化工原理实验(教案).doc

化工原理实验讲 稿王 承 敏二0一二年九月 1. 能量转换（伯努利）实验、实验目的1.演示流体在管内流动时静压能、动能、位能相互之间的转换关系，加深对伯努利方程的理解。2.通过能量之间变化了解流体在管内流动时其流体阻力的表现形式。3.可直接观测到当流体经过扩大、收缩管段时，各截面上静压头的变化过程，形象直观，说服力强。二、实验内容1.测量几种情况下的压头，并作分析比较。2.测定管中水的平均流速和点C、D 处的点流速，并做比较。三、实验原理在实验管路中沿管内水流方向取n个过水断面。运用不可压缩流体的定常流动的总流Bernoulli方程，可以列出进口附近断面（1）至另一缓变流断面（i）的伯努利方程： 其中i=2，3，4，n； 取。选好基准面，从断面处已设置的静压测管中读出测管水头的值；通过测量管路的流量，计算出各断面的平均流速和的值，最后即可得到各断面的总水头的值。四、实验装置基本情况1.实验设备流程图（如图一、图二所示）： 图一 能量转换实验流程示意图图二 实验测试导管管路图2.实验设备主要技术参数表一 设备主要技术参数序号名称规格（尺寸）材料1主体设备离心泵型号：WB50/025不锈钢2水箱880370550不锈钢3高位槽445445730有机玻璃五、实验方法及步骤1.将水箱灌入一定量的蒸馏水，关闭离心泵出口上水阀及实验测试导管出口流量调节阀、排气阀、排水阀，打开回水阀和循环水阀后启动离心泵。2.逐步开大离心泵出口上水阀，当高位槽溢流管有液体溢流后，利用流量调节阀调节出水流量。稳定一段时间。3.待流体稳定后读取并记录各点数据。4.逐步关小流量调节阀，重复以上步骤继续测定多组数据。 5.分析讨论流体流过不同位置处的能量转换关系并得出结论。6.关闭离心泵，结束实验。六、实验注意事项1.离心泵出口上水阀不要开得过大，以免水流冲击到高位槽外面，导致高位槽液面不稳定。2.调节水流量时，注意观察高位槽内水面是否稳定，随时补充水量保持稳定。3.减小水流量时阀门调节要缓慢，以免水量突然减小使测压管中的水溢出管外。 4.注意排除实验导管内的空气泡。5.避免离心泵空转或离心泵在出口阀门全关的条件下工作。七、实验数据处理（测量点结果图绘制为图三、图四、图五、图六）A截面的直径14mm； B截面直径28mm；C截面、D截面直径14mm；以D截面的中心为零基准面；D截面中心距基准面为ZD=0mm。 A截面和D截面间距离为100mm；A、B、C截面ZA=ZB=ZC=100（即标尺为100毫米）对这些实验数据分析如下：表二 第一套数据记录表序号项目流量560（l/h）流量460（l/h）流量360（l/h）压强测量值（mmH2O)压头（mmH2O)压强测量值（mmH2O)压头（mmH2O)压强测量值（mmH2O)压头（mmH2O)1静压头2冲压头3静压头4静压头5静压头6静压头7静压头8静压头9静压头10静压头11冲压头12静压头13冲压头14静压头15冲压头1.冲压头分析2.截面间静压头分析（同一水平面处静压头变化）3.截面间静压头分析（不同水平面处静压头变化）4.压头损失的计算5.文丘里测量段分析结论2. 单向流动阻力测定实验一、实验目的1.学习直管摩擦阻力Pf 、直管摩擦系数l的测定方法。2.掌握直管摩擦系数l与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。3.掌握局部摩擦阻力Pf 、局部阻力系数的测定方法。4.学习压强差的几种测量方法和提高其测量精确度的一些技巧。二、实验内容1.测定实验管路内流体流动的阻力和直管摩擦系数l。2.测定并绘制实验管路内流体流动的直管摩擦系数l与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系曲线。3.测定管路部件局部摩擦阻力Pf和局部阻力系数。三、实验原理1.直管摩擦系数l与雷诺数Re的测定流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系 （1） （2） （3）式中：管径，m ； 直管阻力引起的压强降，Pa； 管长，m； 流体的密度，kg / m3；流速，m / s； 流体的粘度，Ns / m2。 直管摩擦系数与雷诺数Re之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。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，则水的密度和粘度也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降与流速（流量V）之间的关系。