化工原理实验教材

化工原理实验教材 武汉科技大学化学工程与技术学院 2003年 目录 实验一 流体静力学演示实验 ............................................................................... 1 实验二 流体机械能转换实验——柏努利方程演示 ..................... 4 实验三 雷诺数的测定与流型观察................................................................... 7 实验四 管内流体流动阻力的测定................................................................... 9 实验五 离心泵性能实验——离心泵特性曲线的测定 ................ 12 试验六 离心泵汽蚀、气缚的演示实验 .................................................... 16 试验七 传热实验 ........................................................................................................... 19 试验八 板式精馏塔的操作及塔板效率实验 ........................................ 25 试验九 吸收实验 ........................................................................................................... 29 试验十 填料塔流体力学特性实验................................................................. 34 试验十一 板式塔演示实验 ................................................................................... 37 试验十二 干燥实验 ..................................................................................................... 39 实验一 流体静力学演示实验 实验目的 1.通过本实验的演示，加强对静力学概念的理解; 2.掌握U型管压力计测量压力的使用方法; 3.了解U型管压力计中不同指示液对读数的影响; 基本原理 ?压力:流体垂直作用于单位面积上的力称为压强，工业上习惯称为压力。 常用压力表所示读数，即表压力(表压)，并非表内压力的实际值，即绝对压力(绝压)，而 是表内压力比表外大气压力高出的值。两者关系为: 表压 = 绝压 — 大气压。 真空表的读数为大气压比所测压力的实际值高出的值，称为真空度(负压)。两者关系为: 真空度 = 大气压 — 绝压。 2(U形管压差计: U形管压差计是利用流体静力学平衡原理测流体静压力的仪器，为连通器应用的实例之一。其读数的方法以图3.1-a 和3.1- b两种情况为例: (a) (b) 图1.1流体静力学平衡示意图 1 P,P，,gRa 图1.1— a 表示容器内为正压，其绝对压力 P,P,,gRa 图1.1— b表示容器内为负压，其绝对压力 2NmP 其中:——绝对压力，; 2PNma ——大气压，; 2Nm,gR ——表压，; 3kgm, ——指示液密度，; R——液位差，m; 2ms g——重力加速度,. ,,,abc若将图示中指示液改为密度为 或 、„„ 的液体，则有 ,R,,R,,R,aabbcc„„ ,,,abc若已知，则可求出、„„ 实验装置(如图1.2) 图1.2 静力学实验装置 2 实验步骤 1.打开阀门D，使大、小水箱内压力等于大气压。然后关上阀门D，将小水箱置于适当位置，使 大水箱内压力大于大气压，读取各个测压管的数据。 2(打开阀门D，使大、小水箱内压力等于大气压。然后关上阀门D，将小水箱置于适当位置，使 大水箱内压力小于大气压，读取各个测压管的数据。 讨论与计算 2Nm1( 讨论U型管压力计测压原理，算出操作1、2 两项时容器2内的绝对压力()。 2( 如何选用U型管压力计内的指示液, 3( 测压导管长度，U型管直径对压力计读数有无影响, 4( 若已知水的密度，能否通过以上操作分别求出四氯化碳和煤油的密度, mmHO25( 若要测大于2个大气压或小于10的压力，此压力计是否依然适用, 3 实验二 流体机械能转换实验——柏努利方程演示 实验目的 熟悉流动流体中各种能量和压头的概念及其互相转换关系，在此基础上掌握柏努利方程。 基本概念 1. 流体在流动时具有三种机械能:即?位能，?动能，?压力能。这三种能量可以互相转换。当管路条件改变时(如位置高低，管径大小)，它们会自行转换。如果是粘度为零的理想流体，由于不存在机械能损失，因此在同一管路的任何二个截面上，尽管三种机械能彼此不一定相等，但这三种机械能的总和是相等的。 2. 对实际流体来说，则因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞而消失，即转化成了热能。而转化为热能的机械能，在管路中是不能恢复的。对实际流体来说，这部分机械能相当于是被损失掉了，亦即两个截面上的机械能的总和是不相等的，两者的差额就是流体在这两个截面之间因摩擦和碰撞转换成为热的机械能。