化工原理實驗報告

1、.本科生實驗報告實驗課程 化工原理 學院名稱 材料與化學化工學院 專業(yè)名稱 學生姓名 學生學號 指導(dǎo)教師 曾英 、曹語晴 實驗地點 測試樓 實驗成績 二 年 月 二 年 月*;42實驗一 管路流體阻力的測定 同組實驗同學： 一、實驗?zāi)康?研究管路系統(tǒng)中的流體流動和輸送，其中重要的問題之一，是確定流體在流動過程中的能量損耗。 流體流動時的能量損耗（壓頭損失），主要由于管路系統(tǒng)中存在著各種阻力。管路中的各種阻力可分為沿程阻力（直管阻力）和局部阻力兩大類。 本實驗的目的，是以實驗方法直接測定摩擦系數(shù)和局部阻力系數(shù)。二、實驗原理 當不可壓縮流體在圓形導(dǎo)管中流動時，在管路系統(tǒng)內(nèi)任意二個截面之間列出機械能

2、衡算方程為或 式中；Z一流體的位壓頭，m液柱； P流體的壓強，Pa； U一流體的平均流速，m·s-1 h；一單位質(zhì)量流體因流體阻力所造成的能量損失，J·kg-1 Hf一單位重量流體因流體阻力所造成的能量損失，即所謂壓頭損失，m 液柱；符號下標1和2分別表示上游和下游截面上的數(shù)值。 假若：（1）水作為試驗物系，則水可視為不可壓縮流體； （2）試驗導(dǎo)管是按水平裝置的，則Z1=Z2； （3）試驗導(dǎo)管的上下游截面上的橫截面積相同，則u1=u2.因此（1）和（2）兩式分別可簡化為 由此可見，因阻力造成的能量損失（壓頭損失），可由管路系統(tǒng)的兩截面之間的壓力差（壓頭差）來測定。 當流體在

3、圓形直管內(nèi)流動時，流體因摩擦阻力所造成的能量損失（壓頭損失），有如下一般關(guān)系式： 或 式中；d一圓形直管的管徑，m； l一圓形直管的長度，m； 一摩擦系數(shù)，【無因次】。 大量實驗研究表明：摩擦系數(shù)又與流體的密度和粘度,管徑d、流速u和管壁粗糙度有關(guān)。應(yīng)用因次分析的方法，可以得出摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)和管壁相對粗糙度d存在函數(shù)關(guān)系，即 通過實驗測得和Re數(shù)據(jù)，可以在雙對數(shù)坐標上標繪出實驗曲線。當Re2000時，摩擦系數(shù)與管壁粗糙度無關(guān)。當流體在直管中呈湍流時，不僅與雷諾數(shù)有關(guān)，而且與管壁相對粗糙度有關(guān)。 當流體流過管路系統(tǒng)時，因遇各種管件、閥門和測量儀表等而產(chǎn)生局部阻力，所造成的能量損失（壓頭損失），

4、有如下一般關(guān)系式： 或 式中：u一連接管件等的直管中流體的平均流速，m· s-1； 一局部阻力系數(shù)【無因次】。 由于造成局部阻力的原因和條件極為復(fù)雜，各種局部阻力系數(shù)的具體數(shù)值，都需要通過實驗直接測定。三、實驗裝置 本實驗裝置主要是由循環(huán)水系統(tǒng)（或高位穩(wěn)壓水槽）、試驗管路系統(tǒng)和高位排氣水槽串聯(lián)組合而成，每條測試管的測壓口通過轉(zhuǎn)換閥組與壓差計連通。 壓差由一倒置U形水柱壓差計顯示?？装辶髁坑嫷淖x數(shù)申另一倒置U形水柱壓差計顯示。該裝置的流程如圖2-1所示。圖2-1 管路流體阻力實驗裝置流程1 循環(huán)水泵；2光滑試驗管3粗糙試驗管4擴大與縮小試驗管；5孔板流量計；6閥門；7.轉(zhuǎn)換閥組；8.高

5、位排氣水槽 試驗管路系統(tǒng)是由五條玻璃直管平行排列，經(jīng)U形彎管串聯(lián)連接而成。每條直管上分別配置光滑管、粗糙管、驟然擴大與縮小管、閥門和孔板流量計。每根試驗管測試段長度月兩測壓口距離均為 0.6m。流程圖中標出符號 G和 D分別表示上游測壓口（高壓側(cè)）和下游測壓口 低壓側(cè)）。測壓口位置的配置，以保證上游測壓口距U形彎管接口的距離，以及下游測壓口距造成局部阻力處的距離，均大于50倍管徑。 作為試驗用水，用循環(huán)水泵或直接用自來水由循環(huán)水槽送入試驗管路系統(tǒng)，由下而上依次流經(jīng)各種流體阻力試驗管，最后流人高位排氣水槽。由高位排氣水槽溢流出來的水，返回循環(huán)水槽。 水在試驗管路中的流速，通過調(diào)節(jié)閥加以調(diào)節(jié)。流量

