化工原理實驗

ExperimentOfChemicalEngineeringPrinciple

化學工程系本課程是化工相關專業的一門專業學科類必修基礎課。本課程重點通過流體動力過程、傳熱過程、傳質過程的某些典型化工原理實驗，增強鞏固學生的化學工程基礎理論。熟悉典型化工原理實驗裝置及流程及計算機控制和采集實驗數據的實驗裝置及流程。培養學生對化學工程中各種現象的觀察能力和計算機處理化工實驗數據的方法和計算機模擬實驗過程。其目的是培養學生化工實驗能力，為以后從事科研、化工設計及化工產品生產、開發奠定初步基礎。《化工原理實驗》課程簡介一、實驗目的（1）掌握測定流體流經直管、管件和閥門時阻力損失的一般實驗方法；（2）測定直管摩擦系數λ~Re的關系，驗證在一般湍流區內λ、Re與ε/d的函數關系；（3）測定流體流經閥門及突然擴大管時的局部阻力系數ζ；（4）測定層流管的摩擦阻力。實驗一

流體流動阻力的測定二、實驗原理流體流經直管時所造成機械能損失為直管阻力損失。流體通過管件、閥門時因流體運動方向和速度大小改變所引起的機械能損失稱為局部阻力損失。（1）直管阻力摩擦系數λ的測定:流體在水平等徑直管中穩定流動時，阻力損失為：

即層流時：λ=64/Re;

湍流時：λ是Re和ε/d的函數，須由實驗測定。實驗一

流體流動阻力的測定（2）局部阻力系數的測定:局部阻力通常有兩種表示方法，即當量長度法和阻力系數法。本實驗采用阻力系數法進行測定。實驗一

流體流動阻力的測定1、水箱

2、離心泵

3、渦輪流量計

4、層流水槽

5、層流管

6、截止閥

7、球閥

8、光滑管

9、粗糙管

10、突擴管

11、孔板流量計

12、流量調節閥實驗一

流體流動阻力的測定三、實驗裝置與流程四、實驗步驟1.首先對水泵進行灌水，然后關閉出口閥門，啟動水泵電機，待電機轉動平穩后，把泵的出口閥緩緩開到最大；2.同時打開被測管線上的開關閥及面板上與其相應的切換閥，關閉其他的開關閥和切換閥，保證測壓點一一對應；3.改變流量測量流體通過被測管的壓降，每次改變流量（變化10L/min左右），待流動達到穩定后，分別儀表控制箱上的壓降數值；4.實驗結束，關閉出口閥，停止水泵電機，清理裝置。實驗一

流體流動阻力的測定五、實驗數據記錄與處理1.數據記錄（光滑管為例）2.數據處理實驗一

流體流動阻力的測定光滑管實驗數據記錄流量壓降六、思考題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？為什么？如何檢驗管路中的空氣已經被排除干凈？2.以水為介質所測得的λ~Re關系能否適用于其他流體？3.在湍流區摩擦系數與那些因素有關，具體如何？實驗一

流體流動阻力的測定一、實驗目的(1)了解離心泵的結構與特性，熟悉離心泵的使用；(2)測定離心泵在恒定轉速下的特性曲線，并確定泵的最佳工作范圍；(3)測定管路特性曲線。實驗二

離心泵特性曲線的測定二、實驗原理離心泵的性能參數取決于泵的內部結構，葉輪形式及轉速，泵的性能參數揚程、軸功率、效率隨流量的變化關系，即He～Q、N軸～Q、η～Q稱為離心泵的特性曲線。該特性曲線需由實驗測得，計算如下：

mH2O

kW實驗二

離心泵特性曲線的測定管路特性是指輸送流體時，管路需要的能量H（即從A到B流體機械能的差值+阻力損失）隨流量Q的變化關系。本實驗中，管路需要的能量與泵提供給管路的能量平衡相等，計算H的方法同He：mH2O