因此在进行机械能衡算时，就必须将这部分消失的机械能加到下游截面上，其和才等于流体在上游截面上的机械能总和。 3. 上述几种机械能都可以用测压管中的一段液体柱的高度来表示。在流体力学中，把表示各种机械能的流体柱高度称之为“压头”。表示位能的，称为位压头;表示动能的，称为动压头(或速度头);表示压力的，称为静压头;已消失的机械能，称为损失压头(或摩擦压头)。这里所谓的“压头”系指单位重量的流体所具有的能量。 4. 当测压管上的小孔(即测压孔的中心线)与水流方向垂直时，测压管内液柱高度(从测压孔算起)即为静压头，它反映测压点处液体的压强大小。测压孔处液体的位压头则由测压孔的几何高度决定。 5. 当测压孔由上述方位转为正对水流方向时，测压管内液位将因此上升，所增加的液位高度，即为测压孔处液体的动压头，它反映出该点水流动能的大小。这时测压管内液位总高度则为静压头与动压头之和，我们称之为“总压头”。 6. 任何两个截面上位压头、动压头、静压头三者总和之差即为损失压头，它表示液体流经这两个截面之间时机械能的损失。 实验装置(如图2.1) 试验设备由玻璃管、测压管、活动测压头、水槽、水泵等组成。活动测压头的小管端部封闭，管身开有小孔，小孔位置与玻璃管中心线平齐，小管与测压管相通，转动活动测压头就可以测量动、静压头。 管路分成四段，由两段不同直径的玻璃管所组成。中间相对较粗管段的内径约为34毫米，其余部分的内径约为13毫米。第四段的位置，比第三段低约5毫米，阀A供调节流量之用。 4 图2.1 柏努利演示实验装置 实验操作 1. 关闭A阀，旋转测压管，观察并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 个测压管中的液位高度H。 2. 开动循环水泵，开阀A至一定大小，将测压孔转到正对水流方向及垂直水流方向，观察并记录各测压管相应的液位高度H1。 3. 不改变测压孔位置，继续开大A阀，观察测压管液位变化。并记录各测压管液位的相应高度H2。 记录 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 操作 测压点次别及1 2 3 4 5 6 测压孔轴线H值 阀A 方向 1 H 关 任意 正对水流 2 H 开 1与水流方向 垂直 正对水流 3 H 再开大 2与水流方向 垂直 5 思考题(要求在实验 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 上写出答案) 1. 关闭A阀，各测压管旋转时，液位高度有无变化,这一现象说明什么,这一高度的物理意义又是什么, 2. 当测压孔正对水流方向时，各测压管的液位高度H的物理意义是什么, 3. 为什么H,H1(对同一点而言),为什么距离水槽越远，(H-H1)的差值越大,其物理意义是什么, 4. 测压孔正对水流方向，开大阀A，流速增大，动压头增大，为什么测压管的液位反而下降, 5. 将测压孔由正对水流方向，转至与水流方向垂直，为什么各测压管的液位下降,下降的液位代表什么压头,2、3两点及4、5两点各自下降的液位是否相等,这一现象说明了什么, 6 实验三 雷诺数的测定与流型观察 实验目的 1. 观察流动类型，测定并计算临界雷诺数Re; 2. 观察速度分布。 基本原理 1. 流体在管内流动时，一般情况下，不是处于滞流(层流)就是处于湍流(紊流)状态。滞流时，流体质点运动互相平行，不同流体层间的质点彼此不发生穿插混合。湍流时，流体质点向各个方向作不规则运动，但流体主体仍向某一规定方向流动。判定流型的准数称为雷诺准数，以Re表示。圆直管中，Re,2000时属于层流;Re,4000时则属于湍流。Re在2000至4000之间时，流动处于一种过渡状态，可能为层流，也可能为湍流，或是二者交替出现，为外界条件所左右。一般情况下把滞流变为湍流的临界情况的Re称为上临界Re数。而把由湍流变为滞流的临界情况的Re称为下临界Re数。二者一般是不相等的。Re以下式表示: ,duR,e, 因为流体的粘度和密度与流体的温度有关，所以在测定Re数的过程中，还必须知道流体的温度，流体在管道内流动，若已知d、ρ、μ，则测定出由滞流变为湍流时的临界速度即可计算出临界雷诺数Re的值。 实验观察过程中，影响流动状态的因素很多，入口条件、有无振动现象、流量计调节速度快慢等都会对流体流动造成影响。 2. 流体进入圆管，以均匀一致的速度u流动，由于流体粘性的影响，相邻的流体层间产生摩擦力，使流体流动速度发生变化，在垂直流体流动方向产生速度梯度du/dy，从而形成速度分布。层流时速度分布为抛物线，湍流时则为指数曲线(顶部较平坦)。实验时，通过红墨水示踪，即可观察到不同的流动型态。 实验装置(如图3.1) 7 图3.1 雷诺数实验装置 如图所示，，实验时水由高位水槽1进入实验玻璃管，水量由C阀控制，槽内设有进水稳流装置2及溢流装置3，以维持液面平稳恒定，多余的水由溢流管4排出，以保证C阀开度不变时通过实验管的水流量不变，即稳定流动。 实验操作 1. 打开阀C，水由高位槽进入实验管5，经转子流量计6排出。由转子流量计读出通过实验管的流量。 2. 用阀B控制高位墨水瓶7的墨水注入量。 装置前面附有算图，可以由流量计的读数以及水温直接查知所测的雷诺准数。这样由玻璃管观察流动状态的同时就可知道管内雷诺数的大小。 8 实验四 管内流体流动阻力的测定 实验目的 1. 测定液体在直管内流动时的摩擦阻力，并确定管路一定时摩擦系数与雷诺数之间的关系; 2. 熟悉压力的测量及转子流量计的构造及使用; 3. 