生物工程实验指导-课件 04-化工原理实验

化工原理实验实验一

流体流动形态的观察与测定实验二

流体摩擦阻力系数测定实验三

离心泵特性曲线的测定实验四

空气在圆形直管中对流传热系数的测定实验五

恒压过滤常数测定实验六

填料塔吸收实验实验七

精馏实验实验八

干燥实验实验一

流体流动形态的观察与测定1实验目的(1)观察流体在管内流动时的两种不同形态。(2)观察层流状态下管路中流体速度分布状态。(3)测定流动形态与雷诺数之间的关系及临界雷诺数值。2实验原理流体流动过程中有两种不同的流动形态:层流和湍流。流体在管内作层流流动时，其质点做直线运动，且质点之间互相平行，互不混杂，互不碰撞。湍流时质点紊乱地向各个方向作不规则运动，但流体的主体仍向某一方向流动。影响流体流动形态的因素，除代表惯性力的流速和密度及代表黏性力的黏度外，还与管型、管径等有关。经实验归纳得知，流体流动类型可由雷诺数Re来判别，具体表示为式中d———管子内径，m;u———流速，m/s;ρ———流体密度，kg/m3;μ———流动黏度，N·S/m3。雷诺数是判断流体流动类型的准数。一般认为:Re≤2000为层流;Re≥4000为湍流;2000<Re<4000为不稳定的过渡区。对于一定温度的液体，在特定的圆管内流动时，雷诺数主要与流速有关。本实验以水为介质，通过改变水在圆管内的流速，观察在不同雷诺数下流体流动类型的变化。3实验材料及设备(1)实验装置(图4-1):主要由水箱、实验管、试剂盒、实验管道、阀门和台架等部分组成。(2)实验管道:内径21mm、长1000mm的透明有机玻璃管。便于学生观察玻璃管内详细的实验过程及现象。本实验主要是通过调节水量控制阀来改变流体流经管的流速，并观察指示液随流速改变的流动形态。(3)试剂盒:容积大于100mL。指示液为红墨水或其他颜色鲜艳的液体。通过指示液控制阀由尖嘴流入实验管中。(4)高位水箱:透明有机玻璃板质，有效容积大于45L。溢流口:保证水槽内的水维持溢流稳定状态。出水口:方便清洗水槽。(5)计量流量计:流量范围在25~250L/h。4实验步骤(1)依次检查实验装置的各个部件，了解其名称与作用，并检查是否正常。关闭所有阀门。(2)将示踪剂倒入示踪剂盒中。打开示踪剂盒底下阀门，使示踪剂沿管道往下流，直至从针管流出，关闭阀门。(3)接通自来水管，打开阀门1供水，使高位水箱充水。待高位水箱溢流后，打开管道调节阀门4排走管道中的气体。(4)调节阀门4，使流量计流量在60L/h以内。调节示踪剂阀门，使示踪剂流量适度(以指示液呈不间断细流排出为宜)。(5)微调示踪剂阀门和阀门4，同时观察指示液流动形状。并记下示踪剂呈一条稳定直线、示踪剂开始波动、示踪剂与流体(水)全部混合时的流量。计算雷诺数的值。(6)实验结束后将高位箱和实验管道中的液体排尽。示踪剂盒中的示踪剂排尽后，需用清水洗涤，防止残液将尖嘴堵死。注:实验一段时间后须清洗水箱，避免污物过多导致流量计量误差加大。5结果与分析(1)基本数据水的黏度:__________Pa·s;水的密度:__________kg/m3;水的温度:__________℃;实验管内径:__________mm。(2)实验数据记录按照表4-1记录数据。6思考题①在对装置进行排气时，是否一定要关闭流程尾部的出口阀门?为什么?②如何检测管路中的空气是否已经被排除干净了?实验二

流体摩擦阻力系数

测定1实验目的(1)掌握流体流经直管和阀门时的摩擦阻力损失和测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。(2)测定直管摩擦助力系数λ

与雷诺数Re

的关系。(3)测定流体流经阀门时的局部摩擦阻力系数ζ。(1)直管摩擦阻力系数λ

与雷诺数Re

的测定直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即λ=f(Re，ε/d)，对于一定的相对粗糙度而言，λ=f(Re)。流体在一定长度、等直径的水平圆管内流动时，其管路摩擦阻力引起的能量损失为2实验原理又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系(范宁公式)由式(4-2)和式(4-3)可得2实验原理式中

d———管径，m;ΔPf

———直管摩擦阻力引起的压强降，Pa;l———管长，m;u———流速，m/s;ρ———流体密度，kg/m3;μ———流体黏度，Pa·s。在实验装置中，直管段的管长l

和管径d都已固定。若水温一定，则水的密度ρ和黏度μ也是定值。因此，本实验实质上是测定直管段流体摩擦阻力引起的压强降ΔPf

与流速u(流量Vs)之间的关系。根据实验数据和式(4-4)可计算出不同流速下的直管摩擦阻力系数λ，用式(4-5)计算对应的Re，整理出直管摩擦阻力系数和雷诺数的关系，绘出λ

