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流体阻力实验


实验一 流体流动阻力的测定
实验目的和任务 一、 实验目的和任务 1.了解流体流过管路系统的阻力损失的测定方法; 2.测定流体流过圆形直管的阻力,确定摩擦系数λ与流体 Re 的关系; λ 3.测定流体流过管件的阻力,局部阻力系数ξ; 4.学会压差计和流量计的使用方法; 5.识别管路中各个管件、阀门,并了解其作用; 二、实验原理 流体的流动性,即流体内部质点之间产生相对位

移。真实流体质点的相对运动表现出 剪切力,又称内摩擦力,流体的粘性是流动产生阻力的内在原因。流体与管壁面的摩擦亦产 生摩擦阻力,统称为沿程阻力。此外,流体在管内流动时,还要受到管件、阀门等局部阻碍 而增加的流动阻力,称为局部阻力。因此,研究流体流动阻力的大小是十分重要的。 I.直管摩擦系数λ测定 .直管摩擦系数λ 流体在管道内流动时, 由于流体粘性作用和涡流的影响产生阻力。 阻力表现为流体的能 量损失,其大小与管长、管径、流体流速等有关。流体流过直管的阻力计算公式,常用以下 各种形式表示:

L u2 d 2 L u2 H f =λ d 2g h f =λ
或 -?Pf =P1-P2=λ

(1)

(2)
L ρu 2 d 2

(3)

式中 hf ——以能量损失表示的阻力,J/kg; Hf ——以压头损失表示的阻力,m 液柱; △Pf——以压降表示的阻力,N/m2 L——管道长,m d——管道内径,m; u——流体平均流速,m/s; P——流体密度,kg/m3; λ——摩擦系数,无因次; g——重力加速度,g 一 9.81m/s2。 . λ为直管摩擦系数,由于流体流动类型不同,产生阻力的原因也不同。层流时流体流动 主要克服流体粘性作用的内摩擦力。 湍流时除流体的粘性作用外, 还包括涡流及管壁粗糙度 的影响,因此λ的计算式形式各不相同。层流时,利用计算直管压降的哈根-泊谡叶公式:

-?Pf =P1-P2= 32 × 2 ? 64 = duρ Re

32 ? L u d2

( 4)

和直管阻力计算公式(3),比较整理得到λ的理论计算式为

λ=

(5)

由此式可见,λ与管壁粗糙度ε无关,仅为雷诺数的函数。

湍流时,由于流体流动的复杂性和管壁粗糙度的影响,λ的计算比层流复杂,是利用因 次分析和实验得到计算公式。将影响阻力的许多因素表示为压降的函数,即

?Pf =f(d,L,u,ρ,?,ε)
通过因次分析得到以下准数函数式,

?Pf duρ L ε =f( , ,) 2 ? d d ρu
也与计算直管阻力的公式(3)相比较,整理得到:

λ=f(

duρ ε , )=f(Re,ε / d) ? d

由此式可见,湍流时直管摩擦系数λ,是流体流动 Re 和管壁相对粗糙度ε/d 的函数。 此函数的具体形式通过实验确定。 许多学者实验研究了上述函数关系,其中较简单的是柏拉修斯(Blasius)公式:

λ=

0.3164 Re 0.25

( 6)

此式适用于光滑管,Re 在 2500~1×105 范围内。对粗糙管λ与 Re 的关系,可见化工 原理教材上册摩擦系数λ与雷诺数 Re 及相对粗糙度ε/d 的关系图及其他学者的计算公式。 本实验是利用水作实验,在管长、管径和管壁粗糙度一定的条件下,改变水的流量,测定直 管阻力,即流体压力降ΔPf=P1-P2,然后分别计算λ和 Re 值,考察两者的关系。 2.局部阻力系数ξ测定 .局部阻力系数ξ 流体在管路中流过管件如阀门、弯头、三通、突然扩大或突然收缩等处时,产生涡流形成 阻力,习惯称为局部阻力。其计算式表示为

?Pf =ξ

ρu 2
2

N / m2

(7 )

式中,ξ称为局部阻力系数,无因次。它与管件的几何形状与 Re 有关。当 Re 大到一 定时,ξ与 Re 无关,成为定值。管件的局部阻力系数ξ也都是由实验测定的。 三、实验装置

四、实验要求 1.根据实验内容的要求和流程.拟定实验步骤. 2.根据流量范围和流动类型划分,大致确定实验点的分布。 3.经指导教师同意后,可以开始按拟定步骤进行实验操作。先排气,再测定数据。 4.在获取必要数据后.经指导教师检查同意后可停止操作。将装置恢复到实验前的状态, 做好清洁工作。 五、操作方法 1.熟悉实验装置及流程。观察 U 型(倒 U 型压差计)与实验管道和管件上测压接头的 连接及位置。弄清楚排气及平衡旋塞的作用和使用方法。 2.检查实验的管路上各阀门是否处于正确状况: U 形管压差计上的平衡阀及相应的测 压阀是否打开?若未打开, 则将其打开。 排气旋塞是否关闭和管路出口阀是否关闭?若未关 闭,则将其关闭。 。

3.根据离心泵的安装位置判断是否需要灌泵?若需引水灌泵,则打开引水阀和泵体放 气阀,观察到有水从泵体放气阀溢出,表示气体被排尽,关闭放气阀和引水阀。启动水泵。 (注意在泵出口阀关阀的情况下,泵转动不可过久,以防其发热损坏)。 4.系统排气 慢慢打开出口阀,让水流入实验管道和测压导管,排出管道和测压导管中的气体。排 气时可以反复调节泵的出口阀和有关管道上的其他阀门, 使积存在系统中的气体全部被流动 的水带出。 (1) 总管排气:先将控制阀开足然后再关闭,重复三次,目的为了使总管中的大部分气 体被排走,然后打开总管排气阀,开足后再关闭,重复三遍。 (2) 引压管排气:依次分别对每个放气阀,开、关重复三次。 (3) U 型压差计排气:关闭平衡阀,依次分别打开 2 个放气阀,此时眼睛要注视着 U 型 压差计中的指示剂液面的上升,防止指示剂冲出,开、关重复三次。 (4)检验排气是否彻底是将控制阀开至最大,再关至为零,看 U 型压差计读数,若左右 读数相等,则判断系统排气彻底;若左右读数不等,则重复上述(2) (3)步骤。 5.确认系统中的气体被排净后,关闭平衡阀,准备测取数据。 关闭泵的出口阀 14, 小转子流量计出口阀 2 和φ20×2mm 装置二 倒∪型压差计的处理。 实验直管入口阀 8.然后再慢慢打开小转子流量计阀 2,此时可以看到倒∪型压差计玻璃管 中的水被排出, 液面下降, 当液面降到最低位置时, 关闭阀 2. 接着关闭上部的排气旋塞 17, 以切断与大气的连通,此时如果打开泵的出口阀 14.因玻璃管内空气被压缩,其水面会上 升到适当的稳定位置。 如果水面不断上升以致充满整个玻璃管内, 说明排气旋塞没有关闭或 未关严,排气失败,需要关闭水泵的出口阀,重新排水处理。 6.实验数据测定 用管路出口阀调节流量,注意阀门的开度,在最大流量范围要合理分割流量,进行实验 布点。测量完成后,打开各测压计的平衡阀。 7.改测另一条管路; 打开第二条管路上相应的阀门及测压阀,关闭第一条管路上的相应的阀门及测压阀。 8.实验结束后,关闭泵的出口阀,停泵。请指导教师检查实验数据,通过后停止实验, 将装置恢复到实验前的状态,做好清洁工作。 六、注意事项 1、在排气和使用时要特别注意开关顺序,因若操作失误,就可能发生冲走水银的事故。 2、实验开始与结束后,都应关闭泵的出口阀,检查各压差计两管读数是否相等,否则 是排气过程气泡没排净或实验过程有气泡进入测量系统。 3、实验时需选择管路实验顺序,并开关相应的阀门。 4、装置一直管测量段管长都为 2m;装置二φ1 4×2mm 直管的测量段管长为 1.1m,φ 20×2 mm 直管的测量段管长为 1.5m。 5、数据测定时,层流由于流量范围较小,只要取三组数据;湍流一般应取 8~l0 组数 据。 6、要注意分清各压差计的连接位置和压差计所用的指示液,不能混淆;数据记录时要 注意有效数字和单位。 7、注意两直管管路包括引压管都要排气。 8、由于系统的流量采用涡轮流量计计量,其小流量受到结构的限制,因此,从大流量 做起,实验数据比较准确。

9、改变流量后须等流量稳定后再测量数据。 10、若发现流量显示仪读数达不到零,可采用将调节阀开至最大,再快速关闭调节阀, 流量显示仪读数将为零,可能此读数不久还会上升,仍为正常现象,上升的数据不采集,以 零计。此时其余的仪表读数不随显示仪读数而变。 六、原始实验数据 装置一 管径_______ 直管两测压接头间长度_________ 水温_______ 涡轮流量系数___________
序 号 流量计读数 /sec 粗糙管阻力压差计 读数 cm 左 右 差值 螺旋槽管阻力压差 计读数 cm 左 右 差值 管件阻力压差计读 数 cm 左 右 差值 阀门阻力压差计读 数 cm 左 右 差值

1 2 … …
装置二 管子内径 水温 1、直管阻力 序 号 1 2 … … 2、阀门局部阻力 球心阀两测压接头间距离
序 号 流量 [m /h] 1 2 … …
3

〔mm〕 〔℃〕 Re

直管两测压接头间距离

〔m〕

流量计 〔L/h〕 〔m3/h〕

流速 u 〔m/s〕

压差计读数 或 〔mmH2O〕 〔mmHg〕 左 右 差

摩擦 系数 〔N/m2〕 λ ΔP

备 注

〔m〕 闸阀门两测压接头间距离
球心阀阻力压差计 读数〔mmH2O〕 左 右 差 ΔP [N/m ]
2

〔m〕
ΔP [N/m ]
2

流速 [m/s]

Re

阻力系 数ξ

球心阀阻力压差计 读数〔mmH2O〕 左 右 差

阻力系 数ξ

七、实验报告要求 实验报告要求 1、数据整理结果表 2、计算示例 以其中一组数据的计算举例。

3、作图并讨论实验结果 作图并 根据测定的数据,计算 Re 和λ值,在双对数坐标纸上标绘二者的关系,并与教材上 的图线相比较。或按经验式关联.并与层流理论式和湍流柏拉修斯公式比较。 回答下列思考题、 4 回答下列思考题、。 (1)∪型压差计的平衡旋塞和排气旋塞起什么作用?怎样使用?在什么情况下会冲走水银? 如何防止? (2)如何检验测试系统内的空气已经排除干净? (3)U 型压差计的零位应如何校正? (4)倒 U 型压差计读数与压差之间的换算式与 U 型压差计有什么不同?倒 U 型压差计一 般适用于什么场合?

