化工原理試驗講義20231013

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化工原理試驗講義

中國石油大學化學化工學院

化學工程系二00八年四月

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化工原理試驗講義

目錄

目錄2序言1試驗一流體摩擦阻力系數(shù)測定3試驗二流量計校核9試驗三離心泵特性曲線的測定12試驗四恒壓過濾常數(shù)的測定16試驗五固體流態(tài)化21試驗六空氣在圓形直管中對流傳熱系數(shù)的測定26試驗七板式精餾塔塔板效率的測定31試驗八吸收試驗——填料塔吸收傳質(zhì)系數(shù)的測定35

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化工原理試驗講義

序言

一、化工原理試驗的特點

化工原理試驗屬于工程試驗范疇，它不同于基礎課程的試驗。后者面對的是基礎科學，采用的方法是理論的、嚴密的，處理的對象尋常是簡單的、基本的甚至是理想的，而工程試驗面對的是繁雜的實際問題和工程問題。對象不同，試驗研究方法也必然不同。工程試驗的困難在于變量多，涉及的物料千變?nèi)f化，設備大小懸殊，試驗工作量之大之難是可想而知的。因此不能把處理一般物理試驗的方法簡單地套用于化工原理試驗。數(shù)學模型方法和因次分析方法是研究工程問題的兩個基本的試驗研究方法，由于這兩種方法可以成功地使試驗研究結(jié)果由小見大，由此及彼地應用于大設備的生產(chǎn)設計上。例如，在因次分析法指導下的試驗，可不需要過程的深入理解，不需要采用真實的物料、真實流體或?qū)嶋H的設備尺寸，只需借助模擬物料（如空氣、水等）在試驗室規(guī)模的小設備中，經(jīng)一些設備性的試驗或理性的推斷得出過程的因素，從而加以歸納和概括成經(jīng)驗方程。這種因次分析法指導下的試驗研究方法，是解決難于作出數(shù)學描述的繁雜問題的一種有效方法。數(shù)學模型方法是在對過程有比較深入認識的基礎上，將過程進行概括，得到簡單而不失真的物理模型，然后進行數(shù)學上的描述。這種研究方法同樣可以具備以小見大，由此及彼的功能（因次分析法指導下的試驗方法和數(shù)學模型方法反映了工程試驗和基礎試驗的主要區(qū)別）。化工原理試驗的另一目的是理論聯(lián)系實際?；み^程由好多單元過程和設備所組成，學生應當運用理論去指導并且能夠獨立進行化工單元的操作，應能在現(xiàn)有設備中完成指定的任務，并預計某些參數(shù)的變化對過程的影響。

二、基本要求

1、試驗研究方法及數(shù)據(jù)處理

1）把握處理化學工程問題的兩種基本試驗研究方法。一種是經(jīng)驗的方法，即應用因次分析法進行試驗的規(guī)劃；另一種是半經(jīng)驗半理論的方法或數(shù)學模型方法，把握如何規(guī)劃試驗，去檢驗模型的有效性、模型參數(shù)的估值的可靠性。

2）把握最基本的經(jīng)驗參數(shù)和模型參數(shù)的估值方法——最小二乘法。

3）對于特定的工程問題，在缺乏數(shù)據(jù)的狀況下，學會如何組織試驗以及取得必要的設計數(shù)據(jù)。

2、熟悉化工數(shù)據(jù)的基本測試技術

其中包括操作參數(shù)（例如流量、溫度、壓強等）和設備特性參數(shù)（例如阻力參數(shù)、傳熱系數(shù)、傳質(zhì)系數(shù)等）、特性曲線的測試方法。

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3、熟悉并把握化工中典型設備的操作

了解影響設備操作的參數(shù)，能預計某些參數(shù)的變化對設備操作的影響，并能在現(xiàn)有設備中通過調(diào)整操作參數(shù)以完成指定的工藝要求。

三、試驗課教學內(nèi)容及教學方法

通過試驗課的教學應讓學生把握工程試驗的全過程，此過程應包括：1）試驗前的準備；2）進行試驗操作；3）正確記錄和處理試驗數(shù)據(jù)；4）撰寫試驗報告。

以上四個方面是試驗課的主要環(huán)節(jié)，認為試驗課就是單純進行試驗“操作〞的觀點應當改變。為使學生對于試驗有嚴肅的態(tài)度，嚴格的要求和嚴密的作風，我們推薦典型的試驗程序如下：

1）認真閱讀試驗指導書和有關參考資料，了解試驗目的和要求；2）進行試驗室現(xiàn)場預習。了解

試驗裝置，摸清試驗流程、測試點、操作控制點，此外還需了解所使用的檢測儀器、儀表的基本原理和使用方法；3）預先組織好試驗小組，試驗小組探討并擬訂試驗方案，預先作好分工，并寫出實

驗的預習報告，預習報告的內(nèi)容應包括：①試驗目的和內(nèi)容；②試驗的基本原理及方案；③試驗裝置及流程圖；④試驗操作步驟及試驗數(shù)據(jù)的布點；⑤設計原始數(shù)據(jù)的記錄表格。

預習報告應在試驗前交給試驗指導教師審閱，獲準后學生方能參與試驗。

進行試驗操作，要求認真細致地記錄試驗原始數(shù)據(jù)。操作中應能進行理論聯(lián)系實際的思考。試驗數(shù)據(jù)的處理：重復計算過程可以采用表格化的方式表達；具體計算過程需要有一組手算的計算例如，勉勵使用現(xiàn)代化方法進行試驗數(shù)據(jù)處理。

撰寫試驗報告。撰寫試驗報告是試驗教學的重要組成部分，應避免單純填寫表格的方式，而應由學生自行撰寫成文，內(nèi)容大致包括：1）試驗目的和原理；2）試驗裝置簡介；3）試驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理；4）試驗結(jié)果及探討。

四、學生試驗守則

1、遵守紀律不遲到不早退，在試驗室內(nèi)保持恬靜，不大聲談笑，遵守試驗室的一切規(guī)章制度，聽從教師指導。

2、試驗前要認真預習，作好預習報告，經(jīng)教師提問通過后，方可準予參與試驗。

3、試驗時要嚴格遵守儀器、設備、電路的操作規(guī)程不得擅自變更，操作前須經(jīng)教師檢查同意后方可接通電路和開車，操作中細心觀測，如實記錄現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。儀器設備發(fā)生故障嚴禁擅自處理，應馬上報告教師。

4、試驗后根據(jù)原始記錄，處理數(shù)據(jù)、分析問題并及時作好試驗報告。5、愛護儀器、注意安全，水、電、煤氣及藥品要儉約使用。6、保持試驗室整齊，廢品、廢物丟入垃圾箱內(nèi)。

7、試驗完畢記錄數(shù)據(jù)須經(jīng)教師審查簽字，做好清潔工作，恢復儀器設備原狀，關好門窗，檢查水、電及氣源是否關好后，方可離開試驗室。

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試驗一流體摩擦阻力系數(shù)測定

一、試驗目的及任務

1、學習流體在管道內(nèi)摩擦阻力?Pf及摩擦阻力系數(shù)λ的測定方法；2、確定摩擦阻力系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re和相對粗糙度?d之間的關系；3、在雙對數(shù)坐標紙上繪出λ～Re曲線并與莫迪圖進行比較；4、測定局部（閥門）阻力系數(shù)?。

二、試驗基本原理

由于有粘性和渦流的影響，流體滾動時會產(chǎn)生滾動阻力。其大小與管子的長度、直徑、流體流速和管道摩擦阻力系數(shù)有關。本試驗分為直管摩擦系數(shù)?和局部（閥門）阻力系數(shù)?兩種狀況。

1、直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re的測定

直管的摩擦阻力系數(shù)是雷諾數(shù)和相對粗糙度的函數(shù)，即??f(Re,?/d)，對一定的相對粗糙度而言，??f(Re)。

流體在一定長度等直徑的水平圓管內(nèi)滾動時，其管路阻力引起的能量損失為：

hf?P1?P2???Pf?（1-1）

又由于摩擦阻力系數(shù)與阻力損失之間有如下關系（范寧公式）

hf?整理（1-1）（1-2）兩式得

?Pf?lu2（1-2）??d2??2d?Pf?2（1-3）??lud?u??（1-4）

Re?式中：d?管徑，m；

??Pf?直管阻力引起的壓強降，Pa；l?管長，m；

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u?流速，m/s；

??流體的密度，kg/m3；??流體的粘度，N·s/m2。

在試驗裝置中，直管段管長l和管徑d都已固定。若水溫一定，則水的密度ρ和粘度μ也是定值。所以本試驗實質(zhì)上是測定直管段流體阻力引起的壓強降?Pf與流速u（流量V）之間的關系。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和式（1-3）可計算出不同流速下的直管摩擦系數(shù)λ，用式（1-4）計算對應的Re，從而整理出直管摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的關系，繪出λ與Re的關系曲線。

