后，马上关闭进料泵；将电压减小到0，关加热电源，待塔顶温度在55OC以下关掉电源（按红钮），切断总电源，待塔内没有回流时将冷却水关闭。

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实验十 填料精馏实验

一、实验目的

1.了解填料式精馏塔的构造,熟悉精馏工艺流程 2.熟悉填料技术参数的测定方法 3.测定理论塔板数。

二、实验原理

在精馏过程中，液体混合物经多次部分气化后,在液相中获得高纯度的难挥发组分，气体混合物经多次部分冷凝后,在气相中获得高纯度的易挥发组分。将原料液进入的层板称为加料板，加料板以上的塔段，作用是把上升蒸气中易挥发组分进一步提浓，称为精馏段；加料板以下的塔段(包括加料板)，其作用是从下降液体中提取易挥发组分，称为提馏段。

理论板：在其上气，液两相都充分混合，且传质及传热过程阻力均为零的理想化塔板。无论进入理论板的气、液两相组成如何，离开该板时气、液两相达到平衡状态，即两相温度相等，组成互成平衡，组成关系可由平衡关系来确定。 （1）回流比R

回流比指由精馏塔塔顶返回塔内的回流液流量与塔顶产品流量的比值，它对蒸馏产品的浓度有很大影响，按下式计算：

R=回流量L/产品量D （1）

（2）精馏段操作线（如图9-1）方程的求法 精馏段操作线方程的一般表示如下：

yn?1?xRxn?D （2） R?1R?1式中，xD 为塔顶摩尔浓度。

xn 下降液摩尔浓度。 yn+1 上生汽摩尔浓度。

（3）求每米填料理论板数

每米填料理论板数= 理论板数NT/实际填料高度

三、实验装置及流程

1. 实验装置

装置简图如图9-2所示。

图9-1 精馏操作线

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温度探头冷却水真空压力表转子流量计温度仪冷凝器精馏柱真空压力表冷却水产品罐过凝器冷却水再怫器水泵调节真空阀回流冷却水逸流水加热丝真空装置水箱

图9-2 实验装置简图

2. 装置流程 （1）待精馏物料

把体积浓度约25%的酒精精馏到体积浓度80%以上。 （2）酒精流程

再沸器产生蒸汽→精馏柱→塔顶蒸汽管→列管冷凝器→

→管程→

过冷凝器(管程)

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回流流量计→回流管→再沸器 → 微型回流泵

产品流量计→产品出口 过冷凝器(壳程) 真空泵 产品罐 （3）冷却水流程

冷却水入口（管程）→列管冷凝器→冷却水出口 冷却水入口（管程）→过冷凝器→冷却水出口 （4）产品浓度调节方法

通过调节回流流量计与产品流量计的流量比值可调节产品浓度。一般情况下， 回流比应大于1.8。 （5）冷却水流量与加热功率的确定

冷却水流量不宜过大，要保证塔顶蒸汽压力稍高于大气压。加热功率不宜过大，要防止产生液泛。 （6）产品浓度的测量

用酒度计测量塔釜残液与塔顶产品的浓度。 （7）填料

填料为不锈钢丝网填料，总高1200毫米, 比表面积约600 m2/m3 。

四、实验步骤

（1）把积浓度约25%的酒精通过原料入口加到再沸器内，加入量约为再沸器容积的2/3

（2）开电热棒加热。首先把所有的电热棒全开加热；当再沸器达到约90℃（有蒸汽产生）时，关闭部分电加热棒。用少量电加热棒维持蒸汽压力比大气压稍高即可。

（3）通冷却水。这时候蒸汽压力可能会降低，但只要增加电热棒的加热功率，可维持蒸汽压力比大气压稍高。

（4）全回流操作。打开微型回流泵，全开回流阀（保持产品阀关闭），尽进行全回流操作。这时候应通过调节回流阀应维持液位计的浓酒精液位不变，通过调节加热功率维持蒸汽压力比大气压稍高。全回流操作应维持10分钟以上，让填料表面润湿。