实验二 孔板流量计的流量校正 实验二、孔板流量计的流量校正
一、实验目的 (1)、熟悉孔板流量计的构造、性能及使用方法; (2)、学会流量计流量校正(或标定)的方法。 (3)、通过孔板流量计孔流系数的测定,了解孔流系数的变化规律。 (4)、学会压差计、流量计的使用方法以及识别管路中各个管件、阀门的作用。 二、基本原理 流量计的种类和型式很多, 本实验是研究差压式流量计的校正。 差压式流量计也称速度 式流量计,是用测定流体的压差来确定流体的速度,常用的有孔板流量计,文丘利流量计以 及毕托管和喷嘴等。 本实验用的孔板流量计如图所示, 是在管道法兰间装有一中心开孔的铜板。 我们可用流 体流动规律导出孔板流量计的计算模型。

当流体通过孔板时,因流道缩小使流速增加,降低了势能,流体流过孔板后,由于惯 性,实际流道将继续缩小至截面 2 为止,形成一缩脉(即流动截面最小处),此处流速最大, 引起的静压降也最大。截面 l 和及截面 2 可认为是均匀流。暂时不计阻力损失,在此两截面 间列伯努利方程,得

p1

ρ

+ gz1 +

u12 p 2 u2 = + gz 2 + 2 2 ρ 2

(1)

p1

ρ

+

2 u12 p 2 u 2 = + 2 ρ 2

(2)

2 u 2 ? u12 =

2( p1 ? p 2 )

ρ

(3)

由于缩脉处(即截面 2)的截面积 A2 无法知道,但孔口的大小是知道的,因此工程上以孔口速 度 u 0 代替上式中的 u 2 ,同时,两侧压孔的位置也不在截面 1 和截面 2 处,而且实际流体流 过孔口时有阻力损失,实际所测得势能差不会恰巧是(p1-p2)/ρ,因此引入一校正系数 C 来 校正上述各因素的影响,则(3)式变为
2 u 2 ? u12 = C

2( p1 ? p 2 )

ρ

( 4)

按质量守恒

u 1 A 1=u 0 A 0 (5) ( 6)

令 m=

A0 ,得 u 1=mu 0 A1

p1 ? p 2 = Rg ( ρ i ? ρ )
将(5)和(6)式代入(4)可得

u0 =

C 1 ? m2

2 gR( ρ i ? ρ )

ρ
ρ

(7)

u 0 = C0

2 gR ( ρ i ? ρ )

(8)

式中

C0 =

C
1 ? m2

(9)

C 0 称为孔板的流量系数。于是,孔板的流量计算式为 q v = C 0 A0 2 gR ( ρ i ? ρ ) (10)

ρ

C 流量系数 C0 的数值只能通过实验求得。 0 主要取决于管道流动的雷诺数 Red 和面积比 m,测压方式、孔口形状、加工光洁度、孔板厚度和管道粗糙度也对流量系数 C0 有影响。 测压方式、结构尺寸、加工状况等均已规定的标准孔板,流量系数 C0 可以表示成

C 0=f (Re d,m )
式中 Red 是以管径计算的雷诺数, Re = d 1 u 1 ρ d
?

(11)

孔板流量计的缺点是阻力损失大,流体流过孔板流量计,由于流体与孔板有摩擦,流 道突然收缩和扩大,形成涡流产生阻力,使部分压力损失,因此流体流过流量计后压力不能 完全恢复,这种损失称为永久压力损失(局部阻力损失) 。流量计的永久压力损失可以用实 验方法测出。如下图所示,实验中测定3、4两个截面的压力差,即为永久压力损失。对孔 板流量计,测定孔板前为 d1的地方和孔板后6d1的地方两个截面压差。

孔板流量计的局部阻力损失 hf 可写成

hf = ζ

2 u0 Rg ( ρ i ? ρ ) = ζ 0 C2             ) (12 2 ρ

其中 h f =

p3 ? p 4

ρ

=

R ′g ( ρ i ? ρ )

ρ



式(12)表明阻力损失正比于压差计读数R,说明读数R是以机械能损失为代价取得 的。缩口愈小,孔口速度u0 愈大,读数R愈大,阻力损失也随之增大。因此选用孔板流量 计的中心问题是选择适当的面积比m以期兼顾是以的读数和阻力损失。 工厂生产的流量计大都是按标准规范生产的。出厂时一般都在标准技术状况下以水或 空气为介质进行标定, 给出流量曲线或按规定的流量计算公式给出指定的流量系数, 然而在 使用时,往往由于所处温度、压强、介质的性质同标定时不同,因此为了测定准确和使用方 便,应在现场进行流量计的校正。即使已校正过的流量计,由于在长时间使用中被磨损较大 时,也需要再一次校正。 三、实验装置

四、实验要求 1.根据实验内容的要求和流程.拟定实验步骤. 2.根据流量范囤和流动类型划分,大致确定实验点的分布。 3.经指导教师同意后,可以开始按拟定步骤进行实验操作。先排气,再测定数据。 4.在获取必要数据后.经指导教师检查同意后可停止操作。将装置恢复到实验前的状态好 清洁工作。 五、实验步骤 1.熟悉实验装置及流程。观察 U 型压差计与实验管道和孔板流量计测压接头的连接及 位置。弄清楚排气及平衡旋塞的作用和使用方法。 2.打开 U 型压差计上的平衡阀及相应的测压阀,关闭排气旋塞和管路出口阀。 。 3.启动水泵。(注意在泵出口阀关阀的情况下,泵转动不可过久,以防其发热损坏)。 4.系统排气 慢慢打开出口阀,让水流入实验管道和测压导管,排出管道和测压导管中的气体。排 气时可以反复调节泵的出口阀和有关管道上的其他阀门, 使积存在系统中的气体全部被流动 的水带出。 (1) 总管排气:先将控制阀全开然后再关闭,重复三次,目的为了使总管中的大部分气

体被排走。 (2) 引压管排气:依次分别对每个放气阀,开、关重复三次。 (3) U 型压差计排气:关闭平衡阀,依次分别打开 2 个放气阀,此时眼睛要注视着 U 型 压差计中的指示剂液面的上升,防止指示液冲出,开、关重复三次 (4)检验排气是否彻底是将控制阀开至最大,再关至为零,看 U 型压差计读数,若左右 读数相等,则判断系统排气彻底;若左右读数不等,则重复上述(2) (3)步骤。 5.确认系统中的气体被排净后,关闭平衡阀,准备测取数据。 用管路出口阀调节流量,注意阀门的开度,在最大流量范围要合理分割流量,进行实验 布点。测量完成后,打开各测压计的平衡阀。 6.实验结束后,关闭泵的出口阀,停泵。请指导教师检查实验数据,通过后停止实验, 将装置恢复到实验前的状态,做好清洁工作。 六、注意事项 1、在排气和使用时要特别注意开关顺序,因若操作失误,就可能发生冲走水银的事故。 2、实验开始与结束后,都应关闭泵的出口阀,检查各压差计两管读数是否相等,否则 是排气过程气泡没排净或实验过程有气泡进入测量系统。 3、实验时需缓慢开、关出口阀,避免因流量剧烈波动,防止压差计中的指示液冲出。 4.改变流量后需等流量稳定后再测量数据。 5.实验布点 由于 C0 在充分湍流区时,C0~Red 的关系是水平直线,所以在大流量时少布点,而 Red 在比较小时,C0~Red 的关系是曲线,所以小流量时多布点。先将控制阀开至最 大,读取流量显示仪读数 F 大,然后关至水银压差计差值约 0.10 时,再读取流量显示 仪读数 F 小,在 F 小和 F 大二个读数之间布 10~12 个点。 6.若发现流量显示仪读数达不到零,可采用将调节阀开至最大,再快速关闭调节阀, 流量显示仪读数将为零,可能此读数不久还会上升,仍为正常现象,上升的数据不采集,以 零计。此时其余的仪表读数不随显示仪读数而变。 原始数据记录要求 七、原始数据记录要求 1、记录设备参数; 2、实验原始数据的记录以表格形式。 实验报告 报告要求 八、实验报告要求 1、将实验数据和整理结果以数据表格列出,并以其中一组数据计算举例。 2、在双对数坐标系上,标绘流量计的流量 VS 与压差△P(压差计读数 R)的关系曲线 (即流量标定曲线),并求出斜率,考察 VS~△P(或 R)是否为 0.5 次方的关系? 3、在半对数坐标纸上作出孔流系数和雷诺数的关系曲线。 4、讨论与思考题 (1)流量计的孔流系数 C0 与哪些参数有关?这些参数对孔流系数 C0 有和影响? (2)标绘 C0~Red 时选择什么样坐标纸?你从所标绘的曲线中得出什么结论? (3)局部阻力系数ζ与雷诺数 Red 的关系 (4)试验管路及导压管中如果积存有空气,为什么要排除? (5)什么情况下的流量计需要标定?标定方法有几种?本实验是用哪一种? (6)U 管压差计上装设的平衡阀有何作用?在什么情况下应开着?在什么情况下应该关死?、

实验三 实验三、离心泵特性曲线的测定
一、实验目的 1、了解离心泵的特性; 2、学习离心泵特性曲线的测定方法; 3、熟悉离心泵操作方法和特性曲线的应用; 4、正确掌握作图法处理实验数据。 二、基本原理

.