6、由試驗管路中的孔板流量計測量，并由壓差計顯示該數(shù)。 四、實驗方法 實驗前準備工作須按如下步驟順序進行操作： （1）先將水灌滿循環(huán)水槽，然后關(guān)閉試驗導(dǎo)管入口的調(diào)節(jié)閥，再啟動循環(huán)水泵。待泵運轉(zhuǎn)正常后，先將試驗導(dǎo)管中的旋塞閥全部打開，并關(guān)閉轉(zhuǎn)換閥組中的全部旋塞，然后緩慢 開啟試驗導(dǎo)管的入口調(diào)節(jié)閥。當水流滿整個試驗導(dǎo)管，并在高位排氣水槽中有溢流水排出 時，關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，停泵。 （2）檢查循環(huán)水槽中的水位，一般需要再補充些水，防止水面低于泵吸入口。 （3）逐一檢查并排除試驗導(dǎo)管和聯(lián)接管線中可能存在的空氣泡。排除空氣泡的方法是，先將轉(zhuǎn)換閥組中被檢一組測壓口旋塞打開，然后打開倒置U形水柱壓差計頂部的放空閥，直

7、至排盡空氣泡再關(guān)閉放空閥。必要時可在流體流動狀態(tài)下，按上述方法排除空氣泡。 （4）調(diào)節(jié)倒置U形壓差計的水柱高度。先將轉(zhuǎn)換閥組上的旋塞全部關(guān)閉，然后打開壓差計頂部放空閥，再緩慢開啟轉(zhuǎn)換閥組中的放空閥，這時壓差計中液面徐徐下降。當壓差計中的水柱高度居于標尺中間部位時，關(guān)閉轉(zhuǎn)換閥組中的放空閥。為了便于觀察，在臨實驗前，可由壓差計項部的放空處，滴入幾滴紅墨水，將壓差計水柱染紅。 （5）在高位排氣水槽中懸掛一支溫度計，用以測量水的溫度。 （6）實驗前需對孔板流量計進行標定，作出流量標定曲線。 實驗測定時，按如下步驟進行操作： （1）先檢查試驗導(dǎo)管中旋塞是否置于全開位置，其余測壓旋塞和試驗系統(tǒng)入口調(diào)節(jié)閥是

8、否全部關(guān)閉。檢查畢啟動循環(huán)水泵。（2）待泵運轉(zhuǎn)正常后，根據(jù)需要緩慢開啟調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量，流量大小由孔板流量計的壓差計顯示。（3）待流量穩(wěn)定后，將轉(zhuǎn)換閥組中，與需要測定管路相連的一組旋塞置于全開位置，這時測壓口與倒置U形水柱壓差計接通，即可記錄由壓差計顯示出壓強降。 （4）當需改換測試部位時，只需將轉(zhuǎn)換閥組由一組旋塞切換為另一組旋塞。例如，將G1和D1一組旋塞關(guān)閉，打開另一組G2和D2 旋塞。這時，壓差計與G1和D1測壓口斷開，而與G2和D2測壓口接通，壓差計顯示讀數(shù)即為第二支測試管的壓強降。以此類推。 （5）改變流量，重復(fù)上述操作，測得各試驗導(dǎo)管中不同流速下的壓強降。 （6）當測定旋塞在同一流量

9、不同開度的流體阻力時，由于旋塞開度變小，流量必然會隨之下降，為了保持流量不變，需將入口調(diào)節(jié)閥作相應(yīng)調(diào)節(jié)。 （7）每測定一組流量與壓強降數(shù)據(jù)，同時記錄水的溫度。實驗注意事項： （1）實驗前務(wù)必將系統(tǒng)內(nèi)存留的氣泡排除干凈，否則實驗不能達到預(yù)期效果。（2）若實驗裝置放置不用時，尤其是冬季，應(yīng)將管路系統(tǒng)和水槽內(nèi)水排放干凈。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及整理 （1）實驗基本參數(shù) 試驗導(dǎo)管的內(nèi)徑 d17 mm 試驗導(dǎo)管的測試段長度l 600 mm 粗糙管的粗糙度= 0.4 mm 粗糙管的相對粗糙度/d= 0.0235 mm 孔板流量計的孔徑d0= 11 mm旋塞的孔徑dv= 12 mm （2）流量標定曲線 （3）實驗

10、數(shù)據(jù)實驗序號1234567孔板流量計的壓差計讀數(shù),R/mmHg658553497427354277198實驗序號1234567孔板流量計的壓差計讀數(shù),R/mmHg658553497427354277198水的流量,Vs/m3s-12.2582.071.9621.8191.6561.4651.239水的流速,u/ms-10.9950.9120.8650.8010.730.6450.546水的溫度,T/24.624.524.324.92423.723.6水的密度,/kgm-3997.2997.2997.3997.1997.3997.4997.4水的粘度,104/Pas9.029.049.088.9