根据实验数据和式（1-2）可计算出不同流速下的直管摩擦系数，用式（3）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出与Re的关系曲线。2局部阻力系数的测定: （4） （5）式中：局部阻力系数，无因次； 局部阻力引起的压强降，Pa；局部阻力引起的能量损失，Jkg。图1 局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降 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abbc， abbc则 Pf，a b Pf，bc ； Pf，ab= Pf，bc在aa之间列柏努利方程式： PaPa =2Pf，a b+2Pf，ab+Pf （1-6）在bb之间列柏努利方程式： PbPb = Pf，bc+Pf，bc+Pf = Pf，a b+Pf，ab+Pf （1-7）联立式（1-6）和（1-7），则：2（PbPb）（PaPa）为了便于区分，称（PbPb）为近点压差，（PaPa）为远点压差。其数值通过差压传感器来测量。四、实验装置基本情况1.实验装置技术参数离心泵：型号WB 70/055 流量8m3h 扬程:12m 电机功率550W被测直管段：光滑管管径d=0.0078 (m) 管长L-1.70 (m) 材料不锈钢 粗糙管管径d=0.01 (m) 管长L-1.70(m) 材料不锈钢 被测局部阻力直管:管径d=0.015(m) 管长L-1.70(m) 材料不锈钢玻璃转子流量计： 型号LZB25 测量范围1001000（L/h） 型号 LZB10 测量范围10100（L/h） 压差传感器：型号LXWY 测量范围200 KPa数字显示仪表: 温度测量 Pt100 数显仪表：AI501B压差测量 压差传感器 数显仪表：AI501BV242. 单相流动阻力测定实验装置流程示意图（见图-2）图-2 单相流动阻力测定实验装置流程示意图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型管进出水阀；12-压力传感器；14-大流量调节阀； 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-放水阀；3. 单相流动阻力测定实验装置面板示意图见图-3图-3 实验装置面板示意图五、实验方法及步骤1.向储水槽内注水至水满为止。(最好使用蒸馏水，以保持流体清洁) 2.光滑管阻力测定关闭粗糙管路阀门，将光滑管路阀门全开，在流量为零条件下，打开通向倒置U型管的进水阀，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。导压系统如图三所示。操作方法如下：加大流量，打开U型管进出水阀门11，使倒置U型管内液体充分流动，以赶出管路内的气泡；若观察气泡已赶净，将流量调节阀24关闭，U型管进出水阀11关闭，慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀26后，分别缓慢打开阀门3、4，使液柱降至中点上下时马上关闭，管内形成气水柱，此时管内液柱高度差不一定为零。然后关闭放空阀26，打开U型管进出水阀11，此时U型管两液柱的高度差应为零（12mm的高度差可以忽略），如不为零则表明管路中仍有气泡存在，需要重复进行赶气泡操作。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。差压变送器与倒置U型管亦是并联连接，用于测量压差，小流量时用型管压差计测量，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操作，一般测取1520组数据。注：在测大流量的压差时应关闭U型管的进出水阀11，防止水利用U型管形成回路影响实验数据。图-4 导压系统示意图3、4-排水阀；11-U型管进水阀；12-压力传感器；26-U型管放空阀；27-U型管3.粗糙管阻力测定：关闭光滑管阀，将粗糙管阀全开，从小流量到最大流量，测取1520组数据。4.测取水箱水温。待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。5.粗糙管、局部阻力测量方法同前。六、实验操作注意事项1.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。