2、局部（閥門）阻力系數(shù)?的測定

h?f??P'f?u2（1-5）??2?2??P'f????????u2（1-6）

??式中：??局部阻力系數(shù)，無因次；?Pf'?局部阻力引起的壓強降，Pa；

h'f?局部阻力引起的能量損失，J／kg。

圖1-1局部阻力測量取壓口布置圖

局部阻力引起的壓強降?Pf'可用下面的方法測量：在一條各處直徑相等的直管段上，安裝待測局部阻力的閥門，在其上、下游開兩對測壓口a-a’和b-b＇，見圖1-1，使ab＝bc；a＇b＇＝b＇c＇則△Pf，ab＝△Pf，bc；△Pf，a＇b＇=△Pf，b＇c＇在a~a＇之間列柏努利方程式：

Pa－Pa＇=2△Pf，ab+2△Pf，a＇b＇+△P

在b~b＇之間列柏努利方程式：

Pb－Pb＇=△Pf，bc+△Pf，b＇c＇+△Pf=△Pf，ab+△Pf，a＇b＇+△Pf（1-8）

聯(lián)立式（1-7）和（1-8），則：

4

＇

＇

＇

f（1-7）

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?Pf'＝2（Pb－Pb＇）－（Pa－Pa＇）

為了試驗便利，稱（Pb－Pb＇）為近點壓差，稱（Pa－Pa＇）為遠點壓差。用差壓傳感器來測量。

三、試驗裝置及流程

試驗流程示意圖見圖1-2。水泵2將儲水槽1中的水抽出，送入試驗系統(tǒng)，首先經(jīng)流量調(diào)理閥14、玻璃轉(zhuǎn)子流量計15、16測量流量，然后送入被測直管段測量流體在光滑管或粗糙管的滾動阻力；或經(jīng)閥門10測量局部阻力后回到儲水槽，水循環(huán)使用。被測直管段流體滾動阻力△p可根據(jù)其數(shù)值大小分別采用變送器12或空氣-水倒置∪型管22來測量。

圖1-2滾動阻力試驗流程示意圖

1-水箱；2-離心泵；3、4-放水閥；5、13-緩沖罐；6-局部阻力近端測壓閥；

7、15-局部阻力遠端測壓閥；8、20-粗糙管測壓閥；9、19-光滑管測壓閥；10-局部阻力管閥；11-U型管進水閥；12-壓力傳感器；14-流量調(diào)理閥；15、16-水轉(zhuǎn)子流量計；17-光滑管閥；18-粗糙管閥；21-倒置U型管放空閥；22-倒置U型管；23-水箱放水閥；24-管線放水閥；

25-壓差表；26-溫度表；27-泵開關；28-總電源開關

本試驗共有8套試驗設備，其主要技術數(shù)據(jù)如下:

被測光滑直管段：

設備編號12345管徑d/m0.0081490.0080100.0081610.0080160.008152管長L/m1.701.701.701.701.70材料0Cr18Ni90Cr18Ni90Cr18Ni90Cr18Ni90Cr18Ni95

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設備編號678管徑d/m0.0081500.0080500.008058管長L/m1.701.701.70材料0Cr18Ni90Cr18Ni90Cr18Ni92.被測粗糙直管段：管徑d—0.010m；管長L—1.70m；材料—不銹鋼管3．被測局部阻力直管段：管徑d—0.015m；管長L—1.2m；材料—不銹鋼管4．壓力傳感器：

型號：LXWY測量范圍：200KPa5.直流數(shù)字電壓表：

型號：PZ139測量范圍：0～200KPa6．離心泵：

型號：WB70/055流量：8m3／h揚程：12m電機功率：550W7.玻璃轉(zhuǎn)子流量計：

型號LZB—40LZB—10測量范圍/L?h-1100～100010～100精度1.52.5四、試驗步驟及本卷須知

1、試驗步驟

向儲水槽內(nèi)注水，直到水滿為止。全關出口閥門14，啟動離心泵。1)光滑管阻力測定：

①關閉局部阻力管閥10、局部阻力近端測壓閥6；局部阻力遠端測壓閥7、15；關閉粗糙管閥18、粗糙管測壓進水閥20、粗糙管測壓回水閥8，將光滑管閥17全開。

②在流量為零條件下，開啟光滑管測壓進水閥19和回水閥9，旋開倒置U型管進水閥11，檢查導壓管內(nèi)是否有氣泡存在。若倒置U型管內(nèi)液柱高度差不為零，則說明導壓管內(nèi)存在氣泡，需要進行趕氣泡操作。導壓系統(tǒng)如圖1-3所示。

趕氣泡操作方法如下：

開大控制閥門開度，使倒置U型管內(nèi)液體充分滾動，以趕出管路內(nèi)的氣泡；若認為氣泡已趕凈，將流量閥關閉；漸漸旋開倒置U型管上部的放空閥21，開啟閥3、4，使液柱降至零點上下時馬上關閉，管內(nèi)形成氣-水柱，此時管內(nèi)液柱高度差應為零。然后關閉放空閥21。

③該裝置兩個轉(zhuǎn)子流量計并聯(lián)連接，根據(jù)流量大小選擇不同量程的流量計測量流量。

④差壓變送器與倒置U型管也是并聯(lián)連接，用于測量直管段的壓差，小流量時用倒置∪型管壓差計測量，大流量時用差壓變送器測量。應在最大流量和最小流量之間進行試驗，一般測取10～15組數(shù)據(jù)。建議當流量小于100L／h時，只用倒置∪型管來測量壓差。

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2)粗糙管阻力測定

①關閉閥17、光滑管測壓進水閥19、光滑管測壓回水閥9，全開閥18，旋開粗糙管測壓進水閥20、粗糙管測壓回水閥8，逐漸調(diào)大流量調(diào)理閥，趕出導壓管內(nèi)氣泡。

②從小流量到最大流量，一般測取15~20組數(shù)據(jù)。③直管段的壓差用差壓變送器測量。

光滑管和粗糙管直管阻力的測定使用同一差壓變送器，當測量光滑管直管阻力時，要把通向粗糙管直管阻力的閥門關閉；同樣當測量粗糙管直管阻力時，要把通向光滑管直管阻力的閥門關閉。

圖1-3導壓系統(tǒng)示意圖

13-粗糙管測壓進水閥；14-直管壓力傳感器；15-粗糙管測壓回水閥；16-光滑管測壓回水閥；17-光滑管測壓進水閥；18-U型管進水閥；19-排水閥；20-U型管出水閥；21-U型管放空閥3)局部阻力測定

關閉閥門17和18，全開或半開閥門10，改變流量，用差壓變送器測量遠點、近點壓差。遠點、近點壓差的測量使用同一差壓變送器。當測量遠點壓差時，要把通向近點壓差的閥門關閉；同樣當測量近點壓差時，要把通向遠點壓差的閥門關閉。

4)測取水箱內(nèi)水的溫度。

5)待數(shù)據(jù)測量完畢，關閉流量調(diào)理閥，停泵。

2、試驗本卷須知

1）直流數(shù)字表操作方法請細心閱讀說明書后，方可使用。

2）較長時間未做試驗，啟動離心泵之前應先盤軸轉(zhuǎn)動，否則易燒壞電機。

3）啟動離心泵之前，以及從光滑管阻力測量過渡到其它測量之前，都必需檢查所有流量調(diào)理閥是否關閉。

4）在試驗過程中每調(diào)理一個流量之后應待流量和直管壓降的數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后方可記錄數(shù)據(jù)。5）利用壓力傳感器測量大流量下△P時，應切斷空氣—水倒置∪型玻璃管的閥門18、20否則影響測量數(shù)值。

6）大流量狀態(tài)下的壓差測量系統(tǒng)，應先接電預熱10～15分鐘，調(diào)好數(shù)字表的零點，然后啟動泵進行試驗。

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五、試驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理