11、69.149.219.23光滑管壓頭損失,Hf1/mmH2O 64615243383125粗糙管壓頭損失, Hf2/mmH2O2001741561341159062旋塞壓頭損失（全開）Hf1/mmH2O2051791611301159264孔板流量計壓頭損失, Hf2/mmH2O506421377338271212153（4）數(shù)據(jù)整理實驗序號1234567水的流速,u/ms-10.9950.9120.8650.8010.730.6450.546雷諾準數(shù),Re/1.871.711.611.521.351.191光滑管摩擦系數(shù),1/-0.0360.0410.0390.0370.040.0410.0

12、47粗糙管摩擦系數(shù),2/-0.1120.1160.1160.1160.120.120.116孔板流量計局部阻力系數(shù),1/-10.039.939.8910.339.999.9810.08旋塞的局部阻力系數(shù)（全開）,1/-4.064.224.233.974.244.334.22（5）標繪Re實驗曲線雷諾準數(shù),Re/0.2300.3260.3960.4610.515光滑管摩擦系數(shù),1/-00550.0480.0480.0460.045粗糙管摩擦系數(shù),2/-0.0710.0830.0850.0840.089孔板流量計局部阻力系數(shù),1/-9.819.729.679.979.92旋塞的局部阻力系數(shù)（全開）

13、,1/-0.0710.0830.0850.0840.089光滑管Re實驗曲線粗糙管Re實驗曲線孔板流量計Re實驗曲線旋塞Re實驗曲線實驗二 離心泵特性曲線的測定 同組實驗同學： 一、實驗?zāi)康脑诨S或?qū)嶒炇抑?，?jīng)常需要各種輸送機械用來輸送流體。根據(jù)不同使用場合和操作要求，選擇各種形式的流體輸送機械。離心泵是其中最為常用的一類液體輸送機械。離心泵的特性由廠家通過實驗直接測定，并提供給用戶在選擇和使用泵時參考。本實驗采用單級單吸離心泵裝置，實驗測定在一定轉(zhuǎn)速下泵的特性曲線。通過實驗了解離心泵的構(gòu)造、安裝流程和正常的操作過程，掌握離心泵各項主要特性及其相互關(guān)系，進而加深對離心泵的性能和操作原理的理解

14、。二、實驗原理離心泵主要特性參數(shù)有流量、揚程、功率和效率。這些參數(shù)不僅表征泵的性能，也是選擇和正確使用泵的主要依據(jù)。1 泵的流量泵的流量即泵的送液能力，是指單位時間內(nèi)泵所排出的液體體積。泵的流量可直接由一定時間t內(nèi)排出液體的體積V或質(zhì)量m來確定。即 m3 · s1 (1)或 m3 · s1 (2)若泵的輸送系統(tǒng)中安裝有經(jīng)過標定的流量計時，泵的流量也可由流量計測定。當系統(tǒng)中裝有孔板流量計時，流量大小由壓差計顯示，流量Vs與倒置U形管壓差計讀數(shù)R之間存在如下關(guān)系： m3 · s 1 (3)式中：Co 孔板流量系數(shù)；So 孔板的銳孔面積，m2；2 泵的揚程泵的揚程即總壓

15、頭，表示單位重量液體從泵中所獲得的機械能。若以泵的壓出管路中裝有壓力表處為B截面，以及吸入管路中裝有真空表處為A截面，并在此兩截面之間列機械能衡算式，則可得出泵揚程He的計算公式：式中：PA 由真空表測得的真空度，Pa； PB 由壓力表測得的表壓強，Pa； Ho A、B兩個截面之間的垂直距離，m； UA A截面處的液體流速，m3 · s1；UA B截面處的液體流速，m3 · s1。3泵的功率 在單位時間內(nèi)，液體從泵中實際所獲得的功，即為泵的有效功率。若測得泵的流量為Vsm3 · s1，揚程為He，m，被輸送液體的密度為，kg · m3，則泵的有效功率可按

16、下式計算： Ne = VsHeg (5)泵軸所作的實際功率不可能全部為被輸送液體所獲得，其中部分消耗于泵內(nèi)的各種能量損失。電動機所消耗的功率有大于泵軸所作出的實際功率。電機所消耗的功率可直接由輸入電壓U和電流I測得，即N = UI (6)4泵的總效率泵的總效率可由測得的泵有效功率和電機實際所消耗功率計算得出，即圖1 離心泵特性曲線 (7)這時得到的泵的總效率除了泵的效率外還包括傳動效率和電機的效率5泵的特性曲線上述各項泵的特性參數(shù)并不是孤立的，而是相互制約的。因此，為了準確全面的表征離心泵的性能，需在一定轉(zhuǎn)速下，將實驗測得的各項參數(shù)即：He、N、與Vs之間的變化關(guān)系標繪成一組曲線。這組關(guān)系曲線