2.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否则将影响测量数值的准确。3.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。 七、附数据处理过程举例(计算过程)1.流体阻力测量(1) 直管摩擦系数l与雷诺数Re的测定光滑管小流量数据：Q L/h h H2O( 表一第 组数据)实验水温= 粘度 Pa.s 密度 kgm3 管内流速 阻力降 雷诺数 阻力系数 粗糙管大流量数据：Q L/h h H2O( 表二第 组数据)实验水温= 粘度 Pa.s 密度 kgm3 管内流速 阻力降 雷诺数 阻力系数 2.局部阻力系数的测定局部阻力实验数据：Q L/h 近端压差 kPa 远端压差 kPa实验水温= 粘度 Pa.s 密度 kgm3管内流速： 局部阻力： 局部阻力系数： 3.单相流动阻力实验数据记录表（光滑管）见表一表一 单相流动阻力实验数据记录表（光滑管）光滑管内径7.8mm 管长1.70m 液体温度27.7 液体密度= kg/m 液体粘度= mPa.S序号流量(l/h)直管压差PP（Pa）流速u(m/s)Re（kPa）（mmH2o）123456789101112131415161718194.单相流动阻力实验数据记录（粗糙管）见表二表二 单相流动阻力实验数据记录表（粗糙管）粗糙直管内径10mm 管长1.70 液体温度27.7 液体密度= kg/m 液体粘度= mPa.S序号流量(l/h)直管压差PP（Pa）流速u(m/s)Re（kPa）（mmH2o）1234567891011121314155.单相流体阻力实验装置数据记录（局部阻力）见表三表三 流体阻力实验数据记录表（局部阻力）序号流量Q近端压差远端压差流速u局部阻力阻力系数（l/h）（kPa）（kPa）(m/s)压差（kPa）1236.直管摩擦阻力系数与雷诺准数关系图见图5 3. 离心泵实验一、实验目的在化工厂或实验室中，经常需要各种输送机械用来输送流体。根据不同使用场合和操作要求，选择各种型式的流体输送机械。离心泵是其中最为常用的一类流体输送机械。离心泵的特性由厂家通过实验直接测定，并提供给用户在选择和使用泵时参考。本实验采用单级单吸离心泵装置，实验测定在一定转速下泵的特性曲线。通过实验了解离心泵的构造、安装流程和正常的操作过程，掌握离心泵各项主要特性及其相互关系，进而加深对离心泵的性能和操作原理的理解。二、实验原理离心泵主要特性参数有流量、扬程、功率和效率。这些参数不仅表征泵的性能，也是选择和正确使用泵的主要依据。1. 泵的流量泵的流量即泵的送液能力，是指单位时间内泵所排出的液体体积。泵的流量可直接由一定时间内排出液体的体积或质量来测定。即m3s（1）或m3s（2）若泵的输送系统中安装有经过标定的流量计时，泵的流量也可由流量计测定。当系统中装有孔板流量计时，流量大小由压差计显示，流量与倒置U形管压差计读数之间存在如下关系：m3s（3）式中，孔板流量系数；孔板的锐孔面积，m2；2. 泵的扬程若以泵的压出管路中装有压力表处为B截面，以及入管路中装有真空表处为A截面，并在此两截面之间列机械能衡算式，则可得出泵扬程的计算公式： （4）式中由压力表测得的表压强，Pa；由真空表测得的真空度，Pa；A、B两个截面之间的垂直距离，m；A截面处的液体流速，ms；B截面处的液体流速，ms。在单位时间内，液体从泵中实际所获得的功，即为泵的有效功率。若测得泵的流量为 ms，扬程为，m，被输送液体的密度为w（5）泵轴所作的实际功率不可能全部为被输送液体所获得，其中部分消耗于泵内的各种能量损失。电动机所消耗的功率又大于泵轴所作出的实际功率。电机所消耗的功率可直接由输入电压和电流测得，即W（6）4. 泵的总效率泵的总效率可由测得的泵有效功率和电机实际消耗功率计算得出，即（7）这时得到的泵的总效率除了泵的效率外，还包括传动效率和电机的效率。5. 泵的特性曲线上述各项泵的转性参数并不是孤立的，而是相互制约的。因此，为了准确全面地表征离心泵的性能，需在一定转速下，将实验测得的各项参数即：、与，之间的变化关系标绘成一组曲线。这组关系曲线称为离心泵特性曲线，如图1所示。离心泵特性曲线对离心泵的操作性能得到完整的概念，并由此可确定泵的最适宜操作状态。图1离心泵特性曲线通常，离心泵在恒定转速下运转，因此泵的特性曲线是在一定转速下测得的。若改变了转速，泵的特性曲线也将随之而异。