泵是输送液体的设备,在选用泵时,一般总是根据生产要求的扬程和流量,参照泵的性能来决定的。 对一定类型的泵来说,泵的性能主要是指一定转速下,泵的流量、压头(扬程)、轴功率和效率等。泵的

特性曲线主要是指在一定转速下,泵的扬程﹑功率和效率与流量之间的关系,即扬程和流量
的关系曲线 (He~Q 曲线) 轴功率和流量的关系曲线 轴~Q 曲线) , (N , 效率和流量的关系曲线(η~Q 曲线)。由于离心泵的结构和流体

本身的非理想性以及流体在流动过程中的种种阻力损失, 至 今为止,还没有人能推导出计算扬程的纯理论数学方程式。 因此,本实验采用最基本的直接测定法,对泵的特性曲线用 实验测得。 1、泵的扬程He 见图 2-1。对泵的进出口取 1-1 截面与 2-2 截面,建立机械 能衡算式:

2 1 1

2

图 2-1 泵结构示意图

ho — 两测压截面的垂直距离,m; P1—泵入口处的压强,Pa;P2—泵出口处的压强,Pa; u1、u2 — 进、出口管中液体的流速,m/s。

2、泵的轴功率 N 轴的测定 由电机输入离心泵的功率称为泵的轴功率。本实验不是直接测量泵的轴功率,而是 利用功率表测量电机的输入功,再由下式计算轴功: N 轴=N 电机?η电机?η传动 (4) N 电机……电动机的输入功率,W;本实验是利用功率表测量一相的电机的输入功率,则电机的 电机…… 输入功率 N 电机: N 电机=相数×仪表系数×表头读数 (注:装置一电机的相数为3,仪表系数为1;装置二电机的相数为1,仪表系数为10) η电机-电机的效率,由电机效率曲线求得,装置二电机的效率为 0.6。 η传动-传动装置的传动效率,由于泵是由电机直接带动,传动效率可视为1。
3、离心泵效率的计算

从方程式(2)可见,实验的组织方法

是:实验装置中在泵的进出口管上分别装有真空表 p1 和压力表 p2;由温度计测量流体 温度, 从而确定流体的密度ρ; 由功率表计量电机输入功率 Na; 管路中需安装流量计, 确定流体的流速 u;欲改变 u 需阀门控制。除以上仪表外,配上管件,水槽等部件组合 成循环管路。 实验操作原理是: 按照管路特性曲线和泵特性曲线的交点作为泵的工作点 这一原理, 改变管路阻力可以通过调节阀门开度来实现, 使管路特性曲线上的工作点发 生移动,再将一系列移动的工作点的轨迹连接起来,就是泵的扬程曲线,见图 2。 三、实验流程及说明 装置流程如图 3、图 4 所示,离心泵由电机驱动,泵从水槽中吸入水,然后由压出 管排至水槽,循环使用。再吸入管进口处装有滤水器,以免污物进入水泵,滤水器上带 有单向阀,以便在启动前可使泵内灌满水。在泵的吸入口和压出口处,分别装有真空表 和压力表,以测量泵的进出口的压力。泵的出口管道上装有蜗轮流量计(装置一)或转 子流量计(装置二) ,用以计量水的流量,此外还装有阀门,用以调节水的流量。用单 相功率表测量电动机的单相的输入功率。

四、实验要求 1.根据实验内容的要求和流程.拟定实验步骤. 2.根据流量范囤,大致确定实验点的分布。 3.经指导教师同意后,可以开始按拟定步骤进行实验操作。 4.获取必要数据后.经指导教师检查同意后可停止操作。将装置恢复到实验前的状态, 做好清洁工作。 五.实验步骤 1、了解设备,熟悉实验流程及所用仪表。 2、根据离心泵的安装位置判断是否需要灌泵? 、
3、 关闭流量调节阀,启动泵。

4、用出口阀调节流量,在最大流量范围要合理分割流量,进行实验布点。 5、实验结束后,关闭泵的出口阀,停泵。请指导教师检查实验数据,通过后停止实验, 将装置恢复到实验前的状态,做好清洁工作。 六、注意事项 1、启动泵前必须关闭出口阀。 2、调节流量时开关阀门动作要缓慢,避免流量剧烈波动。 3、改变流量后须等系统稳定后再测量数据。 4、装置二功率表的电压线圈和电流线圈分别与面板功率表上对应的电压、电流接线柱 相连接,电压选择 330V 档,电流选择 25A 档,注意不要接错或接反,以免损坏仪表。 5、装置二在启动泵之前,先接通功率表分流闸即按下绿色开关,夹紧泵出口测压引压 管夹子。 (功率表的使用 功率表分流闸开关是为了保护功率表而设置的,测量读数时 请按下红色按钮,即电路关闭不进行分流,在启动泵或不读数时按下绿色开关,即电路 接通进行分流,此时功率表指示值减少。 ) 6、装置二大流量用大转子流量计计量,小流量用小转子流量计计量,实验过程中应注 意大小流量计的使用和切换, 待系统内没有气泡存在且流量稳定后打开夹子, 然后切断 功率表分流闸。 7、若发现流量显示仪(装置一)读数达不到零,可采用将调节阀开至最大,再快速关

闭调节阀,流量显示仪读数将为零,可能此读数不久还会上升,仍为正常现象,上升的 数据不采集,以零计。此时其余的仪表读数不随显示仪读数而变。 8、实验布点服从大流量多布点,小流量少布点规则。原因是:离心泵效率极值点会出 现在大流量区域。实验时流量从大到小或从小到大,测取 12 组数据以上。 9、 建议装置一前五组数据按流量显示仪读数每下降约 50 布一个实验点, 以后实验数据 布点约下降 100~200,实验顺序从大到小。 10、实验结束后须测离心泵进出口两截面中心点间距离。 七.原始数据记录 1、记录设备参数 2、原始数据以表格形式记录 八、实验报告要求 1、 将实验数据及计算结果整理列表,并以其中一组数据计算举例。 2、在直角坐标纸上标绘离心泵在特定转速下的特性曲线 Hl~Ql、N 轴~Ql、η泵~Ql。 3、讨论实验现象和结果。 4、思考题 (1)离心泵启动前为什么要先灌水排气?本实验装置中的离心泵在安装上有何特点? (2)启动泵前为什么要先关闭出口阀,待启动后,再逐渐开大?而停泵时,也要先关 闭出口阀? (3)离心泵的特性曲线是否与连接的管路系统有关? (4)离心泵的流量增大时,压力表与真空表的数值将如何变化?为什么? (5)离心泵的流量可通过泵的出口阀调节,为什么? (6)什么情况下会出现“汽蚀”现象? (7)离心泵在其进口管上安装调节阀门是否合理?为什么?

实验四 真空恒压过滤实验 实验四、真空恒压过滤实验
一、 实验目的

1、熟悉过滤的工艺流程。 2、掌握过滤的操作及调节方法。 3、掌握恒压过滤常数
、 、 的测定方法,加深对 的测定方法。 、 、 的概念和影响因素的理解。

4、学习滤饼的压缩性指数 s 和物料常数

二 、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的作用下液体通过过滤介质,固体颗粒被截留在介 质表面上,从而使液固两相分离。

过滤操作通常分为恒压过滤和恒速过滤。在过滤过程中,由于固体颗粒不断地被截留在介质表面
上,滤饼厚度增加,液体流过固体颗粒之间的孔道加长,而使流体阻力增加,故恒压过滤时,过滤速率逐 渐下降。随着过滤进行,若得到相同的滤液量,则过滤时间增加。如果要维持过滤速率不变,就必须

不断提高滤饼两侧的压力差,此过程称为恒速过滤。
恒压过滤方程 (V+Ve)2=KA2(θ+θe) (1) V—滤液体积,m3 θ-过滤时间,s Ve-过滤介质的当量滤液体积,m3 θe -于得到当量滤液体积 Ve 相应的过滤时间,s A-过滤面积,m2 K—过滤常数,m2/s;包含物料特性常数 k 和操作压力△p 参数,表示为:

K=

2?p 1? s = 2k?p 1? s ? r0ν

△p—滤饼两侧压力差.N/m2 s—滤饼压缩指数; k—表征过滤物料特性的常数,m4/(s·N),对一定的悬浮掖是常数; μ—滤液粘度,Pa.s; r0—单位压力差下滤饼的比阻,1/m2 ν—过滤单位体积滤液时生成的滤饼体积,m3/m2。 为了便于测定过滤常数 K、qe、θe,将式(1) 以单位过滤面积表示的恒压过滤方程为: 式中: (2) —单位过滤面积获得的滤液体积,m3 / m2;

—单位过滤面积上的虚拟滤液体积,m3 / m2; —实际过滤时间,s; —虚拟过滤时间,s; —过滤常数,m2/s。 将式(2)进行微分可得: 这是一个直线方程式,于普通坐标上标绘 从而求出 、 。至于 可由下式求出: 可用增量之比 (3) 的关系,可得直线。其斜率为 (4) 来代替, 则方程式(3)变为: ,截距为 ,

当各数据点的时间间隔不大时,

为求滤饼的压缩指数 s, 须在不同的过滤压力差Δp 的条件下进行实验, 测出各种条件下的过滤常数 K 值。 再由过滤常数的定义式: (5)

两边取对数

(6)

因 ,故 与 的关系在对数坐标上标绘时应是一条直线,直线的斜率为 , 截距为 2k,[或在普通坐标纸上以 lgK—lgΔp 作图得一直线,斜率为 ,截距为 lg(2k)],由此可得滤 饼的压缩性指数 和物料特性常数 。

三、实验装置
⒈本实验的装置流程如图 2-1 所示,滤浆槽内放有已配制具有一定浓度的 CaCO3 溶液(滤浆)。用电动 搅拌器进行搅拌使滤浆浓度均匀(但不要出现打旋现象),用真空泵使系统产生真空,作为过滤推动力。 滤液在计量筒内计量。

四、实验要求 (1)学生根据实验原理.熟悉实验流程及装置; (2)熟悉数据采集的位置及方法,以获取必要的实验数据; (3)拟定实验步骤及操作方法,要求保证实验数据的准确性和可靠性.经指导教师同 意后开始实验操作; (4)按拟定的实验步骤进行实验,完成效据采集,经指导教师同意后停止实验,做好清洁工作。 五、实验方法 实验方法 1、将滤布固定紧,然后将过滤板按流程接入真空系统。 2、将一定量的粉状 CaCO33 混入已装有水的滤浆槽内, 开动电动搅拌器将滤浆槽内料浆搅拌成悬浮液作 为滤浆。滤浆浓度可按需要配制(实验常用浓度 lO%(质量%))。 3、开动水泵,使真空喷射泵开始工作,若系统不能造成真空,检查原因,作适当处理。 4、真空系统运转正常后.做好实验前的准备工作:首先初步调好实验要求的真空度. 可将连接过滤板与滤液计量筒问胶管上的阀门 lO 关闭,用真空度调节阀,4 调节真空度。 然后将过滤板放入清水盆中,打开阀门 lO,将清水吸人计量筒中某液面建立零点.然后关 闭阀门 10。将过滤板放人滤浆槽中固定,秒表回零。 5、实验测定:打开阎门 lO.同时记录计量简中液面上升至一定高度时的过滤时间和 相应的滤液体积;滤液量和过滤时间要连续记录(因为过滤操作是不稳定过程)。滤液量 的间隔最好相等.可控制液位计量高度在 50~80 刻度.每组实验测定 5~7 个数据。按照 真空度为 O.02.0.04,0.05 MPa 做三纽实验。

6、过滤结束后,停真空泵、电动搅拌器电源。打开真空调节阀 10,利用系统内大气压把吸附在吸滤器 上滤饼卸到槽内。放出计量瓶内滤液,用量筒计量,并倒回滤浆槽内。卸下吸滤器清洗待用。做好清洁