雖然計算方法相同，但二者操作截然不同。測量He時，需要固定轉速，通過調節閥門改變流量；測量H時，管路要求固定不動，因此只能通過改變泵的轉速來改變流量.實驗二

離心泵特性曲線的測定三、實驗裝置與流程實驗二

離心泵特性曲線的測定1-水箱；2-泵入口表閥；3-離心泵；4-泵入口壓力傳感器；5-泵出口表閥；6-泵入口真空表；7-泵出口壓力表；8-泵出口壓力傳感器；9-流量調節閥；10-渦輪流量計；11-水箱排水閥；四、實驗步驟1.向儲水槽內注入蒸餾水。2.檢查流量調節閥9，壓力表7及真空表5的開關是否關閉(應關閉)。3.啟動實驗裝置總電源，用變頻調速器上∧、∨及＜鍵設定頻率后，按run鍵啟動離心泵，緩慢打開調節閥9至全開。待系統內流體穩定，打開壓力表和真空表的開關，方可測取數據。4.測取數據的順行可從最大流量至0，或反之。一般測10~20組數據。5.每次在穩定的條件下同時記錄：流量、壓力表、真空表、功率表的讀數及流體溫度。6.實驗結束，關閉流量調節閥，停泵，切斷電源。實驗二

離心泵特性曲線的測定五、數據記錄與處理1.數據記錄（離心泵特性曲線為例）2.數據處理實驗二

離心泵特性曲線的測定（某一轉速下）離心泵特性曲線數據記錄流量進口壓力出口壓力軸功率六、思考題1.啟動離心泵之前為什么要引水灌泵？如果灌泵后依然啟動不起來，你認為可能的原因是什么？2.泵啟動后，出口閥如果不開，壓力表讀數是否會逐漸上升？隨著流量的增大，泵進、出口壓力表分別有什么變化？為什么？3.試從所測實驗數據分析，離心泵在啟動時為什么要關閉出口閥門？實驗二

離心泵特性曲線的測定一、實驗目的1.熟悉板框過濾機的結構和操作方法；2.測定在恒壓過濾操作時的過濾常數；3.掌握過濾問題的簡化工程處理方法。實驗三

恒壓過濾常數的測定二、實驗原理過濾是利用能讓液體通過而截留固體顆粒的多孔介質（濾布和濾渣），使懸浮液中的固、液得到分離的單元操作。過濾操作本質上是流體通過固體顆粒床層的流動，所不同的是，該固體顆粒床層的厚度隨著過濾過程的進行不斷增加。過濾操作可分為恒壓過濾和恒速過濾。當恒壓操作時，過濾介質兩側的壓差維持不變，則單位時間通過過濾介質的濾液量會不斷下降；當恒速操作時，即保持過濾速度不變。實驗三

恒壓過濾常數的測定過濾速率基本方程的一般形式為：

恒壓過濾時，對上式積分可得：

對上式微分可得：

；該式表明dτ/dq～q為直線，其斜率為2/K，截距為2qe/K，為便于測定數據計算速率常數，可用Δτ/Δq替代dτ/dq，則上式可寫成：

將Δτ/Δq對q標繪（q取各時間間隔內的平均值），在正常情況下，各點均應在同一直線上，直線的斜率為2/K=a/b，截距為2qe/K=c，由此可求出K和qe。實驗三

恒壓過濾常數的測定三、實驗裝置與流程實驗三

恒壓過濾常數的測定1、壓縮機2、配料釜3、供料泵4、圓形板框過濾機5、濾液計量筒6、液面計及壓力

傳感器7、壓力控制閥8、旁路閥四、實驗步驟1.懸浮液的配制：濃度為3～5%（重量）較為適宜，配制好開動壓縮機將其送入貯漿罐中，使濾液均勻攪拌；2.濾布應先濕透，濾布孔要對準，表面服貼平展無皺紋，否則會漏；3.裝好濾布，排好板框，然后壓緊板框；4.檢查閥門，應注意將懸浮液進過濾機的進口旋塞先關閉；5.啟動后打開懸浮液的進口閥，將壓力調至指定的工作壓力；6.濾液由接受器收集，并用電子天平計量；7.待濾渣裝滿框時即可停止過濾。實驗三