泵的流量、扬程和有效功率与转速之间，大致存在如下比例关系：；（8）三、实验装置（实验仪CEAF05型）本实验装置主体设备为一台单级单吸离心水泵。为了便于观察，泵壳端盖用透明材料制成。电动机直接连接半敞式叶轮。离心泵与循环水槽、分水槽和各种测量仪表构成一个测试系统。实验装置及其流程如图2所示。图2离心泵实验仪流程图1. 循环水槽；2. 底阀；3. 离心泵；4. 真空表；5. 注水槽；6. 压力表；7. 调节阀；8. 孔板流量计；9. 分流槽；10. 电流表；11. 调压变压器；12. 电压表；13. 倒置U形管压差计。泵将循环水槽中的水，通过汲入导管汲入泵体的在汲入导管上端装有真空表，下端装有底阀（单向阀）。底阀的作用是当注水槽向泵体内注水时，防止水的漏出。水由泵的出口进入压出导管。压出导管沿程装有压力表、调节阀和孔板流量计。由压出导管流出的水，用转向弯管送入分流槽。分流槽分为二格，其中一格的水可流出用以计量，另一格的水可流回循环槽。根据实验内容不同可用转向弯管进行切换。四、实验方法在离心泵性能测定前，按下列步骤进行启动操作：（1）充水。打开注水槽下的阀门，将水灌入泵内。在灌水过程中，需打开调节阀，将泵内空气排除。当从透明端盖中观察到泵内已灌满水后，将注水阀门关闭。（2）启动。启动前，先确认泵出口调节阀关闭，变压器调回零点，然后合闸接通电源。缓慢调节变压器至额定电压（220V），泵即随之启动。（3）运行。泵启动后，叶轮旋转无振动和噪声，电压表、电流表、压力表和真空表指示稳定，则表明运行已经正常，即可投入实验。实验时，逐渐分步调节出口调节阀。每调定一次阀的开启度，待状况稳定后，即可进行以下测量：（1）将出水转向弯头由分水槽的回流格拨向排水格同时，用秒表计取时间，用容器取一定水量。用称量或量取体积的方法测定水的体积流率。（这时要接好循环水槽的自来水源）。（2）从压强表和真空表上读取压强和真空度的数值。（3）记取孔板流量计的压差计读数。（4）从电压表和电流表上读取电压和电流值。实验完毕，应先将泵出口调节阀关闭，再将调压变压器调回零点，最后再切断电源。五、实验结果1. 基本参数（1）离心泵流量：杨程：功率：转速：（2）管道吸入导管内径：20.8mm压出导管内径：20.8mmA、B两截面间垂直距离：mm（3）孔板流量计锐孔直径：14mm导管内径：20.8mm（2）将实验数据标绘成孔板流量计的流量标定曲线，并求取孔板流量计的孔流系数。（3）将实验数据整理结果标绘成离心泵的特性曲线。4. 传热实验一、实验目的在工业生产或实验研究中，常遇到两种流体进行热量交换，来达到加热或冷却之目的。为了加速热量仁慈过程，往往需要将流体进行强制流动。对于在强制对流下进行的液液热交换过程，曾有不少学者进行过研究，并取得了不少求算传热膜系数的关联式。这些研究结果都是在实验基础上取得的。对于新的物系或者新的设备，仍需要通过实验来取得传热系数的数据及其计算式。本实验的目的，是测定在套管换热器中进行的液液热交换过程的传热总系数，流体在圆管内作强制湍流时的传热膜系数。以及确立求算传热系数的关联式。同时希望通过本实验，对传热过程的实验研究方法有所了解，在实验技能上受到一定的训练，并对传热过程基本原理加深理解。二、实验原理冷热流体通过固体壁所进行的热交换过程，先由热流体把热量仁慈给固体壁面，然后由固体壁面的一侧传向另一侧，最后再由壁面把热量传给冷流体。换言之，热交换过程即为给热导热给热三个串联过程组成。若热流体在套管热交换器的管内流过，而冷流体在管外流过，设备两端测试点上的温度如图1所示。则在单位时间内热流体向冷流体仁慈的热量，可由热流体的热量衡算方式来表示：图1套管热交换器两端测试点的温度Js（1）就整个热交换而言，由传热速率基本方程经过数学处理，可得计算式为Js（2）式中：传热速率，Js或W；热流体的质量流率，kgs；热流体的平均比热容，是JkgK；热流体的温度，K；冷流体的温度，K；固体壁面温度，K；传热总系数，WmK热交换面积，m2；两流体间的平均温度差，K。（符号下标1和2分别表示热交换器两端的数值）若和分别为热交换器两端冷热流体之间的温度差，即（3）； （4）。则平均温度差可按下式计算：当时，（5）； 当时，（6）。由（1）和（2）两式联立求解，可得传热总系数的计算式：（7）就固体壁面两侧的给热过程来说，给热速率基本方程为（8）根据热交换两端的边界条件，经数学推导，同理可得管内给热过程的给热速率计算式（9）式中：与分别有示固体壁两侧的传热膜系数，Wm2K1；与分别表示固体壁两侧的内壁表面积和外壁表面积，m2；与分别表示固体壁两侧的内壁面温度和外壁面温度，K；热流体与内壁面之间的平均温度差；K。