化工实验指导书.doc

化工原理实验指导书石河子职业技术学院化工原理实验室二00七年十二月目录序 言2实验一 雷诺数的测定与流型观察4实验二 伯努利方程演示实验6实验三 流体阻力测定实验8实验四 流量计的流量校正11实验五 离心泵特性曲线的测定15实验六 过滤实验18实验七 传热22实验八 板式精馏塔的操作及塔板效率实验27实验九 吸收实验30实验十 液液萃取塔的操作34实验十一 干燥实验38实验十二 板式塔性能实验42仿真软件使用说明46实验十三 流体流动阻力的测定47实验十四 离心泵性能曲线的测定50实验十五 过滤实验52实验十六 传热实验（水-蒸汽）54实验十七 精馏实验（乙醇-丙酮）56实验十八 洞道干燥实验59实验十九 吸收实验（水-氨气）61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论指导下的实验研究方法是研究工程问题的两个基本方法，因为这两种方法可以非常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，在因次论指导下的实验，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、黄砂等）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影响因素，从而加以归纳和概括成经验方程。这种因次论指导下的实验研究方法，是确立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充分认识的基础上，将过程作高度的概括，得到简单而不失真的物理模型，然后给予数学上的描述。这种研究方法同样可以具备以小见大，由此及彼的功能（因次论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，即应用因次论进行实验的规划；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，检验模型的有效性和进行模型参数的估值。（2）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）、设备特性参数（例如：阻力参数、传热系数、传质系数等）和特性曲线的测试方法。3、熟悉并掌握化工中典型设备的操作了解影响操作的参数，能在现有设备中完成指定的工艺要求。并能预测某些参数的变化对设备能力的影响，应如何调整。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科学实验的全过程，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。（3）预先组织好3-4人的实验小组，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）实验操作要点实验数据的布点；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；（4）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；（5）实验数据的处理，如果用计算机处理实验数据，则学生还须有一组手算的计算示例；（6）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；3）实验数据及数据处理；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、分析问题及时作好实验报告。5、爱护仪器、注意安全、水，电，煤气，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。实验完毕后，应做好清洁工作，恢复仪器设备原状，关好门窗，检查水、电、气源是否关好，做好上述工作后方可离开实验室。实验一 雷诺数的测定与流型观察 实验目的 1. 观察流动类型，测定并计算临界雷诺数 Re； 2. 观察速度分布。基本原理 1. 流体在管内流动时，一般情况下，不是处于滞流（层流）就是处于湍流（紊流）状态。