化工原理实验报告要点

1、环境科学与工程学院化工原理课程实验报告报告主题恒压过滤参数的测定专业班级环境工程（2 班学 号 20110301221姓 名 杨迅时 间 2013年12月9日恒压过滤常数的测定一、前言过滤是利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（滤布和滤渣），使悬浮液中的固体、液体得到分离的单元操作。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，该固体颗粒床层的 厚度随着过滤过程的进行不断增加。 过滤操作分为恒压过滤和恒速过 滤。当恒压操作时，过滤介质两侧的压差维持不变，单位时间通过过 滤介质的滤液量不断下降；当恒速操作时，即保持过滤速度不变。影响过滤速率的主要因素除压强差、滤饼厚度外，还与滤

2、饼和悬 浮液的性质、悬浮液温度、过滤介质的阻力等有关。二、实验材料与设备取适量的碳酸钙，在配料梢中配制成浓度在2-4%左右的轻质碳酸 钙悬浮液，用搅拌棍进行均匀搅拌（浆液不出现旋涡为好）。本实验装置由空压机、配料梢、搅拌釜、板框过滤机等组成，其 流程示意如图1 可将动提架仪一图冉-止国脚潍-压力料槽d-邮后同:6放空阀】-液若视低声-压力表”-压瞽手轮*10-板雁蛆山-板棍进口 压力表解-料黑进口周；13 -池液出口阳睥-压力定值葡节陶;15-陶及3调压阀门6-婚及2'调压阳；17 -图及I,弼压阀区-配料糟州 一出帔海口加-指示尺内诜水口汨弗落-端加-郎空-阀融-阀海-阀西-明EJ恒

3、任过建常数用良实验装，的流程及主票部件图三、试验方法和过程1 .配制含CaCO33%5% (wt%)的水悬浮液，用泵抽入原料釜，关闭进料阀门，开釜底阀，用泵使料液循环，同时开搅拌，使 CaCO3 浮液搅拌均匀。2 .关泵。开空压机，将压缩空气通入搅拌釜。3 .正确装好滤板、滤框及滤布。装好滤布(滤布使用前应先用水 湿透，滤布孔要对准，表面服贴平展无皱纹，否则会漏)，排好板框， 然后压紧板框。4 .调节搅拌釜的压力到需要的值。主要依靠控制面板对釜压力进行设定，由压力传感器对空压机进行自动调节。5 .最大压力不要超过0.3MPa6 .实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次 W取2003

4、00g左右，记录相应的过滤时间 t。7 .待滤渣装满框时即可停止过滤(以滤液量显著减少到一滴一滴 地流出为准)。8 .实验结束后要冲洗滤框、滤板及滤布，滤板应用刷子刷洗。实 验结果与分析讨论四、过滤实验数据处理方法介绍1.方法一、恒压过滤速率方程式为：V2 +2V7e= K42t(1)或+ 2柒q =忌(2)将式(2)两边对q求导数得：2(#亚)Y0(4)的一 d / 肃 4 7 -2.L为了便于实验测定，d/dq、d/dV可分别用微商A/Aq、 t / AV代替，从而 p / Aq与q或 t / AV与V之间具有线性关系，前 者的斜率为2/ K、截距为2 qe/ K，后者的斜率为2/ KA2

5、、截距为2Ve/ KA2 ,从而可用图解法或一元线性回归法求取过滤常数。2.方法二将恒压速率方程式（1）、（2）改写成式（5）、（6）r 1P =+42可见，P / V与V或P / q与q之间具有线性关系，直线的斜率、 截距分别为1/ K、2 qe/ K 或"KA2、2Ve/ KA2 ,从而可用图解法 或一元线性回归法求取过滤常数。五、实验结果与分析讨论1 .实验数据记录与处理过滤面积口径工cm,过滤面积A= 0.00385 m2实验序号Inm过滤压强差 A p X 10 Pa0.02mpa0.04mpa0.06mpa过滤时间A6/s单位面积滤液量q x102m 3/m 220000

6、203050602060901102085110160201101652102012020025020140235290实验数据:q X102 m3/m2Aq X102 m3/m2q，X 210 m3/m2 8 sX10-2 s/mq00007.7927.7923.896202.567实15.5847.7923.896202.56722.0786.4943.274203.080验28.5716.4933.274203.08031.1682.5971.299207.701I36.3635.1952.598203.850000012.97812.9786.489201.541实23.37710.3