热流体与管内壁面之间的平均温度差可按下式计算： 当时（10）当时（11）由（1）和（9）式联立求解可得管内传热膜系数的计算式为Wm2K1（12）同理也可得到管外给热过程的传热膜系数的类同公式。流体在圆形直管内作强制对流时，传热膜系数与各项影响因素（如：管内径；管内流速，ms；流体密度，kgm3；流体粘度，Pas；定压比热溶，JkgK和流体导热系数，WmK）之间的关系可关联成如下准数关联式：（13）式中：努塞尔准数（Nusselt number）；雷诺准数（Reynolds number）；普兰特准数（Prandtl number）。上列关联式中系数和指数的具体数值，通过实验来测定。实验测得、数值后，则传热膜系数即可由该式计算。例如：当流体在圆形直管内作强制湍流时，10000 ； 0.7160 ； 。则流体被冷却时，值可按下列公式求算：（13.a） 或（13.b）流体被加热时（14.a） 或（14.b）当流体在套管环隙内作强制湍流时，上列各式中用当量直径替代即可。各项物性常数均取流体进出口平均温度下的数值。三、实验装置（CEAH01型实验仪）本实验装置主要由套管热交换器、恒温循环水槽、高位稳压水槽以及一系列测量和控制仪表所组成，装置流程如图2所示。图2套管换热器液液热交换实验装置流程套管热交换器由一根121.5mm的黄铜管作为内管，202.0mm的有机玻璃管作为套管所构成。套管热交换器外面再套一根322.5mm有机玻璃管作为保温管。套管热交换器两端测温点之间距离（测试段距离）为1000mm。每个检测端面上在管内、管外和管壁内设置三支铜康铜热电偶，并通过转换开关与数字电压表相连接，用以测量管内、管外的流体温度和管内壁的温度。热水由循环水泵从恒温水槽送入管内，然后经转子流量计再返回槽内。恒温循环水柄中用电热器补充热水在热交换器中移去的热量，并控制恒温。冷水由自来水管直接送入高位稳压水槽再由稳压水槽流经转子流量计和套管的环隙空间。高位稳压水槽排出的溢流水和由换热管排出被加热后的水，均排入下水道。四、实验方法实验前准备工作（1）向恒温循环水槽灌入蒸馏水或软水，直至溢流管有水溢出为止。（2）开启并调节通往高位稳压水槽的自来水阀门，使槽内充满水，并由溢流管有水流出。（3）将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水，使之呈粥状。将热电偶冷接点插入冰水中，盖严盖子。（4）将恒温循环水槽的温度自控装置的温度定为55。启动恒温水槽的电热器。等恒温水槽的水达到预定温度后即可开始实验。（5）实验前需要准备好热水转子流量计的流量标定曲线和热电偶分度表。实验操作步骤（1）开启冷水截止球阀，测定冷水流量，实验过程中保持恒定。（2）启动循环水泵，开启并调节热水调节阀。热水流量在60250Lh范围内选取若干流量值（一般要求不少于56组测试数据），进行实验测定。（3）每调节一次热水流量，待流量和温度都恒定后，再通过琴键开关，依次测定各点温度。实验注意事项：（1）开始实验时，必须先向换热器通冷水，然后再启动热水泵，停止实验时，必须先停热电器，待热交换器管内存留热水被冷却后，再停水泵并停止通冷水。（2）启动恒温水槽的电热器之前，必须先启动循环泵使水流动。（3）在启动循环水泵之前，必须先将热水调节阀门关闭，待泵运行正常后，再徐徐开启调节阀。（4）每改变一次热水流量，一定要使传热过程达到稳定之后，才能测取数据。每测一组数据，最好重复数次。当测得流量和各点温度数值恒定后，表明过程已达稳定状态。五、实验结果1. 记录实验设备基本参数。（1）实验设备型式和装置方式水平装置套管式热交换器（2）内管基本参数材质：黄铜外径：12mm 壁厚：1.5mm测试段长度：1000mm（3）套管基本参数：材质：有机玻璃外径：20mm壁厚：2mm（4）流体流通的横截面积：内管横截面积：mm环隙横截面积：mm（5）热交换面积：内管内壁表面积：内管外壁表面积：平均热交换面积：2. 实验数据记录实验测得数据可参考如下表格进行记录：（2）由实验数据求取流体在圆形直管内作强制湍流时的传热膜系数。实验数据可参考下表整理：（3）由实验原始数据和测得的值，对水平管内传热膜系数的准数关联式进行参数估计。然后，按如下方法和步骤估计参数：水平管内传热膜系数的总人数关联式：在实验测定温度范围内，数据变化不大，可取其均值并将视为定值与项合并。因此，上式可写为上等式两边取对数，使之线性化，即因此，可将和实验数据，直接在双对数坐标纸上进行标绘，由实验曲线的斜率和截距估计参数和，或者用最小二乘法进行线性回归，估计参数和。