1、將試驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果列在表格中。

表1-1試驗原始數(shù)據(jù)記錄表

試驗裝置編號：________試驗水溫：T＝________℃水溫：管徑：管長：密度：黏度：

序號123456流量l/h直管壓降(表示)kPaU形管讀數(shù)R1/mmR2/mm2、寫出計算例如，即以某一組數(shù)據(jù)為例寫出計算過程。

3、在雙對數(shù)坐標紙上繪出λ～Re關系曲線并與莫迪圖進行比較。

4、求本試驗條件下層流區(qū)光滑管λ～Re關系式，并與理論公式??64Re比較。

六、思考及探討

1、在測量前為什么要將設備中的空氣排盡？怎樣才能迅速地排盡？2、以水為介質(zhì)做出的λ～Re關系曲線，能否適用于其他流體？為什么？

3、在不同設備上（包括相對粗糙度一致而管徑不同）、不同溫度下測定的數(shù)據(jù)是否能關聯(lián)在一條曲線上？為什么？

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試驗二流量計校核

一、試驗目的及任務

1、了解孔板流量計和文丘里流量計的構(gòu)造和使用方法。

2、學習把握流量計的校核方法，計算標準孔板流量計和文丘里流量計的流量系數(shù)，驗證流量計流量系數(shù)的變化規(guī)律。

3、標繪出標準孔板流量計和文丘里流量計的流量曲線。

4、測定并比較孔板流量計和文丘里流量計的流量系數(shù)大小及永久壓降（阻力損失）的大小。

二、試驗基本原理

孔板流量計是利用流體經(jīng)過孔板前后的壓差變化來實現(xiàn)測量流量的。流體流過孔板流量計孔口時，由于滾動截面突然收縮，流體約在孔口后1/3或2/3處形成縮脈，引起流體靜壓能和動能的變化。根據(jù)機械能衡算方程，選擇縮脈取壓方式，將測定的靜壓差和相應的動能變化進行關聯(lián)，可以求出流量。

孔板流量計流量與U形管壓差計內(nèi)指示液高度差之間的關系為：

V0?C0A0式中：Ao—孔板的截面積，m2；Co—孔板流量計的孔流系數(shù)。

2Rg(?0??)?(2-1)

孔流系數(shù)Co由試驗測定。Co是流體雷諾數(shù)Re（以管內(nèi)徑計算）和孔徑與管內(nèi)徑之比do/d1的函數(shù)。當do/d1一定時，隨Re的增加Co是下降的。當Re達到一定值后，C0趨于常數(shù)。當雷諾數(shù)Re一定時，隨著孔徑比do/d1的增大C0增大。設計選用孔板流量計時應使孔流系數(shù)Co處于常數(shù)區(qū)?？装辶髁坑嫷腃0范圍一般是在0.6~0.7。

文丘里流量計用一段漸縮漸擴管代替孔板減小阻力損失。文丘里流量計的工作原理和孔板流量計是完全一樣的。

文丘里流量計的流量與U形管壓差計內(nèi)指示液的高度差之間的關系為：

Vv?CvAv2Rg(?v??)?(2-2)

式中，Av—文丘里流量計的喉徑截面積，m2；Cv—文丘里流量計的孔流系數(shù)。

當流體流經(jīng)孔板流量計或文丘里流量計時，由于突然的收縮或擴大，形成渦流，產(chǎn)生阻力，損失部分能量，使壓力不能恢復，這種壓力損失是永久壓力損失?？梢杂迷囼灧椒y得。為保證測量的確鑿性，需消除渦流等因素的影響。兩測壓口應選在孔板前1d（1倍管徑長度）和孔板后6d（6倍管徑長度）的2個截面處。對于文丘里流量計，兩測壓口應選在距離入口和擴散管出口為1d（1倍管徑長

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度）地方的2個截面處。2個截面壓力差為：

?p永?p1?p2(2-3)

永久壓力損失ΔP永，可以用U形管壓差計測定。常將它表示為流量計測量壓差的一個百分比，即：

???p永?p測(2-4)

η與孔板孔徑（或文丘里管喉徑）do和管道直徑d1的比值有關。do/d1越小則永久壓力損失就越大。各種孔板流量計的永久壓力損失在40%~90%。由于文丘里管入口和出口都為擴散形管，流體流過時渦流損失較小，所以永久壓降比孔板流量計小得多，文丘里流量計的永久壓力損失一般為8%~18%。

三、試驗裝置及流程

本試驗裝置由水箱、水泵、轉(zhuǎn)子流量計、孔板流量計、文丘里流量計、U形管壓差計和計量槽組成。試驗流程如圖2-1所示。

圖2-1流量計校核試驗裝置流程圖

孔板流量計的孔徑為20.0mm，文丘里流量計的喉徑為19.0mm。水管管內(nèi)徑為26.0mm。本試驗以水為介質(zhì)，其流量用計量槽和秒表測量。計量槽底面積為1.570×10-3m2。

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四、試驗步驟及本卷須知

1、試驗步驟

1）在啟動泵之前，檢查旁路是否全開，出口閥是否關閉。

2）將壓差計測壓導管中的氣泡趕出，檢查U形管水銀壓差計中指示液面是否處于平衡位置，使各壓差計處于備用狀態(tài)。

3）啟動水泵，調(diào)理出口及旁路閥閥門開度，使流量達到最大，流量最大值以壓差計最大量程為準。4）分別讀取孔板流量計文丘里流量計對應U形管壓差計的壓差及永久損失壓差，關閉計量槽排水閥，用計量槽和秒表測量水的流量。

5）改變流量再重復測定以上各數(shù)據(jù)，共取12~15組。6）測取水的溫度。

7）試驗完畢，先關閉出口閥和旁路閥，然后停泵，切斷電源。

2、本卷須知

1）在做試驗之前確保將取壓管中氣泡趕盡。

2）為保證測量精度，每次測量的時間要盡量長，水的體積要盡量多。3）出口閥要緩緩開啟，以防壓差計內(nèi)的水銀沖出。

4）旁路閥需要開的小一點，這樣攜帶進轉(zhuǎn)子流量計的氣泡就會少些。

五、試驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理

1、將試驗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果列在表格中。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到試驗結(jié)果和結(jié)論。

2、在坐標紙上繪制Co與lgRe之間的關系曲線。

3、在雙對數(shù)坐標紙上標繪出流量Vv與壓差計讀數(shù)R之間的關系曲線，并求出斜率，驗證是否為0.5次方的關系。

4、計算孔板流量計和文丘里流量計的流量系數(shù)Co和Cv，比較二者的大小。5、計算試驗條件下的永久壓降之比η，比較兩種壓差計的永久壓降損失大小。

六、思考及探討

1、U形管水銀壓差計測壓導管中的氣泡該怎樣除去？

2、流量計的流量系數(shù)Co和Cv一般范圍是多少?它們與哪些參數(shù)有關？這些參數(shù)對流量系數(shù)Co和Cv有什么影響?

3、比較孔板和文丘里流量計流量系數(shù)Co和Cv的大小，永久壓降η的大小，并做出適當?shù)恼f明。

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試驗三離心泵特性曲線的測定

一、試驗目的與任務

1、了解離心泵的結(jié)構(gòu)特點，熟悉并把握離心泵的工作原理和操作方法；2、測定離心泵在一定轉(zhuǎn)速下的特性曲線。

二、試驗基本原理

離心泵是一種液體輸送機械，它籍助于泵的葉輪高速旋轉(zhuǎn)，使充滿在泵體內(nèi)的液體在離心力的作用下，從葉輪中心被甩至邊緣，在此過程中液體獲得能量，提高了靜壓能和動能。液體在離開葉輪進入殼體時，由于滾動截面積的增大，部分動能變成靜壓能，進一步提高了靜壓能。流體獲得能量的多少，不僅取決于離心泵的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速，而且與流體的密度有關。當離心泵內(nèi)存在空氣，空氣的密度遠比液體的小，使離心泵所產(chǎn)生的離心力不足以在泵的進口處形成所需的真空度，無法吸入液體，該現(xiàn)象稱為“氣縛〞。為了保證離心泵的正常操作，在啟動前必需在離心泵和吸入管路內(nèi)充滿液體，并確保運轉(zhuǎn)過程中盡量不使空氣漏入。

離心泵的主要性能參數(shù)是揚程H、流量Q、功率N、效率?和轉(zhuǎn)速n。在一定的轉(zhuǎn)速下，離心泵的揚程、功率、效率均隨流量的大小改變。揚程與流量的特性曲線H=f（Q）、功率消耗與流量的特性曲線N=f（Q）、以及效率與流量的特性曲線?=f（Q）是離心泵的三條特性曲線。它們與離心泵的設計、制造有關，必需由試驗測定。