17、稱為離心泵特性曲線，如圖1所示。離心泵特性曲線對離心泵的操作性能得到完整的概念，并由此可確定泵的最適宜操作狀況。通常，離心泵在恒定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，因此泵的特性曲線是在一定轉(zhuǎn)速下測得的。若改變了轉(zhuǎn)速，泵的特性曲線也將隨之而異。泵的流量Vs、揚程He和有效功率Ne與轉(zhuǎn)速之間，大致存在如下比例關(guān)系： (8)三、實驗裝置本實驗裝置主體設(shè)備為一臺單級單吸離心水泵。為了便于觀察，泵殼端蓋用透明材料制成。電動機直接連接半敞式葉輪離心泵與循環(huán)水槽、分水槽和各種測量儀表構(gòu)成一個測試系統(tǒng)。實驗裝置及其流程如圖2所示。圖2 離心泵實驗儀流程圖 1循環(huán)水槽 2底閥 3離心泵 4真空泵 5注水槽 6壓力表 7調(diào)節(jié)閥8孔板流

18、量計 9分流槽 10電流表 11調(diào)壓變壓器 12電壓表 13倒置U形管壓差計泵將循環(huán)水槽中的水，通過汲入導(dǎo)管汲入泵體，在汲入導(dǎo)管上端裝有真空表，下端裝有底閥（單向閥）。底閥的作用是當注水槽向泵體內(nèi)注水時，防止水的漏出。水由泵的出口進入壓出導(dǎo)管。壓出導(dǎo)管沿程裝有壓力表、調(diào)節(jié)閥和孔板流量計。由壓出導(dǎo)管流出的水，用轉(zhuǎn)向?qū)Ч芩腿敕至鞑?。分流槽分為二格，其中一格的水可以流出用以計量，另一格的水可流回循環(huán)水槽。根據(jù)實驗內(nèi)容不同可用轉(zhuǎn)向彎管進行切換。四、實驗方法在離心泵性能測定前，按下列步驟進行啟動操作：1充水。打開注水槽下的閥門，將水灌入泵內(nèi)。在灌水過程中，需打開調(diào)節(jié)閥，將泵內(nèi)空氣排除。當從透明端蓋中觀察

19、到泵內(nèi)已灌滿水后，將注水閥門關(guān)閉。2啟動。啟動前，先確認泵出口調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，變壓器調(diào)回零點，然后合閘接通電源。調(diào)節(jié)變壓器至額定電壓（220V），泵即隨之啟動。3運行。泵啟動后，葉輪旋轉(zhuǎn)無振動和噪聲，電壓表、電流表、壓力表和真空表指示穩(wěn)定，則表明運行已經(jīng)正常，即可進行實驗。實驗時，逐漸分步調(diào)節(jié)泵出口調(diào)節(jié)閥。每調(diào)定一次閥的開啟度，待狀況穩(wěn)定后，即可進行以下測量：(1)將出水轉(zhuǎn)向彎頭由分水槽的回流格撥向排水格同時，用秒表記取時間，用容器接取一定水量。用稱量或量取體積的方法測定水的體積流率（這時要接好循環(huán)水槽的自來水水源）。(2)從壓強表和真空表上讀取壓強和真空度的數(shù)值。(3)記取孔板流量計的壓差計讀數(shù)

20、。(4)從電壓表和電流表上讀取電壓和電流值。在泵的全部流量范圍內(nèi)，可分成8-10組數(shù)據(jù)進行測量。實驗完畢后，應(yīng)先將泵出口調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，再將調(diào)壓變壓器調(diào)回零點，最后再切斷電源。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及整理1基本參數(shù)(1)離心泵流 量：Vs = L/min揚 程：He = m H2O功 率：N = w轉(zhuǎn) 速：n = r/min2實驗數(shù)據(jù)將實驗測得的數(shù)據(jù)，可參考下表進行記錄。 實 驗 序 號12345678水 溫， T/ 水的密度， / kg · m 3表 壓 強， PB / Pa真 空 度， PA/ Pa電 壓， U / V電 流， I / A3實驗結(jié)果整理(1)參考下表將實驗數(shù)據(jù)進行整理：n=

21、2800r/min實 驗 序 號12345流 量， L/min 揚 程， He / m實際消耗功率， N/W總的效率， /%a將實驗數(shù)據(jù)整理結(jié)果標繪成離心泵的特性曲線,并給出計算式例。b.分析實驗結(jié)果，判斷較為合適的工作范圍六、思考題1為什么流量越大，入口處真空度讀數(shù)越大，出口處壓力表讀數(shù)越小？3 你對離心泵的操作，如先充液，密封啟動，在高效區(qū)操作如何理解？4離心泵啟動和關(guān)閉之前，為何要關(guān)閉出口閥？實驗三 套管換熱器液-液熱交換系數(shù)及膜系數(shù)測定 同組實驗同學： 一、實驗?zāi)康? 加深對傳熱過程基本原理的理解；2 了解傳熱過程的實驗研究方法。二、實驗原理冷熱流體通過固體壁所進行的熱交換過程，先由熱