学会在双对数坐标纸上标绘λ与Re的关系曲线。 基本原理 流体在管路内流动时，由于存在摩擦阻力，须克服内摩擦力作功，损失一部分能量。流体阻力可分为直管阻力与局部阻力两类。流体通过直管的阻力可用下式计算: 2lu,,hfd2g 将此式写为压头的形式: 2,Plu,,,hf gd2g, ,p,,h,g,h式中 ，为压力计的压差(m水柱)。 l在一定的管路中，测定两点间的压强差，在已知、d、ρ、u的情况下，利用上两式即可求 ,,出摩擦系数。变换流速，测出不同Re数下的摩擦系数，得到某一相对粗糙度时该段管路~Re的关系。 64ee,,d,d,Re 为Re与的函数，即=f(Re，)。在滞流时，与Re无关，对圆管而言，; e,d在湍流时摩擦系数与Re及都有关。 ,当Re=3000~100000时，光滑管内与Re的关系可用下式表示: 9 0.3164,,0.25Re e,d在完全湍流区则与Re的大小无关，只受的影响。 实验装置(如图4.1) 实验步骤 1. 熟悉实验装置及 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 ，观察倒U型压差计与管道的连接状况及测压点在管道上的位置。 2. 关闭B、C、D阀(A阀不动)，启动电泵，利用倒U型压差计上的放气夹和阀D调节压差计的液柱高度，近似稳定在压差计的中间偏上一点的位置。打开阀C，观察转子流量计流量最大时，压差计中的液位高低是否适当，直至调至适当位置为止。 3. 逐渐开启B阀，在小流量计量程范围内，由低到高读取不同流量下压差计左右两边液柱高度。 图4.1 流体流动管路阻力实验装置 10 4. 关闭B阀，逐渐开启C阀，调节大流量计，读取由低至高不同流量下，压差计左右两边 液柱高度。 5. 实验做完后关闭B、C阀，停止电泵，用温度计测水槽内的水温。 数据整理 铜管内径 d=0.013m 铜试验管长 L=1.2m 水温 t = 水的密度 ρ= 水的粘度 μ= ,1. 将及Re的计算结果列成表格: 液压 的计算 差计高度流量 流速u 序差 号 h u L/h m/s ?R 1 2 3 ,2. 在双对数坐标纸上标绘与Re的关系曲线。 e,d3. 根据随Re变化情况，分析测定所用直管的范围。 4. 思考题: 本实验为什么采用倒U型压差计,还有什么压力计可以在本实验中应用, 11 实验五 离心泵性能实验——离心泵特性曲线的测定 实验目的 1( 熟悉离心泵的结构与操作; 2( 测定一定转速下离心泵特性曲线; 3( 学习离心泵特性曲线的应用。 基本原理 在一定转速下，离心泵的压力H、轴功率N及效率η均随实际流量Q的大小而改变，通常 用水做实验测出H~Q、N~Q、及η~Q之间的关系，并以曲线表示，称为泵的特性曲线。 泵的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。 如果在泵的操作条件和选用离心泵的重要依据。 如果在泵的操作中，测得其流量Q，进、出口的压力和泵所消耗的功率(即轴功率)，则可 求得其特性曲线。 1( 泵的压头H : 由动力学方程可知: 22H=h+H+H+(u-u)/2g+Σh 021211-2 由于两截面间管路很短，Σh可忽略不计，若吸入管与压出管管径相同，则u1=u2，上式可1-2 简化为: H=H+H+h 120 式中:H——泵出口处压力表读数，以mHO柱(表压)计; 22 H——泵入口处压力表读数，以mHO柱(真空度)计; 12 h——压力表与真空表之间的垂直距离，本实验装置为0.5m。 0 当测得各点流量和对应压力表及真空表读数即可作出H~Q曲线。 2(N~Q曲线 表示泵的流量Q和轴功率N轴的关系 本实验中不能直接测出轴功率，而是用瓦特计测得电机的输入功率: N=N×η×η 轴电电传 12 式中:N——电动机的输入功率(kW); 电 η——电动机的效率(无因次); 电 η——传动效率(无因次)。 传 由于η电缺乏曲线关系，本实验实际测定的是N~Q的关系曲线。 电3(η~Q曲线 表示泵的流量Q和η的关系。 泵的效率η为泵的有用功率Ne和轴功率N之比。 轴 η=QHρ/102N 轴 由于本实验没有测出轴功率，实验测出的是电机的输入功率N电，所以本实验只能测出η 总~Q的关系曲线。 η为泵和电机整套装置的总效率。 总 η=Ne/ N 总电 η= QHρ/102N 总电 当测出泵各点的流量和对应的电机的输入功率N并计算出各点泵的扬程时，即可作出η电总 ~Q曲线。 实验装置(如图5.1) 图5.1 离心泵性能实验装置 实验步骤 13 1 了解设备熟悉流程及所用仪表，特别是瓦特计，要学会使用的方法。 2 检查轴承的润滑情况，用手转动联轴节，视其是否转动灵活。 3 打开泵的灌水阀及出口阀，向泵内灌水至满，然后关闭阀门。 4 调节压差计:首先开启电钮使泵运转，慢慢打开泵的出口阀，旋开双管压差计的放 气阀及平衡阀，放出气体后，关闭放气阀及平衡阀，再关闭泵的出口阀门，检查压 差计左右两臂是否相平，否则应重新放气。 5 用泵的出口阀门调节流量，从零到最大或反之，取8~10组数据。 数据处理 1(原始数据表 孔板瓦 压差特压力表 真空表 序备计 计 号 注 kgf/cm2 kgf/cm2 mmHg kW 1 2 3 4 5 6 2(整理数据表 H1 H2 H Q Ne η 序 号 mH2O mH2O mH2O m3/s kW % 1 2 3 4 5 6 3(在方格坐标纸上绘出离心泵的特性曲线。 4(标出适宜工作区及最佳工作点。 