泵特性曲線的具體測定方法如下：

1、揚程的測定

在泵的吸入口和壓出口之間列柏努利方程：

P出u2出P入u2入Z入???H?Z出???Hf入?出（3-1）

?g2g?g2gH??Z出?Z入??P出?P入u2出?u2入??Hf入?出（3-2）

2g?g上式中Hf入?出是泵的吸入口和壓出口之間管路內(nèi)的流體滾動阻力，與柏努力方程中其它項比較，

Hf入?出值很小，故可忽略。于是上式變?yōu)椋?/p>

H??Z出?Z入??P出?P入u2出?u2入(3-3)?2g?g12

化工原理試驗講義

將測得的Z出?Z入和P入的值以及計算所得的u入,u出代入上式即可求得H的值。出?P??2、軸功率的測定

功率表測得的功率為電動機的輸入功率。由于泵由電動機直接帶動，傳動效率可視為1，所以電動機的輸出功率等于泵的軸功率。即：

泵的軸功率N=電動機的輸出功率，kw

電動機的輸出功率=電動機的輸入功率×電動機的效率。泵的軸功率=功率表的讀數(shù)×電動機效率，kw。

3、效率的測定

Ne(3-4)NHQ?gHQ?Ne??(3-5)

1000102??式中：?—泵的效率；

N—泵的軸功率，kw

Ne—泵的有效功率kw；H—泵的壓頭，m

Q—泵的流量，m3/s；

?—水的密度，kg/m3

三、試驗裝置與流程

水泵2將水槽1內(nèi)的水輸送到試驗系統(tǒng)，用流量調(diào)理閥8調(diào)理流量，流體經(jīng)渦輪番量計5計量后，流回儲水槽。流程示意圖見圖3-1。

試驗設備主要技術參數(shù)如下：

離心泵：流量Q=1.2～7.2m3/h，揚程H=14～19m，軸功率N=550w真空表測壓位置管內(nèi)徑d入=0.030m壓強表測壓位置管內(nèi)徑d出=0.030m

真空表與壓強表測壓口之間的垂直距離△h=0.355m試驗管路d=0.050m電機效率為60%

13

化工原理試驗講義

圖3-1離心泵性能測定試驗裝置流程示意圖

1-水箱2-離心泵3-真空表4-出口壓力表5-渦輪番量計6-溫度計7-排水閥計8-流量調(diào)理閥9-流量表10-功率表11-流體溫度表12-變頻器13-總電源關14-總電源開關15底閥

四、試驗步驟及本卷須知

1、試驗步驟

1）向儲水槽1內(nèi)注入蒸餾水。水位最好沒過回水出口，避免震動。2）檢查流量調(diào)理閥8，壓力表4及真空表3的開關應關閉。

3）啟動試驗裝置總電源，啟動離心泵，緩慢開啟調(diào)理閥8至全開。待系統(tǒng)內(nèi)流體穩(wěn)定，開啟壓力表和真空表的開關，方可測取數(shù)據(jù)。

4）調(diào)理流量，測取數(shù)據(jù)。可從0至最大流量。一般測12~15組數(shù)據(jù)。

5）每次在穩(wěn)定的條件下同時記錄：流量、壓力表、真空表、功率表的讀數(shù)及流體溫度。6）試驗終止，關閉流量調(diào)理閥，停泵，切斷電源。

2、本卷須知

1）該裝置電路采用五線三相制配電，試驗設備應良好地接地。

2）啟動離心泵前，關閉流量調(diào)理閥，壓力表和真空表的開關以免損壞渦輪番量計和壓強表。

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化工原理試驗講義

五、試驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理

1、將實測數(shù)據(jù)記入表3-1；

2、將所取得的試驗數(shù)據(jù)及通過計算求得的各參數(shù)在坐標紙上作出以下三條特性曲線：揚程和流量的特性曲線H～Q；軸功率消耗和流量的特性曲線N～Q；效率和流量的特性曲線?～Q；

表3-1原始數(shù)據(jù)記錄表

試驗裝置編號：________試驗水溫：T＝________℃

流量l／s壓力表MPa真空表MPa功率kW轉(zhuǎn)速rpm序號六、思考及探討

1、離心泵在啟動前為什么要引水灌泵？假使已經(jīng)引水灌泵了，但離心泵還是啟動不起來，你認為可能是什么原因？

2、為什么離心泵啟動時要關閉出口閥和拉下功率表的開關？

3、為什么調(diào)理離心泵的出口閥可調(diào)理其流量？這種方法有什么優(yōu)缺點？是否還有其它方法調(diào)理泵的流量？

4、正常工作的離心泵，在其進口管上設閥門是否合理？為什么？

5、為什么在離心泵的進口管下安裝底閥？從節(jié)能觀點上看，底閥的設置是否有利？你認為應如何改進？

15

化工原理試驗講義

試驗四恒壓過濾常數(shù)的測定

一、試驗目的及任務

1、了解板框壓濾機的構(gòu)造，學會板框壓濾機的操作方法；

2、在恒壓操作時測定過濾常數(shù)K，qe，τe，并以試驗所得結(jié)果驗證過濾方程式；3、測定壓縮指數(shù)s和物料特性常數(shù)k；4、了解操作壓力對過濾速率的影響；

5、了解壓力定值調(diào)理閥的工作原理和使用方法。

二、試驗基本原理

過濾是以某種多孔物質(zhì)作為介質(zhì)來處理懸浮液的操作。在外力的作用下，懸浮液中的液體通過介質(zhì)的孔道而固體顆粒被截流下來，從而實現(xiàn)固液分開，因此，過濾操作本質(zhì)上是流體通過固體顆粒床層的滾動，所不同的是這個固體顆粒層的厚度隨著過濾過程的進行而不斷增加，故在恒壓過濾操作中，其過濾速率不斷降低。

影響過濾速度的主要因素除壓強差△p，濾餅厚度L外，還有濾餅和懸浮液的性質(zhì)，懸浮液溫度，過濾介質(zhì)的阻力等，故難以用流體力學的方法處理。

比較過濾過程與流體經(jīng)過固定床的滾動可知：過濾速度即為流體通過固定床的表現(xiàn)速度u。同時，流體在細小顆粒構(gòu)成的濾餅空隙中的滾動屬于低雷諾數(shù)范圍，因此，可利用流體通過固定床壓降的簡化模型，尋求濾液量與時間的關系，運用層流時泊唆葉公式不難推導出過濾速度計算式：

1?3?p(4-1)u?．22K?a(1??)?L式中，u—過濾速度，m/s；

K—康采尼常數(shù)，層流時，K=5.0；ε—床層的空隙率，m/m；a—顆粒的比表面積，m/m；△p—過濾的壓強差，Pa；μ—濾液的粘度，Pa.s；L—床層厚度，m。由此可導出過濾基本方程式為

2

3

3

3

dVA2?p1?s(4-2)?d??r?v(V?Ve)16

化工原理試驗講義

3

式中，V—濾液體積，m；

τ—過濾時間，s；A—過濾面積，m；

S—濾餅壓縮性指數(shù)，無因次。一般狀況下S=0~1，對不可壓縮濾餅S=0；r—濾餅比阻，1/m，r=5.0a2(1??)2/?3；

22

r?—單位壓差下的比阻，1/m2，r=r??ps；

v—濾餅體積與相應濾液體積之比，無因次；Ve—虛擬濾液體積，m。

恒壓過濾時，令k=1/?r?v，K?2k?p(1?s)，q=V/A，qe?Ve/A對式(4-2)積分可得

3(q?qe)2?K(???e)(4-3)

式中，q—單位過濾面積的濾液體積，

m3/m2；

32qe—單位過濾面積的虛擬濾液體積，m/m；τe—虛擬過濾時間，s；

K—濾餅常數(shù)，由物料特性及過濾壓差所決定，m/s。

K，qe，τe三者總稱為過濾常數(shù)。利用恒壓過濾方程進行計算時，必需首先需要知道K，qe，τe，它們只有通過試驗才能確定。對式（4-3）微分整理可得

2d?22?q?qe（4-4）dqKK該式說明以

d?為縱坐標，以q為橫坐標作圖可得一直線，直線斜率為2/K，截距為2qe/K。在dqd???替代，把式（4-4）改寫成?qdq試驗測定中，為便于計算，可用

??22?q?qe?qKK（4-5）

在恒壓條件下，用秒表和量筒分別測定一系列時間間隔△τi(i=1、2、3······)及對應的濾液

17

化工原理試驗講義

體積△Vi(i=1、2、3······)，也可采用計算機軟件自動采集一系列時間間隔△τi(i=1、2、3······)及對應的濾液體積△Vi(i=1、2、3······)，由此算出一系列△τi，△qi，qi在直角坐標系中繪制

