化工原理实验指导书-食工质量营养.doc

徐州工程学院化工原理实验指导书化学化工学院化工教研室目 录实验的基本要求1实验一 离心泵特性曲线的测定5实验二 传热实验9实验三 精馏实验15附录 实验报告格式示例21实验的基本要求化工原理实验要求实验人在实验完毕后提交一份合格的实验报告。要求实验报告能够把实验的任务和实验观测的结果用表、图、公式及文字加以描述，将讨论问题简练明确的表达出来，使阅读者能够一目了然。除此以外还必须具备（1）数据是可考的，为此必须认真考虑实验方案，认真细致的并实事求是的正确记录原始数据。实验前做好预习工作，实验时集中精力，认真仔细观察实验现象和记录仪表指示数，边实验边分析实验数据是否合理，以便能够及时排除实验中的干扰因素；（2）实验记录要有校核的可能。因此要清楚说明实验的时间、地点、条件和同时作实验的人员。为了保证作出合格的实验报告，对实验过程中各个步骤、各个问题，提出如下的说明和要求：1实验前的预习工作（1）阅读实验讲义，弄清本实验的目的和要求。 （2）根据本次实验的具体任务，研究实验的理论根据和实验的具体做法，分析哪些参数需要直接测量得到，哪些参数不需要直接测量，而能够间接获得，并且要估计实验数据的变化规律。 （3）到实验室现场了解摸索实验流程，现看主要设备的构造，测量仪表的种类和安装位置，了解它们的测量原理和使用方法，最后全面审查整个实验流程的布置是否合理，审查主要设备的结构和安装是否合适，测量仪表的量程、精度是否合适以及其所装位置是否合理。（4）根据实验任务和现场勘查，最后规定实验方案，确定实验操作程序。2实验小组的分工和合作 化工原理实验一般都是由46人为一小组合作进行的，因此实验开始前必须作好组织工作，做到既分工，又合作；既能保证质量，又能获得全面训练。每个实验小组要有一个组长负责执行实验方案、联络和指挥，与组员讨论实验方案，使得每个组员各明其职（包括操作、读取数据、记录数据及现象观察等），而且要在适当时候轮换工作。3实验必须测取的数据凡是影响实验结果或是数据整理过程中所必须的数据都必须测取。它包括大气条件、设备有关尺寸、物料性质及操作数据等，但并不是所有数据都要直接测取的。凡可以根据某一数据导出或从手册中查出的其他数据，就不必直接测定。例如水的密度、粘度、比热等物理性质，一般只要测出水温后即可查出，因而不必直接测定水的密度、粘度、比热，而只要测定水的温度就可以了。4实验数据的读取及记录（1）实验开始前拟好记录表格，在表格中应记下各次物理量的名称、表示符号及单位。每位实验者都应有一专用实验记录本，不应随便拿一张纸或实验讲义空白处来记录，要保证数据完整，条理清楚，避免记录错误。 （2）实验时一定要等现象稳定后才开始读取数据，条件改变，要稍等一会才读取数据，这是因为条件的改变破坏了原来和稳定状态，重新建立稳态需要一定时间（有的实验甚至花很长时间才能达到稳定），而仪表通常又有滞后现象的缘故。 （3）每个数据记录后，应该立即复核，以免发生读错或记错数字等事故。 （4）数据的记录必须反映仪表的精确度。一般要记录到仪表上最小分度以下位数。例如温度计的最小分度为1，如果当时的温度读数为20.5，则不能记为20；又如果刚好是20，那应该记录为20.0。 （5）记录数据要以实验当时的实验读数为准。 （6）实验中如果出现不正常情况，以及数据有明显误差时，应在备注栏中加以说明。5实验过程的注意点有的实验者在做实验时，只读取数据，其它一概不管，这是不对的。实验过程中除了读取数据外，还应该做好下列诸事：（1）操作者必须密切注意仪表指示值的变动，随时调节，务使整个操作过程都在规定条件下进行，尽量减少实验操作条件与规定操作条件之间的差距。操作人员要坚守岗位，不得擅离职守。（2）读取数据后，应立即和前次数据相比较，也要和其它有关数据相对照，分析相互关系是否合理，数据变化趋势是否合理。如果发现不合理的情况，应该立即共同研究可能存在的原因，以便及时发现问题、解决问题。（3）实验过程是还应注意观察过程现象，特别是发现某些不正常现象时更应抓住时机，研究产生不正常现象的原因，排除障碍。6实验数据的整理（1） 数据整理时应根据有效数字的运算规则，舍弃一些没有意义的数字。一个数字的精确度是由测量仪表本身的精确度所决定的，它绝不因为计算时位数增加面提高。但是不允许任意减少位数，因为这样做就降低了应有的精确度。 （2）数据整理时，如果过程比较复杂，实验数据又多，一般以采用列表整理为宜，同时应将同一项目一次整理。这种整理方法既简洁明了，又节省时间。（3）计算示例。在（2）所列表的下面要给出计算示例，即任取一列数据进行详细的计算，以便检查。7实验报告的编写一份优秀的实验报告必须写得简洁明了，数据完整，交待清楚，结论正确，有讨论、分析，得出的公式、曲线、图形有明确使用条件。报告的内容一般包括：（1）基本项目实验名称，报告人姓名、班级及同实验小组人员的姓名，实验地点，指导老师，实验日期等。（2）实验目的简明扼要说明为什么要进行本实验，实验要解决什么问题。（3）实验原理简要说明实验所依据的基本原理，包括实验涉及的主要概念、重要定律公式及据此推算的重要结果，要求准确、充分。（4）实验装置流程示意图简单画出实验装置流程示意图（应包括主要设备、仪表的类型及规格）。（5）实验步骤：条理清晰，简单明了。（6）原始数据记录记录实验过程中从测量仪表所读取的数值。读数方法要正确，记录数据要准确，要根据仪表的精度决定实验数据的有效数字的位数。（7）数据处理数据处理是实验报告的重点内容之一，要求将实验原始数据经过整理、计算、加工成表格或图的形式。表格要易于显示数据的变化规律及各参数的相关性；图要能直观地表达变量间的相互关系。（8）数据处理计算示例以某一组原始数据为例，列出计算过程，作为计算示例。（9）实验结果的分析与讨论从理论上对实验结果进行分析和解释，对结果作出评价，分析误差大小及原因，对实验中发现的问题应作讨论，对实验方法、实验设备有何建议也可写入此栏。最后，明确提出本次实验的结论。实验一 离心泵特性曲线的测定一、实验目的1了解离心泵结构与特性，学会离心泵的操作。2测定恒定转速条件下离心泵的有效扬程（H）、轴功率（P）、以及总效率（）与有效流量（Q）之间的曲线关系。3掌握离心泵流量调节的方法（阀门）和涡轮流量传感器及智能流量积算仪的工作原理和使用方法。二、基本原理离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下扬程H、轴功率N及效率与流量Q之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。1流量Q的测定与计算采用涡轮流量计测量流量，智能流量积算仪显示流量值Qm3/h。2扬程H的测定与计算在泵进、出口取截面列柏努利方程： ,：分别为泵进、出口的压强 N/m2：液体密度 kg/m3,：分别为泵进、出口的流量m/sg：重力加速度 m/s2当泵进、出口管径一样，且压力表和真空表安装在同一高度，上式简化为： 由上式可知：只要直接读出真空表和压力表上数值，就可以计算出泵的扬程。3轴功率P的测量与计算可由功率传感器测量，功率表显示读取。4效率的计算泵的效率为泵的有效功率Pe与轴功率P的比值。有效功率Pe是流体单位时间内自泵得到的功，轴功率P是单位时间内泵从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。泵的有效功率Pe可用下式计算： 故 5转速改变时的换算泵的特性曲线是在指定转速下的数据，就是说在某一特性曲线上的所有实验点，其转速都是相同的。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量的变化，多个实验点的转速将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为平均转速下的数据。换算关系如下： 三、实验装置流程图图2 离心泵特性曲线测定装置流程图1-底阀 2-移动框架 3-离心泵 4-转速传感器 6-涡轮流量计 7-离心泵流量调节阀1 8-阀2 16-压力表、压力传感器 18-温度计 19-真空表、真空度传感器 20-泵灌水口 22-灌水阀 23-放水阀四、实验步骤1 关闭阀1及阀3、阀4、阀5。2打开总电源空气开关，打开仪表电源开关，仪表上电。 3打开离心泵灌水阀及放水阀，对水泵进行灌水。（注意：若采用自来水管对泵进行灌水，在打开灌水阀时要慢慢打开，且只打开一定的开度，不要开的太大，否则会损坏压力表。）灌好水后关闭泵的放水阀与灌水阀门。4当一切准备就绪后，按下离心泵启动按钮，启动离心泵，这时离心泵启动按钮绿灯亮，开始进行离心泵实验。