7、995.1995201.92333.76610.3985.199201.923验42.8579.0914.546202.20051.9489.0914.546202.200n61.0399.0914.546202.2000002015.58415.5847.792201.283实28.57112.9876.494201.54041.58813.0176.509201.536验54.54512.9576.479201.54464.93510.3905.195201.925m75.23510.3005.15201.9420注：q'为Aq的中点。由以上数据分别作图:实验I2 .实验结果与讨论

8、1）实验结果：实验序号过滤压强差A p x -50Pa2斜率wKs/m2q2截距巳qeKs/mK m2/sqe m3/m2久sI0.02mpa0.10161.409619.685;13.874140n0.04mpa0.01331.4983150.376112.654140m0.06mpa0.01051.1387190.476108.4481402）实验结果讨论： 从实验的数据上看，实验存在着明显的误差，可能这就包括（实验数据的读取，以及看时间的人与读数的人之间形成的时间差， 读取 数据时视线与液面凹梢处是否水平等等）。为尽量避免这些误差，我 认为读数和记录时间的人应该是同一个人，并且进行多次实

9、验，取结果相对较准确的一组为准。 从实验的数据我们同样可以得到在 0.02mpa到0.04mpa的改变 时，得到过滤压强差 p是增加了一倍，而滤饼常数却呈现不规律的 增加，这就表明滤饼常数不仅仅与过滤压强差有关。同样，可以得到 介质常数qe与过滤压强差有关。3 .思考题1、过滤刚开始时，为什么滤液经常是浑浊的？答：因为刚开始的时候滤布没有固体附着，所以空隙较大，浑浊液会 通过滤布，从而滤液是浑浊的。当一段时间后，待过滤液体中的固体 会填满滤布上的空隙从而使固体颗粒不能通过滤布， 此时的液体就会 变得清澈。2、在恒定过滤中，初始阶段为什么不采取恒定操作？答：因为刚开始时要生成滤饼，等滤饼有一定厚

10、度之后才能开始等压 过滤。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？答：(1)使用助滤剂，改善滤饼特性；(2)加热滤浆，降低滤液粘度；(3)使用絮凝剂，改变颗粒聚集状态；(4)限制滤饼厚度，降低过滤阻力4、当操作压强增大一倍时，其 K值是否也增大一倍，是得到同样的 过滤量时，其过滤时间是否缩短一半？答：不是的，dv/d 0 =A2 AP/i rv(v+ve), dv/d 0是代表过滤速率，它 随着过滤的进行，它是一个逐渐减少的过程，虽然AP增大一倍，表面上是时间减少一倍，单过滤速率减少，所以过滤得到相同的滤液， 所需的时间不是原来的一半，比一半要多。六、参考文献1吴洪特.化工原理

11、实验M.北京:化学工业出版社，2010.2谭天,恩等.化工原理(上册)M.北京：化学工业出版社，2006.3魏崇光，郑晓梅.化工工程制图M.北京：化学工业出版社，1994.4谭天恩，麦本熙，丁惠华.化工原理(第二版)上册M.北京：化学工业出 版社,199015伍钦，邹华生，高桂田.化工原理实验M.广州：华南理工大学出版社,200116陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋.化工原理(上册)第二版M.北京：化学 工业出版社,199917何潮洪，冯霄.化工原理M.北京：科学出版社,200118黄少烈,邹华生.化工原理M.北京:高等教育出版社，200219 Warren L. McCabe Julian C

12、. Smith ,Peter Harriott . Unit Operationof Chemical Engineering. 6thed. New York :McGraw - Hill ,200110Christie J. Geankoplis 著，Transport Processes and Unit Operations , 197811Weber WJ. Physicochemical Processes fo r Water Quality Control. New York: Wiley-Interscience,197212Mansour A, Von Rosenberg

13、D U, Sylvester ND. AIChE J, 198213Komiy ama H, Sm ith J M. AIChE J, 197414Suzuki M, Kawazoe K.J Chem Engng Japan,197515Sun Shuyu, Jiang Zhix in. In: Proceedings of the int ernational Conference of Reactive Polymers.Xi ' an. 1994环境科学与工程学院化工原理课程实验报告报告主题对流传热系数及准数关联式常数的测定专业班级环境工程（2 班学号 20110301221姓

14、名 杨迅时间 2013年12月9日对流传热系数及准数关联式常数的测定一、刖百在各种化工生产中的流体，由于工艺要求，往往需要将其加热或冷却至规定的温度范围，要达到这种需要，通常进行的单元操作是传热.传热的常用形式是间壁式传热，其中最重要的参数是传热系数，涉及到间壁两侧的流体与壁面间的传热膜系数，即对流传热系数.而想要提高传热系数， 主要就是提高对流传热系数.影响对流传热系数的因素很多，主要影响因素有：流体的状态，流体的物理性质，流体的运动状况，流体对流的状况，传热表面的形状、位置及大小等J .对流传热在化工、发电、动力、节能及航天热控领域具有十分广泛的应用背景，研究对流传热系数的影响因素和计算方