滞流时，流体质点运动互相平行，不同流体层间的质点彼此不发生穿插混合。湍流时，流体质点向各个方向作不规则运动，但流体主体仍向某一规定方向流动。判定流型的准数称为雷诺准数，以 Re表示。圆直管中，Re2000时属于层流；Re4000 时则属于湍流。Re在 2000 至4000 之间时，流动处于一种过渡状态，可能为层流，也可能为湍流，或是二者交替出现，为外界条件所左右。一般情况下把滞流变为湍流的临界情况的Re 称为上临界 Re数。而把由湍流变为滞流的临界情况的 Re称为下临界Re 数。二者一般是不相等的。Re 以下式表示： du Re = 因为流体的粘度和密度与流体的温度有关，所以在测定 Re数的过程中，还必须知道流体的温度，流体在管道内流动，若已知d、，则测定出由滞流变为湍流时的临界速度即可计算出临界雷诺数 Re的值。 实验观察过程中，影响流动状态的因素很多，入口条件、有无振动现象、流量计调节速度快慢等都会对流体流动造成影响。 2. 流体进入圆管，以均匀一致的速度u流动，由于流体粘性的影响，相邻的流体层间产生摩擦力，使流体流动速度发生变化，在垂直流体流动方向产生速度梯度 du/dy，从而形成速度分布。层流时速度分布为抛物线，湍流时则为指数曲线（顶部较平坦）。实验时，通过红墨水示踪，即可观察到不同的流动型态。 实验装置(如图1.1)图1.1 雷诺数实验装置如图所示，实验时水由高位水槽1进入实验玻璃管，水量由C阀控制，槽内设有进水稳，流装置2及溢流装置3，以维持液面平稳恒定，多余的水由溢流管4排出，以保证C 阀开度不变时通过实验管的水流量不变，即稳定流动。 实验操作 1. 打开阀C，水由高位槽进入实验管5，经转子流量计6 排出。由转子流量计读出通过实验管的流量。 2. 用阀B 控制高位墨水瓶7 的墨水注入量。 装置前面附有算图，可以由流量计的读数以及水温直接查知所测的雷诺准数。这样由玻璃管观察流动状态的同时就可知道管内雷诺数的大小。 实验二 伯努利方程演示实验实验目的1、通过本实验，加深对能量互相转化概念的理解；2、观察流体流经收缩、扩大管段时，各截面上静压头之变化。基本概念1. 流体在流动时具有三种机械能：即位能，动能，压力能。这三种能量可以互相转换。当管路条件改变时（如位置高低，管径大小），它们会自行转换。如果是粘度为零的理想流体，由于不存在机械能损失，因此在同一管路的任何二个截面上，尽管三种机械能彼此不一定相等，但这三种机械能的总和是相等的。 2. 对实际流体来说，则因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞而消失，即转化成了热能。而转化为热能的机械能，在管路中是不能恢复的。对实际流体来说，这部分机械能相当于是被损失掉了，亦即两个截面上的机械能的总和是不相等的，两者的差额就是流体在这两个截面之间因摩擦和碰撞转换成为热的机械能。因此在进行机械能衡算时，就必须将这部分消失的机械能加到下游截面上，其和才等于流体在上游截面上的机械能总和。 3. 上述几种机械能都可以用测压管中的一段液体柱的高度来表示。在流体力学中，把表示各种机械能的流体柱高度称之为“压头”。表示位能的，称为位压头；表示动能的，称为动压头（或速度头）；表示压力的，称为静压头；已消失的机械能，称为损失压头（或摩擦压头）。这里所谓的“压头”系指单位重量的流体所具有的能量。 4. 当测压管上的小孔（即测压孔的中心线）与水流方向垂直时，测压管内液柱高度（从测压孔算起）即为静压头，它反映测压点处液体的压强大小。测压孔处液体的位压头则由测压孔的几何高度决定。 5. 当测压孔由上述方位转为正对水流方向时，测压管内液位将因此上升，所增加的液位高度，即为测压孔处液体的动压头，它反映出该点水流动能的大小。这时测压管内液位总高度则为静压头与动压头之和，我们称之为“总压头”。 6. 任何两个截面上位压头、动压头、静压头三者总和之差即为损失压头，它表示液体流经这两个截面之间时机械能的损失。实验原理不可压缩性流体在导管中作稳定流动时，由于导管截面的改变致使各截面上的流速不同，而引起相应的静压头之变化，其关系可由流动过程中能量衡量式描述，即： （1）对于水平玻璃导管，在忽略摩擦阻力时，则式（1）变为： （2）因此，由于导管截面发生变化所引起流速的变化，致使部分动压头转化成静压头，它的变化可由各玻璃管中水柱高度指示出来。