（5）完成全回流操作后，慢慢开启产品阀与关小回流阀，使回流比在1.8-3之间。这时候应通过调节回流阀与产品阀的大小应维持液位计的浓酒精液位不变，通过调节加热功率维持蒸汽压力比大气压稍高。

（6）有稳定产品出来10分钟后，分别采样塔顶产品与塔釜残液各200毫升左右，用水冷至室温，用酒度计测量浓度。

（7）精馏操作与当地的环境温度有很大关系，本精馏操作最关键是要维持蒸汽压力比大气压稍高、维

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持液位计的浓酒精液位不变、维持回流比不变。手段是通过调节回流阀、产品阀与加热功率。

四、实验数据处理

2． 几个关键的参数如下：

塔釜温度：85-95 ℃ 塔顶温度：76-80 ℃ 蒸汽压力：微正压 回流比： 1.8-3.0

稳定操作时加热功率：2-9 KW 回流流量：2-4L/H 产品流量：0.6-2L/H 2. 数据记录 实验记录表如下：

加热功率KW 温度℃ 回流 塔釜 塔板 塔顶 冷却水 塔顶产品 塔釜产品 流量 产品L/H 进水出水酒度温温计示度℃ 度℃ 值 测量摩尔浓度 回流温L/H 度℃ 3. 数据处理 （1）实验数据转换

查有关图表，把实验数据中的酒度计读数转换为摩尔浓度。如上表的数据转换变成了如下的附表

加热功率KW

温度℃ 回流 塔釜 塔板 塔顶 冷却水 进水出温水度℃ 温度℃ 塔顶产品 酒度计示值 测量温度℃ 质量分率% 摩尔分率% 塔釜产品 摩尔分率% xD xW （2）求回流比R。

（3）求精馏段操作线方程。

（4）在酒精-水汽液平衡图上精馏段操作线方程，求理论塔板数NT。 （5）求每米填料理论板数。

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实验十一

一、实验目的

1. 熟悉板框压滤机的构造和操作方法。

恒压过滤常数测定 2. 通过恒压过滤实验，验证过滤基本理论。

3. 学会测定过滤常数K、qe、τe及压缩性指数s的方法。 4. 了解过滤压力对过滤速率的影响。

二、基本原理

过滤是以某种多孔物质为介质来处理悬浮液以达到固、液分离的一种操作过程，即在外力的作用下，悬浮液中的液体通过固体颗粒层（即滤渣层）及多孔介质的孔道而固体颗粒被截留下来形成滤渣层，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层的流动，而这个固体颗粒层（滤渣层）的厚度随着过滤的进行而不断增加，故在恒压过滤操作中，过滤速度不断降低。

过滤速度u定义为单位时间单位过滤面积内通过过滤介质的滤液量。影响过滤速度的主要因素除过滤推动力（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。

过滤时滤液流过滤渣和过滤介质的流动过程基本上处在层流流动范围内，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，可得过滤速度计算式：