15、法，成为解决对流传热的关键，对于节约能源、原材料和工程费用等具有重要意义二、实验装置本实验设备由两组黄铜管(其中一组为光滑管，另一组为波纹管)组成平行的两组套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，其冷凝放出热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气，达到逆流换热的效果。饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器产生。该实验流程图如图 1所示，其主要参数见表1。表1实验装置结构参数实验内管内径d (mm16.00实验内管外径do

16、 (mrm17.92实验外管内径D (mrm50实验外管外径Do (mrm52.5总管长(紫铜内管)L (M1.30测量段长度l (m)1.10量空气流量图1空气-水蒸气传热综合实验装置流程图1-光滑套管换热器；2螺纹管的强化套管换热器；3蒸汽发生器；4一旋涡气泵；5一旁路调节阀；6一孔板流量计；7、8、9空气支路控制阀；10、11蒸汽支路控制阀;12、13蒸汽放空口；15一放水口； 14液位计；16加水口；三、实验内容1、光滑管测定68个不同流速下光滑管换热器的对流传热系数a 1。对a 1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=AR却常数A、rnt勺值。2、波纹管测定68个不同流速下波纹管换热

17、器的对流传热系数a I。对a 1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BR仲常数B、mt勺值。四、实验原理影响对流传热的因素很多，根据因次分析得到的对流传热的准数关联为:Nu=CRemPrnGrl(1)式中G m n、l为待定参数。只能通过实验来确定特定参加传热的流体、流态及温度等不同，待定参数不同。目前,因此，可以忽略自Pr可视为常数。所(2)范围的参数。本实验是测定空气在圆管内作强制对流时的对流传热系数。然对流对传热膜系数的影响，则 Gr为常数。在温度变化不太大的情况下,以，准数关联式（1）可写成一 mNu= CRe其中：Re;虹二匚二d4二 dNu = ,50 c时，空气的导热系数 九=

18、 0.02826W/（m.K） 九Rem因此：:=0-0d待定参数口 m可通过实验测定蒸汽、空气白有关数据后，对式（2）取对数，回归求得直线斜率和截距。2 .传热量计算努塞尔数Nuf a 1无法直接用实验测定，只能测定相关的参数并通过计算求得。当通过 套管环隙的饱和蒸汽与冷凝壁面接触后，蒸汽将放出冷凝潜热，冷凝成水，热量通过间壁传递给套管内的空气，使空气的温度升高，空气从管的末端排出管外，传递的热量由（3）式计算。(3)=WCpc ( t 2 tl) = V p iCpc ( t 2 t 1)根据热传递速率Q=KSA tm(4)所以 KSAtm=Vp iCpc(t2ti)(5)式中：Q换热器的

19、热负荷(即传热速率)，kJ/s；We 冷流体的质量流量，kg/s;V 冷流体(空气)的体积流量， m/s;3P i冷流体(空气)的密度，kg/m；K 换热器总彳热系数，W/(R C);C pc一一冷流体(空气)的平均比定压热容， kJ/ (kg K); 2S 传热面积，m;A t m蒸汽与空气的对数平均温度差JC。空气的流量及两种流体的温度等可以通过各种测量仪表测得。综合上面各式即可算出传热总系数K3 .传热膜系数的计算当传热面为平壁或者当管壁很薄时，总的传热阻力和传热分阻力的关系可表示为：(6)式中：a l空气在圆管中强制对流的传热膜系数，W ( m C);2a 2蒸汽冷凝时的传热膜系数，W

20、 ( m C)。当管壁热阻可以忽略(内管为黄铜管而且壁厚b较薄，黄铜导热系数 入比较大)时,1111R5 十H5 K ：-1:2： 1蒸汽冷凝传热膜系数远远大于空气传热膜系数,则K= a 1。因此，只要在实验中测得冷、求得空气传热膜系数a 1。K值，由此热流体的温度及空气的体积流量，即可通过热衡算求出套管换热器的总传热系数4 .努塞尔数和雷诺数的计算Re =du4 dV：1 VR(8)Nu,叫S'tm(9)式中：入一一空气导热系数， W ( m- C)；科一空气的粘度，Pa - s;d一套管换热器的内管平均直径，m;P i一一进口温度ti时的空气密度，kg/ntS取管子的内表面较为合理