恒壓過濾常數的測定五、數據記錄與處理1.數據記錄2.數據處理實驗三

恒壓過濾常數的測定某一壓力下（如60kPa）的實驗數據時間濾液量六、思考題1.為什么過濾開始時，濾液常常有混濁，而過段時間后才變清？2.實驗數據中第一點有無偏低或偏高現象？怎樣解釋？如何對待第一點數據？3.當操作壓力增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同樣重量的過濾液，其過濾時間是否縮短了一半？實驗三

恒壓過濾常數的測定一、實驗目的1．測定正常條件下空氣與銅管內壁間的對流傳熱膜系數α2．測定強化條件下空氣與銅管內壁間的對流傳熱膜系數α3．回歸兩個條件下關聯式

中的參數A、m（n取0.4）實驗四

傳熱膜系數的測定二、實驗原理

間壁式換熱器目前在工業上應用最多，其傳熱過程都是由壁內部的熱傳導和壁兩側面與流體的對流傳熱組合而成。無論設計還是使用換熱器，都離不開這個組合傳熱過程中的傳熱系數K，其倒數1/K稱為總熱阻。總熱阻主要由壁外側熱阻、壁熱阻、壁內側熱阻三個串聯環節疊加而成（可能還有污垢熱阻），因此當三者有較大差異時，總熱阻將由其中最大的熱阻所決定。本實驗選用最簡單的套管式換熱器為研究對象，管內走冷流體空氣，管外走熱流體100℃的蒸汽，管材質為黃銅，內徑20mm，壁厚2.5mm，有效長度1.25m。該換熱過程壁內側熱阻1/α遠遠大于壁及外側熱阻，因此傳熱的關鍵問題是測算α。實驗四

傳熱膜系數的測定1、實驗測定方法根據牛頓冷卻定律變換得到：

根據熱量恒算得到：

以上兩式聯立，加之實驗測得部分數據，即可求得α。2、因次分析法經過大量實驗后得到的平均數據，因此通過本實驗數據可以驗證參數的準確性。驗證A、m的方法：

；以lgNu/Pr0.4為縱坐標，以lgRe為橫坐標作圖，根據斜率和截距即可求得A、m，與經驗數據對比即可。空氣流量采用孔板流量計測量，V=26.2×ΔP0.54，m3/h，ΔP單位為kPa。空氣定性溫度為：t=(進口溫度+出口溫度)/2實驗四

傳熱膜系數的測定三、實驗裝置與流程實驗四

傳熱膜系數的測定1、風機2、孔板流量計3、流量調節閥4、套管換熱器5、蒸汽發生器四、實驗步驟1.檢查蒸汽發生器中的水位，約占液位計高度4/5左右；2.開總電源，開加熱器，開儀表開關，約30分鐘套管間充滿水蒸汽；3.全開流量調節閥，啟動風機，調節頻率50Hz，預熱約5分鐘；4.間隔4Hz由大到小改變空氣流量，孔板壓降最小值大于0.1kPa，每個點穩定約2分鐘后記錄數據；5.加入靜態混合器進行強化傳熱實驗，方法同上。實驗四

傳熱膜系數的測定五、數據記錄與處理1.數據記錄2.數據處理實驗四

傳熱膜系數的測定頻率溫度T1溫度T2溫度t1溫度t2六、思考題1.將實驗得到的半經驗特征數關聯式和公認式進行比較，分析造成偏差的原因。2.本實驗中管壁溫度應接近加熱蒸汽溫度還是空氣溫度？為什么？3.管內空氣流動速度對傳熱膜系數有何影響？當空氣流速增大時，空氣離開熱交換器時的溫度將升高還是降低？為什么？實驗四