??2~q的函數(shù)關系，得一直線。有直線的斜率便可求出K和qe，再根據(jù)?e?qe/K，求出?e。?q改變試驗所用的過濾壓差△p，可測得不同壓強差下的K值，由K的定義式兩邊取對數(shù)得

lgK?(1?s)lg(?P)?lg(2k)(4-6)

在試驗壓差范圍內(nèi)，若k為常數(shù)，則lgK~lg(△P)的關系在直角坐標上應是一條直線，直線的斜率為（1-s），可得濾餅壓縮性指數(shù)s，由截矩可得物料特性常數(shù)k。

三、試驗裝置及流程

圖4-1恒壓過濾常數(shù)測定試驗裝置流程圖

1-配料槽2-壓力料槽3-板框壓濾機4-壓力表5-安全閥6-壓力定值調(diào)理閥7-洗滌液槽8-壓縮機

本試驗裝置由空壓機、配料槽、壓力儲槽、板框過濾機和壓力定值調(diào)理閥等組成。其試驗流程如圖4-1所示。MgCO3的懸浮液在配料桶內(nèi)配置一定濃度后利用位差送入壓力儲槽中，用壓縮空氣加以攪拌使MgCO3不致沉降，同時利用壓縮空氣的壓力將料漿送入板框過濾機過濾，濾液流入量筒或濾液量自動測量儀計量。

板框過濾機的結(jié)構(gòu)尺寸如下：框厚度25mm，每個框過濾面積0.024m，框數(shù)2個。空氣壓縮機規(guī)格型號為：2VS—0.08/7，風量0.08m/min，最大氣壓為0.7MPa。

18

3

2

化工原理試驗講義

四、試驗步驟及本卷須知

1、試驗步驟

過濾試驗：

1)配制含MgCO38%~13%(wt.%)的水懸浮液；2)熟悉試驗裝置流程；3)開啟空氣壓縮機；

4)正確裝好濾板、濾框及濾布。濾布使用前先用水浸濕。濾布要綁緊，不能起縐（用絲桿壓緊時，千萬不要把手壓傷，先漸漸轉(zhuǎn)動手輪使濾框合上，然后再壓緊）；

5)開啟閥（3）、（2）、（4），將壓縮空氣通入配料槽，使MgCO3懸浮液攪拌均勻；（開閥時從小到大緩慢開啟，以防止懸浮液噴出配料槽）

6)關閉閥（2），開啟壓力料槽排氣閥（18），開啟閥（6），使料漿由配料桶流入壓力料槽至1/2～2/3處，關閉閥（6）；

7)開啟閥（5），后開啟閥（7）、閥(8)、閥(15)通壓縮空氣入壓力料槽，再開啟閥(20)開始做低壓過濾試驗(壓力為0.02MPa左右)；

8)每次試驗應在濾液從匯集管剛流出的時刻作為開始時刻，每次ΔV取為800ml左右，記錄相應的過濾時間Δτ。要熟悉雙秒表輪番讀數(shù)的方法。量筒交替接液時不要流失濾液。等量筒內(nèi)濾液靜止后讀出ΔV值和記錄Δτ值。測量6～8個讀數(shù)即可中止試驗。

9)關閉閥（7）、閥(8)、閥(20)，再開啟閥（9）、閥（10）、閥（20），重復上述操作做中等壓力過濾試驗(壓力在0.2MPa左右)。

10)關閉閥（15）、閥（20）開啟閥（6）、（4），將壓力料槽剩余的懸浮液壓回配料桶，關閉閥（4），閥（6）。

洗滌試驗：

開啟閥（14），進行橫穿洗滌，測定洗滌速率。測定完后關閉閥門。開啟排氣閥（12），卸除壓力料槽內(nèi)的壓力。然后卸下濾餅，清洗濾布、濾框及濾板。

關閉空氣壓縮機電源，總電源開關。

2、本卷須知

1）濾餅、濾液要全部回收到配料桶。

2）過濾進行時，閥(18)一定要稍開一點，以攪拌料液。

3）攪拌及壓力槽料漿壓回配料槽時注意要控制好閥門的開度，以免料漿濺出配料槽．

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化工原理試驗講義

五、試驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理

1、將實測數(shù)據(jù)記入表4-1，計算結(jié)果記入計算結(jié)果表。2、由恒壓過濾試驗數(shù)據(jù)求過濾常數(shù)K，qe，τe；

3、比較幾種壓差下的K、qe及τe值，探討壓差變化對以上參數(shù)數(shù)值的影響；4、在直角坐標紙上繪制lgK~lg(?p)關系曲線，求出S及k；5、寫出完整的過濾方程式，弄清其中各個參數(shù)的符號及意義；6、比較洗滌速率與過濾終了時的過濾速率兩者之間的關系。

表4-1原始數(shù)據(jù)記錄表

試驗裝置編號：________操作壓力：P＝________MPa

序號12345678時間t（秒）體積V(ml)六、思考及探討

1)通過試驗你認為過濾的一維模型是否適用？

2)當操作壓強增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同樣的過濾液，其過濾時間是否縮短了一半？

3）影響過濾速率的主要因素有哪些？

4）濾漿濃度和操作壓強對過濾常數(shù)K值有何影響？

5）為什么過濾開始時，濾液往往有點渾濁，而過段時間后才變清？

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化工原理試驗講義

試驗五固體流態(tài)化

一、試驗目的和任務

1、學習流體通過固體顆粒層滾動特性的測量方法；2、觀測散式流化和聚式流化的試驗現(xiàn)象；

3、測定流化曲線和臨界流化速度，驗證流體通過固體顆粒床層的規(guī)律，加深對這些規(guī)律的認識和理解；

4、測定液體和氣體分別通過固體顆粒床層時流速與床層壓降的關系；5、觀測空氣固體顆粒床中顆粒輸送現(xiàn)象及旋風分開器收集顆粒的現(xiàn)象。

二、試驗基本原理

流體通過固體顆粒床層時，流體的流速保持在一定的范圍內(nèi)將大量固體顆粒懸浮于滾動的流體中，并在流體作用下使顆粒作翻滾運動，類似于液體的沸騰，從而大大加強了物質(zhì)的擴散過程，提高了反應速度，具有流體的某些特性故這種狀態(tài)為固體流態(tài)化。流態(tài)化技術是研究和處理工業(yè)過程中固體顆粒與氣相、液相、氣液相之間的混合、傳質(zhì)、傳熱的多相流技術。流態(tài)化技術是化學工程及相關學科中一個十分重要的研究領域，在石油化工、煤燃燒、制藥、污水處理等過程中得到重要應用。

把握流態(tài)化技術，了解流態(tài)化床層的性質(zhì)對工業(yè)生產(chǎn)和科學研究都有重要的意義。

根據(jù)系統(tǒng)的不同，流化床可以分為散式流化床和聚式流化床。由液-固系統(tǒng)形成的流化床，由于固體顆粒和液體顆粒的密度相差不是很大，當顆粒的直徑很小時，流體以較低速度通過固體顆粒床層，就能形成流化態(tài)。且個個粒子的運動以相對比較一致的平均自由路程通過床層，床層有相對穩(wěn)定的上界面，固體顆粒均勻的分散在液體中，這種流化態(tài)稱為散式流化。對氣-固系統(tǒng)形成的流化床，由于固體顆粒與氣體的密度差很大或顆粒直徑較大，氣體必需以較大的速度通過固體顆粒床層，此時的流化態(tài)是不平穩(wěn)的。氣體通過固體顆粒床層時，主要是呈大氣泡狀態(tài)，由于這些氣泡的上升與破碎，床層上界面波動大，更看不到明了的上界面，所以將這種氣—固系統(tǒng)所形成的流態(tài)化稱為聚式流態(tài)化。

根據(jù)流體通過固體顆粒床層的流速大小，床層可表現(xiàn)為固定床層、流化床層和氣體輸送等階段。在各個階段，流體的流速與床層壓降關系具有不同的規(guī)律。

1流體通過固定床層的壓降與流體流速的關系

關于流體通過固體床層的壓降與流速之間的關系，一般使用歐根半經(jīng)驗公式進行計算

?p(1??)2?u(1??)?u2(5-1)?K1?K2323L?d?(?sdp)?sp式中△p——床層壓降，Pa；

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化工原理試驗講義

dp—顆粒平均直徑，m；

ε—床層空隙率；L—床層高度，m；μ—流體粘度，Pa·s；

u—以床層橫截面為基準的流體速度，m/s；ρ—測定溫度下流體的密度，kg·m；φs—球形度；

公式（5-1）中，右邊第一項為粘性阻力，其次項為空隙收縮放大而導致的局部阻力。歐根采用的系數(shù)K1=150，K2=1.75。

-3

2臨界流化速度的確定

為保持穩(wěn)定的流化床操作，需要將流體流速控制在一定的范圍內(nèi)。其起始流化速度為臨界流化速度；流化床消失的速度為帶出速度。穩(wěn)定流態(tài)化操作的流體流速應控制在臨界流化速度和帶出速度之間。這兩個速度對流化設備的設計和操作都是至關重要的。