装置流程实验装置如图外形尺寸：8005001800mm测试管长：700mm 管内径25mm文氏管长：300mm 循环泵：1台贮水槽：250500mm300123451、溢流槽； 2、玻璃管（带尺度）；3、文氏管；4、泵；5、水箱； 图2.1 实验装置图abA 实验步骤1、 将着色(红色)水充入水箱5(以23深度为宜)，启动水泵；2、 关闭阀“b”，逐步增大阀“a”的开度，让液体充满测试管内，并排尽管内空气；3、 然后逐步增大阀“b”的开度；注意：不要让测压点“A”上的压力过低，以致于空气吸入文氏管内；4、若要增大流量，可将测压管“A”上的蝴蝶夹将橡胶管夹紧（此时假如打开此夹，可观察到文氏管喉口处为负压，气体不断被吸入）。实验三 流体阻力测定实验实验目的 1. 测定液体在直管内流动时的摩擦阻力，并确定管路一定时摩擦系数与雷诺数之间的关系； 2. 熟悉压力的测量及转子流量计的构造及使用； 3. 学会在双对数坐标纸上标绘与 Re的关系曲线。 基本原理 流体在管路内流动时，由于存在摩擦阻力，须克服内摩擦力作功，损失一部分能量。流体阻力可分为直管阻力与局部阻力两类。流体通过直管的阻力可用下式计算： ldU22g h f = 将此式写为压头的形式： pPgldU22g =h f = pPg式中 = h ，h 为压力计的压差（m 水柱）。 在一定的管路中，测定两点间的压强差，在已知l 、d、u的情况下，利用上两式即可求出摩擦系数。变换流速，测出不同Re 数下的摩擦系数，得到某一相对粗糙度时该段管路Re的关系。为Re 与e/ d 的函数，即=f（Re，e/ d ）。在滞流时， 与 Re无关，对圆管而言=64/ Re；在湍流时摩擦系数与Re及e/ d 都有关。 当 Re=3000100000 时，光滑管内与 Re的关系可用下式表示：0.3164Re0.25=在完全湍流区则与Re 的大小无关，只受e/ d 的影响。 实验装置(如图3.1) 图3.1 流体流动管路阻力实验装置实验步骤1. 熟悉实验装置及流程，观察倒U型压差计与管道的连接状况及测压点在管道上的位置。 2. 关闭B、C、D阀（A 阀不动），启动电泵，利用倒U 型压差计上的放气夹和阀D 调节压差计的液柱高度，近似稳定在压差计的中间偏上一点的位置。打开阀 C，观察转子流量计流量最大时，压差计中的液位高低是否适当，直至调至适当位置为止。 3. 逐渐开启B 阀，在小流量计量程范围内，由低到高读取不同流量下压差计左右两边液柱高度。4. 关闭B 阀，逐渐开启C阀，调节大流量计，读取由低至高不同流量下，压差计左右两边液柱高度。 5. 实验做完后关闭B、C阀，停止电泵，用温度计测水槽内的水温。图2.1 流体流动管路阻力实验装置数据整理 铜管内径 d=0.013m 铜试验管长 L=1.2m 水温 t = 水的密度 = 水的粘度 = 1. 将及Re 的计算结果列成表格： 序号 流量L/h液压差计高度差R 流速um/s的计算hu1232. 在双对数坐标纸上标绘与 Re的关系曲线。 3. 根据随 Re变化情况，分析测定所用直管的e/ d范围。 4. 思考题： 本实验为什么采用倒U 型压差计？还有什么压力计可以在本实验中应用？ 实验四 流量计的流量校正实验目的和内容目的：(1)学会流量计的流量校正方法；(2)通过孔板流量计孔流系数的测定，了解其变化规律。内容：(1)测定孔板流量计的孔流系数；(2)测定孔板流量计永久压强损失。基本原理本实验用的孔板流量计是管道法兰间装有一中心开孔的铜板在图2-1的1和2截面间列机械能守恒式:理想流体： 已知，未知实验测压口装在法兰上，即，且非理想流体。不可压缩流体， 令 孔流系数对于测压方式、结构尽寸、加工状况、管道粗糙度等均已规定的标准孔板： 孔板流量计是一种易于制造；结构简单的测量装置，因此使用广泛。但其主要缺点是能量损失大，用型差压计可测量这个损失永久压强损失。流量计的校正，有量体法、称量法和基准流量计法。本实验采用基准流量计法。它用一个已被校正过而精度级较高的流量计作为比较基准。