22、流體把熱量傳遞給固體壁面，然后由固體壁面的一側(cè)傳向另一側(cè)，最后再由壁面把熱量傳給冷熱流體。熱交換過程即給熱-導(dǎo)熱-給熱三個串聯(lián)過程組成。 若熱流體在套管換熱器的管內(nèi)流過，而冷流體在管外流過，設(shè)備兩端測試點上的溫度如圖所示。則在單位時間內(nèi)熱流體向冷流體傳遞的熱量，可由熱流體的熱量衡算方程表示： （1）就整個熱交換而言，有傳熱速率基本方程經(jīng)過數(shù)學處理，得計算式 （2） （3）平均溫度差可按下式計算： （4）由（1）和（2）聯(lián)立，可得傳熱總系數(shù)計算式： （5）就固體壁面兩側(cè)的給熱過程來說，給熱速率基本方程為： （6）根據(jù)熱交換兩端的邊界條件，經(jīng)數(shù)學推導(dǎo)，可得管內(nèi)給熱過程的速率計算式： （7）熱流體與

23、管內(nèi)面之間的平均溫度差可按下式計算： （8）由（1）和（7）聯(lián)立可得管內(nèi)傳熱膜系數(shù)的計算式： （9）同理可得到管外給熱過程的傳熱膜系數(shù)的公式。 流體在圓形直管內(nèi)作強制對流時，傳熱膜系數(shù)與各項影響因素（管內(nèi)徑、流速、流體密度、流體黏度、定亞比熱容和流體導(dǎo)熱系數(shù)）之間的關(guān)系可關(guān)聯(lián)成如下準數(shù)式：上式中系數(shù)a和指數(shù)m,n的具體數(shù)值需要通過實驗來測定，則傳熱膜系數(shù)可由上式計算。例如：當流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流時，則流體被冷卻時，a值可按下式計算：流體被加熱時，a值可按下式計算：當流體在套管環(huán)隙內(nèi)作強制湍流時，上列各式中d用當量直徑de替代即可。各項物性常數(shù)均取流體進出口平均溫度下的數(shù)值。圖1 套管熱交

24、換器兩端測試點的溫度三、實驗裝置及流程1.恒溫水槽 2.攪拌槳 3循環(huán)水泵4.轉(zhuǎn)子流量計5冷水閥門6.高位穩(wěn)壓水槽7.冷阱四、實驗步驟實驗前準備工作（1）向恒溫循環(huán)水槽中灌入蒸餾水或軟水，直至溢流管有水溢出為止。（2）開啟并調(diào)節(jié)通往高位穩(wěn)壓水槽的自來水閥門，使槽內(nèi)充滿水，并由溢流管有水流出。（3）將冰碎成細粒，放入冷阱中并摻入少許蒸餾水，使之成粥狀。將熱電偶冷接觸點插入冰水中，蓋嚴蓋子。（4）將恒溫水槽的溫度定為55，啟動恒溫水槽的電熱器，等溫度到達后即可開始實驗。（5）實驗前需要準備好熱水轉(zhuǎn)子流量計的流量標定曲線和熱電偶分度表。實驗操作步驟1開啟冷水閥門，測定冷水流量，實驗過程中保持恒定。2

25、啟動循環(huán)水泵，開啟并調(diào)節(jié)熱水閥門使流量在60250L·h-1范圍內(nèi)選取若干流量值（一般不少于6組數(shù)據(jù)）進行實驗測定。3每調(diào)節(jié)一次熱水流量，待流量和溫度都恒定后再通過開關(guān)依次測定各點溫度。實驗注意事項：（1）開始實驗時，必須先向換熱器通冷水，然后再啟動熱水泵。停止實驗時，必須先停熱電器，待熱交換器管內(nèi)存留熱水被冷卻后，再停水泵并停止通冷水。（2）啟動恒溫水槽的電熱器之前，必須先啟動循環(huán)泵使水流動。（3）在啟動循環(huán)泵之前，必須先將熱水調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，待泵運行正常后，再徐徐開啟調(diào)節(jié)閥。（4）每改變一次熱水流量，一定要等傳熱過程穩(wěn)定之后，才能測數(shù)據(jù)。每測一組數(shù)據(jù)最好多重復(fù)幾次。當流量和各點溫度

26、數(shù)值恒定后，表明過程已達穩(wěn)定狀態(tài)。實驗內(nèi)容：1測定套管換熱器的傳熱總系數(shù)K五、實驗記錄1記錄實驗設(shè)備基本參數(shù)(1)內(nèi)管基本參數(shù)：外徑： d= mm； 壁厚：= mm； 測試段長：L= mm(2)套管基本參數(shù)：外徑：d= mm； 壁厚：= mm；(3)流體流通的橫截面積內(nèi)管橫截面積：S= 環(huán)隙橫截面積：S= (4)熱交換面積：內(nèi)管內(nèi)壁表面積：AW=內(nèi)管外壁表面積：AW=平均熱交換面積：A=2實驗數(shù)據(jù)記錄序號熱水流量溫度備注測試截面測試截面msT1TW1T1T2TW2T2kg·s-112345673實驗數(shù)據(jù)整理(1)總傳熱系數(shù)序號管內(nèi)流速液體間溫度差傳熱速率總傳熱系數(shù)備注uT1T2TmQ