与Re

的关系曲线。(2)局部摩擦阻力系数ζ的测定局部摩擦阻力主要是由于流体流经管路中管件、阀门等局部位置时所引起的摩擦阻力损失。在局部摩擦阻力件左、右两侧的测压点间列伯努利方程2实验原理式中

ζ———局部摩擦阻力系数;ΔP———局部摩擦阻力引起的压强降，Pa。式(4-6)中ρ、u、ΔP

等的测定同直管摩擦阻力测定方法。根据伯努利方程，流体在管道中的能量守恒关系为3实验材料及设备流体流动摩擦阻力测定实验装置(图4-2)由水箱、离心泵、不同管径和材质的测试管、各种阀门和管件、流量计及压差传感器组成。管路部分有三段并联的长直管，分别用于测定局部摩擦阻力系数、光滑管直管摩擦阻力系数和粗糙管直管摩擦阻力系数。局部摩擦阻力测定使用不锈钢管，其上装有待测管件(如球阀);光滑管直管摩擦阻力测定同样使用内壁光滑的不锈钢管;粗糙管直管摩擦阻力测定使用内壁装有不锈钢螺旋丝的不锈钢管。水的流量通过转子流量计测量后，流体返回储水槽。管路和管件的阻力则采用压差传感器进行测量。4实验步骤4.1光滑管摩擦阻力测定(1)关闭装置所有的阀门，关闭转子流量计，对水箱加水至2/3位置。(2)打开控制箱电源开关，然后打开离心泵开关，按下变频器上的绿色按键启动离心泵，然后顺时针调节旋钮，增大频率以调大流量。(3)打开阀门1、2、4、5、6、7、9，排走管道里的气体。排气完成后，关闭阀门4、5、7，开始光滑管实验。(4)调节阀门9，打开光滑管上的压差传感器连接阀门和传感器上的排气阀门，对测压管路进行排气。测压管路排气完成后，关闭排气阀门。(5)调节阀门1或者调节变频器，将流量调节至所需值。待流量达到稳定后，记下对应的压差值。流量计(50~2000L/h)通过差压传感器读取数据，小流量时，打开阀门3，通过调节阀门3进行测量。测量并记录不同流量下测点的压力变化情况和水温。4.2粗糙管摩擦阻力测定(1)光滑管实验结束后，关闭阀门6和光滑管对应的差压传感器测压阀，然后打开阀门5，进入粗糙管实验。排气方法与光滑管实验相同。(2)从小流量到最大流量，测取8~10组数据。(3)待流动达到稳定后，记下对应的压差值。调节阀门1或者调节变频器，将流量调节至所需值。待流量达到稳定后，记下对应的压差值。流量范围在150~2000L/h，通过差压传感器读取数据，并记录不同流量下测点的压力变化情况和水温。4实验步骤4.3阀门局部摩擦阻力测定(1)粗糙管实验结束后，关闭阀门5和粗糙管对应的差压传感器测压阀(阀门局部摩擦阻力实验使用压差传感器测量)，然后打开阀门2，调节阀门5至半开状态，进入阀门局部摩擦阻力实验。实验方法与光滑管实验相同。(2)从小流量到最大流量，测取8~10组数据。(3)实验结束:关闭阀门4、阀门7和差压传感器测压阀。实验完成后，按下变频器上的红色按键，逆时针调节旋钮到零，然后关闭水泵开关和电源开关，切断实验电源。打开所有阀门，将水箱及管路中的残留液体排净，打扫实验区域卫生，保持实验区域干净整洁。5结果与分析5.1光滑管摩擦阻力实验数据记录光滑管内径为10mm、管长为________m、流体温度为________℃、流体密度

ρ=________kg/m3、流体黏度

μ=________Pa·s。并按照表4-2记录数据。5结果与分析5.2粗糙管摩擦阻力实验数据记录粗糙管内径为12mm、管长为________m、流体温度为________℃、流体密度

ρ=________kg/m3、流体黏度

μ=________Pa·s。并按照表4-3记录数据。5结果与分析5.3阀门局部摩擦阻力实验数据记录阀门局部摩擦阻力管内径20mm、测量管段L=________m、流体温度为________℃、流体密度ρ=________kg/m3、流体黏度μ=________Pa·s。并按照表4-4记录数据。①以水为介质所测得的λ-Re关系能否适用于其他流体?如何应用?②以水为工作流体所测得的λ-Re

关系能否适用于其他种类的牛顿型流体?为什么?③测出的直管摩擦阻力与设备的放置状态有关吗?为什么?(管径、管长一样，且R1=R2=R3)6思考题实验三

离心泵特性曲线的

测定1实验目的(1)了解离心泵的特性，熟悉离心泵的操作。(2)掌握离心泵主要参数的测定方法，测量一定转速下的离心泵特性曲线。(3)了解并熟悉离心泵的工作原理。2实验原理(1)离心泵的特性曲线离心泵是化工生产中应用最广的一种流体输送设备。它的主要特性参数包括:流量Q，扬程He，功率N，和效率η。这些特性参数之间是相互联系的，在一定转速下，He、N、η都随着输液量Q