实验流程图图4.1流量计的流量校正实验装置被校孔板前后必须有直管段，上游：30-50，下游：5-8。永久压头取压点上下游离孔板端面：3-5和8，（-指内径）。实验步骤 （1）实验前检查型管液面是否一致，打开平衡阀9、10，关闭放气阀5、6、7、8、11，打开测压阀1、2、3、4，接通涡轮流量计电源。（2）关闭出口阀，启动离心泵。（3）供水后，依次进行总管排气，测压导管排气，压差计排气。（4）检查系统是否排净空气，然后测量，考虑测量范围和实验布点（前密后疏）。（5）实验结束后，打开平衡阀，关闭泵和流量计电源。 实验数据记录表设备编号 ；水温度 ；仪表常数 ；管径 ；孔径 ；流量范围 。序号数字显示仪表读数孔板阻力差计读数永久压强压差计读数左（）右（）左（）右（）012345678910 6、实验报告中实验结果部分的要求（1）绘出孔流系数和雷诺数的关系曲线（）（2）绘出永久压强损失和流速的关系曲线（）附：误差分析及、曲线的绘制(1)流量的误差及坐标比例尺：(2)孔流系数的误差及坐标比例尺： 取若(4)流速的误差及坐标比例尺：(5)的误差及坐标比例尺：同理：实验曲线绘制为： 思考题（1）为什么测试系统要排气，如何正确排气？（2）为什么流量计和压差计读数的精确度直接影响的数值？如何保证读数精确？（3）为什么速度式流量计安装时，要求其前后有一定的直管稳定段？（4）本实验可得及的曲线，这二种表示法各有什么优点？实验五 离心泵性能测定实验离心泵特性曲线的测定实验目的 1熟悉离心泵的结构与操作； 2测定一定转速下离心泵特性曲线； 3学习离心泵特性曲线的应用。 基本原理 在一定转速下，离心泵的压力 H、轴功率N 及效率 均随实际流量Q 的大小而改变，通常用水做实验测出 HQ、NQ、及 Q之间的关系，并以曲线表示，称为泵的特性曲线。泵的特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用离心泵的重要依据。 如果在泵的操作条件和选用离心泵的重要依据。 如果在泵的操作中，测得其流量Q，进、出口的压力和泵所消耗的功率（即轴功率），则可求得其特性曲线。 1泵的压头 H ： 由动力学方程可知： H=h0+H2+H1+(u2 2 - u12 )/2g+h1-2 由于两截面间管路很短，h1-2可忽略不计，若吸入管与压出管管径相同，则u1=u2，上式可简化为： H=H1+H2+h0 式中：H2泵出口处压力表读数，以 mH2O柱（表压）计； H1泵入口处压力表读数，以 mH2O 柱（真空度）计； h0压力表与真空表之间的垂直距离，本实验装置为0.5m。 当测得各点流量和对应压力表及真空表读数即可作出HQ 曲线。 2NQ曲线 表示泵的流量Q 和轴功率N 轴的关系 本实验中不能直接测出轴功率，而是用瓦特计测得电机的输入功率： N轴=N电电传 式中：N 电电动机的输入功率（kW）； 电电动机的效率（无因次）； 传传动效率（无因次）。 由于电缺乏曲线关系，本实验实际测定的是N电Q的关系曲线。 3Q 曲线 表示泵的流量Q 和 的关系。 泵的效率为泵的有用功率 Ne 和轴功率N轴之比。 =QH/102N轴 由于本实验没有测出轴功率，实验测出的是电机的输入功率 N电，所以本实验只能测出 总Q 的关系曲线。 总为泵和电机整套装置的总效率。 总=Ne/ N电 总= QH/102N电 当测出泵各点的流量和对应的电机的输入功率 N电并计算出各点泵的扬程时，即可作出 总Q 曲线。 实验装置(如图 5.1)图5.1 离心泵性能实验装置实验步骤1. 了解设备熟悉流程及所用仪表，特别是瓦特计，要学会使用的方法。 2. 检查轴承的润滑情况，用手转动联轴节，视其是否转动灵活。 3. 打开泵的灌水阀及出口阀，向泵内灌水至满，然后关闭阀门。 4. 调节压差计：首先开启电钮使泵运转，慢慢打开泵的出口阀，旋开双管压差计的放气阀及平衡阀，放出气体后，关闭放气阀及平衡阀，再关闭泵的出口阀门，检查压差计左右两臂是否相平，否则应重新放气。 5. 用泵的出口阀门调节流量，从零到最大或反之，取 810 组数据。 数据处理 1原始数据表 序 号压力表kgf/cm2真空表kgf/cm2孔板计板差 mmHg 瓦特计kW备注1234562整理数据表 序号H1 mH2OH2 mH2OH mH2OQ m3/s NekW1234563在方格坐标纸上绘出离心泵的特性曲线。 