dVdqA?p?1?s?A?p?1?s?u???? （10-1）

Ad?d???r?C?V?Ve???r??C??V?Ve?式中：u —过滤速度，m/s；

V —通过过滤介质的滤液量，m3； A —过滤面积，m2； τ —过滤时间，s；

q —通过单位面积过滤介质的滤液量，m3/m2；

△p —过滤压力（表压）pa ；

s —滤渣压缩性系数； μ—滤液的粘度，Pa.s； r —滤渣比阻，1/m2；

C —单位滤液体积的滤渣体积，m3/m3； Ve —过滤介质的当量滤液体积，m3； r? —滤渣比阻，m/kg；

C —单位滤液体积的滤渣质量，kg/m3。

对于一定的悬浮液，在恒温和恒压下过滤时，μ、r、C和△p都恒定，为此令：

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2?p?1?s?K? （10-2）

??r?C于是式（10-1）可改写为：

dVKA2? （10-3） d?2(V?Ve)式中：K—过滤常数，由物料特性及过滤压差所决定，m2/s。 将式（10-3）分离变量积分，整理得：

?V?VeV?V?Ve?d?V?Ve??1KA2e??20d? 即 V2?2VVe?KA2? 将式（10-4）的积分极限改为从0到Ve和从0到?e积分，则：

V2e?KA2?e 将式（10-5）和式（10-6）相加，可得：

?V?V2e??KA2????e? 式中：?e—虚拟过滤时间，相当于滤出滤液量Ve所需时间，s。 再将式（10-7）微分，得：

2?V?Ve?dV?KA2d? 将式（10-8）写成差分形式，则

???q?2Kq?2Kqe 式中：?q— 每次测定的单位过滤面积滤液体积（在实验中一般等量分配），m3/ m2；

??— 每次测定的滤液体积?q所对应的时间，s；

q— 相邻二个q值的平均值，m3/ m2。

以???q为纵坐标，q为横坐标将式（10-9）标绘成一直线，可得该直线的斜率和截距，斜率： S?2K 截距： I?2Kqe

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10-4）

10-5） 10-6）

10-7）

10-8）

10-9） （ （ （ （ （ （

则， K?2,m2s SKIIqe??,m3

2Sqe2I2?e??,s 2KKS改变过滤压差△p，可测得不同的K值，由K的定义式（2）两边取对数得：

lgK??1?s?lg??p??B

(10-10)

在实验压差范围内，若B为常数，则lgK～lg(△p)的关系在直角坐标上应是一条直线，斜率为(1-s)，可得滤饼压缩性指数s。

三、实验装置与流程

本实验装置由空压机、配料槽、压力料槽、板框过滤机等组成，其流程示意如图10-1。

图10-1 板框压滤机过滤流程

CaCO3的悬浮液在配料桶内配制一定浓度后，利用压差送入压力料槽中，用压缩空气加以搅拌使CaCO3不致沉降，同时利用压缩空气的压力将滤浆送入板框压滤机过滤，滤液流入筒计量，压缩空气从压力料槽上排空管中排出。

板框压虑机的结构尺寸：框厚度20mm，每个框过滤面积 0.0127m2，框数2个。 空气压缩机规格型号：风量0.06m3/min，最大气压0.8Mpa。

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四、实验步骤

1．实验准备

1.1配料。在配料罐内配制含CaCO310％～30％（wt. %）的水悬浮液，碳酸钙事先由天平称重，水位高度按标尺示意，筒身直径350mm。配置时，应将配料罐底部阀门关闭。

1.2搅拌。开启空压机，将压缩空气通入配料罐（空压机的出口小球阀保持半开，进入配料罐的两个阀门保持适当开度），使CaCO3悬浮液搅拌均匀。搅拌时，应将配料罐的顶盖合上。 1.3设定压力。分别打开进压力灌的三路阀门，空压机过来的压缩空气经各定值调节阀分别设定为0.1MPa、0.2MPa和0.3MPa（出厂已设定，每个间隔压力大于0.05MPa。若欲作0.3MPa以上压力过滤，需调节压力罐安全阀）。设定定值调节阀时，压力灌泄压阀可略开。

1.4装板框。正确装好滤板、滤框及滤布。滤布使用前用水浸湿，滤布要绷紧，不能起皱。滤布紧贴滤板，密封垫贴紧滤布。（注意：用螺旋压紧时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧）。

1.5灌清水。向清水罐通入自来水，液面达视镜2/3高度左右。灌清水时，应将安全阀处的泄压阀打开。

1.6灌料。在压力罐泄压阀打开的情况下，打开配料罐和压力罐间的进料阀门，使料浆自动由配料桶流入压力罐至其视镜1/2~2/3处，关闭进料阀门。

2．过滤过程

2.1鼓泡。通压缩空气至压力罐，使容器内料浆不断搅拌。压力料槽的排气阀应不断排气，但又不能喷浆。

2.2过滤。将中间双面板下通孔切换阀开到通孔通路状态。打开进板框前料液进口的两个阀门，打开出板框后清液出口球阀。此时，压力表指示过滤压力，清液出口流出滤液。

2.3对于数字型，实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次800ml左右时采集一下数据。记录相应的过滤时间△τ。每个压力下，测量8～10个读数即可停止实验。若欲得到干而厚的滤饼，则应每个压力下做到没有清液流出为止。

