本文格式為Word版，下載可任意編輯——化工原理試驗指導書

化學工程學院

化工原理試驗指導書

化工原理教研室

2023年編制

試驗一滾動過程綜合試驗

目錄

目錄3試驗一滾動過程綜合試驗61試驗目的62基本原理62.1直管摩擦系數?與雷諾數Re的測定62.2測定局部阻力系數72.3流量計性能測定82.4離心泵性能的測定82.5離心泵管路特性的測定93試驗裝置94試驗步驟與本卷須知104.1試驗步驟104.2本卷須知115思考題12試驗二過濾試驗131試驗目的132基本原理133試驗裝置144試驗步驟與本卷須知154.1試驗步驟154.2本卷須知155思考題16試驗三傳熱試驗（水-水蒸汽、空氣-水蒸汽給熱系數測定和傳熱綜合試驗）17傳熱試驗一水-水蒸汽給熱系數測定171試驗目的172基本原理173試驗裝置194試驗步驟與本卷須知204.1手動操作204.2自動操作204.3本卷須知215思考題21傳熱試驗二空氣-水蒸汽給熱系數測定211試驗目的222基本原理223試驗裝置224試驗步驟與本卷須知224.1操作步驟224.2自動操作234.3本卷須知245思考題24傳熱試驗三傳熱綜合（空氣和水蒸汽）試驗24

3

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

1試驗目的242基本原理252.1光滑套管換熱器傳熱系數及其準數關聯式的測定252.2加強套管換熱器傳熱系數、準數關聯式及加強比的測定263試驗裝置274試驗步驟與本卷須知284.1試驗前的準備，檢查工作284.2試驗開始284.3本卷須知295思考題29試驗四吸收與解吸綜合試驗311試驗目的312基本原理312.1填料塔流體力學特性312.2以液相為基準的總體積傳質系數KYa的測定323試驗裝置334試驗步驟與本卷須知344.1試驗步驟344.2本卷須知355思考題35試驗五精餾試驗371試驗目的372基本原理372.1全塔效率η的測定372.2全回流理論塔板數372.3部分回流操作時可通過圖解法求出理論板數382.4全回流時單板效率的測定383試驗裝置384試驗步驟與本卷須知384.1試驗步驟384.2本卷須知415思考題41試驗六萃取試驗（填料萃取塔、振動篩板萃取塔）43萃取試驗一填料萃取塔431試驗目的432基本原理432.1萃取相傳質單元數的計算432.2萃取傳質單元高度HOE442.3體積總傳質系數KLa443試驗裝置444試驗步驟與本卷須知454.1試驗步驟454.2本卷須知465思考題47

4

試驗一滾動過程綜合試驗

萃取試驗二振動篩板萃取塔471試驗目的472基本原理473試驗裝置484試驗步驟與本卷須知484.1試驗步驟484.2本卷須知495思考題50試驗七枯燥試驗（洞道枯燥、流化床枯燥）51枯燥試驗一洞道枯燥511試驗目的512基本原理512.1枯燥速率的定義512.2枯燥速率的測定方法513試驗裝置524試驗步驟與本卷須知534.1試驗步驟534.2本卷須知545思考題54枯燥試驗二流化床枯燥541試驗目的542基本原理542.1枯燥速率的定義552.2枯燥速率的測定方法553試驗裝置564試驗步驟與本卷須知574.1試驗步驟574.2本卷須知575思考題57

5

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

試驗一滾動過程綜合試驗

1試驗目的

（1）把握測定流體流經直管、管件和閥門時阻力損失的一般試驗方法。（2）識別組成管路的各種管件、閥門的結構、使用方法和性能。（3）學習壓差計、流量計的使用方法。

（4）學習光滑直管和粗糙直管的摩擦系數?與雷諾準數Re的測量方法，并驗證流體處于不同滾動類型時的?與Re二者間的關系。

（5）測定流體流經管件、閥門時的局部阻力系數ξ。

（6）分別測定文丘里流量計流量標定曲線（流量-壓差關系）及流量系數和雷諾數之間的關系曲線（C-Re關系）。

（7）了解離心泵的結構、操作方法，把握離心泵特性曲線測定方法，把握離心泵管路特性曲線的測定方法，加深對離心泵性能的理解。

2基本原理

2.1直管摩擦系數?與雷諾數Re的測定

對于不可壓縮流體在水平等直徑直管內作定態滾動，根據伯努利方程有：

Lu2hf?????d2?Pf（1.1）

（1.1）式中：hf—壓頭損失，J/kg；L—兩測壓點間直管長度，m；d—直管內徑，m；λ—摩擦阻力系數；u—流體流速，m/s；ΔPf—直管阻力引起的壓降，N/m2；ρ—流體密度，kg/m3。