取均值为定值，且，由计算得到值。最后，列出参数估计值： 5. 填料塔气体吸收实验一、实验目的填料塔在传质过程的有关单元操作中，应用十分广泛。实验研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数，尤为重要。本实验采用水吸收二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数、总传质系数和传质单元高度，并通过实验确立液侧传质膜系数与各项操作条件的关系。通过实验，学习掌握研究物质传递过程的一种实验方法，并加深对传质过程原理的理解。二、实验原理图1双膜模型的浓度分布图图2填料塔的物料衡算图根据双膜模型的基本假设，气侧和液侧的吸收质A的传质速度率方程可分别表达为：气膜（1）液膜（2）式中 A组分的传质速率，kmols； 两相接触面积，m2； 气侧A组分的平均分压，Pa； 相界面上A组分的分压，Pa； 液侧A组分的平均浓度，kmolm； 相界面上A组分的浓度，kmolm； 以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmolmsPa； 以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，ms。以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为：（3）（4）式中为液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；为气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmolm；为以气相分压表示推动力的总传质系数，或简称为气相传质总系数，kmolmsPa；为以液相浓度表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，ms。若气液相平衡关系遵循享利定律：，则 （5） （6）当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，；反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制，此时，。如图2所示在逆流接触的填料层内任意截一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A的物料衡算得：（a）式中，为液相摩尔流率，kmols； 为液相摩尔密度，kmolm。根据传质速率基本方程，可写出该微分段的传质速率微分方程：（b）联立（a）和（b）两式得：（c）式中为气液两相接触的比表面积，m2m；为填料塔的横截面积，m2。本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温压下溶解度较小，故液相摩尔流率和摩尔密度的比值，亦即液相体积流率可视为定值，且设总传质系数和两相接触比表面积，在整修填料层内为一定值，则按下列边值条件积分（c）式，可得填料层高度的计算公式：（7）令且称为液相传质单元高度（NTU）；，且称为液相传质单元数（HTU）。因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即 （8）若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则（7）式可用解析法解得填料层高度的计算式式，亦即可采用下列平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度：（9）（10）式中为液相平均推动力，即（11）因为本实验采用纯二氧化碳，则（12）二氧化碳的溶解度常数kmolmPa（13）式中为水的密度，kgm；为水的摩尔质量，kgkmol；为享利系数，Pa。因此，（10）式可简化为（14）又因本实验采用的物系遵循享利定律，而且气膜阻力可以不计。在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，亦即（15）对于填料塔，液侧体积传质膜系数与主要影响因素之间的关系，曾有不少研究者由实验得出各种关联式，其中，SherwoodHolloway得出如下关联式：（16）式中吸收质在水中的扩散系数，m2s；液体质量流速，kgms；液体粘度，Pas或kgms； kgm。应该注意的是SherwoodHolloway关联式中，和两项没有特性长度。