工作。
六、注意事项 1、恒压过滤前,把帆布用租线绳紧固在过滤板上.确保真空系统的密闭性; 2、恒压过滤前,应调整计量筒零点,即用真空操作吸人一定最清水,作为起始零点。 在过滤实验开始时,将过滤板放人滤浆槽内,打开阀门 lO 的同时。开始用秒表记时; 3、恒压过滤过程中.应注意保持真空度恒定。如有波动.应随时调节; 4、为保证滤浆浓度恒定.每次恒压过滤操作后,计量筒中滤液应放回滤浆槽.并重新 调整零点,再进行下一次操作; 5、每次恒压过滤操作后.应彻底清洗过滤板上的滤饼。洗下的滤饼层同样要放回滤 浆槽.以保证滤浆浓度恒定。过滤操作的原始数据记录。 6、现场测量过滤面积。 七、实验数据记录 1、记录设备参数 2、以表格形式记录原始数据

八、实验报告要求 1、 将实验数据及计算结果整理列表,并以其中一组数据计算举例。
2、作图求出 、 3、讨论实验结果。 4、思考题



、滤饼的压缩性指数

和物料特性常数



在过滤实验中,当操作压强增加一倍时,其K值是否也会增加一倍?当要得到同样的过 滤量时,其过滤时间是否缩短了一半

实验五 实验五
一、实验目的
⒈了解套管换热器的结构。

气-汽对流传热实验

⒉通过对空气—水蒸气简单套管换热器的实验研究,掌握对流传热系数

的测定方法,
m 0.4

加深对其概念和影响因素的理解。并应用线性回归分析方法,确定关联式 Nu=ARe Pr 中常数 A、

m 的值。

二、 实验原理
1.对流传热系数αi 的测定 对流传热系数αi 可以根据牛顿冷却定律,用实验来测定

(1) 式中: —管内流体对流传热系数,W/(m ?℃);Qi—管内传热速率,W;
2

Si—管内换热面积,m2;
对数平均温差由下式确定:

—对数平均温差,℃。

(2)

式中:ti1,ti2—冷流体的入口、出口温度,℃; tw—壁面平均温度,℃。 因为传热管为紫铜管,其导热系数很大,而管壁又薄,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。采用铜-康铜热电偶测量铜管外壁面温度。 管内换热面积: (3) 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: (4) 其中质量流量由下式求得:

(5) 式中:Vi—冷流体在套管内的平均体积流量,m /h;空气主管路流量由孔板流量计测量。
3

cpi—冷流体的定压比热,kJ

/ (kg·℃);ρi—冷流体的密度,kg /m 。
3

cpi 和ρi 可根据定性温度 tm 查得,

为冷流体进出口平均温度。 值。
3

应用实验测得空气的流量及进出口温度即可求出在不同空气流速下的

本实验空气流量用的孔板流量计位非标准设计, 故进行了整体校正, 得到空气流量 V20(m /h) 与压差计读数 R(mmH2O)间的关系式:

V20=2.281 R 0.497(m 3 / h)
实验条件下空气的流量 Vt(m /h)则需按下式计算:
3

( 6)

Vt = V20

ρ 20 ρ


(7)
3

t

ρ20 -20℃时的空气密度 (kg/m )

ρ




-实验时空气入口温度平均值查出的密度 (kg/m )

3

t

t -实验时空气入口温度平均值



由于被测管段上温度的变化,空气的真实流量还需进行进一步校正,

Vi = Vt

273+t m 273 + t
?

(8)

⒉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,被加热状态,准数关联式的形式为 (9)

其中: 物性数据λI、





cpi、ρI、μI 可根据定性温度 tm 查得。经过计算可知,对于管内被加热
n

的空气,普兰特准数 Pri 变化不大,可以认为是常数,而 Pr 的指数取 n=0.4,则关联式的形式 简化为: (10) 通过实验确定不同流量下的 Rei 与

,然后用线性回归方法确定 A 和 m 的值。

三、实验装置
⒈实验流程图及基本结构参数: 如图所示,实验装置的主体是一根平行的套管换热器,外管为玻璃管,内管为紫铜材质,

内径 18mm,外径 22mm,加热管有效长度 Li=1.10m。实验的蒸汽发生釜为电加热釜,内有 1 根
螺旋形电加热器,加热电压可由固态调压器调节。 空气由旋涡气泵吹出,由旁路调节阀调节,经孔板流量计,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,由另一端蒸汽出口自然喷出,达 到逆流换热的效果。

四、实验要求 1、熟悉空气系统和水蒸气加热系统的流程,了解空气流量调节和计量方法。
2、 拟定实验步骤及操作方法, 要求保证实验数据的准确性和可靠性. 经指导教师同意后开始实验操作; 3、按拟定的实验步骤进行实验,完成效据采集,经指导教师同意后停止实验,做好清洁工作。

五、实验步骤

1、了解加热蒸汽的控制调节的方法。合上电源开关。 2、将毫伏测量仪表接通电源预热 15 分钟,校零。检查热电偶的冷端,是否全部浸没在

冰水混合物中。 3、检查电加热釜中的水位是否在正常范围内。如果发现水位过低,应及时补给水量。 4、打开加热电源开关,调节调压器,使电压表的读数为 150~200V 左右。 5、估计水即将沸腾时,将空气系统的旁路调节阀 5 完全打开,启动风机,此时空气进 入换热器。 6、 在一定空气流量条件下, 调节控制加热电压, 保证蒸汽放空口一直有少量蒸汽放出, 。 7、实验数据测量:改变空气流量,待系统稳定后记录数据。测定 5~6 组数据。 8、实验结束后,关闭加热电压调节旋钮,关闭加热电源开关,待空气出口温度下降到 40℃以下时,关闭风机电源,切断总电源,全开旁路调节阀,做好清洁卫生。 六、注意事项 1、由于采用热电偶测温,所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热电 偶冷端是否全部浸没在冰水混合物中。 2、实验过程中须注意检查电加热釜中的水位是否在正常范围内。如果发现水位过低, 应及时补给水量。 3、在给电加热釜电压之前,必须保证蒸汽放空管线的畅通。防止管线截断或蒸汽压力 过大突然喷出。 4、启动风机之前,旁路调节阀必须全开,此时进入换热器的空气量最小,可以避免因 突然启动风机风量大冲走 U 型压差计的指示液。 5、改变空气流量后,应至少稳定 5~10 分钟后测定实验数据。 6、刚开始加热时电压可稍大些,当有蒸汽溢出时可适当调小加热电压,保证蒸汽放空 口一直有少量蒸汽放出即可。实验过程中不应再改变加热电压,以保持上升蒸汽量的稳定。 七、原始数据记录 1、 记录设备参数和加热电流、电压。
2、以表格形式记录原始数据

八、实验报告要求 1、 将实验数据及数据结果整理列表。 2、准数关联式回归过程、结果与具体的回归方差分析,并以其中一组数据计算举例。 (在双对数坐标系中绘制 Nu ~Re 的关系图,求出准数关联式中的常数 A 和 m。) 3、将实验结果与经验公式相比较进行分析。 4、思考题 (1)、本实验中空气和蒸气的流向.对传热效果有什么影响? (2) 、在汽-气对流实验中,采用同一换热器,在流体流量及进口温度均不发生变化的时 候,两种流体流动方式由逆流改为并流,总传热系数是否发生变化?为什么? (3)在汽-气对流实验中, 、 测定的壁面温度是接近空气侧的温度, 还是接近蒸汽侧的温度? 为什么? (4)、环隙间饱和蒸汽的压强发生变化.对管内空气传热膜系数的测越是否会发生影响?

实验六 实验六 精馏塔实验
一、 实验目的 1、熟悉精馏塔结构和精馏流程,掌握精馏过程的操作及调节方法; 2、掌握精馏塔全回流及部分回流时的总板效率的测定方法。 3、观察观察精馏塔内气、液两相的接触状态 4、观察板式塔的液泛和漏液等现象,并分析这些操作状态对塔性能的影响。 二、实验原理 精馏是利用混合物中各纽分挥发度的不同将混合物进行分离。在板式精馏塔中,混合溶 液在塔釜内被加热汽化,蒸汽通过各层塔板上升, 当有冷凝液回流时,汽液两相在塔板上鼓泡 接触进行传质传热,汽相部分冷凝,液相部分汽化,由于组成间挥发度不同,气液两相每接触 一次得到一次分离,轻组分和重组分分别在逐板上升和下降过程中被逐渐提浓。 1、精馏全塔效率测定 精馏过程中若离开某一块塔板的汽相和液相组成达到平衡,则该板称为一块理论板。然 而在实际操作的塔板上,由于汽液两相接触的时间有限,汽液两相达不到平衡状态,即一块 实际操作的塔板分离效果常常达不到平衡状态, 一块理论塔板的作用。 因此, 要想达到一定 分离要求,实际操作的塔板数,总要比理论板数多。 在板式精馏塔中,完成一定分离任务所需的理论塔板数 NT 与实际塔板数 N 之比定义为 全塔效率(或总板效率) (塔板数皆不包括蒸馏釜),即

对于二元物系, 如已知其汽液平衡数据, 则根据精馏塔的原料液组成,进料热状况,操 作回流比及塔顶馏出液组成, 塔底釜液组成可 以求出该塔的理论板数 NT。按照式(1)可以 得到总板效率 E。 全回流操作时,测得塔顶馏出液组成 xD 及塔釜排出液组成 xW, 可直接图解或逐板计算 求出理论塔板数 NT。 当塔在一定的回流比 R 下(部分回流)操 作时,可利用图 5—1 中画阶梯的方法 求理论板数 NT,方法如下。 ①根据样品分析结果确定 xD、W 及进料组 x 成 xF; ②根据进料温度 tF 及 xF,由式(2)确定进 料热状态参数口; 进料热状况参数的计算式为

(2)

式中: tF——进料温度,℃。 tBP——进料的泡点温度,℃。 Cpm——进料液体在平均温度(tF + tBP )/2 下的比热,kJ/(kmol.℃)。 rm——进料液体在其组成和泡点温度下的汽化潜热,kJ/kmol。 Cpm=Cp1M1x1+Cp2M2x2,kJ/(kmol.℃) rm=r1M1x1+r2M2x2,kJ/kmol 式中: Cp1,Cp2——分别为纯组份 1 和组份 2 在平均温度下的比热,kJ/(kg.℃)。 r1,r2——分别为纯组份 1 和组份 2 在泡点温度下的汽化潜热,kJ/kg。 M1,M2——分别为纯组份 1 和组份 2 的质量,kg/kmol。 x1,x2——分别为纯组份 1 和组份 2 在进料中的分率

(3) (4)

2、精馏塔操作要领 (1)维持好物料平衡,即 F=D+W

FxF=DxD+WxW

(5)