傳熱膜系數的測定一、實驗目的（1）熟悉填料塔的構造與操作，認識不同的填料塔的特性；（2）觀察填料塔流體力學狀況，測定填料層壓強降與操作氣速的關系，確定填料塔在某液體噴淋量下的液泛氣速；實驗五

填料塔流體力學性能測定二、實驗原理

氣體通過干填料層時，流體流動引起的壓降和湍流流動引起的壓降規律相一致。在雙對數坐標系中，此壓降對氣速作圖可得一斜率為1.8～2的直線（圖中aa線）。當有噴淋量時，在低氣速下（c點以前）壓降也正比于氣速的1.8～2次冪，但大于同一氣速下干填料的壓降（圖中bc段）。隨氣速的增加，出現載點（圖1中c點），持液量開始增大，壓降-氣速線向上彎，斜率變陡（圖中cd段）。到液泛點（圖中d點）后，在幾乎不變的氣速下，壓降急劇上升。實驗五

填料塔流體力學性能測定實驗五

填料塔流體力學性能測定填料層壓降–空塔氣速關系示意圖三、實驗裝置與流程實驗五

填料塔流體力學性能測定1、氧氣鋼瓶2、減壓閥3、氧氣緩沖罐4、氧氣流量計5、水緩沖罐6、水流量調節閥7、水流量計8、渦輪流量計9、氧氣吸收柱10、風機11、空氣緩沖罐12、空氣流量調節閥13、空氣流量計14、計前壓差計15、全塔壓差計16、孔板流量計17、富氧水取樣口18、氧氣解吸塔19、貧氧水取樣口四、實驗步驟(1)測定干填料壓降時，塔內填料務必事先吹干。(2)測定濕填料壓降測定前要進行預液泛，使填料表面充分潤濕。實驗接近液泛時，進塔氣體的增加量要減小，否則圖中泛點不容易找到。密切觀察填料表面氣液接觸狀況，并注意填料層壓降變化幅度，務必讓各參數穩定后再讀數據，液泛后填料層壓降在幾乎不變氣速下明顯上升，務必要掌握這個特點。稍稍增加氣量，再取一、兩個點即可。注意不要使氣速過分超過泛點，避免沖破和沖跑填料。(3)注意空氣轉子流量計的調節閥要緩慢開啟和關閉，以免撞破玻璃管。實驗五

填料塔流體力學性能測定五、數據記錄與處理1.數據記錄表1干填料水流量L=0l/h填料高度h=0.75m塔徑d=0.1m表2濕填料：

L=80～150l/h，h=0.75m，d=0.1m實驗五

填料塔流體力學性能測定序號空氣流量V1/m3?h-1全塔壓降△P/kPa空塔氣速u/m?s-1單位填料高壓降/kPa?m-1110

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序號空氣流量V1/m3?h-1全塔壓降△P/kPa空塔氣速u/m?s-1單位填料高壓降/kPa?m-1110

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六、思考題1.液泛的特征是什么？本裝置的液泛現象是從塔頂部開始，還是從塔底部開始？如何確定液泛氣速？2.填料塔結構有什么特點？比較波紋填料與散裝填料的優缺點。3.填料塔底部的出口管為什么要液封？液封高度如何確定？實驗五