將（1.1）式經適當變形，可以得到摩擦系數的表達式，即：

??2d?Pf（1.2）?L?u2雷諾準數定義式如下：

Re?du??（1.3）

（1.2）式中：μ—流體粘度，Pa.s。

在管壁粗糙度、管長和管徑一定的條件下，本試驗將選擇水作為流體，通過改變水的流量，并測得不同流量下的ΔPf值，連同L、d、u和ρ（對一定流體來說，ρ和μ都是溫度的函數，可以根據流體的種類及溫度從手冊中查出）一同帶入式

6

試驗一滾動過程綜合試驗

（1.2）和（1.3），將能夠分別求出不同流量下的直管摩擦系數λ和雷諾準數Re，從而整理出λ與Re的關系并繪制二者關系曲線。2.2測定局部阻力系數

（1）局部阻力系數ξ的測定。

局部阻力損失的計算方法有兩種，即局部阻力系數法和當量長度法。其中，局部阻力系數法假定局部阻力損失與流體動能成正比，即：

u2hf?????2?Pf'（1.4）

（1.4）式中：hf'—局部阻力引起的能量損失，J/kg；ΔPf'—局部阻力引起的壓強降，Pa；ρ—流體密度，kg/m3；ξ—局部阻力系數，無因次；u—流體流速，m/s。

將（1.4）適當整理后，有：

?2??Pf'?????2???u（1.5）

局部阻力引起的壓強降ΔPf'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。

圖1.1局部阻力測量取壓口布置圖

對于開口位置，有：

ab=bc；a'b'=b'c'（1.6）

那么，對于ab，bc，a'b'和b'c'之間的壓降關系有：

?Pf,ab=?Pf,bc；?Pf,a'b'=?Pf,b'c'

（1.7）

對于區間a~a'，有：

Pa-Pa'=2?Pf,ab+2?Pf,ab??Pf'（1.8）

''對于區間b~b'，有：

Pb-Pb'=?P??Pf'??Pf,ab+?Pf,a'b'??Pf'（1.9）f,bc+?Pf,b'c'7

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

聯立式（1.8）和（1.9），則有：

?Pf'?2(Pb-Pb')?(Pa-Pa')（1.10）

為了試驗便利，（Pb-Pb'）稱之為近點壓差，（Pa-Pa'）稱之為遠點壓差，其具體數值用差壓傳感器測定。2.3流量計性能測定

流體通過節流式流量計時在上、下游兩取壓口之間產生壓強差，它與流量的關系為：

Vs?CA02(P上?P下)?（1.11）

（1.11）式中：Vs—被測流體（水）的體積流量，m3/s；C—流量系數，無因次；A0—流量計節流孔截面積，m2；（P上-P下）—流量計上、下游兩取壓口之間的壓強差，Pa；ρ—被測流體(水)的密度，kg/m3。

用渦輪番量計作為標準流量計來測定流量Vs，每一個流量在壓差計上都有一對應的讀數，將壓差計讀數△P和流量Vs繪制成一條曲線，即流量標定曲線，同時利用上式整理數據可進一步得到C—Re關系曲線。2.4離心泵性能的測定2.4.1H的測定

針對泵的吸入口和排出口之間列伯努利方程：

22Pu出P入u入出Z入???H?Z出???Hf入?出

?g2g?g2g（1.12）

（1.12）式中：Z—位壓頭，m；u—流體速度，m/s；ρ—流體密度，kg/m3；P—壓強；H—總壓頭（揚程），m；Hf入-出—泵的吸入口和排出口之間管路內的流體滾動阻力。