(6) 或 式中:F、D、W — 分别为进料、馏出液、釜残液的流率,kmol.s-1; xF、xD、xW ― 分别为进料、馏出液、釜残液中轻组分的组成摩尔分率; D/F、W/F ―分别为塔顶、塔底的采出率。 若物料不平衡,当 F>D+W 时,将导致塔釜、降液管和塔板液面升高,压降增大,雾 沫夹带增加,严重时甚至会淹塔;当 F<D+W 时,将导致塔釜、降液管和塔板液面降低, 漏液量增加,塔板上气液分布不均匀,严重时甚至会干塔。 在规定的精馏条件下,若塔顶采出率 D/F 超出正常值,即使精馏塔具有足够的分离能 力,从塔顶也不能得到规定的合格产品;若塔底采出率 W/F 超出正常值,则釜残液的组成 将增加,既不能达到分离要求,也增加了轻组分的损失、 (2)控制好回流比。精馏塔应采用适宜的回流比操作,在塔板数固定的情况下,当满足 DxD≤FxF 且塔处于正常流体力学状态时,加大回流比能提高塔顶馏出液组成 xD,但能耗也 随之增加。加大回流比的措施,一是减少馏出液量,二是加大塔釜的加热速率和塔顶的冷凝 速率,但塔釜的加热速率和塔顶的冷凝速率在装置中是有限度的。因此在操作过程中,调节 回流比时要将两者协调好,尤其是后者涉及维持热量平衡。 四、 实验装置流程图 实验装置一为一小型筛板塔, 如图所示, 塔径Φ57×3mm, 共有六层塔板, 板间距 68mm , 塔板厚 2mm,板上开有直径Φ2 mm 筛孔 8 个。塔体上下端各装有玻璃塔段,用以观察塔板上 汽-液鼓泡和回流情况。塔底有一加热釜,其上装有液面计、电加热器、温度计、压差计加 料管和釜液取样管及旋塞。塔顶装有一蛇管冷凝器,冷却水走管内,塔顶蒸汽在管外冷凝。 塔底加热釜装有 2KW 电加热器,用调压器控制加热量,可控制塔的操作热负荷,即塔内上升 蒸汽量或气速。 料液由料液槽 10 经转子流量计 9、阀 13 进入精馏塔,蒸汽由蒸馏釜 2 上升至塔顶 5,上升 过程中与回流液进行热量、质量传递,再进入冷凝器 6、回流分配器 12,其中一部分冷凝液 作为产品进入贮槽,另一部分回流至塔内。与此同时,釜内液体的一部分经阀 14 流出。

D x F ? xW = F x D ? xW

W = F x D ? xW

xD ? xF

装置一 精馏塔实验装置示意图
1—产品贮槽;2—蒸馏釜;3、4、9—转子流量计;5—塔体;6—冷凝器;7—压力表; 8—电加热电源;10—料液槽;11—料液输送泵;12—分配器;13—进料阀;14—釜液出料阀

四、实验要求
本实验为设计型实验,学生应在教师的协助下,独立设计出完整的实验方案,并自主实施。必须 进行的实验内容为(1)~(2),可供选做的实验内容为(3)~(8),最少从中选做一个。 (1 研究开车过程中,精馏塔在全回流条件下,塔顶温度等参数随时间的变化情况。 (2)测定精馏塔在全回流和某一回流比连续精馏时,稳定操作后的全塔理论塔板数、总板 效率。 (3)在全回流、稳定操作条件下,测定塔顶物料浓度、总板效率随塔釜蒸发量的变化情况。 (4)在部分回流、稳定操作条件下,测定总板效率随回流比的变化情况。 (5)在部分回流、稳定操作条件下,测定总板效率随进料流量的变化情况。 (6)在部分回流、稳定操作条件下,测定总板效率随进料组成的变化情况。 (7)在部分回流、稳定操作条件下,测定总板效率随进料热状态的变化情况。 (8)研究间歇精馏操作过程中,固定回流比情况下,塔顶温度随时间的变化情况。

五、操作步骤 (一) 正常操作步骤 装置一 (1) 熟悉流程和主要控制点。 (2) 配制一定浓度的混合液(乙醇/正丙醇或酒精水溶液),加到进料槽中的,然后将料液注入 蒸馏釜,釜内液位应在液位计两标记线之间(或加入其容积的 2/3),物料液面高度应超过加
热电极高度约 20mm 为止。 (3) 向塔顶冷凝器通入冷却水,接通塔釜加热器电源对再沸器进行缓慢加热。密切注视加

热釜的温度、压力变化,当压力不断上升时,应适当开启塔顶排气阀,及时将塔内不凝性气 体排出,操作压力应稳定在 0.026~0.030MPa(表压)。 (4) 待加热釜内釜液沸腾后,注意观察塔内气液接触状况,当塔顶有液体回流后,适当调 整加热功率,是塔内维持正常的操作状态。待操作稳定后,在塔顶和塔釜分别取样,测定测量 样品浓度。 (5)部分回流操作
①在全回流操作的基础上,向塔底冷却器通入冷却水。 ②向塔进料,调节回流,进行部分回流操作,同时接受塔顶、塔底溜出液,注意要预先选择好 回流比和进料温度,待有产品后,再加以适当调节。。 ③待塔内操作正常且塔顶温度稳定不变达 10 分钟,表明实验塔内操作正常,记录实验数据,并 分别测取塔顶、塔底及进料样品的浓度。 (6) 实验结束后,缓慢停止加热和保温,关闭进料。待塔釜温度冷却至室温后,关闭冷却水, 一切复原,并打扫实验室卫生,将实验室水电切断后,方能离开实验室。

(二) 操作过程中的不正常现象,其原因分析和处理方法 (1) 塔顶温度高于正常值,塔釜温度低于正常值,馏出液和釜液组成不合要求。这是因 为塔板分离能力不够,应加大回流比。 (2) 塔釜温度变化不大,塔顶温度逐渐升高,馏出液组成降低。这是因为 DxD>FxF-

x F ? xW WxW,又可细分为:①D/F> x D ? xW ,即塔顶采出率过大;②xF 下降过多。处理办法是:
对①应适当使 D 下降、W 上升,待塔顶温度逐步降至正常时,再调节各操作参数使精馏过 程处于 DxD=FxF-WxW 下进行;对②则应使进料板下移或使 R 上升。 (3) 塔顶温度变化不大, 塔釜温度逐渐下降, 釜液组成升高。 这是因为 DxD<FxF-WxW,

x F ? xW 又可细分为:①D/F< x D ? xW ;②xF 上升太快。处理方法是:对①与现象②中的①相反,
对②可使进料板上移或加大塔釜电热器功率,并使 D 上升,W 下降。 (4) 塔板漏液,塔釜压力降低,塔板上液面下降或消失,这是因为上升蒸汽量不够,应 适当加大塔釜电热器功率。 (5) 液沫夹带严重,馏出液和釜残液不符合要求,塔釜压力偏高,这是因为:上升蒸汽 量和液体回流量过大,应减少塔釜电加热器功率和回流量。 (6) 液体逐板下降不畅,塔釜压力陡升,造成淹塔,这是因为溢流液泛,夹带液泛,应 减少回流量和上升蒸汽量。 (7) 塔釜压力逐渐升高,塔顶冷凝效果降低,这是因为塔内不凝性气体积聚,应排放不 凝气。
六、注意事项 (1)本实验过程中,要特别注意安全,严禁干烧加热器,以免发生触电事故。

(2)实验装置二全部采用玻璃制成,并采用涂镀于塔体表面的导电透明膜对玻璃进行 加热,为防止触电,严禁直接接触镀膜管。不要加热过快以免发生玻璃炸裂事故。 (3)开车时应先向塔顶冷却器通入冷却水,后向再沸器加热,停车反之。 (4)再沸器内料液的位置应始终高于加热釜电极的高度。 (5)装置一的原料液为酒精水溶液,装置二原料液为乙醇正丙醇混合液。 (7) 装置一用锥形瓶取样。 取样前先用少量试样冲洗锥形瓶, 取样量均为 140~150 mL

(以保证液体相对密度计能正常测量) ,取样后将锥形瓶口用塞子塞严,用流水将样品间接 冷却至室温,再用比重天平测量样品的相对密度,并测量温度。根据试样的温度和比重,可 查乙醇水溶液的组成的质量百分含量。 (8)装置二用微型注射器取样。取样前先用少量试样冲洗注射器,用阿贝折光仪测量
样品折光率,计算相应质量百分比浓度浓度。 (9)比重天平和阿贝折光仪的使用见附录。 (10)实验完毕后,关闭总电源,打开回流管路上的考克,将馏出液排尽, 清理实验

现场。
(11)装置二接通塔釜加热器电源对再沸器进行缓慢加热(加热速率小于每 15 分钟升高电 压 30V),待再沸器内液体开始沸腾后接通塔身保温电热电路(保温电压小于 100V)。 缓慢停止加热和保温。待塔釜温度冷却至室温后,关闭冷却水,一切复原,并打扫实验室卫生, 将实验室水电切断后,方能离开实验室。

七、原始实验数据记录 1、设备参数 2、实验测量数据 八、报告内容 (1)计算 XD 和 XW。 (2)图解法确定理论板数,并求出全塔效率。 (3)讨论实验结果 (4)回答如下思考题: (a)在精馏操作过程中,回流温度发生波动,对操作会产生什么影响? (b)在板式塔中,气体、液体在塔内流动中,可能会出现几种操作现象? (c)如何判断精馏塔内的操作是否正常合理?如何判断塔内的操作是否处于稳定状态? (d) 是否精馏塔越高,产量越大? (e)精馏塔加高能否得到无水酒精? (f)结合本实验说明影响精馏操作稳定的因素有哪些? (g) 操作中加大回流比应如何进行?有何利弊? (h) 精馏塔在操作过程中,由于塔顶采出率太大而造成产品不合格时,要恢复正常的最快 最有效的方法是什么? 九、附录 (一) 常压下乙醇—水溶液的平衡数据 常压下乙醇— 液相中乙醇 的摩尔分率 0.00 0.01 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.14 0.18 0.20 0.25 气相中乙醇 的摩尔分率 0.00 0.11 0.175 0.273 0.340 0.392 0.430 0.482 0.513 0.525 0.551 液相中乙醇 的摩尔分率 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 气相中乙醇 的摩尔分率 0.575 0.595 0.614 0.635 0.657 0.678 0.698 0.725 0.755 0.785 0.820 液相中乙醇 的摩尔分率 0.85 0.894 0.90 0.95 1.00 气相中乙醇 的摩尔分率 0.855 0.894 0.898 0.942 1.000

常压下乙醇——正丙醇汽液平衡数据 ——正丙醇汽 (二) 常压下乙醇——正丙醇汽液平衡数据 x y 0 0 0.126 0.188 0.210 0.358 0.461 0.546 0.600 0.663 0.884 1.000 0.240 0.318 0.349 0.550 0.650 0.711 0.760 0.799 0.914 1.000