讨论 14 1(为什么开泵前要先灌满水,开泵和关泵前为什么要先关闭泵的出口阀门, 2(为什么流量越大，入口处真空表的读数越大,离心泵的流量可以通过出口阀门调节， 往复泵的送液能力是否也可以采用同样的方法，为什么, 15 试验六 离心泵汽蚀、气缚的演示实验 实验目的 1.观察离心泵汽蚀、气缚现象 2.了解汽蚀、气缚现象产生原因及其防止方法 基本原理 1( 气缚现象: 离心泵靠离心力输送液体。离心力大小，除与叶轮直径及叶轮旋转速度有关外，还与流体重度有关。若离心泵启动时，泵壳内存在大量空气，则由于空气的重度远远低于液体的重度，叶轮旋转所造成的离心力也很小，导致泵入口与水池液面间的压差太小，不能把水池内液体抽压到叶轮中心，就会发生离心泵空转却送不出液体的状况，这种现象称“气缚”。所以，离心泵若安装在液面上方时，启动前必须先使泵体及吸入管路中充满液体(所谓“灌泵”)。同时，在运转过程中也要防止外界空气大量漏入，以免产生气缚。 2(吸上真空高度及汽蚀现象: 离心泵之所以能吸取液体，是由于泵的叶轮旋转时，将液体抛向外沿，而中心形成真空，而贮槽液面上的压力却为大气压，因此，泵就依靠此压差将液体压入泵内，如果输送的是水，并设叶轮进口处为绝对真空，管路阻力为零，液面上为一个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 大气压，那么最大几何吸上高度也不超过10.33米。 图3.7 离心泵吸上真空度 参照图3.7，列0~0，1~1截面间柏努利方程式: 16 2ppu011,,(，Z，,h)sf0,1,,gg2g ? 式中Zs为几何安装高度。 p,p01,HsH,gs设: ，为吸上真空高度，则 2p,pu011H,,，Z，,hssf0,1,2gg ? 由此可知，P1愈小，Hs愈大。但当P1低达PV(输送液体的饱和蒸汽压)时，液体就要汽化，就产生汽蚀现象，使泵无法工作，所以对P1的降低幅度应有限制。由上式可见，P1随着泵的几何安装高度Zs提高而降低，故最终应对泵的几何安装高度加以限制。在离心泵的铭牌(性能表) ,hHs允许允许上一般都列有允许吸上真空高度 和汽蚀余量，二者均是对泵的安装高度加以限 ,hHs允许允许制，以避免汽蚀现象发生。如果知道或之一，则其允许几何安装高度可由下式计算: 2u1Z,H,,,hsf0,1允许s允许2g ? p,pavZ,,,h,,hsf0,1允许允许,g或 ? 如果所输送的液体温度、重度、大气压与铭牌上规定不符，应参照有关规定校正。 实验装置(如图6.1) 操作步骤 (一) 汽缚现象的观察: 1(当泵内没有充水时，开动泵，观察能否打出水。 2(打开阀A使泵注满水，开动泵，观察能否打出水，然后微微打开阀B，漏入空气，观察 现象。 17 (二)汽蚀现象的观察: 欲发生汽蚀，由?式可知，须使方程中的P1降低，可通过增大入口u1或提高Zs，但本装置要实现这些存在技术上的困难。为了观察汽蚀现象，我们可以关小阀门C(或开大出口阀,)， ,hf0,1通过增大吸入管阻力，降低P1来实现。 当逐渐头小阀门C，由真空表上看到Pc不断下降(即真空度不断增加,读数增大)，当下降到一定压力时，就可观察到由大量汽泡充入泵体，当汽泡达到高压区时被压破。此时压力表指针明显不稳，泵体震动，发出噪音。泵的流量，扬程显著下降，说明汽蚀现象已发生。此时，再不能关小进口阀，否则会造成泵的损坏，操作应特别小心。当开大阀门，随着真空表压力升到一定大小时，离心泵运转又恢复正常。 思考题 在进口阀开度不变的情况下，开大出口阀,，能否出现汽蚀,为什么,此时真空表读数如何变化,压力表读数时增大还是减小,为什么, 图6.1 离心泵汽蚀、气缚实验装置 18 试验七 传热实验 实验目的 1(测定空气在圆形光滑直管中作湍流流动时的对流传热系数α; n2(根据对流传热系数α整理出传热准数关联式Nu=BR，并与传热的经验公式e0.80.4Nu=0.023RePr相比较。 3(学会整理这一类实验数据的技巧。 本实验有电加热和蒸汽加热空气进行传热两种实验装置。现分述如下: 电加热空气的对流传热系数的测定 实验原理: 本实验为空气在电阻丝加热的铜管(铜管的规格为:φ22×2.1)内强制流动。实验目的是测定铜管内壁与流过空气间的给热系数。在铜管的某一载面上，空气的温度为t ，铜管壁面温度为Tw ，则传热速率为Q=αA(Tw-t) ，α即为该截面上的给热系数。但在测定空气通过一定长度管道的给热系数时，因空气的温度和壁面的温度都沿空气流动方向在改变，所以给热系数为平均温度下的平均给热系数(传热速率为Q=αAΔtm)。由于铜的导热系数很大，壁温可近似看作不变。若测出进出这段铜管的温度t 进、t出并测定铜管的壁温Tw，即可求出对数平均温度差。 t,t出进,t,mT,tw进lnT,tw出 根据牛顿冷却定律，在传热达到稳定后，则根据此式即可求出: VρCtt(,)p出进,,AΔtm 测出空气的体积流量V，已知管径d内和管长L，可求出A,πd内L从而求出一定流量下 duρR,eμ的给热系数α。同时可计算出: ，改变流量，可得不流量下的α和Re，根据不同流量下的α可计算出: 19 α，d,Nuλ duρR,eμ nN,BRue 0.80.4N,0.023RPuer 实验装置(如图7.1) 实验步骤 1(先合上电加热系统的闸刀，开始加热铜管，电压用调压器控制，并调控温仪在80?，当保温层内加热到热平衡时，即可测定数据; 2(启动鼓风机，调节转子流量计，在转子流量计的量程范围内测 6~7组数据; 图7.1 传热(电加热)实验装置图 3(在每组数据的测量时，待其稳定3~5分钟，再读取数据，每次读数时都应按控温计某一指示灯(一般规定为白灯)刚变化时数据为准，以消除部分误差，读取数据时要认真作好如下记录: 流量 Tw t进 t出 P表 次序 流量计读数 换算后 1 2 3 4 20 5 6 4(实验结束后，先关闭转子流量计阀门及控温仪开关，然后拉下风机及加热系统的电源闸刀，并检查有无异常现象。 