根據（1.12）可以獲得離心泵總壓頭H：

22Pu出?u入入出?PH??Z出?Z入????Hf入?出?g2g（1.13）

與伯努利方程中其它項比較，Hf入-出值很小，故可以忽略，于是（1.13）簡化為：

22Pu出?u入入出?PH??Z出?Z入????g2g（1.14）

8

試驗一滾動過程綜合試驗

將試驗測定的（Z出-Z入）和（P出-P入）的值以及計算所得的u入、u出代入式（1.14）中即可以得到H值。2.4.2P的測定

離心泵由電動機直接帶動，若將傳動效率視為100%，那么電動機的輸出功率等于泵的軸功率，即：

泵的軸功率P=電動機的輸出功率=電動機的輸入功率×電動機的效率（1.15）利用功率表測得的功率即為電動機的輸入功率，因而有：

泵的軸功率P=功率表讀數×電動機效率（1.16）

2.4.3η的測定

離心泵總效率指的是有效功率與軸功率的比值，其定義式為：

??Pe（1.17）P（1.17）中：η—泵的效率；P—泵的軸功率，kw；Pe—泵的有效功率kw。有效功率Pe定義式如下：

Pe?HQv?g（1.18）1000（1.18）中：H—泵的揚程，m；ρ—液體密度，kg/m3；Qv—體積流量，單位時間內泵輸送的液體體積，m3/s。

將（1.16）和（1.18）計算得到的P和Pe代入（1.17），即可以獲得離心泵總效率。

2.5離心泵管路特性的測定

管路特性曲線是指流體流經管路系統的流量與所需壓頭之間的關系，若將泵的特性曲線與管路特性曲線繪制在同一坐標圖上，兩曲線交點即為泵在該管路的工作點。因此，宛如通過改變閥門開度來改變管路特性曲線，求出泵的特性曲線一樣，可通過改變泵轉速來改變泵的特性曲線，從而獲得管路特性曲線。

3試驗裝置

流體滾動過程綜合試驗裝置如圖1.2所示。

9

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

圖1.2滾動過程綜合試驗流程

1-水箱；2-水泵；3-入口真空表；4-出口壓力表；5、16-緩沖罐；6、14-測局部阻力近端閥；7、15-測局部阻力遠端閥；8、17-粗糙管測壓閥；9、21-光滑管測壓閥；10-局部阻力閥；11-文丘里流量計（孔板流量計）；12-壓力傳感器；13-渦流流量計；18、32-閥門；20-粗糙管閥；22-小轉子流量計；23-大轉子流量計；24閥門；25-水箱放水閥；26-倒U型管放空閥；27-倒U型管；28、30-倒U型管排水閥；29、31-倒U型管平衡閥

4試驗步驟與本卷須知

4.1試驗步驟4.1.1流體阻力測量

（1）首先向蓄水槽內注入水直至水滿為止（最好使用蒸餾水，以保持流體清潔）。

（2）光滑管阻力測定（步驟a、b和c）。

a.關閉粗糙管路閥門，將光滑管路閥門全開，在流量為零條件下，開啟通向倒置U型管的進水閥，檢查導壓管內是否有氣泡存在。若倒置U型管內液柱高度差不為零，則說明導壓管內存在氣泡，需要進行驅趕氣泡操作。

b.該裝置兩個轉子流量計并聯連接，根據流量大小選擇不同量程的流量計測量流量。

10

試驗一滾動過程綜合試驗

c.差壓變送器與倒置U型管亦是并聯連接，用于測量壓差，小流量時用置U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15～20組數據。

（3）粗糙管阻力測定。

關閉光滑管閥，將粗糙管閥全開，從小流量到最大流量，測取15～20組數據。

（4）測取水箱水溫。待數據測量完畢，關閉流量調理閥，停泵。（5）粗糙管、局部阻力測量方法同前。4.1.2流量計、離心泵性能測定

（1）向蓄水槽內注入蒸餾水。檢查流量調理閥32，壓力表4的開關及真空表3的開關是否關閉（應關閉）。

（2）啟動離心泵，緩慢開啟調理閥32至全開。待系統內流體穩定，即系統內已沒有氣體，開啟壓力表和真空表的開關，方可測取數據。

（3）用閥32調理流量，從流量為零至最大或流量從最大到零，測取10～15組數據，同時記錄渦輪番量計頻率、文丘里流量計的壓差、泵入口真空度、泵出口壓強、功率表讀數，并記錄水溫。

（4）試驗終止后，關閉流量調理閥，停泵，切斷電源。4.1.3管路特性的測量

（1）測量管路特性曲線測定時，先置流量調理閥32為某一開度，調理離心泵電機頻率（調理范圍50～20Hz），測取8～10組數據，同時記錄電機頻率、泵入口真空度、泵出口壓強、流量計讀數，并記錄水溫。

（2）試驗終止后，關閉流量調理閥，停泵，切斷電源。4.2本卷須知

（1）試驗前，請細心閱讀說明書中關于直流數字表操作方法部分。（2）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理閥是否關閉。