(三)阿贝折光仪的使用方法 1 了解浓度——折光指数标定曲线的适用温度 2 看超级恒温水浴的触点温度计的设定温度是否在标定曲线的适用温度附近。若不是,则需 调整至适用温度。 3 开启超级恒温水浴,待恒温后,看阿贝折光仪测量室的温度是否正好等于标定曲线的适用 温度。若否,则应适当调节超级恒温水浴的设置温度,使阿贝折光仪测量室的温度正好等于标定 曲线的适用温度。 4 用蒸馏水或校正玻璃块对折光仪进行校正。纯水 30℃时的折光率为 1.33194。 5 测定某物质的折光指数的步骤如下: (1) 测量折光指数时,放置待测液体的薄片状空间可称为“样品室”。测量之前应用无水乙醇 和镜头纸将样品室的上下磨砂玻璃表面擦拭干净, 以免留有其它物质影响测定的精确度, 待无水 乙醇完全挥发后才能测量。 (2) 在样品室关闭且锁紧手柄的挂钩刚好挂上的状态下, 用医用注射器将待测的液体从样品室 侧面的小孔注入样品室内,然后立即旋转样品室的锁紧手柄,将样品室锁紧(锁紧即可,但不要 用力过大)。 (3) 适当调节样品室下方和竖置大圆盘侧面的反光镜,使两镜筒内的视场明亮。 (4) 从目镜中可看到刻度的镜筒叫“读数镜筒”,另一个叫“望远镜筒”。先估计一下样品的 折光指数数值的大概范围, 然后转动竖置大圆盘下方侧面的手轮, 将刻度调至样品折光指数数值 的附近。 (5) 转动目镜底部侧面的手轮,使望远镜筒视场中除黑白两色外无其他颜色。在旋转竖置大圆 盘下方侧面的手轮,将视场中黑白分界线调至斜十字线的中心(如附图所示)。 (6) 在读数镜筒中看到的右列刻度读数则为待测物质的折光指数数值 ND(如附图所示) (7) 根据读得的折光指数数值 ND 和样品室的温度,从浓度——折光指数标定曲线查该样品的 质量分率。 6 要注意保持折光仪的清洁,严禁污染光学零件,必要时可用干净的镜头纸或脱脂棉轻轻地 擦拭。如光学零件表面有油垢,可用脱脂棉蘸少许洁净的汽油轻轻地擦拭。

附图

(四)液体比重测量方法
PZ-A-5 型液体比重天平是实验室中测定液体相对密度 常用的计量仪表之一.下面就其原理及使用方法作一简单介绍. 1、工作原理 比重天平有一个标准体积(5cm3)和重量的测锤,浸没于液体之中,由于受到浮力而使 天平横梁失去平衡,然后在横梁上的 V 形槽内放置相应重量的骑马,使横梁恢复平衡,从 而测得该液体的比重,其结构如下图:

2、安装、调整、使用 (1)将测锤 8 和玻璃量筒 7 用纯水或酒精洗净.再将支柱紧固嫘钉 2 放松.托架 9 升至 适当高度后旋紧螺钉。横梁 3 置于托架的玛璃刀架 6 上,用等重砝码挂于横梁右端的小钩 上.调节水平调节器 1,使横梁上指针与托架指针尖成水平.以示平衡。若无法调节平衡时, 将平衡调节器 4 上的小螺钉松开, 然后略微转动平衡调节器 4 直到平衡为止。 如果天平灵敏 度太高,则将重心调节器 5 旋低。反之旋高。一般不必旋动重心调节器。 (2)将等重砝码取下,换上测锤。将待测液体倒入玻璃筒内。 (3)将测锤浸没于欲测液体中央.且测锤不能粘壁,此时横梁失去平衡。在横粱 V 形槽 与小钧上加放各类骑码使之恢复平衡,横梁上砝码的总和即为欲测液体的相对密度。 (4)读数方法:共有四类砝码,每类两个,各类间为十进位.横梁上亦有 l0 格,如最大 骑码置于第 10 格(小钩上)即渎为 1,第 9 格为 0.9,依次为 0.8、0.7、0.6…;最小砝码 置于第 10 格(小钧上)为 0.001,第 9 格为 0.0009,其余砝码类推. 放在小沟与 V 型槽骑码质量 V 型槽第 10 位代表数 V 型槽第 9 位代表数 V 型槽第 8 位代表数 …… 5g 1 0.9 0.8 …… 500mg 0.1 0.09 0.08 …… 50mg 0.01 0.009 0.008 …… 5mg 0.001 0.0009 0.0008 ……

例如,所加骑码 5g,500mg,50mg,5mg,在横梁 V 型刻度槽位置分别为第 9 位,第 6 位,第 2 位,第 4 位,即可读出测量液体的比重值为 0.9624,读数的方法是按骑码从大到 小的顺序读出 V 型槽刻度即为比重值。 三、维护保养 (1)经常使用时,要定期进行清洁和计量性能检查. (2)当天平要移动位置时,应把易于分离的零部件及横梁等 卸下.移动后重新组装.以免损坏横梁的刀口. (3)天平应安装在温度正常的室内(如 20℃),避免受热或受冷

实验七、塔板流体力学性能测定实验
一、 实验目的 ⒈ 学会观察和分析塔板上气液两相接触情况,掌握塔板流体力学的一般规律。 ⒉ 学会塔板的流体力学性能(单板压降,雾沫夹带量,泡沫层高度,清液层高度等)测定方法。 ⒊ 了解筛板、浮阀、泡罩及舌形塔板的结构。 实验原理 二、 实验原理 ⒈ 塔板上气液接触,塔内气液流动,都与塔板上的流体力学有关。为了研究塔板上流体力学,一般 用空气-水体系,在塔板的冷模装置上进行实验,观察塔板上气液的接触情况。当塔板操作时,液体 从上层塔板经降液管流到下一层塔板;而气体由于压差的作用从下一层塔板经筛孔(或阀孔、舌孔、 升气管)上升穿过液层形成错流,在塔板上气液两相进行传质传热。 气液两相接触的过程中,随着气流速度的变化,大致有三种状态: 第一种情况:鼓泡接触状态。当气流速度很低时,气体通过筛孔是断裂成气泡在板上液层中浮升,这 时形成的气液混合物基本上以液体为主,板上有明显的清液层,气液两相在气泡表面进行传质传热, 气泡占的比例较少,气液接触面积不大,气泡表面的湍动程度也较少,故传质阻力较大。在鼓泡接触 状态,液体为连续相,气体为分散相。 第二种情况:泡沫接触状态。随着气流速度的增大,板上产生的气泡数量急剧增加,气泡表面连成一 片并不断发生破裂和合并,此时板上液体大部分以液膜形式存在于气泡之间,清液层变薄,气液两相 的传质面积为很大的液膜。由于塔板上有这种高度湍动的泡沫层,从而为气液两相传质传热创造良好 的流体力学条件。在泡沫接触状态,液体为连续相,气体为分散相。 第三种情况:喷射接触状态。当流速很高时,气体的动能很大,气体从筛孔喷出穿过液层,将塔板上 的液体破碎成许多液滴并抛到塔板上方的空间,气液两相在液滴表面进行传质传热。在喷射杰出状态 下,气流速度很大,液体分散较好,对传质传热有利,但产生过量液沫夹带,会影响和破坏传质过程。 在这种情况下,液体为分散相,气体为连续相。 2、塔板的上不正常操作现象 (1)漏夜现象 当塔板在气速很低下操作时,气体通过塔板为克服开孔处的液体表面张力,以及液层摩擦阻力所形成 压强降,不能抵消塔板上液层的重力,因此液体会穿过塔板上的开孔往下漏,即产生漏液现象。 波纹筛板是一种改进型的筛板,它在普通筛板的基础上采取了改进措施,将塔板压制成波纹状。

(2)过量液沫夹带 当塔内气速较大,气体将大量的液体带至上一层塔板上,引起浓度返混现象,而被带上的液体还是要 通过降液管流回到下一层塔板上,从而增大了降液管的负荷,则降液管内的液位会不断升高,最后可能导 致液泛。 (3)液泛现象 当塔板上液体量很大,上升气体速度很高,塔板压降很大,液体来不及从降液管向下流动,于是液体 在塔板上不断积累,液层不断上升,使整个塔板空间都充满气液混合物,称液泛现象。液泛发生后完 全破坏了气液的逆流操作,使塔失去分离效果。 在液泛开始时,塔内压力降急剧增大,效率急剧减小,最后导致全塔操作无法进行。 3、筛板塔的流体力学性能 1) 压强降, 压强降是板式塔一项重要流体力学性能, 它关系到塔板上蒸汽分布, 塔底操作压力的确定。 特别对热敏性物料的减压精馏塔板压降的大小往往是选择板型的主要依据。 筛板塔板压降即总压降(或湿板压降)等于气体通过干板的压降和通过液层的压降之和,即: hT=hD+hL 米液柱

hT — 气体通过一层塔板的压降,米液柱; hD — 气体通过一层塔板的干板压降,米液柱; hL — 气体通过液层的压降,米液柱。 干板压降可按下式计算

ζ— 干板阻力系数; ρV、ρL — 气液相密度,kg/m ; u0 — 气体通过孔口速度,m/s。 气体通过液层的压降可分为液层的静压头和剩余压降之和,即: hL= hF+ hr hF — 清液层高度,米液柱; hr — 是总压降减去干板压降及清液层的静压头后剩余部分,是由液体表面张力和鼓泡及气泡通过液层时 的能量消耗所致。 2)清液高度和泡沫高度
3

操作板上的清液高度和泡沫高度,二者直接关系到塔板的压降,雾沫夹带和泄漏。此外清液高度和泡 沫高度代表液气的持留量,很大程度上决定气液的接触时间,是关系到传质效果的物理量。 3)雾沫夹带 操作板上上升气流将下层塔板的部分液滴带至上一层塔板上称为雾沫夹带。雾沫夹带会降低传质效 果。雾沫夹带量受气速、液体表面张力、板间距的影响。(为保证一定的板效率,雾沫夹带控制在 0.1 公 斤液/公斤汽以下)。 三、 实验流程及实验步骤

⒈ 流程

实验装置及流程如图所示,空气由风机经过孔板流量计计量后输送到板式塔塔底,板式塔由下向上的 塔板依次是筛板,浮阀,泡罩和舌形塔板。 液体则由离心泵经过孔板流量计计量后由塔顶进入塔内并与空气进行接触,由塔底流回水箱内。 2、设备主要技术参数 板式塔塔高:900mm,塔径:φ100x5.5mm,材料为有机玻璃,板间距:150mm 空气孔板流量计孔径:12mm,水孔板流量计孔径:6mm