数据整理及实验报告 (1)根据各组数据求出Re、Nu。 t，t出进 2求:Re、Nu时Cp、μ值根据查出，ρ需根据温度、压力进行校正。 求Re时: (P，P/2)，273PTa表21,,,,1.29321t，tPT进出12760(273，)2 求α时: )273(Pa，P，PT表211.293,,,,21760(273)PT，，t12进 (2)用图解法求出Nu=BRen中的n及B，即在双对数坐标纸上以Nu为纵坐标，Re为横坐标，作出一条直线，该直线的斜率即为n，截距即为B。(斜率应用尺量)。 0.80.4由于传热经验公式Nu=0.023RePr中空气的准数Pr可查出，由此可根据B标出系数，求 0.4出B/ Pr与0.023比较，同时校核n是否为0.8 。 蒸气加热空气传热系数的测定 实验原理 基本原理与一同。本实验装置是在套管换热器中，内管通空气，环隙通水蒸汽。水蒸汽冷凝放出的热量使空气加热(内管的管壁为传热间隙)，在传热达到热平衡后，有如下关系式: VρCp(t-t)=αAΔt 出进内内m α内= VρCp(t-t)/ AΔt 出进内m 21 式中:V 空气体积流量 V=0.001233R/P(R为孔板流量计的压力差) 空 ρ为空气的密度(kg/m3) 此处的ρ要根据进、出口的温度及压力进行换算，换算分式为: )273(Pa，P，PT表211.293,,,,21760(273)PT，，t12进 t，t出进 2Cp 空气的平均比热，由定性温度之值查出。 Δtm—内管壁与空气的对数平均温度差(?) t,t出进,t,mT,tw进lnT,t出进 其中:t出为空气出换热器的温度(?); t进为空气进换热器的温度(?); Tw为内管的壁温(?)。 以上三个温度均用热电偶测量，由Vj_36 型电位计求算。 当热电偶自由端为0?热电偶热端的温度用Et~t 曲线图查出或由下式求算: -5-41.557，10，1.608，10，Ett,,490，852-58.04，10t= A内—内管内表面积(m2) A内由换热管长L=1.224m和管径d=18mm求算。同时可求出相应的Pr、Nu准数，此处ρ 需校正。 (P，P/2)，273PTa表21,,,,1.29321t，tPT进出12760(273，)2其校正公式为: 22 dαCpμ内内N,P,urλλ ， 流体在圆直管内作强制湍流时给热关系式为: 0.80.4N,0.023RPuer (公式当Re,100000， 0.7,Pr,120 L/d,60时适用 ) 实验设备(如图3.10) 实验装置是用两根套管换热器组成，其中一根内管是光滑管，另一根内管是螺旋槽管(详见附图)。空气由风机送，经圆形喷嘴孔板流量计，风量调节阀，再经套管换热器排向大气。 图3.10 传热(蒸汽加热)实验装置图 操作步骤: 1(作好热电测温的准备工作(电位计调零); 2(打开蒸汽阀11，通入蒸汽。并打开排气阀12，不断排除不凝性气体，当有水蒸汽喷出时即关闭。调节阀11，使蒸汽压力稳定在0.5公斤(力)/厘米2。 3(启动风机1，调节阀3，使风量由小到大变化，在流量变化的整个可测幅度内读出6个数据，每次在传热稳定后测出下表中的有关数据。 4(实验结束，关闭蒸汽、风机，拉下电闸并检查仪表是否完好。 23 实验报告 (1)根据所测数据，进行整理，在双对数坐标纸上以Nu为纵坐标，以Re为横坐标，作出Nu~Re图线; nN,BRue(2)从所作图(直)线，找出关系式并与给热关联式相比较; (3)将光滑管与螺旋管的结果进行对比分析，提出实验结论。 序号 进口空气温度 出口空气温壁温 空气流量 空气蒸汽 度 压力 压力 mv ? mv ? mv ? 孔板压差流量 mmHg mmH2O (m3/s) 24 试验八 板式精馏塔的操作及塔板效率实验 实验目的 1(了解筛板式精馏塔的结构; 2( 熟悉筛板式精馏塔的操作方法; 3( 测定全回流时的总塔板效率。 基本原理 在板式精馏塔中，混合液的蒸汽逐板上升，回流液逐板下降，气液两相在塔板上接触以实现传质，以达到分离的目的。如果在每层塔板上，离开塔板的液体组成与蒸汽组成处于平衡状态，则该塔板称为理论板。然而在实际操作的塔中，由于接触时间有限，气液两相不可能达到平衡，即实际塔板达不到一块理论板的分离效果，因此精馏塔所需要的实际板数总比理论板数多。对二元物系，全回流时，根据塔顶、塔底气液组成可求出理论塔板数。理论塔板数与实际塔板数之比即为塔的总板效率E 。数学表达式 E,NNt为: 实验装置 ,2mm,57mm 实验装置为一小型筛板塔，共有七层塔板，板上开有筛孔12个，塔径为，板间距68mm。塔底有一加热釜，装有液位计、温度计、U型管压差计、加料接管和釜液取样考克。塔顶为一蛇管式冷凝器。冷凝液可全部回流，也可由塔顶取样管放出。 另外，加热釜装有2千瓦电炉丝，可由调压器控制加热量(如图8.1)。 实验方法 231(先检查加热釜中的料液量是否适当(应为液面计的高左右)。釜内料液组成以含20%(重量%)左右的酒精水溶液为宜。 2(接通电源，慢慢旋转调压器把手，使电流由小到大，电流大小由安培表指示，正常操作可控制在3~4安培。 注意观察塔顶、塔釜的温度变化和塔顶第一块塔板的情况，当上升蒸汽开始回流时，打开冷却水阀，其用量能将酒精蒸汽全部冷凝下来即可。但要注意勿要因冷却水过少而使蒸汽从塔顶喷出。当塔顶气液鼓泡正常，操作稳定，且待塔顶、塔釜温度恒定不变后，即可开始取样。 