填料塔流體力學性能測定實驗六板式精餾塔性能的測定一、實驗目的1、測定全回流條件下的全塔效率和單板效率2、測定部分回流條件下的全塔效率3、測定精餾塔的塔板濃度（溫度）分布實驗六板式精餾塔性能的測定二、實驗原理本設備為DES—Ⅲ型精餾實驗裝置。精餾塔共有8塊塔板，塔身的結構尺寸為：塔內徑為50mm，塔板間距為80mm，溢流管截面積為80mm2，溢流堰高為12mm，底隙高度為5mm，每塊塔板上開有直徑為1.5mm的小孔，正三角形排列，孔間距為6mm。回流分配裝置由回流分配器與控制器組成。回流分配器由玻璃制成，兩個出口管分別用于回流和采出，引流棒為一根φ4mm的玻璃棒，內部裝有鐵芯，可在控制器的作用下實現引流板效率是體現塔板性能及操作狀況的主要參數，主要包括：總板效率單板效率實驗六板式精餾塔性能的測定三、實驗裝置與流程1、配料罐2、循環泵3、進料罐4、進料泵5、塔釜冷凝器6、π型管7、塔釜加熱器8、視盅9、旁路閥10、進料流量計11、回流比分配器12、塔頂冷凝器實驗六板式精餾塔性能的測定四、實驗步驟1）配料。在配料罐中配制乙醇體積分率為20％的乙醇、丙醇溶液，啟動循環泵攪勻并打入進料罐中。2）進料。開啟進料泵，調節旁路閥、進料口閥門、進料流量計閥門等，向塔內進料至液位計高度4/5左右。3）全回流操作。先開塔頂放空閥門，然后按下塔釜加熱器“手動加熱”綠色按鈕，調節加熱電壓至120V，或選擇“自動加熱”模式，打開冷卻水，有回流后根據汽液接觸狀況對電壓適當調整（80V）；約20分鐘穩定后塔頂、塔釜及相鄰兩塊塔板取樣分析數據。實驗六板式精餾塔性能的測定4）部分回流操作。開進料泵、進料罐閥門及塔中進料口閥門，調整進料量為30ml/min，設置回流比為相應的數值3～4，開塔釜出料閥門及π型管閥門，調整合適的加熱電壓，穩定20分鐘后塔頂、塔釜取樣分析。5）切換為“手動加熱”模式，手調改變加熱電壓，觀察液泛和漏液現象。6）實驗完畢后停泵，關塔頂放空閥門，關進料罐閥門，關塔中進料口閥門，最后關冷卻水。實驗六板式精餾塔性能的測定五、數據記錄與處理1.數據記錄2.數據處理原料組成nd加熱電壓/V（穩定后）折光率塔頂溫度/℃塔釜溫度/℃全塔壓降/kPand，頂nd，4nd，5nd，釜實驗六板式精餾塔性能的測定六、思考題1.塔板效率受哪些因素影響？2.精餾塔的常壓操作是怎樣實現的？如果要改為加壓或減壓操作，又怎樣實現？3.全回流操作的作用與意義？實驗七氧解吸實驗一、實驗目的1、掌握總傳質系數Kxa的測定方法并分析其影響因素；2、學習汽液連續接觸式填料塔，利用傳質速率方程處理傳質問題的方法；3、研究流體的流動對傳質阻力的影響、吸收劑用量對傳質系數的影響和傳質阻力較小側流體的流量變化對吸收過程的影響，學會吸收過程的調節；4、學會氧氣鋼瓶加壓閥的操作，測氧儀的標定及使用。實驗七氧解吸實驗二、實驗原理填料塔與板式塔氣液兩相接觸情況不同。在填料塔中，兩相傳質主要是在填料有效濕表面上進行，需要計算完成一定吸收任務所需填料高度，其計算方法有：傳質系數法、傳質單元法和等板高度法。本實驗是對富氧水進行解吸。由于富氧水濃度很小，可認為氣液兩相的平衡關系服從亨利定律，即平衡線為直線，操作線也是直線，因此可以用對數平均濃度差計算填料層傳質平均推動力。整理得到相應的傳質速率方式為：相關的填料層高度的基本計算式為：