臨界流化速度可由公式計算出，為數(shù)眾多的計算顆粒初始流態(tài)化速度的公式大體上分為三類:第一類以Ergun公式為基礎，引入經(jīng)驗系數(shù)加以修正；其次類以某種流體力學關系為基礎；第三類屬于純經(jīng)驗公式。然而，液—固流態(tài)化顆粒特性計算公式好多，計算結(jié)果區(qū)別很大，例如，據(jù)不完全統(tǒng)計，有關資料上介紹適用于球形顆粒初始流態(tài)化速度umf的經(jīng)驗公式超過30種。在眾多的計算公式中，Ergun型的計算式適用的較寬，精度較高。當顆粒雷諾數(shù)Rep化工原理試驗講義

體床層后從旋風分開器頂部排出，而顆粒落入灰斗中。通過調(diào)理空氣流量，可以進行不同滾動狀態(tài)下的測定試驗。設備中裝有壓差計指示床層壓降，標尺用于測量床層高度。

對液-固系統(tǒng)，用泵輸送的水經(jīng)調(diào)理閥、轉(zhuǎn)子流量計送至分布板，經(jīng)二維床層后從床層上部溢流至下水槽。

顆粒特性及設備參數(shù)列于表5-1中。

表5-1裝置的顆粒特性及設備參數(shù)表

氣-固系統(tǒng)液-固系統(tǒng)截面積Amm2120×20140×20粒徑dmm0.4150.475粒重Wg一定量一定量球形度φ1.01.0顆粒密度ρSs3kg/m10402490四、試驗步驟及本卷須知

1、試驗步驟

在熟悉試驗設備、流程、各控制開關、閥門的基礎上按以下步驟進行試驗：散式流態(tài)化（液-固系統(tǒng)）1）檢查閥①應處于全關狀態(tài)；

2）啟動泵（按下綠色按鈕，啟動前應搬動泵軸使其轉(zhuǎn)動靈活）；

3）緩緩開啟閥①，流量計浮子升起，使流化床內(nèi)充滿水至上部溢流槽，檢查U形管壓差計的測壓引線如有氣泡應排除；

4）調(diào)理閥①從小到大測取十個以上不同流量下的床層壓降值，同時觀測床層的變化（記錄下床層高度和變化現(xiàn)象）；

5）終止試驗：先把閥①全關恢復固定床狀態(tài)，然后按下紅色按鈕停泵。聚式流態(tài)化（氣-固系統(tǒng)）

1）檢查閥②應處于全開狀態(tài)，閥③、④應處于全關狀態(tài)；2）啟動鼓風機（按下綠色按鈕）；

3）緩緩開啟閥③，關小閥②，待床層出現(xiàn)流態(tài)化后重新開啟閥②關閉閥③恢復固定床狀態(tài)；4）調(diào)理閥③（小流量調(diào)理閥③，大流量調(diào)理閥④）和閥②從小到大測取十個以上不同空氣流量下的床層壓降值，同時觀測床層的變化（記錄下床層高度和變化現(xiàn)象）；

5）終止試驗：先把閥②全開，然后全關③、④恢復固定床狀態(tài)，然后按下紅色按鈕停風機。

2、本卷須知

1）試驗過程中要注意水電安全；進試驗室要通風換氣，離開時要關閉電氣水的開關。2）注意泵和風機的正確使用方法。

3）試驗記錄開始前，先調(diào)大流速穩(wěn)定流化一段時間。

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化工原理試驗講義

五、試驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理

1）將實測數(shù)據(jù)記入表5-2。通過數(shù)據(jù)處理，繪出流態(tài)化壓強降、床層高度與流速關系曲線圖。2）根據(jù)流態(tài)化曲線的斜率，計算出臨界流化速度。3）求取實測的臨界流化速度umf，并與理論值進行比較。

4）對試驗中觀測到的現(xiàn)象，運用流體與顆粒運動的規(guī)律加以解釋。

表5-2原始數(shù)據(jù)記錄表

試驗裝置編號：________操作溫度：T＝_______℃

序號流量(l/h)床層壓力降(mmH2O)R1R2床層高度L(cm)床層現(xiàn)象六、思考及探討

1）臨界流化速度與哪些因素有關？2）流態(tài)化時流體的流速應控制在什么范圍？3）說明為什么在流化曲線上會出現(xiàn)一“駝峰〞？4）氣固流態(tài)化試驗中，實際流化時，?p為什么會波動？

5）由小到大與由大到小改變流體流量測定的流化曲線是否重合，為什么？

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化工原理試驗講義

試驗六空氣在圓形直管中對流傳熱系數(shù)的測定

一、試驗目的與任務

1、觀測水蒸氣在水平管外壁上的冷凝現(xiàn)象；

2、通過試驗把握傳熱膜系數(shù)α的測定方法，并分析影響α的因素；3、把握確定傳熱膜系數(shù)準數(shù)關聯(lián)式中的系數(shù)C和指數(shù)m、n的方法；4、通過試驗提高對α關聯(lián)式的理解，了解工程上加強傳熱的措施；5、把握測溫熱電偶的使用方法。

二、試驗基本原理

1、水蒸氣冷凝傳熱系數(shù)α0與空氣對流傳熱系數(shù)αi測定

在套管換熱器中，環(huán)隙通以水蒸氣，內(nèi)管管內(nèi)通以空氣，水蒸氣冷凝放熱以加熱空氣，在傳熱過程達到穩(wěn)定狀態(tài)后，有如下關系式：

VρCP(t2－t1)＝α0A0(T－TW)m＝αiAi(tw－t)m（6-1）

式中V—被加熱流體體積流量，m3/s；

ρ—被加熱流體密度，kg/m3；

CP—被加熱流體平均比熱，J/(kg·℃)；

α0、αi—水蒸氣對內(nèi)管外壁的冷凝傳熱系數(shù)和流體對內(nèi)管內(nèi)壁的對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；t1、t2—被加熱流體進、出口溫度，℃；A0、Ai—內(nèi)管的外壁、內(nèi)壁的傳熱面積，m2；

(T－TW)m—水蒸氣與內(nèi)管外壁間的對數(shù)平均溫度差，℃；

(T?Tw)m?(T1?Tw1)?(T2?Tw2)（6-2）

T?Tw1ln1T2?Tw2(tw－t)m—內(nèi)管內(nèi)壁與空氣的對數(shù)平均溫度差，℃；

(tw1?t1)?(tw2?t2)（6-3）

(tw?t)m?t?tlnw11tw2?t2式中T1、T2—蒸汽進、出口溫度，℃；

Tw1、Tw2、tw1、tw2—外壁和內(nèi)壁上進、出口溫度，℃。

當內(nèi)管材料導熱性能很好且管壁很薄時，可認為Tw1＝tw1，Tw2＝tw2，即為所測得的該點的壁溫。由式（6-1）、（6-2）與（6-3）可得：

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化工原理試驗講義

?0?V?CP(t2?t1)

A0(T?Tw)m（6-4）

V?CP(t2?t1)?i?（6-5）

Ai(tw?t)m若能測得被加熱流體的V、t1、t2，內(nèi)管的換熱面積A0或Ai，以及水蒸氣溫度T，壁溫Tw1、Tw2，則可通過式（6-4）算得實測的水蒸氣冷凝傳熱系數(shù)α0；通過式（6-5）算得實測的空氣在管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)αi。

2、總傳熱系數(shù)測定

VρCP(t2－t1)＝KA0Δtm（6-6）

式中K—總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

A0—傳熱面積，m2；Δtm—對數(shù)平均溫差，℃。

3、傳熱膜系數(shù)準數(shù)關聯(lián)式中的系數(shù)C和指數(shù)m、n的測定

Nu=CRemPrnGrp（6-7）

對強制湍流，Gr準數(shù)可以忽略。

Nu=CRemPrn（6-8）

本試驗中，可用圖解法和最小二乘法兩種方法計算準數(shù)關聯(lián)式中的指數(shù)m、n和系數(shù)C。用圖解法對多變量方程進行關聯(lián)時，要對不同變量Re和Pr分別回歸。為了便于把握這類方程的關聯(lián)方法，可取n=0.4（試驗中流體被加熱）。這樣就簡化成單變量方程。兩邊取對數(shù)，得到直線方程：

lgNu?lgC?mlgRe（6-9）0.4Pr在雙對數(shù)坐標系中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數(shù)m。在直線上任取一點的函數(shù)值代入方程中得到系數(shù)C，即