（3）利用壓力傳感器測量大流量下△P時，應切斷空氣—水倒置U型玻璃管的閥門，否則將影響測量數值的確鑿。

11

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

（4）在試驗過程中每調理一個流量之后應待流量和直管壓降的數據穩定以后方可記錄數據。

（5）若較長時間未做試驗，啟動離心泵時應先盤軸轉動，否則易燒壞電機。（6）該裝置電路采用五線三相制配電，試驗設備應良好接地。

（7）使用變頻調速器時一定注意FWD指示燈亮，切忌按FWDREV鍵，REV指示燈亮時電機反轉。

（8）啟動離心泵前，必需關閉流量調理閥，關閉壓力表和真空表的開關，以免損壞測量儀表。

（9）試驗水質要清潔，以免影響渦輪番量計運行。

5思考題

（1）在U型壓差計上裝設“平衡閥〞有何作用？它們在何時開著，何時關閉？

（2）離心泵啟動前哪些閥應開著，哪些閥門應當關閉？（3）在進行系統排氣時，是否應關閉系統的出口閥門？為什么？（4）如何檢驗測試系統內的空氣已經排除清白？（5）U型壓差計的零點應如何校正？

（6）在一定相對粗糙度（ε/d）下，lgλ-lgRe的關系曲線是怎樣的？當Re是夠大時，曲線狀況如何?由此可得何種結論？

12

試驗二過濾試驗

試驗二過濾試驗

1試驗目的

（1）了解過濾設備的構造和操作方法。（2）把握過濾問題的簡化工程處理方法。

（3）測定在恒壓操作時的過濾常數K，qe，τe，并以試驗所得結果驗證過濾方程式，加強對過濾理論的理解。

（4）改變壓強差重復上述操作，測定壓縮指數s和物料特性常數k（選做）。

2基本原理

對于不可壓縮性濾餅，在恒壓過濾狀況下，濾液量與過濾時間的關系可用下式表示：(q?qe)2?K(?+?e)（2.1）（2.1）式中：q—單位過濾面積獲得的濾液體積，m3/m2；qe—單位過濾面

積的虛擬濾液體積，m3/m2；θ—實際過濾時間，s；θe—虛擬過濾時間，s；K—過濾常數，m2/s。

將（2.1）式微分，可以得到：

d?22?q?qe（2.2）dqKK當各數據點的時間間隔不大時，dθ/dq可以用增量之比△θ/△q來代替，即：

??22?q?qe（2.3）?qKK式（2.3）為一直線方程。試驗時，在恒壓下過濾要測定的懸浮液，測出過濾時間θ及濾液累積量q的數據，在直角坐標紙上標繪△θ/△q對q的關系，所得直線斜率為2/K，截距為2qe/K，從而可以分別得到K和qe。

式（2.1）中的θe可由下式獲得：qe2?K?e（2.4）

其中，過濾常數K的定義式為：

K=2k?p1?s（2.5）將式（2.5）兩邊取對數，得到：

13

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

(1slgK=?)?lgp(?)klg（2.6）

由于s為常數，k＝1/(μr0v)，k也為常數，故在雙對數坐標體系中，K與△p為線性關系，直線的斜率為1-s，截距為lg(2k)，由此可分別計算出壓縮性指數s和物料的特性常數k。

3試驗裝置

如圖2.1所示，濾漿槽內配有一定濃度的輕質碳酸鈣懸浮液（濃度在6%～8%左右），用電動攪拌器進行均勻攪拌（漿液不出現旋渦為好）。啟動旋渦泵，調理閥門3使壓力表5指示在規定值。本試驗利用計量桶對濾液量進行計量。

圖2.1恒壓過濾試驗流程

1－調速器；2－電動攪拌器；3、4、6、11、14－閥門；5、7－壓力表；8－板框壓濾機；9－壓緊裝置；10－濾漿槽；11－進料閥；12－旋渦泵；13－計量桶

試驗裝置中過濾、洗滌管路如圖2.2所示：

圖2.2過濾、洗滌管路示意圖

14

試驗二過濾試驗

4試驗步驟與本卷須知

4.1試驗步驟

過濾試驗操作步驟主要包括：

（1）系統接上電源，開啟攪拌器電源開關，啟動電動攪拌器2，將濾液槽10內漿液攪拌均勻。

（2）板框過濾機板、框排列順序為：固定頭-非洗滌板-框-洗滌板-框-非洗滌板-可動頭；用壓緊裝置壓緊后待用。

（3）使閥門3、4、11處于全開、其它閥門處于全關狀態，啟動旋渦泵12，調理閥門3使壓力表5達到規定值。

（4）待壓力表5穩定后，開啟過濾入口閥6，過濾開始。當計量桶13內見到第一滴液體時按表計時。記錄濾液每增加高度10mm所用的時間。當計量桶13讀數為150mm時中止計時，并馬上關閉入口閥6。