4标出适宜工作区及最佳工作点。 讨论1为什么开泵前要先灌满水？开泵和关泵前为什么要先关闭泵的出口阀门？ 2为什么流量越大，入口处真空表的读数越大？离心泵的流量可以通过出口阀门调节往复泵的送液能力是否也可以采用同样的方法，为什么？实验六 过滤实验 实验目的1掌握过滤问题的简化工程处理方法，及测定过滤常数的测定；2了解板式过滤器的构造，并学会板式过滤器的操作方法。实验原理过滤是一种能将流体通过多孔介质，而将固体物截留，使从液体或气体中分离出来的单元操作。因此过滤在本质上是流体通过固体颗粒层的流动，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。因此在压差不变的情况下，单位时间通过过滤介质的液体量也在不断下降，即过滤速度不断降低。过滤速度u的定义是单位时间、单位过滤面积内通过过滤介质的滤液量，即： （1）式中：A 过滤面积，m； 过滤时间，s；V 通过过滤介质的滤液量，m。可以预测，在恒定压差下，过滤速度dqd与过滤时间之间有如图1所示的关系，单位面积的累计滤量q和的关系，如图2所示。图6.1 过滤速率与时间的关系过滤速率dq/dt时间t时间t累计滤液量q图6.2 累计滤液量与时间的关系影响过滤速度的主要因素除势能差(p)、滤饼厚度外，还有滤饼、悬浮液(含有固体粒子的流体)性质、悬浮液温度、过滤介质的阻力等，故难以用严格的流体力学方法处理。比较过滤过程与流体经过固体床的流动可知：过滤速度即为流体经过固定床的表观速度u。同时，液体在由细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动属于低雷诺范围。因此，可利用流体通过固体床压降的简化模型，寻求滤液量q与时间的关系。在低雷诺数下，可用康采尼(Kozeny)计算式，即： （2）对于不可压缩的滤饼，由上式可以导出过滤速率的计算式： （3）式中： 为形成与过滤介质阻力相等的滤饼层所得的滤液量，m； 滤饼的比阻，mkg；悬浮液中单位体积净液体中所带有的固体颗粒量，kg/m3清液； 液体粘度，Pas； 过滤常数，m2s。在恒压差过滤时，上述微分方程积分后可得： （4）由上述方程可计算在过滤设备、过滤条件一定时，过滤一定滤液量所需要的时间；或者在过滤时间、过滤条件一定时，为了完成一定生产任务，所需要的过滤设备大小。利用上述方程计算时，需要知道K、qe等常数，而K、qe常数只有通过实验才能测定。在用实验方法测定过滤常数时，需将上述方程变换成如下形式： （5）因此在实验时，只要维持操作压强恒定，计取过滤时间和相应的滤液量。以q作图得一直线，读取直线斜率和截距，求取常数和，或者将和的数据用最小二乘法求取和值，进而计算和的值。若在恒压过滤之前的时间内，已通过单位过滤面的滤液量为，则在至及至范围内将式3积分，整理后得： （6）上述表明和 为线性关系，从而能方便地求出过滤常数和的值。实验装置与流程：实验装置由配料桶、供料泵过滤器、滤液计量筒及空气压缩机等组成。可进行过滤、洗涤和吹干三项操作过程。碳酸钙(CaCO)或碳酸镁(MgCO)的悬浮液在配料桶内配成一定浓度后，由供料泵输入系统。为阻止沉淀，料液在供料泵管路中循环。配料桶中用压缩空气搅拌，浆液经过滤机过滤后，滤液流入计量筒。过滤完毕后，亦可用洗涤水洗涤和压缩空气吹干。供料泵配料桶接过滤器接过滤器水压缩空气控图6.3过滤实验装置图实验内容 测定恒压操作下过滤常数和，以及洗涤速率。实验操作要点：1、实验选用CaCO粉末配制成滤浆，其量约占料桶的2/3左右，配制浓度在80%左右；2、料桶内滤浆可用压缩空气和循环泵进行搅拌，桶内压力控制在0.10.2Mpa；3、滤布在安装之前要先用水浸湿；4、实验操作前，应先由供料泵将料液通过循环管路，循环操作一段时间。过滤结束后，应关闭料桶上的出料阀，打开旁路上清水管路清洗供料泵，以防止CaCO在泵体内沉积；5、由于实验初始阶段不是恒压操作，因此需采用二只秒表交替计时，记下时间和滤液量，并确定恒压开始时间和相应的滤液量q；6、当滤液量很少，滤渣已充满滤框后，过滤阶段可结束。实验报告：1、以累计滤液量q对作图；2、以对作图。