因此，该式也不是真正无因次准数关联式。该式中，和的具体数值，需在一定条件下由实验求取。三、实验装置（CEAM03型实验仪）本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、高位稳压水槽和各种测量仪表组成，其流程如图3所示。图3填料吸收塔液侧传质膜系数测定实验装置流程1. 二氧化碳钢瓶；2. 减压阀；3. 二氧化碳流量计；4. 填料塔；5. 采样计量管；6. 压差计；7. 水流量计；8. 高位水槽；9. 数字电压表。填料吸收塔采用公称直径为50mm的玻璃柱。柱内装填5mm球型玻璃填料，填充高度约为300mm。吸收质（纯二氧化碳气体）由钢瓶经二次减压阀、调节阀和转子流量计，进入塔底。气体由下向上经过填料层与液相逆流接触，最后由柱顶放空。吸收剂（水）由高位稳压水槽经调节阀和流量计进入塔顶，再喷洒而下。吸收后溶液由塔底经P形管排出。U液柱压差计用以测量塔底压强和填料层的压强降。塔底和塔顶的气液相温度由热电偶测量，并通过转换开关由数字电压表显示。四、实验方法实验前准备工作：（1）实验前，首先检查填料塔的进气阀和进水阀以及二氧化碳二次减压阀是否均已关严；然后打开二氧化碳钢瓶顶上的减压阀，将压力调至0.1MPa；同时向高位稳压水槽注水，至溢流管有适量水溢流而出。（2）将水充满填料层，浸泡填料（相当于预液泛）。实验操作可按如下步骤进行：（1）缓慢开启进水调节阀，水流量可在1050Lh范围内选取。一般在此范围内选取56个数据点。调节流量时一定要注意保持高位稳压水槽有适量溢流水流出，以保证水压稳定。（2）缓慢开启进气调节阀。二氧化碳流量建议采用0.1m3h左右为宜。（3）当操作达到定常状态之后，测量塔顶和塔底的水温和气温，并测定塔底溶液中二氧化碳的含量。溶液中二氧化碳含量的测定方法：用吸量管吸取0.1MBa(OH)2溶液10mL，放入三角瓶中，并由塔底附设的计量管滴入塔底溶液20mL，再加入酚酞指示剂数滴，最后用0.1M盐酸滴定，直至其脱除红色的瞬时为止。由空白试验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度：kmolm式中为标准盐酸溶液的当量浓度，为实际滴定用量，即空白试验用量与滴定试样时用量之差值，mL；为塔底溶液采样量，mL。实验注意事项：（1）实验过程中务必严密监视，并随时调整二氧化碳和水的流量。（2）每次流量改变后，均需稳定20分钟以上，以便建立稳定过程，才能测取数据。（3）预液泛后，填料层高度需重新测定。采样计量管容积需准确标定。（4）浸泡填料层（人为预液泛）时，需缓慢精心操作，以防冲毁填料层和压差计。五、实验结果1. 测量并记录实验基本参数。（1）填料柱：柱体内径605mm填料规格：5mm玻璃球填料层高度300mm（2）大气压力：Mpa（3）室温：（4）试剂：Ba(OH)2溶液浓度用量mL盐酸浓度4. 根据实验结果，在坐标上标绘液侧体积传质膜系数与喷淋密度的关系曲线。5. 在双对数坐标上，将对作图，用图解法或线性回归法求取Shewoodholloway关联式的A和m值。注：0.1M盐酸：9.4ml HCl + 蒸馏水 定容 1000ml 并标定。6. 雷诺实验一、实验目的研究流体流动的型态，对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。1883年雷诺（Reynolds）首先在实验装置中观察到实际流体的流动存在两种不同型态层流和湍流，以及两种不同型态的转变过程。本实验的目的，是通过雷诺试验装置，观察流体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。二、实验原理经许多研究者实验证明：流体流动存在两种截然不同的型态，主要决定因素为流体的密度和粘度、流体流动的速度，以及设备的几何尺寸（在圆形导管中为导管直径）。将这些因素整理归纳为一个无因次数群，称该无因次数群为雷诺准数（或雷诺数），即（1）式中导管直径，m；流体密度，kgm；流体粘度，Pas；流体流速，ms；大量实验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体流动型态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为10000。一般情况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。