（5）調理閥門3使壓力表5指示值下降。開啟壓緊裝置卸下過濾框內的濾餅并放回濾漿槽內，將濾布清洗清白。放出計量桶內的濾液并倒回槽內，以保證濾漿濃度恒定。

（6）改變壓力或其它條件，從步驟（2）開始重復上述試驗。

（7）每組試驗終止后，用洗水管路對濾餅進行洗滌，測洗滌時間和洗水量。（8）試驗終止時，將閥門11接上自來水、閥門4接通下水，關閉閥門3，對泵及濾漿進出口管進行沖洗。4.2本卷須知

（1）過濾板與框之間的密封墊片位置應放正，過濾板與框的濾液進出口對齊。用搖柄把過濾設備壓緊，以免漏液。

（2）計量桶的流液管口應貼桶壁，否則液面波動影響讀數。

（3）試驗終止時關閉閥門3。用閥門11、4接通自來水對泵及濾漿進出口管進行沖洗，切忌將自來水灌入儲料槽中。

（4）電動攪拌器為無級調速。使用時首先接上系統電源，開啟調速器開關，調速鈕一定由小到大緩慢調理，切勿反方向調理或調理過快損壞電機。

（5）啟動攪拌前，用手旋轉一下攪拌軸以保證順利啟動攪拌器。

15

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

5思考題

（1）為什么過濾開始時，濾液往往有一點渾濁，過一段時間才轉清？（2）在恒壓過濾中，初始階段為什么不采取恒壓操作？（3）假使濾液的粘度比較大，你考慮用什么方法改善過濾速率？（4）當操作壓強增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同樣的過濾量時，其過濾時間是否縮短一半？

16

試驗三傳熱試驗

試驗三傳熱試驗（水-水蒸汽、空氣-水蒸

汽給熱系數測定和傳熱綜合試驗）

傳熱試驗一水-水蒸汽給熱系數測定

1試驗目的

（1）了解間壁式傳熱元件。

（2）觀測水蒸氣在管外壁上的冷凝現象，學習影響給熱系數的因素和加強傳熱的途徑。

（3）把握對流傳熱系數α的測定方法。

（4）了解熱電阻測溫方法、渦輪番量計測流量方法，學會使用變頻器。

2基本原理

如圖3.1所示，間壁式傳熱過程由熱流體對固體壁面的對流傳熱，固體壁面的熱傳導和固體壁面對冷流體的對流傳熱所組成。

圖3.1間壁式傳熱過程

間壁式傳熱元件，在傳熱過程達到穩態后，有：

Q?m1cP1?T1?T2??m2cP2?t2?t1???1A1?T?TW?m??2A2?tW?t?m（3.1）

式（3.1）中：Q—傳熱量，J/s；m1—熱流體的質量流率，kg/s；cp1—熱流體的比熱，J/(kg?OC)；T1—熱流體的進口溫度，OC；T2—熱流體的出口溫度，OC；

17

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

m2—冷流體的質量流率，kg/s；cp2—冷流體的比熱，J/(kg?OC)；t1—冷流體的進口溫度，OC；t2—冷流體的出口溫度，OC；?1—熱流體與固體壁面的對流傳熱系數，W/(m2?OC)；A1—熱流體側的對流傳熱面積，m2；(T－TW)m—熱流體與固體壁面的對數平均溫差，OC；?2—冷流體與固體壁面的對流傳熱系數，W/(m2?OC)；A2—冷流體側的對流傳熱面積，m2；(t－tW)m—固體壁面與冷流體的對數平均溫差，OC。