3(分别由塔顶取样管和釜底取样考克用锥型瓶接取适当试样，取样前应先取少量试样将锥型瓶冲 25 洗一、二遍。取样后用塞子将锥型瓶塞严，防止其中酒精挥发，并使之冷却，用比重天平称出比重，并由酒精组成~比重表查得酒精重量百分浓度。 数据处理 根据实验所得数据计算精馏塔在一定空塔气速下的总板效率。 表一 实验数据记录表 温度 塔顶样品 塔底样品 塔内压强， 塔顶，? 塔釜，? 比重 摩尔% 重量% 比重 摩尔% 重量% mmHO2 总板效率E= 附: 比重天平 实验过程中液体的比重是利用液体比重天平来测量的，这里简单介绍它的原理和使用方法。 比重天平有一个有标准体积和标准重量的测锤，事先可在上调至平衡。当它浸没于液体中时，由于受到浮力而使横梁失去平衡。此时可在横梁的V型槽里放置相当重量的骑码，使横梁恢复平衡，从而可求出液体比重，比重天平结构如图3.11所示。 1-平衡调节器;2-横粱;3-托架;4-重心调节器; 5-玛瑙刀架;6-支柱紧定螺钉;7-玻璃量筒;8-测锤 26 图3.11 比重天平 使用方法:先将测锤(8)和玻璃量筒用纯水或酒精洗净。再将支柱紧固螺钉(9)旋松，将托架(3)上到适当高度。横梁(2)置于托梁的玛瑙刀架(5)上。用等重砝码挂于横梁右端的小钩上。调整水平调节器(1)上的小螺钉松开，然后略微转动平衡调节器直至平衡为止。将等重砝码取下，换上测锤，然后将待测液体倒入玻璃量筒(7)内，使测锤浸入待测液体中央。由于液体浮力使横梁失去平衡，在横梁V型刻度槽与小钩上加放各种使之平衡，在横梁上骑码的总和即为所测液体的比重的值。 表二 比重天平读数方法 放在小钩上与V型槽砝码重 1克 100毫克 10毫克 1毫克 V型槽上第1位代表的数 0.1 0.01 0.001 0.0001 V型槽上第9位代表的数 0.9 0.09 0.009 0.0009 V型槽上第8位代表的数 0.8 0.08 0.008 0.0008 表三 乙醇~水(101Kpa)的平衡数据 液相 0 1 4 8 14 18 20 25 乙醇 气相 0 11.0 27.3 39.2 48.2 51.3 52.5 55.1 摩尔% 液相 35 40 50 60 70 80 85 89.4 乙醇 气相 59.5 61.4 65.7 69.8 75.5 82 85.5 89.4 摩尔% 27 图8.1 筛板式精馏塔示意图 28 试验九 吸收实验 实验目的 1(熟悉填料吸收塔的构造和流程; 2(测定在一定操作条件下，用水吸收空气中的氨的气相体积传质总系数Ka。 y主要设备和流程(如图9.1) 本实验流程如图9.1所示，空气由鼓风机1供给，NH由钢瓶经减压阀后进入缓冲器28，空3 气由空气缓冲器经转子流量计4计量后再与NH混合进入D=0.1m填料塔6，塔内充有12×12×13 (mm)的陶瓷环填料，填料层高为0.825m，吸收剂水经转流量计18计量后自塔顶喷洒而下。在塔内，上升的NH与喷洒而下的水逆流接触，氨大部分被吸收，尾气从塔顶排出，吸收液从3 塔底排入下水道。 图9.1 吸收实验流程示意图 吸收系数的测定原理 本实验系用水吸收混合在空气中的氨。氨为易溶气体，所以此吸收操作属于气膜控制。由于混合气中氨气浓度很低，吸收的溶液浓度也不高，气液两相平衡关系，可以认为符合亨利定律。 吸收系数的测定是根据下式: 29 G(yy),bah,0KaΔyym (,)Gyyba,KayhΔy0m 式中:Kya—以Δy 为推动力的气相体积总传质系数(kmol/m3.s); G—混合气体通过塔任一截面的摩尔流率(kmol/m2.s); yb—浓端混合气体中NH3的摩尔分率; ya—稀端混合气体中NH3的摩尔分率; Δym——浓端与稀端的推动力的对数平均值。 (1) 求算G G=G+G 空气氨 'VrPPT1氨12空0G,氨PrTTS22.4012氨 VTPP1空012G,空PTTS22.4012 V'—氨气转子流量计读数换算成m3/s; 氨 V—空气转子流量计读数换算成m3/s; 空 T0、P—标准状态下温度(273K)、压力(绝压:760mmHg); 0 T、P—标定的温度(293K)、压力(绝压:760mmHg); 11 T、P—计前温度(K)、压力(绝压mmHg); 22 G—氨气通过塔任一截面的摩尔流率(kmol/m2.s); 氨 G—空气通过塔任一截面的摩尔流率(kmol/m2.s); 空 30 r—标准状态下空气重度(1.2928kg/m3); 空 r—标准状态下98%氨气重度(0.7810kg/m3); 氨 S—塔截面。 (2) 求算y b G氨,ybG (3) 求算y a y 由尾气分析求得。由于尾气氨的浓度很低，所以: a PVNT0331,,22.1()yYaa'TPV01 V—加入吸收器硫酸溶液体积(mL); 3 N—硫酸溶液当量浓度(N); 3 V„—湿式气体流量计所测体积(mL); T、P—湿式气体流量计温度(K)，压力(mmHg); 11 T、P—标准状态温度(273K)，压力(绝压:760 mmHg)。 00 (4)求算Δy m Δy,Δyba,y,mΔyblnΔya 式中:Δy=y-y* —塔顶气相总推动力; aaa Δy= y-y* —塔底气相总推动力。 bbb ?x=0， ?y*=0 aa y*=m x， bb 31 G(y,y)bax,，xbaL Em,P 2L—溶液通过塔任一截面的摩尔流率(kmol/m.s); m—相平衡常数; E—亨利常数; P—塔内总压 =大气压强+塔顶表压+1/2塔内压差(大气压)。 操作步骤 3(1)打开鼓风机1，调节阀2，使转子流量计的浮子稳定在20~30m/h的某一读数。 (2)开进水阀，流量调至最大，全部湿润填料，然后再调小流量，使示值稳定在80~90L/h 的某一读数。 (3)往尾气吸收器13内装入一定当量浓度的稀硫酸Vs=2mL，加入甲基红指示剂1~2滴， 然后用蒸馏水冲洗吸收管壁，至液面达到刻度线为止，然后接入尾气管。 (4)当其它准备就绪后打开氨气钢瓶顶阀24，然后再缓缓调节弹簧使压力表26指示到 230.5~0.8kg/cm左右，再调节转子流量计30，使示值稳定在0.8~1.2m/h的某一读数。 (5)当气、液相稳定一段(约1~2分钟)时间，打开阀12使被测尾气均匀鼓泡通过吸收 液，记下湿式流量计起点，吸收液由红变黄，即关尾气和氨阀，读取湿式流量计终示值。 (6)喷淋密度不变，提高空气流量，以改变塔内气流流量，相应地调节氨气流量 使混合 气体浓度大体上不变，重复上述实验1~2次(一般重复一次)。 实验数据记录(见下表) 实验报告 整理数据，计算不同气速下的Ka，并进行比较。 y 注意事项: 1(调节转子流量计阀门应缓慢，以免损坏转子流量计的玻璃锥管和浮子等元件。 32 2(应稳定一段时间后再读取数据，有关数据应同时读取。 3(调节氨减压阀不可太猛，以免氨气冲出。 4(发生设备故障或操作不正常时，应及时报告指导教师。 附:数据记录表 项目 次数 1 2 3 3流量计示值(m/h) 空计前表压(mmHg) 气 温度(?) 3流量计示值(m/h) 氨计前表压(mmHO) 2气 温度(?) 水 流量计示值(L/h) 尾湿式流量计读数(L) 气 塔顶表压(mmHO) 2 塔顶底压差(mmHO) 2 实验气压:————————— 33 试验十 填料塔流体力学特性实验 实验目的 测定气体通过干、湿填料塔的压力降，进一步了解填料塔的流体力学特性。 设备流程(见吸收实验，图9.1) 实验原理 填料塔流体力学特性包括压力降和液泛规律。计算填料塔所需动力时，必须知道压降的 大小。而确定吸收塔的气、液负载时，则必须了解液泛的规律，所以测量流体力学性能是 吸收实验的一项重要内容。 气体通过填料塔时，由于局部阻力及摩擦力而产生压力降。 (1)当气体通过干填料时，气体的压力降仅与流速有关。在双对数坐标纸上标绘可得, 1.8~2?P~u的关系曲线为一直线，其斜率为1.8~2，即,?P?u的关系(如图所示L0直线)。 0 (2)当塔内有液体喷淋时，气体通过填料的压力降不但与气体的流速有关并且与液体的 32喷淋密度(m/m.h)有关，在一定的喷淋密度下，在双对数坐标纸上标绘得,?P~u0的关 系为一折线(如图L、L曲线)。折线表明:随着气速的增加，?P~u的关系也逐渐变化，120 并且在不同的空塔气速范围内有不同的变化规律。折线可以分为以下几个阶段: a(气速较小时，?P~u的关系曲线几乎和L=0线相平行，但在干塔线上面。 0 b(当气速增加到A点时，填料的持液量增加了，并且逐渐积聚起来，占据一部分自由空间而减少截面积，使压力降突然增加，线上出现A点，称为载点，相应的气速称为载点气速。 c( 气速再继续增加，塔内的持液量也不断增加，当达到B点时，此时可以观察到塔内液体全部充满填料空隙。同时还看到填料顶部出现鼓泡层，进而充满整个塔，这时液相成为连续相，B点称为液泛点，相应气速称为液泛气速。再增加气速，?P急剧上升，?P~u的关系曲0线接近垂直。 34 载点A，泛点B在生产操作中是一重要控制因素，一般操作气速低于泛点气速，在载点与泛点之间。 实验步骤 1(首先全开叶氏风机的旁通阀2，然后再启动风机(停风机前也应全开旁通阀)，这是因为风机突然开动或突然停止，都会使系统内气速突然变化，致使冲掉压力计指示液或损坏转子流量计。 2(往排液管内充水，然后关小旁通阀到一定开度，维持空气缓冲罐3内一定压力(以转子流量计中转子能稳定在最大值为准)，再调阀32，从小到大均匀取10~12点，至流量计最大读数 3为止。(一般5m/h 取一点)，每改变一点儿待稳定一会，再同时读取流量计读数、计前压力、温度和塔压差。 3(开启进水阀17，水由塔顶进入塔顶进行喷淋，流量调至70~90L/h的某读数不变(即固定喷淋量)。然后调节阀32，使进塔空气量由小到大均匀取点，每改变一次气量，读取有关数据，并观察填料层内气液流动状况，直至液泛现象明显地出现为止。 4(关闭阀32，使塔内液体流完，改变喷淋量，重复1~2次以上实验。 数据记录和整理 序空气流空气温空气压差塔压差计喷淋密度空塔气速塔内压降喷淋量 32号 量度(?) 计(mmHg) (mmHO) (m/m.h) (m/s) (mmHO/m) 22 (L/h) (m3/h) (1)被测气体的温度、压力与标定转子流量计流体状况不同时，应按下式修正转子流量计的流量。 PT12V,V21PT21 重度、压力改变时应按下式修正: 35 rPT112V,V21rPT221 V—修正后的气体实际流量; 2 V—转子流量计示值; 1 3 P、r、T——转子流量计标定时空气的压力、重度、温度。(P=760mmHg，r1=1.2kgf/m，111 T1=293K) P、r、T——被测气体的压力、重度、绝对温度。 222 (2)按上表整理后在双对数坐标纸上，纵轴表示填料压力降,?P/z(毫米水柱/米填料)，横 轴表示气速u，描绘?P~u关系曲线。 00 36 试验十一 板式塔演示实验 本装置是将不同类型的塔板，组装在一个透明的有机玻璃塔体内以便观察各种类型塔板构造及气体、液体在塔板上接触的情况。 装置如图11.1所示，塔板有五块，从下到上分别为:舌形塔板、浮阀塔板、泡罩塔板、筛板塔板、浮舌塔板。水经转子流量计后自塔顶喷淋而下，空气经叶氏鼓风机由塔底送入。 