5打开泵的出水阀1（全开），这时流量达到最大值。6 等实验数据稳定后，测定泵的真空度p1、泵后压力p2、水温t、流量Q及泵的功率并记录。7通过调节泵的出口阀1调节流量，改变流量的大小，每次减小0.5m/h的流量，稳定后记录数据。8以同样的方法改变流量并测定实验数据，最少测8次。同时注意流量不能低于2m3/h。9实验完毕，关闭水泵出口阀，按下仪表台上的水泵停止按钮，停止水泵的运转。五、实验报告1在同一张坐标纸上描绘一定转速下的H-Q、P-Q、-Q曲线。2分析实验结果，判断泵较为适宜的工作范围。六、实验数据记录、数据处理及计算示例原始数据记录 装置号： 水温： 实验次数流量Q（m3/h）p真空表 KPap压力表KPa转速n（r.p.m）功率P（W）1234567计算结果：实验次数流量Q(m3/h)扬程H/（m）轴功率P/（W）效率/%1234567七、思考题1试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？2启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？3正常工作的离心泵，采用进口阀门调节流量是否合理？为什么？实验二 传热实验一、实验目的1、通过测定换热器冷、热流体的流量，测定换热器的进、出口温度，熟悉换热器性能的测试方法。2、了解列管式换热器的结构特点及其性能的差别。3、通过测定参数计算换热器流体的热量；计算换热器的传热系数及效率；分析换热器的传热状况，加深对并流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的理解。二、基本原理本换热器性能测试实训装置，主要对应用较广的列管式换热器进行其性能的测试，并可以进行并流和逆流两种方式的性能测试。换热器性能实验的内容主要为测定换热器的总传热系数，对数传热温差和热平衡误差等，并就两种流动方式，不同工况的传热情况和性能进行比较和分析。热流体放出热量： 冷流体吸收热量： 平均换热量： 热平衡误差： 对数传热温差：传热系数： 式中：cph，cpc热、冷流体的定压比热，J / (kg ) qmh，qmc热，冷流体的质量流量，kg/s ，热流体的进出口温度， ，冷流体的进出口温度， S换热器的换热面积，m2. 注：热、冷流体的质量流量qmh，qmc是根据修正后的流量计体积流量读数qvh，qvc再换算成的质量流量值。本实验装置中，为了尽可能提高换热效率，采用热流体走管程、冷流体走壳程的形式，但是热流体热量仍会有部分损失，为了减小误差，Q采用热流体放出热量与冷流体吸收热量的平均值计算。冷热空气的性质可以查表。除查表外，0100间的空气各物性与温度的关系有如下拟合公式：（1）空气的密度与温度的关系式：（2）空气的比热与温度的关系式：60以下cp1005 J / (kg ) 60以上cp1009 J / (kg )三、实验装置与流程1实验装置本实验装置采用冷空气和热空气用阀门换向进行并逆流实验；工作流程如图所示，换热形式为热空气冷空气换热式。图4 列管换热器实验装置流程示意图2、实验装置参数本实验加热采用电加热方式，冷热流体的进出口温度采用pt100加智能多路液晶巡检仪表进行测量显示，实训装置参数如下：（1）列管换热器换热面积（S）：1.0 m2 （2）电加热管总功率：2KW（3）冷热流体风机： 允许工作温度：80 额定流量：76 m3/h 电机电压：220V 电机功率：750W（4）孔板流量计： 流量：6-60m3/h 允许工作温度：0-80 四、实验步骤及注意事项1实验前准备（1）熟悉实验装置及使用仪表的工作原理和功能。（2）按并流（或逆流）方式调整冷流体换向阀门的开或关。逆流时，打开阀2、阀3，关闭阀4、阀5；并流时，打开阀4、阀5，关闭阀2、阀3。（注意：阀门先打开再关闭）2实验操作（1）接通电源：打开传热仪表电源开关，打开热流体风机电源开关，按下加热管启动按钮，开始加热，温度一般控制在7080。（2）实验时，打开换热器热流体进出口阀门。（3）调节流量一定的热流体流量（整个实验过程中保持恒定），注意不能小于10 m3/h，否则会由于风量过小而烧坏加热管。（4）调节一定的冷流体风量，等系统处于稳态后记录数据（冷热流体四个温度相对恒定），然后改变一定的冷流体流量，进行下一组数据的实验。