求出过滤常数和，并写出完整的过滤方程式；3求出洗涤速率，并与最终过滤速率进行比较；4、数据记录：计量筒直径 园板过滤器直径：操作压力： 浓度： 温度：序号时间S（秒）计量G（千克）01思考题1 过滤刚开始时，为什么滤液总是浑浊的？2 在过滤中，初始阶段为什么不能采取恒压操作？3 如果滤液的粘度比较大，你考虑用什么方法改善过滤速率？4 当操作压强增加一倍，其值是否也增加一倍？要得到同样的过滤量，其过滤时间是否可缩短一倍？实验七 传热实验目的 1测定空气在圆形光滑直管中作湍流流动时的对流传热系数 ； 2根据对流传热系数 整理出传热准数关联式 Nu=BRe n ，并与传热的经验公式Nu=0.023Re 0.8 Pr0.4相比较。 3学会整理这一类实验数据的技巧。 本实验有电加热和蒸汽加热空气进行传热两种实验装置。现分述如下： 电加热空气的对流传热系数的测定 实验原理： 本实验为空气在电阻丝加热的铜管（铜管的规格为：222.1）内强制流动。实验目的是测定铜管内壁与流过空气间的给热系数。在铜管的某一载面上，空气的温度为 t ，铜管壁面温度为Tw ，则传热速率为 Q=A(Tw-t) ， 即为该截面上的给热系数。但在测定空气通过一定长度管道的给热系数时，因空气的温度和壁面的温度都沿空气流动方向在改变，所以给热系数为平均温度下的平均给热系数（传热速率为Q=Atm）。由于铜的导热系数很大，壁温可近似看作不变。若测出进出这段铜管的温度 t 进、t出并测定铜管的壁温 Tw，即可求出对数平均温度差。 根据牛顿冷却定律，在传热达到稳定后，则根据此式即可求出： VCp (t出-t进)At m =duP测出空气的体积流量 V，已知管径 d 内和管长 L，可求出 Ad 内 L 从而求出一定流量下的给热系数 。同时可计算出：R e = ，改变流量，可得不流量下的 和 Re，根据不同流量下的 可计算出： dN u= duR e=N n = BRe u N u =0.023Re0.8 P r0.4实验装置（如图 7.1） 图7.1 传热(电加热)实验装置图实验步骤 1先合上电加热系统的闸刀，开始加热铜管，电压用调压器控制，并调控温仪在 80，当保温层内加热到热平衡时，即可测定数据； 2启动鼓风机，调节转子流量计，在转子流量计的量程范围内测 67 组数据；3在每组数据的测量时，待其稳定 35分钟，再读取数据，每次读数时都应按控温计某一指示灯（一般规定为白灯）刚变化时数据为准，以消除部分误差，读取数据时要认真作好如下记录：次序流量Twt进t出P 表流量计读数换算后1234564实验结束后，先关闭转子流量计阀门及控温仪开关，然后拉下风机及加热系统的电源闸刀，并检查有无异常现象。 数据整理及实验报告 t进+t出2（1）根据各组数据求出 Re、Nu。 求：Re、Nu时 Cp、 值根据 查出，需根据温度、压力进行校正。 求 Re 时： 求 时：（2）用图解法求出 Nu=BRen 中的 n 及 B，即在双对数坐标纸上以 Nu 为纵坐标，Re 为横坐标，作出一条直线，该直线的斜率即为 n，截距即为 B。（斜率应用尺量）。 由于传热经验公式Nu=0.023Re0.8 Pr 0.4中空气的准数 Pr 可查出，由此可根据 B标出系数，求出 B/ Pr0.4与 0.023 比较，同时校核n是否为 0.8 。 蒸气加热空气传热系数的测定 实验原理 基本原理与一同。本实验装置是在套管换热器中，内管通空气，环隙通水蒸汽。水蒸汽冷凝放出的热量使空气加热（内管的管壁为传热间隙），在传热达到热平衡后，有如下关系式：式中：V 空气体积流量 V 空=0.001233R/P(R 为孔板流量计的压力差) 为空气的密度（kg/m3） 此处的要根据进、出口的温度及压力进行换算，换算分式为： Cp 空气的平均比热，由定性温度 之值查出。 tm内管壁与空气的对数平均温度差（） 其中：t出为空气出换热器的温度（）； t进为空气进换热器的温度（）； Tw为内管的壁温（）。 以上三个温度均用热电偶测量，由Vj_36 型电位计求算。 当热电偶自由端为0热电偶热端的温度用 Ett 曲线图查出或由下式求算： A 内内管内表面积（m2） A 内由换热管长 L=1.224m 和管径 d=18mm 求算。