三、实验装置 (雷诺实验仪CEAF01型)雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等部分组成，如图1所示。自来水不断注入并稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。图1雷诺实验装置及流程1. 示踪剂瓶；2. 稳压溢流水槽；3. 试验导管；4. 转子流量计；V01. 示踪剂调节阀；V02. 上水调节阀；V03. 水流量调节阀；V04，V05泄水阀；V06放风阀四、实验方法实验前准备工作：（1）实验前，先用自来水充满稳压溢流水槽。将适量示踪剂（红墨水）加入贮瓶内备用，并排尽贮瓶与计头之间管路内的空气。（2）实验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线。（3）用温度计测定水温。实验操作步骤：（1）开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证试验时具有稳定的压头。（2）用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调节阀，将流量调至最小值，以便观察稳定的层流流型，再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与试验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流速为宜。精心调节至能观察到一条平直的红色细流为止。（3）缓慢地逐渐增大调节阀的开度，使水通过试验导管的流速平稳地增大。直至试验导管内直线流动的红色细流开始发生波动时，记下水的流量和温度，以供计算临界雷诺数据。（4）继续缓慢地增加调节阀开度，使水流量平稳地增加。这时，导管内的流体的流型逐步由层流向湍流过渡。当流量增大到某一数据值后，示踪剂（红墨水）一进入试验导管，立即被分散呈烟雾状，这时标明流体的流型已进入湍流区域。记下水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。这样实验操作需反复进行数次（至少56次），以便取得较为准确的实验数据。五、实验操作注意事项（1）本实验示踪剂采用红墨水，它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入试验导管。应注意适当调节注射针头的位置，使什头位于管轴线上为佳。红墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节红墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。（2）在实验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调节自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或泛滥事故的发生。（3）在整个实验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要轻巧缓慢，以免干扰流体流动过程的稳定性。实验过程有一定滞后现象，因此，调节流量过程切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调节或记录数据。 7. 恒压（板框）过滤常数测定 一、实验目的 1.掌握恒压过滤常数、的测定方法，加深对、概念和影响因素的理解。2.学习滤饼的压缩性指数s和物料常数的测定方法。3.学习一类关系的实验确定方法。4.学习用正交试验法来安排实验，达到最大限度地减小实验工作量的目的。5.学习对正交试验法的实验结果进行科学的分析，分析出每个因素重要性的大小，指出试验指标随各因素变化的趋势，了解适宜操作条件的确定方法。二、实验内容1.测定不同压力实验条件下的过滤常数、。2.根据实验测量数据，计算滤饼的压缩性指数s和物料特性常数k。三、实验原理 过滤是利用过滤介质进行液固系统的分离过程，过滤介质通常采用带有许多毛细孔的物质如帆布、毛毯、多孔陶瓷等。含有固体颗粒的悬浮液在一定压力作用下，液体通过过滤介质，固体颗粒被截留，从而使液固两相分离。 在过滤过程中，由于固体颗粒不断地被截留在介质表面上，滤饼厚度逐渐增加，使得液体流过固体颗粒之间的孔道加长，增加了流体流动阻力。故恒压过滤时，过滤速率是逐渐下降的。随着过滤的进行，若想得到相同的滤液量，则过滤时间要增加。恒压过滤方程：