即其中，實驗七氧解吸實驗三、實驗裝置與流程1、氧氣鋼瓶2、減壓閥3、氧氣緩沖罐4、氧氣流量計5、水緩沖罐6、水流量調節閥7、水流量計8、渦輪流量計9、氧氣吸收柱10、風機11、空氣緩沖罐12、空氣流量調節閥13、空氣流量計14、計前壓差計15、全塔壓差計16、孔板流量計17、富氧水取樣口18、氧氣解吸塔19、貧氧水取樣口實驗七氧解吸實驗四、實驗步驟(1)氧氣減壓后進入緩沖罐，罐內壓力保持0.03～0.04[Mpa]，不要過高，并注意減壓閥使用方法。為防止水倒灌進入氧氣轉子流量計中，開水前要關閉防倒灌閥24，或先通入氧氣后通水。(2)傳質實驗操作條件選取水噴淋密度取10～15[m3/m2?h]，空塔氣速0.5～0.8[m/s]氧氣入塔流量為0.01～0.02[m3/h]，適當調節氧氣流量，使吸收后的富氧水濃度控制在≤40[ppm]。(3)塔頂和塔底液相氧濃度測定：

分別從塔頂與塔底取出富氧水和貧氧水，用測氧儀分析各自氧的含量。(4)實驗完畢，關閉氧氣時，務必先關氧氣鋼瓶總閥，然后才能關閉減壓閥2及調節閥8。檢查總電源、總水閥及各管路閥門，確實安全后方可離開。實驗七氧解吸實驗五、數據記錄與處理1.數據記錄2.數據處理序號氧氣流量V氧/l?min-1水流量V水/l?h-1空氣流量V空/m3?h-1全塔壓降△P/kPa富氧水濃度w1/mg?l-1貧氧水濃度w2/mg?l-1平均水溫度t/℃10.57510

20.510010

30.512510

40.51005

50.510010

60.510015

實驗七氧解吸實驗六、思考題1.為什么易溶性氣體的吸收和解吸屬于氣膜控制過程，難溶性氣體的吸收和解吸屬于液膜控制過程？2.何謂持液量？持液量的大小對傳質性能有什么影響？在噴淋密度達到一定數值后，氣體流量將如何影響持液量。3.工業上，吸收是在低溫加壓下進行，而解吸是在高溫、常壓下進行的，為什么？實驗八干燥曲線和干燥速率曲線的測定一、實驗目的(1)了解洞道式干燥裝置的基本結構、工藝流程和操作方法；(2)學習測定物料在恒定干燥條件下干燥特性的實驗方法；(3)掌握根據實驗干燥曲線求取干燥速率曲線以及恒速干燥速率、臨界含水量、平衡含水量的實驗分析方法；實驗八干燥曲線和干燥速率曲線的測定二、實驗原理當濕物料與干燥介質相接觸時，物料表面的水分開始氣化，并向周圍介質傳遞。根據干燥過程中不同期間的特點，干燥過程分為兩個階段。恒速干燥階段和降速干燥階段。恒速階段的干燥速率和臨界含水量是干燥過程研究和干燥器設計的重要數據，本實驗在恒定干燥條件下對浸透水的工業呢進行干燥，測定干燥曲線和干燥速率曲線，目的是掌握恒速段干燥速率和臨界含水量的測定方法及其影響因素。實驗八干燥曲線和干燥速率曲線的測定1、干燥速率的測定

2、被干燥物料的重量G3、物料的干基含水量X

4、恒速階段的對流傳熱系數α

5、式樣放置處空氣流速的計算，由節流式流量計的流量公式和理想氣體的狀態方程式可推導出：實驗八干燥曲線和干燥速率曲線的測定三、實驗裝置與流程1.中壓風機；2.孔板流量計；3.空氣進口溫度計；4.重量傳感器；5.被干燥物料；6.加熱器；7.干球溫度計；8.濕球溫度計；9.洞道干燥器；10.廢氣排出閥；11.廢氣循環閥；12.新鮮空氣進氣閥；13.干球溫度顯示控制儀表；14.濕球溫度顯示儀表；15.進口溫度顯示儀表；