变化而变化;离心泵的扬程He、轴功率N

、效率η

与流量Q

之间的对应关系，若以曲线H~Q、N~Q、η~Q

表示，则称为离心泵的特性曲线，可由实验测定。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。离心泵在出厂前均由制造厂提供该泵的特性曲线，供用户选用。泵的生产部门所提供的离心泵特性曲线，一般都是在一定转速和常压下，以常温的清水为介质测定的。在实际生产中，所输送的液体多种多样，其性质(如密度、黏度等)各异，泵的性能也将发生变化，厂家提供的特性曲线将不再适用。例如，泵的轴功率会随液体密度的变化而改变，随黏度的变化，泵的扬程、效率和轴功率等均会发生变化。此外，改变泵的转速或叶轮直径，泵的性能也会发生变化。因此，用户在使用时要根据介质的不同，重新校正其特性曲线后选用。(2)曲线的测定①流量Q

的测定转速一定，用泵出口阀调节流量。管路中流过的液体量可通过涡轮流量计直接读出或通过压差式流量计读出的压差值来确定流量。②扬程(压头)He

的测定根据泵进出口管上安装的真空表和压力表读数，可计算出扬程2实验原理式中

P出、P入———分别为泵出口压力表和入口真空表测得的读数，Pa;ρ———输送液体密度，kg/m3;h0———两测压口间的垂直距离，m。③功率N的测定由三相功率表直接测定电机功率N，kW。④效率η的测定或:式中

He———扬程，m;u1、u2———泵进、出口管内流体流速，m/s;Ne———离心泵有效功率，kW;Q———泵的流量，m3/s;ρ———流体密度，kg/m3;N轴、N轴

———泵的轴功率，电机的输入功率;η电、η传、η泵———电机效率、传动效率、泵的效率。2实验原理(3)离心泵的工作点与流量调节①管路特性曲线与离心泵的工作点当离心泵安装在特定的管路系统中时，实际的工作扬程和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，即在输送液体的过程中，离心泵和管路是相互制约的，对于一个特定的管路系统，可得出:He=K+BQ2在操作条件一定时，K

为常数。由此可以看出，在固定管路中输送流体时，管路所输送的流体的扬程He

随被输送流体的流量Q

的平方而变化(湍流状态)。该关系标在相应坐标纸上，即为管路特性曲线，该线的形状取决于系数K

、B，即取决于操作条件和管路的几何条件，与离心泵的性能无关。将离心泵的特性曲线H~Q与其所在管路的特性曲线绘于同一坐标图上，两线交点M称为泵在该管路上的工作点。该点所对应的流量和扬程既能满足管路系统的要求，又是离心泵所能提供的。②离心泵的流量调节离心泵在指定的管路上工作时，当生产任务发生变化，或已选好的离心泵在特定管路中运转所提供的流量不符合要求时，都需要对离心泵进行流量调节。其实质是改变离心泵的工作点，因此，改变两种特性曲线之一均可达到调节流量的目的。调节流量最直接的方法是:改变离心泵出口管路上调节阀门的开度。阀门开大，管路局部阻力减小，管路特性曲线变得平坦，工作点流量加大，扬程减小，反之亦然。另一种调节流量的方法是:改变泵的转速以改变泵的特性曲线，从而达到调节流量的目的。3实验装置与流程(1)本实验装置(图4-3)主要由离心泵、不锈钢水箱、变频器、压力传感器、涡轮流量计、功率表、转速表、不锈钢框架等组成。(2)离心泵采用不锈钢卧式离心泵，其额定功率为0.55kW，转速为2850r/min，流量为6m3/h，扬程为20m。(3)压力传感器的量程为0~0.4MPa，负压传感器量程为-0.1~0.1MPa。(4)流量测量采用涡轮流量计，量程为0~15m3/h。(5)蓄水箱的容积约为90L，材质为不锈钢。(6)金属操作台架上装有一电控箱，除开关指示灯外，还能显示功率、转速、频率、压力、流量等信息。4实验步骤(1)检查水箱内的水是否保持在一定的液位，水不能太少，应在水箱的2/3位置。(2)离心泵启动前，泵壳内应注满被输送的液体(本实验为水，可通过带有漏斗的灌泵阀进行灌注)，并且泵的出口阀需关闭，避免泵刚启动时空载运转。若出现离心泵无法输送液体的情况，则说明泵未灌满或者其内有空气。气体排尽后，离心泵即可输送液体。(3)离心泵启动后，待泵的出口有一定压力后再开启泵出口阀但幅度不要太大。按下变频器上的绿色按键，再顺时针调节变频器，待运行稳定后，记录泵在一定转速下的压力、流量、功率、转速、频率等原始数据，并记录在表格中。(4)改变变频器的频率(从小到大调节)，待运行稳定后，记录泵在不同转速下的压力、流量、功率、频率等原始数据并记录在表格中。也可以连接电脑采集数据。(5)关闭离心泵时，应注意先把变频器旋钮调到0，再按下变频器上的红色按键关闭变频器。然后关闭离心泵按钮盒的电源按钮。(6)须定期清洗水箱，以免污垢过多。5结果与分析按照表4-5记录数据。6思考题①随着离心泵出口流量调节阀开度的增大，泵入口的真空表读数和泵出口的压力表读数会如何变化?为什么?②根据实验所得的三条曲线，分析扬程、轴功率及效率随流量变化的规律，为什么会出现这样的规律?这对工业生产有什么指导意义?③从所得的特性曲线中分析，如果要增加该离心泵的流量范围，可以采取哪些措施?实验四