C?Nu（6-10）0.4mPrRe用圖解法，根據(jù)試驗點確定直線位置，有一定的人為性。

而用最小二乘法回歸，可以得到最正確關聯(lián)結(jié)果。應用計算機對多變量方程進行一次回歸，就能同時得到C、m、n。

可以看出對方程的關聯(lián)，首先要有Nu、Re、Pr的數(shù)據(jù)組。雷諾準數(shù)

Re?d0u?（6-11）

?努塞爾特準數(shù)

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化工原理試驗講義

Nu??id0（6-12）?普蘭特準數(shù)

Pr?Cp?（6-13）

?式中d0—換熱器內(nèi)管內(nèi)徑，m；

αi—空氣傳熱膜系數(shù)，W/（m2·℃）；ρ—空氣密度，kg/m3；

λ—空氣的導熱系數(shù)，W/（m·℃）；；Cp—空氣定壓比熱；J/（kg·℃）

?—空氣的粘度，cP。

試驗中改變空氣的流量以改變準數(shù)Re之值。根據(jù)定性溫度計算對應的Pr準數(shù)值。同時由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數(shù)α值。進而算得Nu準數(shù)值。

由于空氣傳熱膜系數(shù)αi遠小于蒸汽傳熱膜系數(shù)α0，所以傳熱管內(nèi)的對流傳熱系數(shù)αi約等于冷熱流體間的總傳熱系數(shù)K。則有

牛頓冷卻定律：

VρCP(t2－t1)＝αiA0Δtm（6-14）

三、試驗裝置及流程

本試驗裝置由蒸汽發(fā)生器、套管換熱器及溫度傳感器、智能顯示儀表等構(gòu)成。其試驗裝置流程如圖6-1所示。

圖6-1水蒸氣－空氣對流傳熱系數(shù)測定試驗裝置流程圖

1-風機2-蒸汽發(fā)生器3-旁路閥4-轉(zhuǎn)子流量計5-排污閥6-蒸汽總閥

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化工原理試驗講義

7-蒸氣調(diào)理閥8-冷凝水排放閥9-空氣流量調(diào)理閥10-惰性氣體排放閥T：蒸汽溫度測量電偶；t1、t2：空氣進、出口溫度測量電偶；TW：壁溫測量電偶

水蒸氣—空氣體系：來自蒸汽發(fā)生器的水蒸氣進入套管換熱器環(huán)隙，冷凝水經(jīng)管道排入地溝。冷空氣經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計進入套管換熱器內(nèi)管（紫銅管），與水蒸汽換熱后放空?？諝饬髁坑瞄y門調(diào)理。

設備與儀表規(guī)格如下：

紫銅管規(guī)格：直徑φ16×3.0mm，長度L=1000mm；外套玻璃管規(guī)格：直徑φ80×5mm，長度L=1000mm；風機：XGB—13型，風量0～90m3/h，風壓12kPa；壓力表規(guī)格：0～0.1Mpa；轉(zhuǎn)子流量計LZB-25，2.5-25m3/h。

四、試驗步驟及本卷須知

1、試驗步驟

1）檢查儀表、風機、蒸汽發(fā)生器及測溫點是否正常，檢查進系統(tǒng)的蒸氣閥（7）是否關閉。2）開啟總電源開關、儀表電源開關；

3）全開旁路閥（3），全關閥（9），啟動風機（1）；4）調(diào)理閥（9）的開度，閥門全開使風量達到最大；

5）關閉閥（7），開啟閥（8）排除蒸汽管線中原積存的冷凝水；

6）排凈后，關閉閥（8），開啟閥（7），使蒸汽緩緩進入換熱器環(huán)隙（切忌猛開，防止玻璃爆裂傷人）以加熱套管換熱器，再開啟換熱器冷凝水排放閥（8）（閥（8）開度不要開啟過大，以免蒸汽泄漏），使環(huán)隙中冷凝水不斷地排至地溝；

7）細心調(diào)理閥（7）的開度，使蒸汽壓力穩(wěn)定保持在0.05MPa，以保證在恒壓條件下操作，再根據(jù)測試要求，由大到小逐漸調(diào)理閥（9）的開度，合理確定3～6個試驗點，待穩(wěn)定后，分別從溫度、壓力顯示儀表上讀取各有關參數(shù)；

8）試驗終止，先關閉閥（7），切斷設備的蒸汽來路；關閉蒸汽發(fā)生器、儀表電源開關及切斷總電源。

2、本卷須知

1）試驗裝置儀表柜上的拉門學生不得隨便開啟，以防觸電。

2）一定要在套管換熱器內(nèi)管輸以一定量的空氣，方可開啟蒸汽閥門（7），且必需在排除蒸汽管線上原先積存的凝結(jié)水后，方可把蒸汽通入套管換熱器中。

3）開始通入蒸汽時，要緩慢開啟蒸汽閥門，使蒸汽徐徐流入換熱器中，逐漸加熱，由“冷態(tài)〞轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁釕B(tài)〞不得少于5min，以防止玻璃管因突然受熱、受壓而爆裂。

4）操作過程中保證蒸汽在恒壓條件下操作。

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化工原理試驗講義

5）測定各參數(shù)時，必需是在穩(wěn)定傳熱狀態(tài)下（空氣出口溫度穩(wěn)定），并且隨時注意壓力表讀數(shù)的調(diào)整。

五、試驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理

1、將實測數(shù)據(jù)記入表6-1，計算結(jié)果記入表6-2、表6-3；2、對試驗結(jié)果進行分析探討；3、按要求編寫試驗報告。

表6-1原始數(shù)據(jù)記錄表

試驗裝置編號：_________試驗壓力：P＝__________MPa

試驗次數(shù)流量Vm3/h冷入℃冷出℃

蒸汽℃壁入℃壁出℃12345678六、思考及探討

1、試驗中冷流體和蒸汽的相對流向，對傳熱效果有何影響?

2、蒸汽冷凝過程中，若存在不冷凝氣體，對傳熱有何影響、應采取什么措施？3、試驗過程中，冷凝水不及時排走，會產(chǎn)生什么影響？如何及時排走冷凝水？4、試驗中，所測定的壁溫是靠近蒸汽側(cè)還是冷流體側(cè)溫度？為什么？5、假使采用不同壓強的蒸汽進行試驗，對α關聯(lián)式有何影響？

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化工原理試驗講義

試驗七板式精餾塔塔板效率的測定

一、試驗目的及任務（本科課內(nèi)試驗僅完成全回流部分）

1、熟悉板式精餾塔的結(jié)構(gòu)、精餾流程、原理及操作方法；2、觀測精餾過程中汽液兩相在塔板上的接觸狀況；3、測定精餾塔全塔效率并把握板式塔效率的影響因素。

二、試驗操作原理

精餾過程是依據(jù)各組分在一致操作條件下?lián)]發(fā)性能之間的差異來分開液相混合物的最基本最重要的單元操作之一。例如乙醇與水在常壓下其沸點分別是78.3℃和100℃，當它們混合時形成一種完全互溶的二元混合物。利用乙醇和水兩個組分各自揮發(fā)性能不同的特點，通過精餾的方法使混合溶液反復進行部分汽化和部分冷凝，最終在塔頂?shù)玫捷^濃的乙醇水溶液，在塔底得到很稀的乙醇水溶液。

本試驗是將乙醇和水的二元混合溶液在篩板塔內(nèi)進行精餾，測定在全回流及部分回流操作條件下的理論板數(shù)。可由試驗裝置的實際塔板數(shù)根據(jù)公式（7-1）計算出全塔效率。

??NT?100%（7-1）N式中NT、N分別表示達到某一分開要求所需的理論板數(shù)和實際板數(shù)。對于二元溶液體系，理論板數(shù)的求取利用圖解法最為簡捷。

全回流操作時，只要測取到乙醇—水精餾系統(tǒng)操作穩(wěn)定時的塔頂和塔底的乙醇組成，在乙醇—水

二元溶液相平衡關系與x-y相圖上即可畫出理論板數(shù)NT。（7-3）

四、試驗裝置及流程

精餾塔為篩板塔，全塔共有10塊不銹鋼板塔板，塔高1.5m，塔身用內(nèi)徑為50mm的不銹鋼管制成，每段為100mm，用螺栓連在一起。塔身其次段和第七段是用耐熱玻璃制成的，以便于觀測塔內(nèi)的操作狀況。不銹鋼塔段采用玻璃棉保溫。降液管是由外徑為8mm的銅管制成。篩板的直徑為54mm，篩孔的直徑為2mm。塔中裝有鉑電阻溫度計用來測量塔內(nèi)汽相溫度。