流量范围一般为3060 m3/h，间隔调节一般为46 m3/h。（5）冷流体流量手自动控制仪： 手动调节：按切换到仪表下显示窗显示输出值时，按把输出方式切换到手动输出模式即M模式，再通过按或来改变输出值的大小，从而控制输出，从而实现风量的手动控制； 自动调节：按切换到仪表下显示窗显示输出值时，按把输出方式切换到自动输出模式，可通过自动调节仪表，改变风量的设定值，控制仪控制变频器频率，控制风机转速，从而控制冷流体风量。加热管温度手自动控制仪： 手动调节：按切换到仪表下显示窗显示输出值时，按把输出方式切换到手动输出模式即M模式，再通过按或来改变输出值的大小，控制可控硅，控制加热管电压，从而实现加热管出口温度的控制； 自动调节：按切换到仪表下显示窗显示输出值时，按把输出方式切换到自动输出模式，可通过仪表自动调节，控制可控硅，控制加热管电压，从而实现加热管出口温度的控制。（6）打开变频器电源开关，控制冷流体流量，调整至某一流量值，等系统运行稳定后记录下冷流体流量、冷流体进、出口温度；热流体流量、热流体进、出口温度。把这些测试结果记录在实验数据记录表中。（7）改变冷流体流量，进行上述实验，并把相关数据记录在表格中。（8）若需改变流动方向（并逆流）的实验，重复上述步骤24，并记录实验数据。（9）实验结束后应首先按下加热管电源停止按钮，停止加热，20分钟后等热流体温度降到50后切断所有电源。3实验参数控制范围（1）热流体温度控制范围：7080；（2）冷流体流量控制范围：3060m3/h；（3）热流体流量控制范围：3060m3/h。4注意事项（1）热流体的加热温度不得超过80。（2）开机时先开启风机再启动加热管电源。（3）停机时应先停止加热管电源，20分钟后再关闭风机电源。五、实验报告1以传热系数为纵坐标，冷（热）流体流量为横坐标绘制传热性能曲线2对实验结果进行分析六、实验数据记录、数据处理及计算示例流动方式： 并流 热流体流量 序号冷流体流量(m3/h)冷进t1()冷出t2()热进T1()热出T2()123456计算结果 cpc1005 J / (kg )，cph1005 J / (kg )序号qVc（m3/h）ckg/m3QcWhkg/m3QhWQWtmK(w/m2)123456流动方式： 逆流 热流体流量 序号冷流体流量(m3/h)冷进t1()冷出t2()热进T1()热出T2()123456计算结果 cpc1005 J / (kg )，cph1005 J / (kg )序号qVc（m3/h）ckg/m3QcWhkg/m3QhWQWtmK(w/m2)123456七、思考题1实验中有哪些因素会影响操作的稳定性或实验结果的准确性？2. 若要强化换热器的传热，则从哪几个方面考虑？3为提高总传热系数K，可采用哪些方法?其中最有效的方法是什么?实验三 精馏实验一、实验目的1了解连续精馏塔（筛板塔）的基本结构及流程。2掌握连续精馏塔的操作方法。3学会板式精馏塔全塔效率、单板效率或填料塔等板高度的测定方法。4了解塔釜液位自动控制、回流比和电加热自动控制的工作原理和操作方法。二、基本原理精馏是将混合液加热至沸腾，所产生的蒸汽（气相）与塔顶回流液在塔内逆流接触，在塔板上多次进行易挥发组分部分气化难挥发组分部分冷凝的过程，发生了热量与质量的传递，从而使混合液达到分离的目的。根据精馏塔内构件不同，可将精馏塔分为板式塔和填料塔两大类。根据塔内气、液接触方式不问，亦可将前者称为级式接触传质设备，后者称为微分式接触传质设备。1全塔效率ET全塔效率 式中NT塔内所需理论板数 NP塔内实际板数通常板式塔内各层塔板上的气液相接触效率并不相同，全塔效率简单反映了塔内塔板的平均效率，它反映了塔板结构、物系性质、操作状况对塔分离能力的影响，一般由实验测定。对于理想双组分溶液的精馏，在全回流操作的条件下，理论塔板数也可以用芬斯克公式进行计算： 式中：Nmin全回流时所需要的最少理论塔板数m全塔物料的平均相对挥发度d，w分别代表塔顶馏出液和塔釜液当塔顶、塔底物料的相对挥发度相差不大时，m可近似取塔顶物料的相对挥发度顶 和塔底相对挥发度底 的几何平均值： 部分回流：NT由已知的双组分物系平衡关系，通过实验测得塔顶产品组成XD、料液组成XF、热状态q、残液组成XW、回流比R等，即能用图解法求得。