空气在圆形直管中对流传热系数的测定1实验目的(1)熟悉传热实验的实验方案设计及流程设计。(2)了解换热器的基本构造与操作原理。(3)掌握热量衡算与传热系数K及对流传热膜系数α的测定方法。(4)了解强化传热的途径及措施。2实验原理普通套管换热器传热系数测定及准数关联式的确定。(1)对流传热系数αi

的测定对流传热系数αi

可根据牛顿冷却定律通过实验测定。由于αi

≪α0

，因此传热管内的对流传热系数αi

≈K，其中K[W/(m2·℃)]为热冷流体间的总传热系数，且K=Qi/(Δtm·Si)，因此式中

αi

———管内流体对流传热系数，W/(m2·℃);Qi———管内传热速率，W;Si———管内换热面积，m2;Δtm———管内平均温度差，℃。平均温度差为2实验原理式中

tm———冷流体的入口、出口平均温度，℃;tw———壁面平均温度，℃。因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw来表示。由于管外使用蒸汽，所以tw近似等于热流体的平均温度。管内换热面积为式中di———内管管内径，m;Li———传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式可以导出质量流量为2实验原理式中

Vi———冷流体在套管内的平均体积流量，m3/h;cpi———冷流体的定压比热，kJ/(kg·℃);ρi———冷流体的密度，kg/m3。

(2)对流传热系数准数关联式的实验确定流体在管内作强制湍流，处于被加热状态，准数关联式的形式为式中物性数据λi、cpi、ρi

和μi

可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pri

变化不大，可以认为是常数，则关联式的形式可简化为通过实验确定不同流量下的Rei

与Nui，然后用线性回归方法确定A

和m

的值。3实验装置与流程(1)传热管参数见表4-6。(2)蒸发器为3kW蒸汽发生器锅炉，电压为AC220V，304不锈钢材质。(3)风机为旋涡风机，输入功率为550W，转速为2800r/min。(4)气体涡街流量计，流量范围在8~55m3/h。(5)对流传热实验装置(图4-4)。4实验步骤(1)实验前检查阀门，使所有阀门处于关闭状态。打开阀门14、阀门13，向蒸汽发生器的水箱内加入清水至2/3，加水后关闭阀门13、阀门14。(最好使用蒸馏水，以保持管道清洁)。(2)打开控制箱电源开关，打开加热开关，蒸汽发生器启动运行，设置蒸发器加热温度，当蒸发器内温度达到设定值时，自动停止加热。(3)全开阀门4、阀门5，打开风机开关，通过阀门4调节冷风进气流量。(4)依次打开阀门1、阀门2和阀门9，蒸汽进入普通套管换热器，为换热过程提供一个稳定的热源。当蒸汽排出口有蒸汽排出时，关闭阀门9(排尽管道内的空气)。(5)打开阀门10、阀门11，冷凝水沿底部管道回流至蒸发器。(6)待空气出口温度稳定后，记录实验数据。(7)改变空气流量，测量5组数据。(8)普通换热管实验完成后，关闭阀门2、阀门10、阀门5，准备强化管换热实验。(9)打开阀门3、阀门7、阀门6，当蒸汽排出口有蒸汽排出时，关闭阀门7(排尽管道内的空气)。(10)打开阀门8，冷凝水沿底部管道回流至蒸发器。(11)待空气出口温度稳定后，记录实验数据。(12)改变空气流量，测量5组数据。4实验步骤(13)关闭阀门1和阀门3，关闭加热，待系统温度下降后，关闭风机。(14)实验完成后，关闭电源，打开阀门10、阀门12，排尽换热器和蒸汽发生器锅炉里面的水，整理实验台。※注意事项:①检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。实验中，要检查进水浮球阀是否控制正常。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，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在转换支路时，两个空气支路控制阀(阀门5或阀门6)和旁路调节阀门4必须有一个要打开。④操作时应注意安全，手不能触摸换热器，通电工作时不能打开电控箱，防止触电和烫伤。⑤