2.4量筒交换接滤液时不要流失滤液。等量筒内滤液静止后读出△V值。（注意：△V约800ml时替换量筒，这时量筒内滤液量并非正好800ml。要事先熟悉量筒刻度，不要打碎量筒），此外，要熟练双秒表轮流读数的方法；对于数字型，由于透过液已基本澄清，故可视作密度等同于水，则可以带通讯的电子天平读取对应计算机计时器下的瞬时重量的方法来确定过滤速度。 2.5每次滤液及滤饼均收集在小桶内，滤饼弄细后重新倒入料浆桶内搅拌配料，进入下一个压力实验。注意若清水罐水不足，可补充一定水源，补水时仍应打开该罐的泄压阀。

3．清洗过程

3.1关闭板框过滤的进出阀门。将中间双面板下通孔切换阀开到通孔关闭状态。

3.2打开清洗液进入板框的进出阀门（板框前两个进口阀，板框后一个出口阀）。此时，压力表指示清洗压力，清液出口流出清洗液。清洗液速度比同压力下过滤速度小很多。

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3.3清洗液流动约1min，可观察混浊变化判断结束。一般物料可不进行清洗过程。结束清洗过程，也是关闭清洗液进出板框的阀门，关闭定值调节阀后进气阀门。 4．实验结束

4.1先关闭空压机出口球阀,关闭空压机电源。 4.2打开安全阀处泄压阀，使压力罐和清水罐泄压。 4.3冲洗滤框、滤板，滤布不要折，应当用刷子刷洗。

4.4将压力罐内物料反压到配料罐内备下次实验使用，或将该二罐物料直接排空后用清水冲洗。

五、实验报告

1. 由恒压过滤实验数据求过滤常数K、qe、τe。

2. 比较几种压差下的K、qe、τe值，讨论压差变化对以上参数数值的影响。 3. 在直角坐标纸上绘制lgK~lg△p关系曲线，求出s。 4. 实验结果分析与与讨论。

六、思考题

1． 板框过滤机的优缺点是什么？适用于什么场合？ 2． 板框压滤机的操作分哪几个阶段？

3． 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？

4． 影响过滤速率的主要因素有哪些？当你在某一恒压下所测得的K、qe、τe值后，若将过滤压强

提高一倍，问上述三个值将有何变化？

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实验十二 干燥特性曲线测定实验

一、实验目的

1. 了解洞道式干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法。 2. 学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法。

3. 掌握根据实验干燥曲线求取干燥速率曲线以及恒速阶段干燥速率、临界含水量、平 衡含水量的实验分析方法。

4. 实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响。

二、基本原理

在设计干燥器的尺寸或确定干燥器的生产能力时，被干燥物料在给定干燥条件下的干燥速率、临界湿含量和平衡湿含量等干燥特性数据是最基本的技术依据参数。由于实际生产中的被干燥物料的性质千变万化，因此对于大多数具体的被干燥物料而言，其干燥特性数据常常需要通过实验测定。

按干燥过程中空气状态参数是否变化，可将干燥过程分为恒定干燥条件操作和非恒定干燥条件操作两大类。若用大量空气干燥少量物料，则可以认为湿空气在干燥过程中温度、湿度均不变，再加上气流速度、与物料的接触方式不变，则称这种操作为恒定干燥条件下的干燥操作。

1. 干燥速率的定义

干燥速率的定义为单位干燥面积（提供湿分汽化的面积）、单位时间内所除去的湿分质量。即

U?GdXdW??CAd?Ad? (11－1)

式中，U－干燥速率，又称干燥通量，kg/（m2s）；

A－干燥表面积，m2；

W－汽化的湿分量，kg；

? －干燥时间，s；

Gc－绝干物料的质量，kg；

X－物料湿含量，kg湿分/kg干物料，负号表示X随干燥时间的增加而减少。

2. 干燥速率的测定方法

将湿物料试样置于恒定空气流中进行干燥实验，随着干燥时间的延长，水分不断汽化，湿物料质量减少。若记录物料不同时间下质量G，直到物料质量不变为止，也就是物料在该条件下达到干燥极限为止，此时留在物料中的水分就是平衡水分X。再将物料烘干后称重得到绝干物料重Gc，则物料中