精馏段： 式中：rF进料液组成下的汽化潜热 ts进料液的泡点温度 tF进料液温度 CPF进料液在平均温度下(ts-tF)/2的比热容2单板效率EM是指气相或液相经过一层实际塔板前后的组成变化与经过一层理论塔板前后的组成变化的比值。按气相组成变化表示的单板效率为按液相组成变化表示的单板效率为三、实验装置与流程不锈钢筛板塔：塔径764mm，塔板数NP16块。塔釜液体加热采用电加热，塔顶冷凝器为列管换热器。供料采用磁力驱动泵进料。筛板精馏塔实验装置如图6-a所示： 图6-a筛板精馏塔流程图图6-b配料管路图1-塔釜排污阀 2-阀8 3-阀9 4-阀2 5-阀3 6-阀4 7-阀5 8原料罐排污阀 9-阀10 10-循环泵 11-塔釜排空阀 12-塔釜 13-阀6 14-成品罐排空阀 15-阀11 16-阀7 17-成品罐 18-成品罐排污阀 19-原料罐排空阀 20-原料罐四、实验步骤与注意事项1配料（1）把纯净水和酒精质量配置成质量浓度为16%19%的溶液，关闭成品罐排污阀、阀5、阀2、阀1、打开成品罐排空阀和阀7，把配好的溶液从成品罐排空阀上的漏斗加至成品罐2/3以上。（2）关闭阀9、塔釜排污阀和阀8，打开塔釜排空阀和阀2，让溶液从成品罐流入塔釜中，至塔釜2/3处，关闭阀2和塔釜排空阀。（3）关闭原料罐排空阀、阀10、阀3和阀4打开原料罐排空阀和阀5让成品罐剩下中的溶液全部流到原料罐中，完成之后关闭阀5，关上原料罐排空阀剩很小一个缝。2加热（1）打开阀6，关上阀11、阀7、进料阀1和进料阀2，成品罐的排空阀开一个很小的缝、。（2）打开塔顶排气管的阀门，加热之前一定要检查。（3）检查塔釜、成品罐和原料罐上的液位指示器上的阀门是否打开，没有打开的一定要打开，顺时针方向关闭，逆时针方向打开。（4）检查冷却水流通是否正常。（5）打开控制柜上的电源开关，打开仪表电源，仪表电源指示灯亮，轻轻按一下电加热管启动按钮。启动指示灯亮。把电压调到100V150V之后开始加热。3全回流（1）当加热到玻璃视盅中的塔板有蒸汽上升时，适当打开冷却水调节阀门。（2）适当的调节加热电压，不要出现液泛现象。（液沫夹带过量时调低电压）（3）等塔板各层的温度，回流的流量都稳定之后，分别取塔顶样品、塔釜残液样品、原料样品送到色谱中化验，把数据输入到计算机数据处理软件中，就可计算出全回流下的全塔平均效率。4从各层塔板取出气相和液相样品，送到色谱仪中分析，可得出相应塔板的单板效率。5部分回流（1）全回流稳定之后，打开回流分配器电源，打开阀3、进料口阀门2、阀6，打开进料泵电源，调节进料口2阀门和阀4来调节进料流量。（2）回流分配仪表的分配比一般设为1：4或 1：3。（3）待部分回流稳定后，取塔顶样品、塔釜残液样品、原料样品送到色谱中分析，把数据输入到数据处理软件中，就可计算出部分回流下的全塔平均效率。6结束实验（1）实验结束后，关上进料泵电源，回流比分配器电源，电加热罐电源。（2）打开成品罐放空阀、原料罐上的放空阀、阀8、阀10和11阀，关上阀6和阀3，打开循环泵电源，把塔釜和原料罐的料打到成品罐中混合，打完之后关上成品罐和原料罐上的所有阀门，关上仪表电源和总电源，为下次重做实验做好实验。7注意事项（1）实验前，必须手动（电压为100V）给釜中缓缓升温，30min后再进行塔釜温度手自动控制，否则会因受热不均而导致玻璃视盅炸裂。（2）塔顶放空阀一定要打开。（3）料液一定要加到设定液位2/3处方可打开加热管电源，否则塔釜液位过低会使电加热丝露出干烧致坏。（4）部分回流时，进料泵电源开启前务必打开进料阀，否则会损害进料泵。五、实验报告1将塔顶、塔底温度和组成等原始数据列表。2按全回流和部分回流分别计算理论板数。3计算全塔效率、单板效率或等板高度。4分析并讨论实验过程中观察到的现象。六、实验数据记录、数据处理及计算示例实验次数回流比R塔顶xd（wt%）塔底xw (wt%)进料组成xf (wt%)进料温度()123实验数据：全回流塔顶Xd= (mass frac.)；塔底：Xw= (mass frac.)；实验结果：Nt= ；E= 。 七、思考题1全回流操作的目的？如何确定全塔效率？2精馏操作应防止几种不正常的操作现象？3在精馏塔中，维持连续、稳定操作的条件有那些？4为什么要在塔顶冷凝器上安装排气阀？附：测量条件色谱型号：GC-200