熱流體與固體壁面的對數平均溫差可由式（3.2）計算：

?T?TW?m??T1?TW1???T2?TW2?（3.2）

lnT1?TW1T2?TW2式（3.2）中：TW1—熱流體進口處熱流體側的壁面溫度，OC；TW2—熱流體出口處熱流體側的壁面溫度，OC。

固體壁面與冷流體的對數平均溫差可由式（3.3）計算：

?tW?t?m??tW1?t1???tW2?t2?（3.3）

lntW1?t1tW2?t2式（3.3）中：tW1—冷流體進口處冷流體側的壁面溫度，OC；tW2—冷流體出口處冷流體側的壁面溫度，OC。

在本裝置的套管換熱器中，換熱桶內通水蒸汽，內銅管管內通水，水蒸氣在銅管表面冷凝放熱而加熱水，在傳熱過程達到穩定后，有如下關系式：

V?CP(t2?t1)??2A2(t?tW)m

（3.4）

式（3.4）中：V—冷流體體積流量，m3/s；ρ—冷流體密度，kg/m3；CP—

O

冷流體比熱，J/(kg·C)；t1、t2—冷流體進、出口溫度，OC；α2—冷流體對內管內O壁的對流給熱系數，W/(m2·C)；A2—內管的內壁傳熱面積，m2；(tw－t)m—內壁

與流體間的對數平均溫度差，可由式（3.3）計算得到，OC。

當內管材料導熱性能很好，即λ值很大，且管壁厚度很薄時，可認為Tw1＝tw1，Tw2＝tw2，即為所測得的該點的壁溫，則由式（3.1）可得：

?2?V?Cp(t2?t1)A2(tw?t)m（3.5）

若能測得被加熱流體的V、t1、t2，內管的換熱面積A2，壁溫tw1、tw2，則可通過式（3.5）算得實測的冷流體在管內的對流給熱系數α2。

對于流體在圓形直管內作強制湍流對流傳熱時，傳熱準數經驗式為：

18

試驗三傳熱試驗

Nu?0.023Re0.8Prn（3.6）

式（3.6）中：Nu—努塞爾數，Nu=?d/?，無因次；Re—雷諾數，Re=duρ/μ，無因次；Pr—普蘭特數，Pr=Cpμ/?，無因次。其中：?—流體與固體壁面的對流傳熱系數，W/(m2?OC)；d—換熱管內徑，m；?—流體的導熱系數，W/(m?OC)；u—流體在管內滾動的平均速度，m/s；?—流體的密度，kg/m3；?—流體的粘度，Pa?s；Cp—流體的比熱，J/(kg?OC)。

上式適用范圍為：Re＝1.0×104～1.2×105，Pr＝0.7～120，管長與管內徑之比L/d≥60。當流體被加熱時n＝0.4，流體被冷卻時n＝0.3。

可由試驗獲取的數據點擬合出相關準數后，即可作出曲線，并與經驗公式的曲線對比以驗證明驗效果。

3試驗裝置

水-水蒸汽給熱系數測定試驗裝置如圖3.2所示：來自蒸汽發生器的水蒸氣進入套管換熱器，與來自水箱的水進行熱交換，冷凝水經管道排入地溝。冷水經增壓泵和渦輪番量計進入套管換熱器內管（紫銅管），水流量可用閥門調理或變頻器自動調理，熱交換后進入下水道。

圖3.2水-水蒸氣換熱試驗流程

1-水泵；2-冷流體管路；3-冷流體進口調理閥；4-渦輪番量計；5-冷流體進口溫度；6-惰性氣體排空閥；7-蒸汽溫度；8-視鏡；9-冷流體進口溫度；10-壓力表；11-冷凝水排空閥；12-蒸

19

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

汽進口閥；13-冷凝水排空閥；14-蒸汽進口管路；15-冷流體出口管路；16-冷流體進口管壁溫度；17-冷流體出口管壁溫度；18-水箱

4試驗步驟與本卷須知

4.1手動操作

（1）檢查儀表、水泵、蒸汽發生器及測溫點是否正常，檢查進氣系統的蒸氣調理閥是否關閉。

（2）開啟總電源開關、儀表電源開關（由指導老師啟動蒸汽發生器和開啟蒸氣總閥）。

（3）啟動水泵。

（4）調理手動調理閥的開度，閥門全開使水流量達到最大。

（5）排除蒸汽管線中原積存的冷凝水（方法是：關閉進氣系統的蒸氣調理閥，開啟蒸汽管冷凝水排放閥）。

（6）排凈后，關閉蒸汽管冷凝水排放閥，開啟進氣系統的蒸氣調理閥，使蒸汽緩緩進入換熱器環隙以加熱套管換熱器，再開啟換熱器冷凝水排放閥（冷凝水排放閥不要開啟過大，以免蒸汽泄漏），使環隙中冷凝水不斷地排至地溝。

（7）細心調理進系統蒸氣調理閥的開度，使蒸汽壓力穩定保持在0.1MPa左右（可通過微調惰性氣體排空閥使壓力達到需要的值），以保證在恒壓條件下操作，再根據測試要求，由大到小逐漸調理水流量手動調理閥的開度，合理確定6個試驗點。待流量和熱交換穩定后，分別讀取冷流體流量、冷流體進出口溫度、冷流體進出口壁溫以及蒸汽溫度。