21、，即由于热阻主要集中在空气一侧，本实验的传热面积=兀dl本装置 d=0. 0178 m, l=1 . 327nl5 .空气流量和密度的计算空气密度p i可按理想气体计算:；1 =1.29 P273(10)101330 273 t式中：pa当地大气压，Pa ;t孔板流量计前空气温度，C,可取 t=t 1；V1空气的流量由1/4喷嘴流量计测量，合并常数后，空气的体积流量可由(11)式计算(11)式中：C0合并整理的流量系数，其值为C0=0. 001233;R喷嘴流量计的压差计示值，mmH。V 1 空气的体积流量，m/so五、实验操作1 .实验前的准备(1)向电加热釜加水至液位计上端红线处。(2)检

22、查空气流量旁路调节阀是否全开。(3)检查普通管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管路的畅通。(4)接通电源总闸，设定加热电压，启动电热锅炉开关，开始加热。2 .实验开始t1(1)当蒸汽压力稳定后，启动旋涡气泵并运行一段时间，保证实验开始时空气入口温度1.给热系数K的计算(C)稳定。(2)调节空气流量旁路阀的开度或主阀开度，使孔板流量计的压差计读数为所需的空气流量值。(3)稳定58分钟左右读取压差计读数，读取空气入口、出口的温度值t1、t2 (温度测量可采用热电偶或温度计)、空气压力值P1、空气入、出口之间压力差 P2、蒸汽温度值t3及压力值P3,孔板流量计读数P4O(4)调节空气流量，重复

23、(3)与(4)共测610组数据(注意：在空气入、出口之间压力差P2最大值与最小值之间可分为 6-10段)。(5)实验过程，要尽可能保证蒸汽温度或压力稳定，在蒸汽锅炉加热过程(蒸汽温度或压力变化较大)不要记录数据。3 .实验结束(1)关闭加热器开关。(2)过5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开。(3)切断总电源。六、实验注意事项1、检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。2、必须保证蒸汽上升管线的畅通。在转换支路时，应先开启需要的支路阀， 再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。3、必须

24、保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀(见图1所示)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、调节流量后，应至少稳定 510分钟后读取实验数据。5、套管换热器中积累的热水要及时放掉，以免影响蒸汽传热。七、实验记录及数据处理序号1234567空气进口处密度 p Kg/m31.2091.2081.2061.2041.2021.1971.192空气质量流量m2 Kg/s0.00190.00240.0030.0035 (0.00410.00460.005空气流速u m/s7.9810.0912.3714.561719.2121.01空气定

25、性温度t平均 41.742.0542.442.7543.444.2545.25定性温度下的空气密度 p ' Kg/m31.2131.121.1191.1181.1151.1121.108冷、热流体间的对数平均温差 tmc58.557.9157.6357.4256.7455.8546.08总给热系数K w/ m2 29.8437.4247.154.7964.8173.3895.362. a 2理论值的计算序号1234567对流给热系数a 2 w/ m2 - C29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36空气黏度a (x 10A -5Pa-s)1.9221.9241

26、.9251.9251.931.9341.939空气导热系数入W/m- K0.02730.02770.02780.02780.02780.02750.028雷诺数Re8058.0569397.75511505.06413529.83315713.9917672.40519209.413普兰特数Pr0.70760.69810.70.70.6970.70690.6966努赛尔数Nu17.4921.6123.7231.5337.342.6954.49a 2 理论值 a 2' w/ m2 45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.96努赛尔数理论值Nu'26.69

27、30.0435.3640.2545.2950.0453.163. a 2理论值与实验值比较序号1234567a 2理论值45.5452.0161.4469.9378.7886.0192.96a 2实验值29.8437.4247.154.7964.8173.3895.36a 2相对误多0.34480.28050.23340.21650.17720.1468 -0.0258误差分析：1 .迪图斯-贝尔特公式有条件范围，而实验数据并非全在其适用范围内，用此公式算出的Nu'和a 2'误差就可能较大。2 .实验时，等待时间不足，导致数据未稳定时就记录了。序号1234567ln(Nu/Pr 0.4)33.223.313.593.763.894.12ln(Re)8.999.159.359.519.669.789.86冷流体给热系数的准数式：Nu/Pr0.4=APrmln(Nu/Pr 0.4)=lnA+m ln(Re)lnA=-7.9273, A=0.0256m=1.2124另附上原始实验数据:在舁 厅P冷空气热蒸汽8M:(吊/h )进口温度 (C)进口温度 (C)进口温度 (C)进口温度 (C)15.2719.2064.2010