测量时应逐步加大空气流量，调节流量后，应至少稳定3~5min后再读取实验数5结果与分析按照表4-7记录数据。6思考题①本实验中管壁温度应接近蒸汽温度还是空气温度?为什么?②管内空气流动速度对α有何影响?速度将升高还是降低?为什么?③如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α的准数关联式有无影响?④试估算空气一侧的热阻占总热阻的百分比。⑤影响传热系数K的因素有哪些?⑥本实验可采取哪些措施强化传热?⑦在蒸汽冷凝时，若存在不凝性气体，将会有什么变化?应该采取什么措施?⑧实验过程中，冷凝水若不及时排除，会产生什么影响?如何及时排除冷凝水?实验五

恒压过滤常数测定1实验目的

2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，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。因此，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。恒压过滤方程如下2实验原理式中

q———单位过滤面积获得的滤液体积，m3/m2;qe———单位过滤面积上的虚拟滤液体积，m3/m2;θ———实际过滤时间，s;θe———虚拟过滤时间，s;K———过滤常数，m2/s。将式(4-16)进行微分可得

过滤常数的定义式为2实验原理两边取对数

3实验装置与流程(1)恒压过滤常数测定实验装置(图4-5)图4-5所示滤浆槽内配置有特定浓度的轻质碳酸钙悬浮液，采用电动搅拌器进行均匀搅拌(浆液不产生旋涡为宜)。启动离心泵后，调节阀门4使压力传感器5的指示值稳定在设定压力范围内。滤液在滤液桶中进行体积和重量计量。(2)主要设备及技术数据离心泵:单相750W。搅拌器:功率90W;转速20~200r/min。过滤板:规格ϕ100mm×10mm，数量8块。滤液桶:直径300mm，高350mm。压力传感器:量程0~0.4MPa。称重传感器:量程0~100kg。温度传感器:量程0~100℃。4实验步骤(1)关闭所有阀门，在滤浆槽中配制含碳酸钙6%~8%的水悬浮液，总体积占滤浆槽2/3左右。正确装好滤板、滤框及滤膜。滤膜使用前用水浸湿，确保滤膜绷紧，不起皱(注意:用螺旋压紧时，不要压伤手指。先慢慢转动手轮，使板框合上，然后再压紧)。往底部反洗水罐内加入自来水至2/3的位置。(2)打开电源开关，启动电动搅拌器。将滤浆槽内浆液搅拌均匀。(3)使阀门1、3、4处于全开状态，其他阀门处于全关状态。打开开关，启动离心泵，调节阀门4使压力传感器达到规定值。(4)待压力传感器稳定后，打开过滤入口阀门5和阀门8开始过滤。当滤液桶内见到第一滴液体时，启动计时器。记录滤液每增加高度10mm(或称重传感器重量变化0.5kg)时所用的时间，也可以连接电脑采集数据。当滤液量迅速减少且接近0时停止计时，并立即关闭入口阀门5。(5)打开阀门4，使压力传感器指示值下降。开启压紧装置，卸下过滤框内的滤饼并放回滤浆槽内，将滤布清洗干净。放出滤液桶内的滤液并倒回槽内，以保证滤浆浓度恒定。(6)改变压力，当滤浆槽水位偏高时，要关闭水泵将滤浆槽内的滤液排掉，然后从步骤(2)开始重复上述实验。(7)实验结束时往水桶里加入自来水，关闭阀门4，对泵及滤浆进出口管道进行冲洗。(8)实验结束后关闭电源开关，将滤膜清洗干净，同时将剩余的浆液排干净，防止堵塞管道。注意事项:①过滤板与框之间的密封垫应注意放正，过滤板与框的滤液进出口要对齐。使用摇柄把过滤设备压紧，以免漏液。②滤液桶采用的称重传感器灵敏度高，使用时请勿用力重压，否则易损坏。③电动搅拌器为无级调速。使用时首先接上系统电源，打开调速器，调速应由小到大缓慢调节，切勿调节过快损坏电机。实验结束后，将无级调速器转速调至“0”。④实验结束后要打开水箱底部排空阀和管道排空阀，排掉里面的水，避免污物过多而结垢。⑤

实验台面水渍可用干净抹布擦拭，如有污渍可用酒精涂在干净无水的抹布上擦拭。5结果与分析(1)记录实验操作条件:滤浆种类和浓度、过滤面积、操作压强等。(2)在表4-8中记录实验数据。采用最小二乘法或作图求K

、qe、θe。6思考题①不锈钢压滤机的操作分哪几个阶段?②为什么过滤开始时，滤液常常有点混浊，而过段时间后才变清?③影响过滤速率的主要因素有哪些?在某一恒压下测得K

、qe、θe

值后，若将过滤压力提高一倍，请问上述三个值将如何变化?实验六

填料塔吸收实验1实验目的(1)了解填料塔吸收装置的基本结构及操作流程。(2)掌握总体积传质系数的测定方法。2实验原理气体吸收是一种典型的传质过程。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。因此，吸收的计算方法可按低浓度来处理，可认为气液相间的平衡关系服从亨利定律，并且此体系CO2