27、Km·s-1KKKWW·m-2·K-11234567列出上表各項計算公式。實驗四、填料塔液相傳質(zhì)系數(shù)的測定 同組實驗同學： 一、實驗?zāi)康模何帐莻髻|(zhì)過程的重要操作，應(yīng)用非常廣泛。為強化吸收過程，必須研究傳質(zhì)過程的控制步驟，測定傳質(zhì)膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)。 本實驗采用水吸收CO2，測定填料塔的液相傳質(zhì)膜系數(shù)、總傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)單元高度，并通過實驗確定液相傳質(zhì)系數(shù)和各項操作條件的關(guān)系。通過本實驗，學習并掌握研究物質(zhì)傳質(zhì)過程的一種實驗方法，并加深對傳質(zhì)過程原理的理解。 二、實驗原理： 根據(jù)雙膜模型的基本假設(shè)，氣相和液相的吸收質(zhì)A的傳質(zhì)速率方程可分別表達為氣膜DA=KgA(PA

28、PAi) (1)液膜GA=K1A（CAiCA） (2)公式中GAA組分的傳質(zhì)速率，kmolS-1;A兩相接觸面積，m2;PA氣相A組分的平均分壓，paPAi相界面A組分的 分壓，paCA液相A組分的平均濃度，kmol.m-3Kg以分壓表達推動力的氣相傳質(zhì)膜系數(shù)，kmol.m-3K1以物質(zhì)的濃度表達推動力的液相傳質(zhì)膜系數(shù)，m.s-1以氣相分壓或以液相濃度表示傳質(zhì)過程推動力的相際傳質(zhì)速率方程又可分別表達為：DA=KGA(PAPA*) (3)GA=KLA（CA*CA） (4)式中PA*為液相中組分的實際濃度所要求的氣相平衡分壓，paCA*為氣相中組分的實際分壓所要求的餓液相平衡濃度，kmol.m-3

29、KG為以氣相分壓表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)或簡稱為氣相傳質(zhì)總系數(shù)，kmol.m-. S-1. pa-1KL為以液相濃度表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)或簡稱為液相傳質(zhì)總系數(shù)，mS-1;若氣液相平衡關(guān)遵循亨利定理：，則：（）（）當氣膜阻力遠大于液膜阻力時，則相際傳質(zhì)過程受氣膜傳質(zhì)速率控制，此時，；反之，當液膜阻力遠大于氣膜阻力時，則相際傳質(zhì)過程受液膜傳質(zhì)速率控制，此時。如圖2所示，在逆流接觸的填料塔層內(nèi)，任意截取一微分段，并以此為衡算系統(tǒng)，則由吸收質(zhì)A的物料衡算可得： (a)式中為液相摩爾流率，kmolS-1;為液相摩爾密度，kmolS-1;根據(jù)傳質(zhì)速率基本方程，可寫出該微分段的餓傳質(zhì)速率微分方程： (b)聯(lián)

30、立（a）和(b)兩式可得， 式中為氣液兩相接觸的比表面積，；S為填料塔的橫截面積，。本實驗采用水吸收，且已知在常溫下溶解度較小，因此，液相摩爾流率和摩爾密度的比值，亦即液相體積流率可視為定值，且設(shè)總傳質(zhì)系數(shù)和兩相接觸比表面積，在整個填料層內(nèi)為一個定植，按下列邊值條件積分式可得填料層高度的計算公式： （7）令 且程為液相傳質(zhì)單元高度（HTU）； 且程為液相傳質(zhì)單元數(shù)（NTU）；因此填料層高度為傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)之乘積，即 （8）若氣液平衡關(guān)系遵循亨利定律，則即可采用平均推動力法計算填料層的高度或液相傳質(zhì)單元高度。 （9） （10） 式中標為液相平均推動力，即因為本實驗采用純水吸收二氧化碳，

31、則 二氧化碳的溶解度常數(shù) 式中標為水的密度，為水的摩爾質(zhì)量，E為亨利系數(shù)，Pa,因此，（10）式可簡化為 又因為本實驗采用的物系遵循亨利定理，而且氣膜阻力可以不計。在此情況下，整個傳質(zhì)阻力都集中在液膜，即屬于液莫控制過程，則液莫體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，即 對于填料塔，液側(cè)體積傳質(zhì)膜系數(shù)與主要影響因素的關(guān)系，曾有不少研究者由實驗得出各種關(guān)聯(lián)式，其中，SherwoodHolloway得出如下的關(guān)聯(lián)式： 式中吸收質(zhì)在水中的擴散系數(shù)，L液體的質(zhì)量流速，液體的黏度，或液體的密度，應(yīng)該注意的是關(guān)聯(lián)式中和兩項沒有特性長度，因此，該式不是真正的無因次準數(shù)關(guān)聯(lián)式，該式中A，m和n的具體數(shù)值，需在一