四、实验步骤 1) 首先向水槽内放入一定量的水,将空气流量调节阀开到最大位置,将离心泵流量调节阀关闭。 2) 启动风机改变空气流量分别测定四块塔板的 干板阻力与气速度关系 3)后启动离心泵,分别改变空气,液体流量用观察法测出筛板的操作负荷性能图 4)将图示 A 路打开 B 路关闭 ,分别改变空气流量测定其四块踏板的压降,同时观察实验现象 5)实验结束时先关闭水流量,待塔内液体大部分流回到塔底时关闭风机 实验数据记录及 记录及处理 五、 实验数据记录及处理 ⒈ 将步骤 2,3,4 的数据作图。可得干板压降,顶板压降与空塔气速关系图。清液层,泡沫层,雾沫 夹带量与空塔气速关系。 ⒉ 将塔板压降,清液高度,泡沫高度,雾沫夹带量与喷淋密度作图,可得塔板压降,清液层,泡沫层, 雾沫夹带量与喷淋密度关系。 五、 实验结果与讨论 描述塔板上气液两相接触情况,指出塔板适宜工作区。讨论各个曲线因变量随自变量变化的关系。

实验七 实验七
一、实验目的

干燥速率曲线测定实验

⒈掌握干燥曲线和干燥速率曲线的测定方法。 ⒉学习物料含水量的测定方法。 ⒊加深对物料临界含水量 Xc 的概念及其影响因素的理解。 ⒋学习恒速干燥阶段物料与空气之间对流传热系数的测定方法。

二、实验内容
⒈每组在某固定的空气流量和某固定的空气温度下测量一种物料干燥曲线、 干燥速率曲线和临界 含水量。 ⒉测定恒速干燥阶段物料与空气之间对流传热系数。

三、实验原理
当湿物料与干燥介质相接触时,物料表面的水分开始气化,并向周围介质传递。根据干燥过 程中不同期间的特点,干燥过程可分为两个阶段。 第一个阶段为恒速干燥阶段。在过程开始时,由于整个物料的湿含量较大,其内部的水分能 迅速地达到物料表面。因此,干燥速率为物料表面上水分的气化速率所控制,故此阶段亦称为表 面气化控制阶段。在此阶段,干燥介质传给物料的热量全部用于水分的气化,物料表面的温度维 持恒定(等于热空气湿球温度),物料表面处的水蒸汽分压也维持恒定,故干燥速率恒定不变。 第二个阶段为降速干燥阶段, 当物料被干燥达到临界湿含量后, 便进入降速干燥阶段。 此时, 物料中所含水分较少, 水分自物料内部向表面传递的速率低于物料表面水分的气化速率, 干燥速 率为水分在物料内部的传递速率所控制。 故此阶段亦称为内部迁移控制阶段。 随着物料湿含量逐 渐减少,物料内部水分的迁移速率也逐渐减少,故干燥速率不断下降。 恒速段的干燥速率和临界含水量的影响因素主要有:固体物料的种类和性质;固体物料层的 厚度或颗粒大小;空气的温度、湿度和流速;空气与固体物料间的相对运动方式。 恒速段的干燥速率和临界含水量是干燥过程研究和干燥器设计的重要数据。 本实验在恒定干 燥条件下对帆布物料进行干燥, 测定干燥曲线和干燥速率曲线, 目的是掌握恒速段干燥速率和临 界含水量的测定方法及其影响因素。

⒈干燥速率的测定

(8-1) 式中: —干燥速率,kg /(m ·h); —干燥面积,m2,(实验室现场提供); —时间间隔,h; — 时间间隔内干燥气化的水分量,kg。 ⒉物料干基含水量 (8-2) —物料干基含水量,kg 水/ kg 绝干物料;
2

式中:

—固体湿物料的量,kg; —绝干物料量,kg。 ⒊恒速干燥阶段,物料表面与空气之间对流传热系数的测定

(8-3)

式中:

(8-4) 2 —恒速干燥阶段物料表面与空气之间的对流传热系数,W/(m ·℃); —干燥器内空气的湿球温度,℃;

—恒速干燥阶段的干燥速率,kg/(m2·h); —干燥器内空气的干球温度,℃; —

℃下水的气化热,J/ kg。

四、实验装置
干燥器类型:洞道 洞道尺寸:长 1.10 米、宽 0.125 米、高 0.180 米; 加热功率:500w—1500w; 空气流量:1-5m3/min; 干燥温度:40--120℃ 干球温度计、湿球温度计:量程(0-150℃),电子秒表

图 8-1 洞道干燥实验流程示意图

1—离心风机;2—孔板流量计;3—孔板流量计处温度计;4—天平;5—干燥物料(帆布);6—电加热器; 7—干球温度计;8—湿球温度计;9—洞道干燥室; 10—废气排出阀; 11—废气循环阀;12—新鲜空气进气阀;13—U 型压差计;

五、操作方法
1、熟悉实验装置的构造及仪器使用方法 2.实验前称出绝干物料的质量,配制一定含水量的湿物料。(干燥物料要充分浸湿,但不 能有水滴自由滴下,否则将影响实验数据的正确性。) 3、检查各温度计是否正常,特别是湿球温度计。观察干、湿球温度。(用纱布包裹温度计 的感温球,用水润湿纱布,尾部置于小水瓶中,使湿球温度计的纱布始终保持湿润状态。注意水 瓶中是否有水。) 4、调节送风机吸入口的蝶阀 12 到全开的位置后启动风机。 5、用废气排出阀 10 和废气循环阀 11 调节到指定的流量(流量范围 1-5m /min)后,观察 干、湿球温度。此时为加热前的湿空气的状态。 6、开启加热电源,调节调压器(电压不能超过 200V),加热空气。观察干、湿球温度的 变化,在空气温度、流量稳定的条件下,记录干、湿球温度。此时为空气加热后的状态。(干燥 器内必须有空气流过才能开启加热,防止干烧损坏加热器,出现事故。) 7、称取干燥支架及托盘的重量。 8、把充分浸湿的干燥物料放入干燥托盘上并与气流平行放置。调节天平平衡,记录下物料 及托盘支架的重量。 9、在稳定的条件下,连续记录被干燥的物料的质量每减少 1g 所需的时间。实验直至干燥 物料的重量不再明显减轻为止。 10、关闭加热电源,待干球温度降至常温后关闭风机电源和总电源。 11、实验完毕,一切复原。
3

六、原始数据记录
物料名称: 支架及托盘的质量: 序号 1 2 3 … 干燥表面积: 空气温度: 干燥时间 天平读数 绝干物料质量: 空气湿球温度:

七、数据处理 1、数据结果表
序号 1 2 3 … Δτ 干基含水量 干燥速率 α

2、根据实验结果绘制出干燥曲线、干燥速率曲线,并得出恒定干燥速率、临界含水量、平
衡含水量。 3、计算出恒速干燥阶段物料与空气之间对流传热系数。

八、结果讨论 试分析空气流量或温度对恒定干燥速率、临界含水量的影响。

实验八 实验八、填料吸收塔实验 一、实验目的
1. 2. 3. 4. 1. 2. 3. 了解填料吸收装置的基本流程及设备结构; 掌握总体积吸收系数的测定方法,了解单膜控制过程的特点; 了解气体空塔速度和喷淋密度对总吸收系数的影响; 了解气体流速与压降的关系。 测定规定条件下的总吸收系数; 综合几个组的实验结果,分析操作条件对总吸收系数的影响; 测定填料塔的流体力学性能。

二、实验任务

三、基本原理
1 填料塔流体力学特性 填料塔流体力学特性包括压强降和液泛规律。 计算填料塔的需用动力时, 必须知道压降 的大小。而确定吸收塔的气、液负载量时,则必须了解液泛的规律,所以测量流体力学性能 是吸收实验的一项内容。 2 总吸收系数的测定 要决定填料塔的塔高,总吸收系数是有待确定的参量,而实验测定是其来源之一,另外 在测定生产中塔的性能时,也需要测定总吸收系数,在吸收过程为单膜控制时,单膜吸收系 数近似等于总吸收系数,因而可用总吸收系数的测定,代替单膜吸收系数的测定,从而可建 立单膜吸收系数的实验关系式。 当吸收溶液的浓度小于 10%时,平衡关系服从亨利定律,则总吸收系数为

KYα =

G (Y1 ? Y2 ) h ? ?Ym

(5-1)

式中:h—填料层高度,m; Y1、Y2—分别为塔底与塔顶的气体摩尔流量,kmol/(m2·h); ΔYm—气相平均推动力。

四、装置与流程

吸收装置流程图

1—风机; 2—空气调节阀; 3—空气流量计; 4—温度计; 5—液封管; 6—吸收液出口; 7—填料塔; 8—氨瓶;9—氨流量计;10—水流量计;11—压差计;12—吸收瓶;13—量气管;14—水准瓶;15—尾气 出口;16—喷头

由鼓风机 1 输送的空气,由空气调节阀 2 进行旁路调节后,经转子流量计 3 进入混合器; 液氨钢瓶 8 内的氨气减压后, 经转子流量计 9 计量 (经过流量计处的温度由实验时大气温度 代替) ,进入混合器,混合后的气体进入塔底吸收塔 7 底部,在塔内与水进行传质后,从塔顶 15 排出。吸收剂水由自来水管经转子流量计 10 计量,然后从喷头 8 进入塔顶。吸收液经塔 底 U 形管 5 排出。分析尾气浓度时靠降低水准瓶 14 的位置,将塔顶尾气吸入吸收瓶 12 和 量气管 13。在吸入塔顶尾气之前,预先在吸收瓶 12 内放入 5 毫升已知浓度的硫酸作为吸收 尾气中氨之用。吸收液的取样可用塔底取样口进行。 空气、氨气和水的流量由转子流量计测定;填料层压降由 U 型压差计 11 测定,空气的 温度由温度计 4 测定。