气体的吸收过程属于液膜控制。本实验主要测定液相总体积吸收系数Kxa

和液相总传质单元高度HOL

。(1)计算公式填料层高度

Z

为式中

L———液体通过塔截面的摩尔流量，kmol/(m2·s);Kxa———以ΔX

为推动力的液相总体积传质系数，kmol/(m3·s);HOL———液相总传质单元高度，m;NOL———液相总传质单元数，无因次。吸收因数A为2实验原理式中

A———吸收因数;y1———进塔气体组成，摩尔分数;x1———出塔液体组成，摩尔分数(通过相平衡关系和全塔物料衡算计算得出);x2———进塔液体组成(本实验采用清水，可视为x2=0)。

式中

Ω———塔截面积，m2;D———塔径，m。(2)测定方法①测定空气流量和水流量。本实验采用涡轮流量计测量水的流量，用涡街流量计测量空气流量，用转子流量计测量CO2

的流量，并根据实验条件(温度和压力)和有关公式换算成空气和水的摩尔流量。②测定填料层高度Z

和塔径D

。③测定塔顶和塔底气相组成y1

和y2。④平衡关系。本实验的平衡关系可写成2实验原理式中

m———相平衡常数，m=E/P;E———亨利系数，Pa;P———总压，取1个大气压，Pa。对清水而言，进塔液体组成

x2=0，根据全塔物料衡算公式可计算出塔液体组成

x1。3实验装置与流程(1)装置流程本实验的装置流程:水泵将水箱内的清水送入填料塔顶。清水从塔顶经过喷头喷淋在填料层的顶层。由风机送来的空气和由二氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后，一起进入塔底。混合气体与水在塔内进行逆流接触，由塔顶出来的尾气直接放空。由于本实验为低浓度气体的吸收，热量交换可以忽略不计，整个实验过程可以视为等温操作。填料塔吸收实验装置(图4-6)。(2)主要设备及技术数据①吸收塔:高效填料塔，塔径为90mm，填料层总高度为1000mm。填料塔底部设有液封装置，以防止气体泄漏。②填料规格和特性:拉西环填料，直径10mm，高度10mm。4实验步骤(1)检查并关闭所有阀门。(2)打开阀门6和阀门7，打开水泵开关，启动水泵。调节阀门6，使水流量达到100L/h。(3)打开阀门1和阀门3，打开风机开关，按下变频器上的绿色按键启动风机。使用变频器上的旋钮顺时针调节，控制风量，或者调节阀门3控制进气流量。(4)打开二氧化碳气瓶，将减压阀压力调至0.05~0.1MPa，开启二氧化碳流量计，同时打开取样阀门4，检查填料塔进气口的二氧化碳浓度。确保进气浓度不超过二氧化碳检测仪的量程，记录二氧化碳进气浓度。(5)系统稳定运行5~10min后，关闭取样阀门4，打开取样阀门5，测量填料塔出口的二氧化碳气体浓度，记录液体流量，气体流量、塔压降等实验数据。(6)实验完成后，关闭二氧化碳气瓶、风机、水泵，排尽系统内的水，关闭电源开关，最后切断设备电源。※注意事项:①实验时，确保水箱液位保持在1/2以上。②填料塔操作条件改变后，需要有较长的稳定时间，一定要等到稳定以后方能读取有关数据。5结果与分析按照表4-9记录数据。6思考题①增大气体流量和增大液体流量对液相总体积传质系数的影响效果是否相同?为什么?②当气体温度和液体温度不同时，应采用什么温度计算亨利系数?实验七

精馏实验1实验目的(1)熟悉精馏单元操作过程的设备与操作流程。(2)了解板式塔结构与流体力学性能。(3)掌握精馏塔的操作方法与原理。(4)学习精馏塔效率的测定方法。2实验原理(1)全塔效率

Et全塔效率又称总板效率，是指达到指定分离效果所需的理论塔板数与实际塔板数的比值，即式中

NT———完成一定分离任务所需的理论塔板数，不包括蒸馏釜;NP———完成一定分离任务所需的实际塔板数，本装置

NP=13。全塔效率简单地反映了整个塔内塔板的平均效率，说明了塔板结构、物性系数、操作状况对塔分离能力的影响。对于塔内所需理论塔板数NT，可根据已知的双组分物系平衡关系，以及实验中测得的塔顶、塔釜出液的组成、回流比R

和热状况

q

等，由X-Y图图解得到。(注意:由X-Y

图图解获得的梯级总数已包含精馏塔的塔釜在内，减去1之后才是精馏塔真正的理论塔板数)。实际塔板数NP

则可以直接从已有的实验装置取得(本实验装置为13块)。而图解NT，必须是稳定操作状况下的馏出液与釜液的组成数据，以及相应的进料组成与热状态参数数据。这只能通过精馏实验才有可能取得。由X-Y