*

瞬间含水率X为

G?Gc （11－2） Gc计算出每一时刻的瞬间含水率X，然后将X对干燥时间?作图，如图11－1，即为干燥曲线。

X? 41

图11－1恒定干燥条件下的干燥曲线

上述干燥曲线还可以变换得到干燥速率曲线。由已测得的干燥曲线求出不同X下的斜率

dX，再d?由式（11－1）计算得到干燥速率U，将U对X作图，就是干燥速率曲线，如图11－2所示。

图11－2恒定干燥条件下的干燥速率曲线

3. 干燥过程分析

预热段 见图11－1、11－2中的AB段或AB’段。物料在预热段中，含水率略有下降，温度则升至湿球温度tW ,干燥速率可能呈上升趋势变化，也可能呈下降趋势变化。预热段经历的时间很短，通常在干燥计算中忽略不计，有些干燥过程甚至没有预热段。本实验中也没有预热段。

恒速干燥阶段 见图11－1、11－2中的BC段。该段物料水分不断汽化，含水率不断下降。但由于这一阶段去除的是物料表面附着的非结合水分，水分去除的机理与纯水的相同，故在恒定干燥条件下，物料表面始终保持为湿球温度tW，传质推动力保持不变，因而干燥速率也不变。于是，在图11－2中，BC段为水平线。

只要物料表面保持足够湿润，物料的干燥过程中总有恒速阶段。而该段的干燥速率大小取决于物料

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表面水分的汽化速率，亦即决定于物料外部的空气干燥条件，故该阶段又称为表面汽化控制阶段。

降速干燥阶段 随着干燥过程的进行，物料内部水分移动到表面的速度赶不上表面水分的气化速率，物料表面局部出现“干区”，尽管这时物料其余表面的平衡蒸汽压仍与纯水的饱和蒸汽压相同、传质推动力也仍为湿度差，但以物料全部外表面计算的干燥速率因“干区”的出现而降低，此时物料中的的含水率称为临界含水率，用Xc表示，对应图11－2中的C点，称为临界点。过C点以后，干燥速率逐渐降低至D点，C至D阶段称为降速第一阶段。

干燥到点D时，物料全部表面都成为干区，汽化面逐渐向物料内部移动，汽化所需的热量必须通过已被干燥的固体层才能传递到汽化面；从物料中汽化的水分也必须通过这层干燥层才能传递到空气主流中。干燥速率因热、质传递的途径加长而下降。此外，在点D以后，物料中的非结合水分已被除尽。接下去所汽化的是各种形式的结合水，因而，平衡蒸汽压将逐渐下降，传质推动力减小，干燥速率也随之较快降低，直至到达点E时，速率降为零。这一阶段称为降速第二阶段。

降速阶段干燥速率曲线的形状随物料内部的结构而异，不一定都呈现前面所述的曲线CDE形状。对于某些多孔性物料，可能降速两个阶段的界限不是很明显，曲线好像只有CD段；对于某些无孔性吸水物料，汽化只在表面进行，干燥速率取决于固体内部水分的扩散速率，故降速阶段只有类似DE段的曲线。

与恒速阶段相比，降速阶段从物料中除去的水分量相对少许多，但所需的干燥时间却长得多。总之，降速阶段的干燥速率取决与物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大，故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。

三、实验装置

1．装置流程

本装置流程如图11-3所示。空气由鼓风机送入电加热器，经加热后流入干燥室，加热干燥室料盘中的湿物料后，经排出管道通入大气中。随着干燥过程的进行，物料失去的水分量由称重传感器转化为电信号，并由智能数显仪表记录下来（或通过固定间隔时间，读取该时刻的湿物料重量）。

2．主要设备及仪器

（1）鼓风机：BYF7122,370W； （2）电加热器：额定功率4.5KW； （3）干燥室：180mm×180mm×1250mm； （4）干燥物料：湿毛毡；

（5）称重传感器：CZ500型，0～500g。

四、实验步骤与注意事项

1．实验步骤

（1）放置托盘，开启总电源，开启风机电源。

（2）打开仪表电源开关，加热器通电加热，旋转加热按钮至适当加热电压（根据实验室温和实验

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