32、定條件下由實驗求得。三、實驗裝置：本實驗裝置由填料吸收塔、二氧化碳、高位水槽和各種測量儀器組成，其流程圖如圖畫所示： 填料吸收塔采用直徑為50毫米的玻璃柱，柱內(nèi)裝填直徑5毫米球形玻璃填料，填充高度為300毫米，吸收質(zhì)即純二氧化碳氣體由鋼瓶經(jīng)二次減壓閥、調(diào)節(jié)閥和轉(zhuǎn)子流量計，進入塔底。氣體由下向上經(jīng)過填料層與液相逆流接觸，最后由柱頂放空。吸收劑水由高位水槽，經(jīng)調(diào)節(jié)閥和流量計，進入塔頂，在噴灑而下。吸收后溶液由塔底H行管排出，U形液柱壓差計用以測量塔底壓強和填料塔的壓強降。四、實驗方法 (1)實驗前，首先檢查填料塔的進氣閥和進水閥，以及二氧化碳二次減壓閥是否均已經(jīng)關(guān)嚴，然后打開二氧化碳鋼瓶頂上的針閥

33、，將壓力調(diào)至此lMPa；同時向高位穩(wěn)壓水槽注水，直至溢流管有適量水溢流而出。(2)緩慢開啟進水調(diào)節(jié)閥，水流量可在1050L·h范圍內(nèi)選取。一般在此范圍內(nèi)選取56個數(shù)據(jù)點。調(diào)節(jié)流量時一定要注意保持高位水槽有適量溢流水流出，以保證水壓穩(wěn)定。(3)緩慢開啟進氣調(diào)節(jié)閥。二氧化碳流量一般控制在0.1m·h左右為宜。(4)當操作達到穩(wěn)定狀態(tài)后，測量塔頂和塔底的水溫和氣溫，同時，測定塔底溶液中二氧化碳的含量。(5)溶液中二氧化碳含量的測定方法： 用吸管吸取0.1MBa(OH)溶液l0mL，放入三角瓶中，并由塔底附設(shè)的計量管滴入塔底溶液20mL，再加入酚酞指示劑數(shù)滴，最后用0.1N的鹽酸滴

34、定，直至脫除紅色的瞬時為止。由空白實驗與溶液滴定用量之差值，按下式計算得出溶液中二氧化碳的濃度： 式中N為標準鹽酸溶液的當量濃度， V為實際滴定用量，即空白實驗用量與滴定試樣時用量之差值，mL： V為塔底溶液采樣量，mL。五、實驗數(shù)據(jù)記錄及整理1、測量并記錄實驗基本數(shù)據(jù)（1）填料柱柱體內(nèi)徑：d= 填料層高度： （2）大氣壓力：Pa=（3）室溫：Ts=（4）試劑： 氫氧化鋇溶液濃度： 用量：鹽酸濃度：2、實驗數(shù)據(jù)實驗序號12345氣相塔底氣溫塔頂氣溫二氧化碳流量液相塔底液溫塔頂水溫水的流量塔底采樣量鹽酸滴定量鹽酸滴定量鹽酸滴定平均量3.整理實驗數(shù)據(jù)，并參考下表做好記錄。實驗序號12345氣相平均

35、溫度Tg/二氧化碳密度液相平均溫度液體密度體積流率塔頂濃度塔底濃度傳質(zhì)速率平均推動力傳質(zhì)單元高度液相體積傳至總系數(shù)實驗五、連續(xù)填料精餾柱分離能力的測定 同組實驗同學： 一、實驗?zāi)康?在工廠和實驗室中，連續(xù)精餾塔的應(yīng)用十分廣泛。在定常狀態(tài)下，采用連續(xù)精餾的方法分離均相混合液，以達到精制原料和產(chǎn)品之目的。連續(xù)精餾塔有板式塔和填料塔兩大類。如何提高連續(xù)填料精餾塔的分離能力也是重要的研究課題之一。 連續(xù)填料精餾塔分離能力的測定和評價，尚沒有一個統(tǒng)一的標準方法。本實驗采用正庚烷一甲基環(huán)己烷理想二元混合液，或乙醇一正丙醇二元混合液作為試驗物系，在不同回流比下測定連續(xù)精餾塔的等板高度（當量高度）。并以精餾柱

36、的利用系數(shù)作為優(yōu)化目標、實驗尋求精餾柱的最優(yōu)操作條件。通過實驗觀察連續(xù)精餾的操作狀況，掌握實驗室連續(xù)精密分餾的操作技術(shù)和實驗研究方法。從而增進獨立解決實驗室精餾問題的實際能力，并加深對連續(xù)精餾原理的理解。二、實驗原理 連續(xù)填料精餾分離能力的影響因素眾多，大致可歸納為三個方面：一是物性因素，如物系及其組成，汽液兩相的各種物理性質(zhì)等；二是設(shè)備結(jié)構(gòu)因素，如塔徑與塔高，填料的型式、規(guī)格、材質(zhì)和填充方法等；三是操作因素，如蒸氣速度，進料狀況和回流比等。在既定的設(shè)備和物系中主要影響分離能力的操作變量為蒸氣上升速度和回流比。 在一定的操作氣速下，表征在不同回流比下的填料精餾塔分離性能，常以每米填料高度所具有