图图解原理可知，精馏过程如果在全回流条件下操作，操作线即为对角线。此时，只需已知馏出液组成Xd

与釜液组成Xw，即可进行图解分析。这可使实验过程更为简单。根据以上分析，我们可以基本确定总板效率测定的实验步骤:①按操作规程开车，在全回流条件下进入正常、稳定操作状态后，调整有关控制参数使精馏过程符合工艺要求，然后同时取样分析馏出液与釜液的组成。②确定精馏塔的实际塔板数NP

。③由气液平衡数据绘制X-Y

图，由Xd

、Xw

图解理论塔板数NT

。④由式η=NT/NP

求取η

值。如果要测定不同组成时的总板效率，则还需改变料液的组成，多测几组数据。2实验原理(2)单板效率

Em单板效率又称莫弗里板效率，是指气相或液相经过一层实际塔板前后的组成变化值与经过一层理论塔板前后的组成变化值之比。塔板气液流向(图4-7)。按气相组成变化表示的单板效率为2实验原理按液相组成变化表示的单板效率为

3实验装置与流程(1)精馏设备实验装置(图4-8)(2)主要设备及技术数据①精馏塔:精馏塔体和塔板均采用不锈钢制作，塔内径为ϕ50mm，塔板数10块，板间距为100mm，孔径为ϕ2mm，开孔率为6%。为便于学生实验时观察操作工况，特别设置了两节玻璃塔节。精馏塔设置了两处进料口，同时在再沸器上也设置了进料口，以便于开车时直接向再沸器加料。本精馏塔的回流比通过回流控制器任意调节。②冷凝器:精馏塔冷凝器壳体采用不锈钢制作，换热管采用传热效率较高的铜管制作。管径为ϕ12mm×1mm，换热面积为0.15m2，冷凝器下部与精馏塔体直接相连，以减少热损失。冷凝液储存在馏出液槽中，通过回流比控制器一部分回流控制后返回到精馏塔顶板，另一部分则控制后送至产品槽。③再沸器:精馏塔再沸器直接置于精馏塔下部，通常与塔釜集成在一起，采用不锈钢制作，内置电热管加热。总加热功率为2kW，分为两组，每组1kW。两组电热管共同承担精馏塔的温度控制调节，以确保控温精度。④进料泵:本实验中进料泵采用磁力泵。进行连续精馏实验时，可通过加料阀向精馏塔加料。⑤玻璃塔节:本装置设置了两节玻璃塔节。玻璃塔节和两端法兰采用密封连接，以防止泄漏。在使用过程中，应尽量不拆开玻璃塔节，以确保密封性和安全性。3实验装置与流程4实验步骤(1)精馏塔总板效率测定(全回流)①检查设备，关闭所有阀门。②打开阀门12和加料口，向储液罐中加入浓度为15%~20%的酒精与水的混合溶液。③打开控制箱电源开关，打开阀门7、8、9，开启进料泵，调节流量计流量，向塔釜加入原料液至液位不低于液位计2/3的位置(液位仪表显示300mm左右)，然后关闭进料泵和阀门。间歇精馏也可以按体积配比好原料后直接打开阀门3加入塔釜内。④打开加热开关，将塔釜温度设置为100℃，将控制模式设为自动模式。⑤开启阀门16、阀门17，调节冷却水流量计至100L/h。⑥塔釜持续加热，待从玻璃塔节处看到塔板已完全鼓泡后，将塔釜温度控制模式设为手动模式，加热功率设置为50%~60%，以控制塔板上的泡沫层不超过塔节高度的1/3，防止过多的雾沫夹带。⑦全回流实验时，不用打开电磁阀开关。⑧稳定操作10~15min后，可开始从塔顶阀门15、塔釜阀门2取样口同时取样分析。记录温度数据。⑨如果连续2次(时间间隔应在10min以上)分析结果的误差不超过5%，即认为系统已达到稳定状态。否则，需再次取样分析，直至达到要求。⑩完成实验后，先关闭加热电源，待塔板上完全干板后再关闭冷却水阀。4实验步骤(2)精馏塔连续操作实验(部分回流)①检查设备，关闭所有阀门。②打开阀门11和阀门12，向储液罐中加入浓度为15%~20%的酒精与水的混合溶液。③打开控制箱电源开关，打开阀门7、阀门8、阀门9，开启进料泵，调节流量计流量，向塔釜加入原料液至液位不低于液位计2/3的位置(液位仪表显示300mm左右)，然后关闭进料泵和阀门。④打开加热开关，将塔釜温度设置为100℃，将控制模式设为自动模式。⑤开启阀门18、阀门17，调节冷却水流量至100L/h。⑥塔釜持续加热，待从玻璃塔节处看到塔板已完全鼓泡后，将塔釜温度控制模式设为手动模式，加热功率设置为50%~60%，以控制塔板上的泡沫层不超过塔节高度的1/3，防止过多的雾沫夹带。⑦稳定操作15min后，开启进料泵，打开阀7，打开左边进料流量计调节流量至设定值。⑧