同时可求出相应的 Pr、Nu 准数，此处 需校正。 其校正公式为： 流体在圆直管内作强制湍流时给热关系式为： （公式当 Re100000， 0.7Pr120 L/d60时适用 ） 实验设备(如图 7.2) 实验装置是用两根套管换热器组成，其中一根内管是光滑管，另一根内管是螺旋槽管（详见附图）。空气由风机送，经圆形喷嘴孔板流量计，风量调节阀，再经套管换热器排向大气。图7.2 传热(蒸汽加热)实验装置图操作步骤： 1作好热电测温的准备工作（电位计调零）； 2打开蒸汽阀 11，通入蒸汽。并打开排气阀 12，不断排除不凝性气体，当有水蒸汽喷出时即关闭。调节阀11.使蒸汽压力稳定在 0.5公斤（力）/厘米2 3启动风机 1，调节阀 3，使风量由小到大变化，在流量变化的整个可测幅度内读出 6 个数据，每次在传热稳定后测出下表中的有关数据。 4实验结束，关闭蒸汽、风机，拉下电闸并检查仪表是否完好。实验报告 （1）根据所测数据，进行整理，在双对数坐标纸上以 Nu为纵坐标，以 Re 为横坐标，作出NuRe图线； （2）从所作图（直）线，找出关系式并与给热关联式相比较； （3）将光滑管与螺旋管的结果进行对比分析，提出实验结论。 序号进口空气温度出口空气温度壁温空气流量空气压力mmHg蒸汽压力mvmvmv孔板压差 mmH2O流量（m3/s）实验八 板式精馏塔的操作及塔板效率实验实验目的 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法； 3 测定全回流时的总塔板效率。 基本原理 在板式精馏塔中，混合液的蒸汽逐板上升，回流液逐板下降，气液两相在塔板上接触以实现传质，以达到分离的目的。如果在每层塔板上，离开塔板的液体组成与蒸汽组成处于平衡状态，则该塔板称为理论板。然而在实际操作的塔中，由于接触时间有限，气液两相不可能达到平衡，即实际塔板达不到一块理论板的分离效果，因此精馏塔所需要的实际板数总比理论板数多。对二元物系，全回流时，根据塔顶、塔底气液组成可求出理论塔板数。理论塔板数与实际塔板数之比即为塔的总板效率 E 。数学表达式为： 实验装置 实验装置为一小型筛板塔，共有七层塔板，板上开有2mm 筛孔 12 个，塔径为57mm，板间距68mm。塔底有一加热釜，装有液位计、温度计、U 型管压差计、加料接管和釜液取样考克。塔顶为一蛇管式冷凝器。冷凝液可全部回流，也可由塔顶取样管放出。 另外，加热釜装有2 千瓦电炉丝，可由调压器控制加热量（如图 8.1）。 实验方法 1先检查加热釜中的料液量是否适当（应为液面计的2/ 3 高左右）。釜内料液组成以含 20%（重量%）左右的酒精水溶液为宜。 2接通电源，慢慢旋转调压器把手，使电流由小到大，电流大小由安培表指示，正常操作可控制在 34安培。 注意观察塔顶、塔釜的温度变化和塔顶第一块塔板的情况，当上升蒸汽开始回流时，打开冷却水阀，其用量能将酒精蒸汽全部冷凝下来即可。但要注意勿要因冷却水过少而使蒸汽从塔顶喷出。当塔顶气液鼓泡正常，操作稳定，且待塔顶、塔釜温度恒定不变后，即可开始取样。 3分别由塔顶取样管和釜底取样考克用锥型瓶接取适当试样，取样前应先取少量试样将锥型瓶冲洗一、二遍。取样后用塞子将锥型瓶塞严，防止其中酒精挥发，并使之冷却，用比重天平称出比重，并由酒精组成比重表查得酒精重量百分浓度。 数据处理 根据实验所得数据计算精馏塔在一定空塔气速下的总板效率。 表一 实验数据记录表 温度 塔内压强mmH2O塔顶样品塔底样品塔顶，塔釜，比重摩尔%重量%比重摩尔%重量总板效率 E= 附： 比重天平实验过程中液体的比重是利用液体比重天平来测量的，这里简单介绍它的原理和使用方法。 比重天平有一个有标准体积和标准重量的测锤，事先可在上调至平衡。当它浸没于液体中时，由于受到浮力而使横梁失去平衡。此时可在横梁的V 型槽里放置相当重量的骑码，使横梁恢复平衡，从而可求出液体比重，比重天平结构如图8.2所示。 图8.2 比重天平使用方法：先将测锤（8）和玻璃量筒用纯水或酒精洗净。再将支柱紧固螺钉（9）旋松，将托架（3）上到适当高度。横梁（2）置于托梁的玛瑙刀架（5）上。用等重砝码挂于横梁右端的小钩上。调整水平调节器（1）上的小螺钉松开，然后略微转动平衡调节器直至平衡为止。