舌形塔操作时，气体通过塔板舌孔，其水平分力推动液体流动，因此板上液面落差小，液层薄，压力降小。另外气流成倾斜方向喷出有利于减少雾沫夹带，但气速低时会产生漏液。 浮阀塔操作时，塔板上浮阀升起，气体从阀片和阀孔之间鼓泡穿过液层。气速高时，浮阀全部升起，升起的最大高度是由阀脚钩住塔板来限制的，气速降低时，浮阀忽升忽降，或一部分升起，一部分浮阀降至最低位置，气速再低时全部浮阀处于最低位置，并有少量漏液，所以浮阀可以根据气量大小来调节气流通过流通截面。 泡罩塔板操作时，泡罩的一部分被塔板上的泡沫所淹没，气体则从升气管上升，流经升气管和泡罩之间的环形通道，再从泡罩下侧所开的齿缝中吹出，最后进入板上的液层鼓泡传质。当气速很低时，也不会漏液。 筛板塔操作时，气体穿过筛孔在板层鼓泡传质。当气速小时，出现漏液，气速很低时会有大量液体从上块塔板筛孔流入下一块塔板。 浮舌塔的塔板是结合浮阀塔和舌形塔的长处发展起来的新型塔板，当操作时，浮舌随气体负荷改变自动调节气体通道面积，其气液接触情况与舌形塔相同，所以既强化了气液传质效果，又减小因气速小而出现的漏液现象。 对以上各种类型塔板构造、优缺点及适用情况参看教材。 演示开始时，先由塔顶供水，淋湿各层塔板，并使塔底液封管充满水，接着启动风机，把风量调到一定量，使每块塔板处于较正常操作状态，观察每层塔板上气、液流动情况及气液接触情况。 改变进塔气液量，观察漏液和雾沫夹带现象。(由于每块塔板操作范围不同，在同一气液量条件下，某一块塔板操作不正常而另一块塔板也许操作正常。实际生产设备每层塔板相同就不会出现这种情况。)演示完毕停风机，关闭水阀，排空塔内积水。 37 图11.1 板式塔演示实验装置图 38 试验十二 干燥实验 实验目的 1(了解常压干燥器的工作原理; 2(掌握干燥速率曲线的测定方法; 3(测定比例系数。 基本原理 1(干燥过程: 当物料与干燥介质接触时，物料表面的水分开始汽化，并向周围介质扩散。由于物料表面水分的汽化造成物料内部与表面存在温度差，使物料内部的水分逐渐向表面扩散。干燥过程中，水分的表面汽化与内部扩散是同时进行的。在恒定条件下的干燥过程可分为两个阶段。 第一阶段为等速干燥阶段。过程开始时，物料较潮湿，其内部的水分能迅速地到达表面，干燥速率为物料表面水分汽化速率所控制，故此阶段称为表面汽化控制阶段。此时干燥过程的影响因素为干燥介质的状况，如气流速度、温度、湿度等。当物料到达临界湿含率后，就进入降速干燥阶段。这时物料所含的水分不多，水分不能及时扩散到表面，干燥速率主要为水分内部扩散速率所控制，故亦称为内部扩散控制阶段。影响该过程的因素主要是物料结构、厚度、湿度，而与周围介质的性质没有关系。 2(干燥速率: 干燥速率为单位时间内，在单位干燥面积上汽化的水分质量，即: GdXC,uAd, 式1 式中: 2kg(ms)u 为干燥速率，; GC 为试样的绝干质量，kg; 2mA 为干燥面积，; 39 X 为干基含水率，无因次; , 为干燥所需时间，s; 对应干燥两阶段，恒速阶段内，干燥速率为一常数，而降速阶段内，干燥速率不断下降。 3( 干燥速率曲线的绘制: 干燥速率与对应的物料含水率的关系绘成的曲线称为干燥速率曲线，如下图。 由图可知，干燥可分为第一阶段:恒速阶段BC和第二阶段:降速阶段CE。虽然对不同物料而言，降速阶段曲线形状可能会不同，但只要物料含有非结合水分，一般总存在有两个不同的阶段。 dXd,,X,,,,实验中无法测出 ，只能用来代替，即测定不同时间间隔 内物料含 ,X水率的变化来求干燥速率。 KX 4(比例系数的确定: 当缺乏实验数据时，常用简便的近似方法，即用连接临界点C与平衡含水率E的直线来代替实际的干燥速率曲线，也就是假设降速阶段的干燥速率与物料中的自由水分成正比，即: GdX*CU,,K(X,X)X,Ad 式2 UCkgK,X*2X,XK(ms)CX,X式中 为以为推动力的系数，;即CE线(虚线)的斜率，。 KX将的表达式代入式2，可得: *X,XU,UC*X,XC 式3 对式2进行积分，可得: **,,G(XX)XXCCC,,ln2*,AUXXC2 式4 40 实验装置(如图12.1) 图12.1 GZ-?型干燥实验装置流程图 实验步骤 GC1(将试样放在电烘箱内，用90?左右温度烘约2小时，记下其质量，作为其绝干质量 。并测量其尺寸，以确定其干燥表面积A。 2. 将电热干燥箱上的天平调平衡，往湿球温度计加水至棉球润湿。通电让风转动，调节阀门至指定风速(斜管差压计在20~50mm)，开动加热器，控制导电温度计在80?左右。 3. 将试样放入水中，稍候片刻，让水分均匀扩散至整个试样，记下其质量，作为湿物料质 'Gs量。待电热干燥箱的干燥室内温度稳定后再打开干燥室门将湿试样放入。 'GS4(立即在天平托盘上加上稍轻于的砝码使天平接近平衡，，待水分干燥至天平指针平衡 GS0时开动第一个秒表，记下此时的湿物料质量。 5(减去2克砝码，待水分干燥至天平指针再次平衡时，停第一个秒表，同时立即启动第二个秒表，记下第一个秒表所示的干燥时间。以后依次减去相同质量砝码，交替使用两个秒表，记 GC录每一次所需的干燥时间，直至试样质量接近绝干质量为止。 41 实验数据记录表 试样物料:甘蔗渣化学浆板; GC 试样绝干质量= ; 试样尺寸: ; GS0湿试样初始质量= ; 流量计读数R= 表一 实验数据记录表 序号 湿物料平时间间隔，计算结果 干燥室前干燥室后湿球温 均质量，克 秒 温度，? 温度，? 度，? 干燥速率 湿物料平 均含水率kg2(ms) X 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 42 43