点击打开电磁阀开关，设定回流比为2∶1(回流和采出时间比)。⑨开启阀门5、阀门6，使釜液从阀门5管道流入残液罐(分流罐)，也可以打开流量计计量后流入残液罐(分流罐)。打开阀门14进行排气，使馏出液顺利进入成品罐。⑩调整回流比(回流和采出时间比)，使馏出液一部分流回精馏塔，一部分流入馏出液罐。待系统稳定后，分别打开馏出液阀门15和釜液阀门2进行取样检测。记录温度数据。⑪完成实验后，依次点击关闭加热开关、进料泵开关、电磁阀开关，待塔板上完全干板后再关闭冷却水阀。然后关闭电源开关，切断实验电源。⑫打开阀门13，使料液回到原料罐混合，以备下次使用。如果实验室有排水口的情况下，可打开阀门1和阀门4将塔釜和残液罐内液体排走。整理实验台。4实验步骤※注意事项:①开车前应预先按工艺要求检查(或配制)料液的组成与数量。②开车前必须认真检查塔釜的液位，看是否有足够的料液(最低控制液位应在液位计的中间位置)。③预热开始后，要及时开启冷却水阀和塔顶放空阀，利用上升蒸汽将不凝气排出塔外。当釜液加热至沸腾后，需严格控制加热量。④开车时必须在全回流下操作，稳定后再转入部分回流，以减少开车时间。⑤进入部分回流操作时，要预先选择好回流比和加料口位置。注意必须在全回流操作状况完全稳定以后，才能转入部分回流操作。⑥操作中应保证物料的基本平衡，塔釜内的液面应维持基本不变。⑦操作时必须严格注意塔釜压强和灵敏板温度的变化，在保证塔板上正常鼓泡层的前提下，严格控制塔板上的泡沫层高度不超过板间距的1/3，并及时进行调节控制，以确保精馏过程的稳定正常操作。⑧取样必须在稳定操作时才能进行，塔顶、塔釜最好能同时取样，取样量应以满足分析的需要为度，取样过多会影响塔内的稳定操作。分析用过的样品应倒回料液槽内。⑨停车时，应先停进、出料，再停加热系统，过4~6min后，再停冷却水，使塔内余气尽可能被完全冷凝下来。⑩严格控制塔釜再沸器的输入功率，必须确保塔釜内的料液液面不低于液位计的2/3(塔釜加热管以上)，以免烧坏再沸器。5结果与分析(1)间歇精馏(水和酒精混合液体)实验数据(表4-10)(2)连续精馏实验数据(表4-11)根据实验数据计算进料热状况参数和回流比，按全回流和部分回流分别用图解法(图4-9和图4-10)求出理论塔板数(浓度要由体积分数换算成摩尔分数)。计算全塔效率和单板效率。5结果与分析6思考题①测定全回流和部分回流总板效率与单板效率时各需测几个参数?取样位置在何处?②若测得单板效率超过100%，该如何解释?③在全回流时，测得板式塔上第n层和第n-1层液相组成后，能否求出第n层塔板上的以气相组成变化表示的单板效率?④精馏塔操作中，由于塔顶采出量太大而造成产品不合格，该如何调节使其在最快时间内恢复正常?实验八

干燥实验1实验目的(1)实验观察流化干燥过程的各种性状。(2)实验测定流化干燥的干燥曲线和干燥速率曲线。(3)实验测定流化干燥过程的临界点和临界湿含量。2实验原理(1)干燥速率曲线若将湿物料置于一定的干燥条件下，例如一定的温度、湿度和速度的空气流中，测定被干燥物料的质量和温度随时间的变化关系，则得一曲线，即物料含水量-时间曲线。干燥过程分为三个阶段:第一，物料预热阶段;第二，恒速干燥阶段;第三，降速干燥阶段。空气中部分热量用来加热物料，故物料含水量随时间变化不大。由于物料表面存在自由水分，物料表面温度等于湿球温度tw，传入热量只用来蒸发物料表面的水分，物料含水量随时间呈比例减少，干燥速率恒定且较大。到了第三阶段，物料中含水量减少到某一临界含水量时，由于物料内部水分的扩散慢于物料表面的蒸发，不足以维持物料表面润湿，则物料表面将形成干区，干燥速率开始降低，含水量越小，速率越慢，干燥曲线逐渐达到平衡含水量X*而终止在降速阶段。随着水分汽化量的减少，传入的热量较汽化带出的潜热更多，热空气部分热量用于加热物料，物料温度开始上升，第二阶段与第三阶段交点处的含水量称为物料的临界含水量Xc。

2实验原理

式中

X*———某干燥速率下物料的平均含水量，kg;m温i，m湿(i+1)———分别为Δτ

时间间隔内开始和终了时湿物料的质量，kg;m干———湿物料中绝干物料的质量，kg。(2)传质