将等重砝码取下，换上测锤，然后将待测液体倒入玻璃量筒(7)内，使测锤浸入待测液体中央。由于液体浮力使横梁失去平衡，在横梁V 型刻度槽与小钩上加放各种使之平衡，在横梁上骑码的总和即为所测液体的比重的值。 表二 比重天平读数方法 放在小钩上与 V型槽砝码重1 克100 毫克10 毫克1 毫克V型槽上第 1 位代表的数0.1 0.010.0010.0001V型槽上第 9 位代表的数0.90.090.009 0.0009V型槽上第 8 位代表的数0.80.080.0080.0008表三 乙醇水（101Kpa）的平衡数据乙醇摩尔% 液相0 1 4814 18 2025气相011.027.339.248.251.352.555.1乙醇摩尔%液相3540506070808589.4气相59.561.465.769.875.58285.589.4图8.1 板式精馏塔实验装置图8.1 筛板式精馏塔示意图 实验九 吸收实验实验目的 1熟悉填料吸收塔的构造和流程； 2测定在一定操作条件下，用水吸收空气中的氨的气相体积传质总系数Kya。 主要设备和流程(如图 9.1) 本实验流程如图 9.1 所示，空气由鼓风机 1 供给，NH3由钢瓶经减压阀后进入缓冲器 28，空气由空气缓冲器经转子流量计4 计量后再与 NH3混合进入D=0.1m填料塔6，塔内充有12121（mm）的陶瓷环填料，填料层高为 0.825m，吸收剂水经转流量计 18 计量后自塔顶喷洒而下。在塔内，上升的 NH3 与喷洒而下的水逆流接触，氨大部分被吸收，尾气从塔顶排出，吸收液从塔底排入下水道。图9.1 吸收实验流程示意图吸收系数的测定原理 本实验系用水吸收混合在空气中的氨。氨为易溶气体，所以此吸收操作属于气膜控制。由于混合气中氨气浓度很低，吸收的溶液浓度也不高，气液两相平衡关系，可以认为符合亨利定律。 吸收系数的测定是根据下式：式中：Kya以y 为推动力的气相体积总传质系数（kmol/m3.s）； G混合气体通过塔任一截面的摩尔流率（kmol/m2.s）； yb浓端混合气体中NH3的摩尔分率； ya稀端混合气体中NH3的摩尔分率； ym浓端与稀端的推动力的对数平均值。 (1) 求算G G=G 空气+G 氨V氨氨气转子流量计读数换算成 m3/s； V 空空气转子流量计读数换算成 m3/s； T0、P0标准状态下温度(273K)、压力（绝压：760mmHg）； T1、P1标定的温度（293K）、压力（绝压：760mmHg）； T2、P2计前温度（K）、压力（绝压 mmHg）； G 氨氨气通过塔任一截面的摩尔流率（kmol/m2.s）； G 空空气通过塔任一截面的摩尔流率（kmol/m2.s）；r 空标准状态下空气重度（1.2928kg/m3）； r 氨标准状态下 98%氨气重度（0.7810kg/m3）； S塔截面。 (2) 求算 yb(3) 求算 ya ya 由尾气分析求得。由于尾气氨的浓度很低，所以：V3加入吸收器硫酸溶液体积（mL）； N3硫酸溶液当量浓度（N）； V湿式气体流量计所测体积（mL）； T1、P1湿式气体流量计温度（K），压力（mmHg）； T0、P0标准状态温度（273K），压力（绝压：760 mmHg）。 （4）求算ym式中：ya=ya-ya* 塔顶气相总推动力； yb= yb-yb* 塔底气相总推动力。 xa=0， ya*=0 yb*=m xb，L溶液通过塔任一截面的摩尔流率（kmol/m 2.s）； m相平衡常数； E亨利常数； P塔内总压 =大气压强+塔顶表压+1/2塔内压差（大气压）。操作步骤 （1）打开鼓风机1，调节阀 2，使转子流量计的浮子稳定在2030m3/h 的某一读数。 （2）开进水阀，流量调至最大，全部湿润填料，然后再调小流量，使示值稳定在 8090L/h的某一读数。 （3）往尾气吸收器13 内装入一定当量浓度的稀硫酸 Vs=2mL，加入甲基红指示剂12 滴，然后用蒸馏水冲洗吸收管壁，至液面达到刻度线为止，然后接入尾气管。 （4）当其它准备就绪后打开氨气钢瓶顶阀 24，然后再缓缓调节弹簧使压力表 26 指示到0.50.8kg/cm2 左右，再调节转子流量计30，使示值稳定在0.81.2m3 /h 的