（8）試驗終了，首先關閉蒸氣調理閥，切斷設備的蒸汽來路，關閉蒸汽發生器（由教師完成）、儀表電源開關及切斷總電源。4.2自動操作

（1）前7步準備工作同手動操作。

（2）開啟對流給熱系數測定試驗MCGS組態文件，進入“對流給熱系數測定試驗軟件〞界面，點擊“對流給熱系數測定試驗〞按鈕，進入試驗界面。

（3）當一切準備就緒后單擊“開始按鈕〞開始試驗，根據測試要求，由大到小逐漸調理變頻器，控制水流量，合理確定6個試驗點，待穩定后點擊數據自動采集或分別從數顯表上讀取冷流體流量、冷流體進出口溫度、冷流體進出口壁

20

試驗三傳熱試驗

溫以及蒸汽溫度。

（4）當測好所需的試驗次數后單擊“中止〞按鈕中止試驗。若試驗完畢單擊“退出試驗〞。回到“對流給熱系數測定試驗軟件〞界面，再單擊“退出試驗〞按鈕退出試驗系統。

（5）試驗終了，首先關閉蒸氣進口調理閥，切斷設備的蒸汽來路，經一段時間后，再關閉變頻器，然后關閉蒸汽發生器、儀表電源開關及切斷總電源，清潔整理試驗室。4.3本卷須知

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

（2）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〞轉變為“熱態〞不得少于10min。

（3）操作過程中，蒸汽壓力一般控制在0.2MPa（表壓）以下，由于在此條件下壓力比較安全。

（4）測定各參數時，必需是在穩定傳熱狀態下，并且隨時注意惰氣的排空和壓力表讀數的調整。一般熱穩定時間都至少需保證5分鐘以上，以保證數據的可靠性。

（5）注意本試驗中，冷流體并非循環使用，試驗過程中需要給水箱連續通水源。

5思考題

（1）試驗中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響?

（2）在計算冷流體質量流量時所用到的密度值與求雷諾數時的密度值是否一致？它們分別表示什么位置的密度，應在什么條件下進行計算。

（3）試驗過程中，冷凝水不及時排走，會產生什么影響？如何及時排走冷凝水？假使采用不同壓強的蒸汽進行試驗，對α關聯式有何影響？

傳熱試驗二空氣-水蒸汽給熱系數測定

21

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

1試驗目的

（1）了解間壁式傳熱元件。

（2）觀測水蒸氣在管外壁上的冷凝現象，學習影響給熱系數的因素和加強傳熱的途徑。

（3）把握對流傳熱系數α的測定方法。

（4）了解熱電阻測溫方法、渦輪番量計測流量方法，學會使用變頻器。

2基本原理

詳見水-水蒸汽給熱系數測定。

3試驗裝置

空氣-水蒸汽給熱系數測定試驗裝置如圖3.3所示：來自蒸汽發生器的水蒸氣進入玻璃套管換熱器環隙，與來自風機的空氣在套管換熱器內進行熱交換，冷凝水經疏水器排入地溝。冷空氣經孔板流量計進入套管換熱器內管（紫銅管），熱交換后排出裝置外。

圖3.3空氣-水蒸氣換熱試驗流程

4試驗步驟與本卷須知

4.1操作步驟

（1）檢查儀表、水泵、蒸汽發生器及測溫點是否正常，檢查蒸氣調理閥是否關閉。

22

試驗三傳熱試驗

（2）開啟總電源開關、儀表電源開關（由指導老師啟動蒸汽發生器和開啟蒸氣總閥）。

（3）先開差壓變送器下方的平衡閥，將孔板流量計前后壓差置零，再開啟風機電源。若風機開關檔撥向“直接〞，則表示手動檔控制，須通過冷流體入口管處的“冷流體閥門〞來調理空氣流量。

（4）開啟熱交換器進出口的兩個“不凝性氣體排放閥門〞，試驗中也保持一定開度。開啟“冷凝水閥門〞，共有兩個閥門，長直管段的和短直管段均要開啟，可觀測到冷凝水排出。然后，將短直管段的冷凝水閥門關閉，此時方可開啟“熱流體閥門〞，從而使得蒸汽發生器產生的蒸汽通入系統中。此時可觀測到系統中的對流交換，以及冷凝水的排出狀況。