五、实验步骤
1、测定干填料层(ΔP/Z)--u 关系曲线 先全开调节阀 2,然后启动鼓风机,用阀 2 调节进塔的空气流量,按空气流量从小到大 的顺序读取填料层压降ΔP,转子流量计读数和流量计处空气温度,然后在对数坐标纸上以 空塔气速 u 为横坐标,以单位高度的压降ΔP/Z 为纵坐标,标绘干填料层(ΔP/Z)--u 关系 曲线。 2、填料流体力学测定操作 本项操作不要开动氨气系统,仅用水对空气进行操作便可。 (1)开动供水系统。 (2)开动空气系统。开动时要全开风机的旁通阀 2,然后再启动风机,否则风机一开动, 系统内气速突然上升可能碰坏空气转子流量计。 风机启动后再通过关小旁通阀的方法调节空 气流量。 同样道理,实验完毕要停机时,也要全开旁通阀,等转子转速降下来后再停机。如果突 然停机,气流突然停止,转子就会猛然摔下,打坏流量计。 (3)一般总是慢慢加大气速至液泛,然后回复到预定气速再进行正式测定,目的是使填 料全面润湿一次。 (4)正式测定时固定某一喷淋量(水喷淋量为 40L/h) ,用阀 2 调节进塔的空气流量,按 空气流量从小到大的顺序读取填料层压降ΔP,转子流量计读数和流量计处空气温度,测定 某一气速下填料的压降并注意观察塔内的操作现象, 一旦看到液泛现象时记录下对应的空气 流量。在对数坐标纸上以空塔气速 u 为横坐标,以单位高度的压降ΔP/Z 为纵坐标,标绘出 喷淋量为 40L/h 下(ΔP/Z)--u 关系曲线,确定液泛气速并与观察的液泛气速相比较。按 实验记录表格记录数据。 3、 传质系数测定的操作 (1)确定操作条件,包括被吸收溶质流量、空气量及喷淋量等。 (建议水流量为 30L/h。根据空气转子流量计校正曲线和氨气流量校正曲线计算向进塔 空气中送入的氨气流量,才能做到混合气体中氨组分为 0.02 左右摩尔比。 ) (2)全开旁通阀,启动风机,通过调节旁通阀来控制空气流量。 (4)在教师指导下,开启氨气系统。第一步将减压阀关闭, ,再打开氨气瓶上的截止阀, 使压力表示值为 0.05~0.08MPa;第二步,先关好转子流量计前的调节阀,再缓缓打开减压 阀,使减压阀低压侧;第三步,开氨气流量调节阀,注意不宜开得过快,调节氨流量,使塔 底混合气中氨浓度在 5%左右,并维持恒定,待操作稳定后记录各流量计的读数和温度,塔 底排出液的温度等数据,并分析塔顶尾气及塔底吸收液的浓度。 (5)尾气分析操作。a.排出两个量气管内空气,使其中水面达到最上端的刻度线零点处, 并关闭三通旋塞。b.用移液管向吸收瓶内装入 5ml 浓度为 0.005 M 的硫酸并加入 1-2 滴甲基 橙指示液。c.将水准瓶移至下方的实验架上,缓慢打开三通旋塞,让塔顶尾气通过吸收瓶, 以能使吸收瓶内液体以适宜的速度不断环流流动为限。 注意旋塞开度应适当, 使气泡均匀上 升,以免硫酸被气泡带走,造成反应不完全。从尾气开始通入吸收瓶起就必须始终观察瓶内 液体的颜色,当吸收液的颜色由红变黄时,立即关闭三通旋塞,在量气管内水面与水准瓶内

水面平齐的条件下读取量气管内空气的体积。 若某量气管内已充满空气,但吸收瓶内未达到终点,可关闭对应的三通旋塞,读取该量 气管的空气体积,同时启用另一个量气管,继续让尾气通过吸收瓶。 (6)保持水的喷淋量不变,改变空气流量(混合气体浓度仍在 5%左右)按同样步骤测定 Kyα,也可保持空气量不变,改变喷淋量,测定 KYα。 (7)操作完成后,应按顺序(关闭时的顺序和开启时的顺序正好相反)关闭氨气系统、 空气系统和供水系统。 4、 尾气浓度的计算 尾气通过吸收器, 当其中的硫酸被尾气中的氨刚好完全中和时, 若所通过的空气的体积 (标准状态) ,被吸收的氨的体积为 为 V0(mL)

V0'' (mL) (标准状态) ,则尾气浓度 Y2 为

Y2 =

(5-1) 计算 Y2 时,由量气瓶测得的空气体积 V1 换算为标准状态下的空气体积 V0,换算公式为

V0'' V0

V0 =

p1T0 V1 p0T1

(5-2)

式中:V1—量气瓶所测得的空气体积,mL; p1,T1—量气管的压强和温度; p0,T0—标准状态下空气的压强和温度。 可取 P1=P0 ,则 V0=V1T0/T1 氨的体积

V0'' 可根据加入吸收管的硫酸溶液体积和浓度用下面公式求出:
(5-3)

V

'' 0

Vscsr'' ) =22.4 rs

式中:cs—硫酸浓度,mol/L; Vs—硫酸体积,L; rs—反应式中硫酸配平系数,对于本实验,rs=1; r″—反应式中氨配平系数,对于本实验,r″=2. 因此,尾气中氨的比摩尔分数 Y2 可用下式求出:

(5-4) 5、注意事项
⒈开启氨瓶总阀前,要先关闭氨自动减压阀和氨流量调节阀。开启时开度不宜过大。 ⒉塔下部液封面的高度必须维持在空气进口管的下面,并接近进口管。 ⒊做传质实验时,水流量不能超过规定范围,否则尾气的氨浓度极低,给尾气分析带来麻烦。 ⒋传质实验所用的氨气浓度必须一样。 ⒌每改变水流量一次,稳定 10 分钟后才能测取数据。

七、实验记录
填料塔流体阻力实验记录表
实验设备编号: 1 基本数据 实验介质: 填料种类: 填料规格: 2 操作记录
序 空气流量

;实验日期: ; ; 。 填料层高度: 塔内径: m; m;

大气压强_____________
水流量 填料层 塔内



流量计 示值

流量计 前压强

温度 /℃

流量 (标 流量计 定状态) 示值 3 -1 / m .h

压降/Pa 流量 温度/℃

现象

注:塔内现象栏用以记录“塔顶积液”、“雾沫夹带严重”等现象。

传质系数测定记录表
实验设备编号: 1 基本数据 填料种类: 填料规格: 2 操作记录
参 数

;实验日期: ; ; 填料层高度: 塔内径: m; m。

大气压强_____________
项 目 流量计前表压/Pa(mmHg) 空气流量 空气温度/℃ 流量计示值/m3·h-1 流量计前表压/Pa(mmHg) 氨气流量 氨气温度/℃ 流量计示值/m3·h-1 氨气含纯氨百分率 水流量 水的温度/℃ 流量计示值/L·h-1 H2SO4 浓度 mol/L 尾气流量 H2SO4 体积/mL 尾气体积/L 塔压强 塔顶表压/Pa(mmH2O) 填料层压降/Pa(mmH2O)

八、数据处理
1. 空气流量 为了求空气的摩尔流量, 应先按下式将空气在实验条件下的体积流量换算为标准状态下 的体积流量 V0。

V0 = V2

(5-5) 式中: V0 —标准状态下的空气流量,m3/h; V2—使用状态下的空气流量,m3/h; T0、p0—分别为标准状态下空气的温度和压强,T0=273 K,p0=101 330 Pa; T1、p1—分别为标定状态下空气的温度和压强,T1=293 K,p1=101 330 Pa; T2、p2—分别为使用状态下空气的温度和压强,kPa。 2. 求被测溶质氨气的流量

T0 p0

p1 p 2 T1T2

V0′ = V2′
' 0

T0 p0

p1 p 2 ρ 01 T1T2 ρ 02

(5-6)

式中: V —标准状态下被测溶质的流量,m3/h;

V2' —使用状态下被测溶质的流量,m3/h;

ρ01—标准状态下空气的密度,㎏/m3,ρ01=1.2928 ㎏/m3; ρ02—操作状态下空气的密度,㎏/m3,对纯度为 98%的氨气,ρ02=0.7810 ㎏/m3。
3. 计算空气通过塔截面的摩尔流率

G=

V0 22.4 ×

π
4

D2
(5-7)

式中: D—填料塔的内径,m; G—空气的摩尔流率,kmol/( ㎡·h) 4. 计算 Y1、Y2(摩尔比)

Y 1=

0.98V0′ V0

(5-8)

如果被测溶质是氨气,则 Y2 按下式计算:

?T p V c ? Y2 = 44.2? 2 0 ? s s ? ?T p ? ? 0 m V′ ?
式中: V′—湿式流量计读数; Vs—硫酸体积,ml; cs—硫酸的摩尔浓度,mol/L; pm—当地平均大气压,Pa.;其他符号与前相同。 5. 计算△Ym

(5-6)

?Ym =

(5-9) 式中:Ye—表示平衡时的气相中溶质的摩尔比,下标“1”“2”分别表示塔底和塔顶位置. 、 (1) 平衡浓度的计算

(Y1 ? Y1e ) ? (Y2 ? Y2e ) ? Y ?Y ? ln? 1 1e ? ?Y ?Y ? 2e ? ? 2

m=
Ye=mX, 式中:E—亨利系数,Pa; p—

E p

(5-10)

X— 溶液的摩尔比; m— 相平衡常数. t/℃ E/Pa
氨水浓度在 5%以下时 E 与 t 的关系: 0 10 20 29 690 50 868 78 835 25 95 960 30 126 660 40 196 380

(2) 操作浓度的计算 因为 L(X1-X2)=G(Y1-Y2)

X2=0 (5-11)

所以 2 式中:L—溶剂通过单位塔截面的摩尔流量,kmol/(m ·h); X1—塔底溶液的摩尔比. 6. 计算 KYα

G (Y1 ? Y2 ) X1 = L

KYα =

G Y1 ? Y2 ? h ?Ym

(5-12)

九、实验报告要求
⒈将实验数据整理在数据表格(如下表),并用其中一组数据写出计算过程。

⒉对实验结果进行分析、讨论。 3. 对物料衡算的结果进行分析、讨论。 被吸收的气体混合物: 空气+氨混合气; 填料尺寸: 实 空气流量 验 项 目 KPa ℃ m /h m /h ℃ m /h L/h L/h mol/l ml ml ℃ mol/l ml ℃
3 3 3

吸收剂:水; 填料层高度:

填料种类: 塔内径: 1 2

空气转子流量计读数 转子流量计处空气温度 流量计处空气的体积流量 氨转子流量计读数 氨气流量 转子流量计处氨温度 流量计处氨的体积流量 水流量 水转子流量计读数 水流量 测定用硫酸的浓度 M 塔顶 Y2 的测定 测定用硫酸的体积 通过湿式流量计的空气体积 湿式流量计内空气的温度 滴定用硫酸的浓度 M 塔底 X1 的测定 滴定用硫酸的体积 ml 样品的体积 相平衡 塔底气相浓度Y1 塔顶气相浓度 塔底液相浓度 Y1
*

塔底液相的温度 相平衡常数m kmol 氨/kmol 空气 kmol 氨/kmol 水 kmol 氨/kmol 空气 kmol 氨/kmol 空气 m kmol/h kmol 氨/(m .h)
3

Y2 X1

平均浓度差 △Ym 气相总传质单元数 NOG 气相总传质单元高度 HOG 空气的摩尔流量 V 气相总体积吸收系数 KYa 回收率

十、思考题
1. 风机为什么要用旁通阀调节流量? 2. 根据实验数据分析吸收过程是气膜控制还是液膜控制? 3. 在填料吸收塔塔底为什么必须有液封装置?液封装置是如何设计的? 4. 要提高氨水浓度(不改变进气浓度)有什么方法?又会带来什么问题? 5. 溶剂量和气体量的多少对传质系数有什么影响?Y2 如何变化(从推动力和阻力两方 面分析其原因)?


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