37、的理論塔板數(shù)，或者與一塊理論塔板相當?shù)奶盍细叨?，即等板高度（HETP），作為主要指標。 在一定回流比下，連續(xù)精餾塔的理論塔板數(shù)可采用逐板計算法（Lewis-Matheson法）或圖解計算法（McCabe-Thiele法）。 逐板計算法或圖解法的依據(jù)，都是汽液平衡關(guān)系式和操作方程。后者只是采用繪圖方法代替前者的逐板解析計算。但對于相對揮發(fā)度小的物系，采用逐板計算法更為精確。采用計算機進行程序計算，尤為快速簡便。 精餾段的理論塔板數(shù)可按下列平衡關(guān)系式和精餾段操作方程，進行逐板計算：提餾段的理論塔板數(shù)又需按上列平衡關(guān)系式和提餾段操作方程進行逐板計算。提餾段操作方程為： 若進料液為泡點溫度下的飽和液體

38、，即進料中液相所占分率q= 1，則提餾段操作方程可簡化為上列式中：y蒸氣相中易揮發(fā)組分的含量，摩爾分率；x液相中易揮發(fā)組分的含量，摩爾分率；相對揮發(fā)度； R回流比（回流液的摩爾流率與溜出液的摩爾流率之比，即R= FlFd）；R進料比（進料摩爾流率與餾出液摩爾流率之比，即 R。FfFd）；下標n、m、d、f、l和w分別表示精餾段塔板序號、提餾段塔板序號、餾出液、進料液、回流液和釜殘液。 在全回流下，理論塔板數(shù)的計算可由逐板計算法導(dǎo)出的簡單公式，稱之為芬斯克（Fenske）公式進行計算，即在全回流或不同回流比下的等板高度he可分別按下式計算：式中NT,0為全回流下測得的理論塔板數(shù)；NT為部分回流下

39、測得的理論塔板數(shù)；h為填料層的實際高度。 顯然，理論塔板數(shù)或等板高度的大小受回流比的影響，在全回流下測得的理論塔板數(shù)最多，也即等板高度為最小。為了表征連續(xù)精餾柱部分回流時的分離能力，文獻中曾提出采用利用系數(shù)作為指標。精餾柱的利用系數(shù)為在部分回流條件下測得的理論塔板數(shù)NT與在全回流條件下測得的最大理論塔板數(shù)之比值，或者為上述兩種條件下分別得到的等板高度之比值，即這一指標不僅與回流比有關(guān)，而且還與塔內(nèi)蒸氣上升速度有關(guān)。因此，在實際操作中，應(yīng)選擇適當操作條件，以獲得適宜的利用系數(shù)。蒸氣的空塔速度u0可按下式計算：式中：Ll和Ld分別為回流液和餾出液的流量，m3s1； l和v分別為回流液和柱頂蒸氣的密

40、度，kg·m-3;d 為精餾柱的內(nèi)徑，m?；亓饕汉驼魵獾拿芏瓤煞謩e按下列公式計算：式中wA和wB分別為回流液（或餾出液）中易揮發(fā)組分A、難揮發(fā)組分B的質(zhì)量分率；A和B分別為A和B組分在回流溫度下的密度，kg·m-3；MA和MB分別為A和B組分的摩爾質(zhì)量，kg·mol-1；xA和xB分別為回流液（或餾出液）中A和B組分的摩爾分率。對于二元物系xB=1-xA；p為操作壓強，Pa；T為塔內(nèi)蒸氣的平均溫度，K；為蒸氣的平均摩爾質(zhì)量，kg·mol-1；R為氣體常數(shù)，J·mol-1·K-1。三、實驗裝置本實驗裝置由連續(xù)填料精餾柱和精餾塔控制儀兩部分組成。實驗裝置流程及其控制線路如圖6-1所示。圖6-1 填料塔連續(xù)填料精餾柱實驗裝置流程 1原料液高位瓶2轉(zhuǎn)子流量計3原料液預(yù)熱器4蒸餾釜5釜液受器6控制儀7單管壓差計8填料分餾柱9餾出液受器10回流比調(diào)節(jié)器11分餾頭12冷卻水高位槽 連續(xù)填料精餾柱由精餾柱、分餾頭、再沸器、原料液預(yù)熱器和進出料裝置四部分組成。精餾柱直徑為25mm，精餾段填充高度為200mm，提餾段填充高度為150mm。分餾頭由冷凝器和由電磁回流比調(diào)節(jié)器組成。再沸器（蒸餾釜）用透明電阻膜加熱，容積為500mL。原料液預(yù)熱器采用U形玻璃管并外敷設(shè)透明電阻膜的加熱器。試驗液進料和釜液出料