塔頂?shù)娜骱退桌鋮s器內(nèi)是直徑為8mm做成螺旋狀的的銅管，外面是不銹鋼套管。塔頂?shù)奈锪险魵夂退桩a(chǎn)品在銅管外冷凝、冷卻，銅管內(nèi)通冷卻水。塔釜用電爐絲進行加熱，塔外部也用保溫棉保溫。

混合液體由高位槽經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計計量后進入塔內(nèi)。塔釜的液位計用于觀測塔釜內(nèi)的存液量。塔底產(chǎn)品經(jīng)過冷卻器由平衡管流出，儲存在釜產(chǎn)品儲罐（8）中。回流比調(diào)理器（30）用來控制回流比，餾出液儲罐（12）接收塔頂餾出液。

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化工原理試驗講義

圖7-1板式精餾塔塔板效率測定試驗流程示意圖

1-原料罐進料口；2-原料罐；3-進料泵旁路閥；4-進料泵；5-電加熱器；6-釜料放空閥；7-塔釜產(chǎn)品罐放空閥；8-釜產(chǎn)品儲罐；9-塔釜；10-轉(zhuǎn)子流量計；11-頂產(chǎn)品罐放空閥；12-頂產(chǎn)品儲罐；13-塔板；14-塔身；15-觀測段；16-塔頂取樣口；17-降液管；18-線圈；19-冷凝器20-塔釜取樣口；212223-第七、八和九塊板進料口及控制閥；24-高位槽進料閥；25-進料閥；26總電源開關；27-加熱開關；28-進料泵開關；29-回流比開關；30-電壓控制器；31-回流比控制器；32.33-溫度顯示器

四、試驗步驟及本卷須知

1、試驗步驟

1）試驗前準備工作

①將與阿貝折光儀配套的超級恒溫水浴調(diào)整到20℃，準備好取樣注射器和擦鏡頭紙。

②檢查試驗裝置上的各個旋塞、閥門均應處于關閉狀態(tài)：電流、電壓表及電位器位置均應為零。

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化工原理試驗講義

③配制一定濃度(質(zhì)量濃度10％左右)的乙醇─水混合液(總?cè)萘?000毫升左右)，參與原料儲罐。④開啟高位槽進料閥門（23、25），向精餾釜內(nèi)加料到指定的高度(冷液面在塔釜總高2／3處)，而后關閉閥門。

2）全回流操作

①開啟塔頂冷凝器的冷卻水(約8L／min)。②記錄下來室溫，開啟裝置上總電源開關（26）。

③調(diào)理電位器（30）使加熱電壓為180V左右，待塔板上建立液層時，可適當減小電壓(如140V)，使塔內(nèi)維持正常操作。

④等各塊塔板上鼓泡均勻后，保持加熱釜電壓不變，在全回流狀況下穩(wěn)定20分鐘左右，期間細心觀測全塔傳質(zhì)狀況，待操作穩(wěn)定后分別在塔頂、塔釜取樣口同時取樣，用阿貝折射儀分析樣品濃度。

3）部分回流操作

①開啟塔釜冷卻水，冷卻水流量以保證釜餾液溫度接近常溫為準。

②調(diào)理進料轉(zhuǎn)子流量計閥，以2.5-3.0l／h的流量向塔內(nèi)加料；用回流比控制調(diào)理器調(diào)理回流比R＝4；餾出液收集在塔頂產(chǎn)品儲罐（12）中。

③塔釜產(chǎn)品經(jīng)冷卻后由溢流管流出，收集在容器（8）內(nèi)。

④等操作穩(wěn)定后，觀測板上傳質(zhì)狀況，記錄下來加熱電壓、電流、塔頂溫度等有關數(shù)據(jù)，整個操作中維持進料流量計（10）讀數(shù)不變，用注射器取塔頂、塔釜和進料三處樣品，用折光儀分析，并記錄進原料液的溫度(室溫)。

4）試驗終止

①檢查數(shù)據(jù)合理后，中止加料并將加熱電壓調(diào)零；關閉回流比調(diào)理器開關。②根據(jù)物系的t-x-y關系，確定部分回流下進料的泡點溫度。③中止加熱后10分鐘，關閉冷卻水。裝置復原。

2、使用本試驗設備應本卷須知

1）本試驗過程中要特別注意安全，試驗所用物系是易燃物品，操作過程中避免灑落發(fā)生危險。2.）試驗設備加熱功率由電位器來調(diào)理，故在加熱時應注意控制加熱速率，以免發(fā)生爆沸(過冷沸騰)，使釜液從塔頂沖出，若遇此現(xiàn)象應馬上斷電，重新加料到指定冷液面，再緩慢升電壓，重新操作。升溫柔正常操作中釜的電功率不能過大。

3）開車時先開冷卻水，再向塔釜供熱；停車時則反之。

4）測濃度用折光儀，讀取折光率數(shù)據(jù)，一定要同時記其測量溫度，并按給定的折光率─質(zhì)量百分濃度關系測定有關數(shù)據(jù)。

五、試驗數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理

1、將試驗原始數(shù)據(jù)和計算結(jié)果分別列入表中；

表7-1原始數(shù)據(jù)表

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化工原理試驗講義

試驗裝置編號：________試驗水溫：T＝_____℃

試驗序號加熱電壓回流比塔頂回流第三板第四板第五板溫度℃第六板第七板第八板第九板第十板進料塔底塔頂進料塔底折光率nD20質(zhì)量分數(shù)折光率nD20質(zhì)量分數(shù)折光率nD20質(zhì)量分數(shù)V12（全回流無此溫度）32、畫出在全回流條件下塔頂溫度隨時間的變化規(guī)律；

3、畫出穩(wěn)定操作時，在全回流和部分回流條件下塔內(nèi)溫度在塔內(nèi)分布規(guī)律；4、計算全回流條件下的全塔效率并對試驗結(jié)果進行分析和探討；5、按試驗報告要求寫出試驗報告。

六、思考及探討

1、精餾塔操作中，塔釜壓力為什么是一個重要操作參數(shù)？塔釜壓力與哪些因數(shù)有關？2、板式塔汽液兩相的滾動特點是什么？

3、操作中增加回流比的方法是什么？能否采用減少塔頂出料量D的方法？

4、精餾塔在操作過程中，由于塔頂采出率太大而造成產(chǎn)品不合格，恢復正常的最快、最有效的方法是什么？

5、本試驗中，進料狀況為冷態(tài)進料，當進料量太大時，為什么會出現(xiàn)精餾段干板，甚至出現(xiàn)塔頂既沒有回流又沒有出料的現(xiàn)象？應如何調(diào)理？

6、在部分回流操作時，你是如何根據(jù)全回流的數(shù)據(jù)，選擇一個適合的回流比和進料口位置的？7、精餾操作過程中，回流溫度發(fā)生變化，對精餾操作可能產(chǎn)生的影響；8、如何判斷精餾塔內(nèi)操作是否正常合理？如何判斷塔操作是否穩(wěn)定？

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化工原理試驗講義

試驗八吸收試驗——填料塔吸收傳質(zhì)系數(shù)的測定

一、試驗目的

1)．了解填料塔吸收裝置的基本結(jié)構(gòu)及流程；2)．把握總體積傳質(zhì)系數(shù)的測定方法；

3)．了解氣體空塔速度和液體噴淋密度對總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響；4)．了解氣相色譜儀和六通閥在線檢測CO2濃度的測量方法。

二、基本原理

氣體吸收是典型的傳質(zhì)過程之一。由于CO2氣體無味、無毒、廉價，所以氣體吸收試驗選擇CO2

作為溶質(zhì)組分是最為適合的。本試驗采用水吸收混合氣中的CO2組分。一般將原料氣中的CO2濃度控制在10%以內(nèi)，所以吸收的計算方法可按低濃度來處理。又CO2在水中的溶解度很小，所以此體系CO2氣體的吸收過程屬于液膜控制過程。因此，本試驗主要測定Kxa和HOL。

1）計算公式

填料層高度Z為z??dZ?0ZLx1dx?HOL?NOL（8-1）??xKxa2x?x式中：L液體通過塔截面的摩爾流量，kmol/(m2·s)；

Kxa以△X為推動力的液相總體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m3·s)；

HOL液相總傳質(zhì)單元高度