（5）細心調理進系統蒸氣調理閥的開度，使蒸汽壓力穩定保持在0.1MPa左右（可通過微調惰性氣體排空閥使壓力達到需要的值），以保證在恒壓條件下操作，再根據測試要求，由大到小逐漸調理空氣流量手動調理閥的開度，合理確定6個試驗點。待流量和熱交換穩定后，分別讀取冷流體流量、冷流體進出口溫度、冷流體進出口壁溫以及蒸汽溫度；

（6）試驗終了，首先關閉蒸氣調理閥，切斷設備的蒸汽來路，關閉蒸汽發生器（由指導老師完成）、儀表電源開關及切斷總電源。4.2自動操作

（1）前4步準備工作同手動操作。

（2）開啟對流給熱系數測定試驗MCGS組態文件，進入“對流給熱系數測定試驗軟件〞界面，點擊“對流給熱系數測定試驗〞按鈕，進入試驗界面。

（3）當一切準備就緒后單擊“開始按鈕〞開始試驗，根據測試要求，由大到小逐漸調理變頻器，控制水流量，合理確定6個試驗點，待穩定后點擊數據自動采集或分別從數顯表上讀取冷流體流量、冷流體進出口溫度、冷流體進出口壁溫以及蒸汽溫度。

（4）當測好所需的試驗次數后單擊“中止〞按鈕中止試驗。若試驗完畢單擊“退出試驗〞。回到“對流給熱系數測定試驗軟件〞界面，再單擊“退出試驗〞按鈕退出試驗系統。

（5）試驗終了，首先關閉蒸氣進口調理閥，切斷設備的蒸汽來路，經一段

23

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

時間后，再關閉變頻器，然后關閉蒸汽發生器、儀表電源開關及切斷總電源。清潔整理試驗室。4.3本卷須知

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

（2）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〞轉變為“熱態〞不得少于10min。

（3）操作過程中，蒸汽壓力一般控制在0.2MPa（表壓）以下，由于在此條件下壓力比較安全。

（4）測定各參數時，必需是在穩定傳熱狀態下，并且隨時注意惰氣的排空和壓力表讀數的調整。一般熱穩定時間都至少需保證5分鐘以上，以保證數據的可靠性。

5思考題

（1）試驗中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響?

（2）在計算冷流體質量流量時所用到的密度值與求雷諾數時的密度值是否一致？它們分別表示什么位置的密度，應在什么條件下進行計算。

（3）試驗過程中，冷凝水不及時排走，會產生什么影響？如何及時排走冷凝水？假使采用不同壓強的蒸汽進行試驗，對α關聯式有何影響？

傳熱試驗三傳熱綜合（空氣和水蒸汽）試驗

1試驗目的

（1）了解間壁式傳熱元件。

（2）觀測水蒸氣在管外壁上的冷凝現象，學習影響給熱系數的因素和加強傳熱的途徑。

（3）把握對流傳熱系數α的測定方法。

（4）并應用線性回歸分析方法，確定關聯式Nu=ARemPr0.4中常數A、m的值。

（5）通過對管程內部插有螺旋線圈的空氣-水蒸氣加強套管換熱器的試驗研

24

試驗三傳熱試驗

究，測定其加強比Nu/Nu0，了解加強傳熱的基本理論和基本方式。

2基本原理

2.1光滑套管換熱器傳熱系數及其準數關聯式的測定2.1.1對流傳熱系數αi的測定

在該傳熱試驗中，空氣走內管，蒸氣走外管。

對流傳熱系數αi可以根據牛頓冷卻定律，用試驗來測定：?i?Qi?tm?Si（3.7）

式（3.7）中：αi—管內流體對流傳熱系數，W/(m2?OC)；Qi—管內傳熱速率，W；Si—管內換熱面積，m2；?tm—內壁面與流體間的溫差，OC。?tm由下式確定：

?tm?tw?t1?t2（3.8）2式（3.8）中：t1，t2—冷流體的入口、出口溫度，OC；tw—壁面平均溫度，

O

C。

由于換熱器內管為紫銅管，其導熱系數很大，且管壁很薄，故認為內壁溫度、外壁溫度和壁面平均溫度近似相等，用tw來表示。

管內換熱面積為：

Si??diLi（3.9）

式（3.9）中：di—內管管內徑，m；Li—傳熱管測量段的實際長度，m。熱量衡算式：

Qi?WmCpm(t2?t1)（3.10）

其中質量流量由下式求得：

Wm?Vm?m（3.11）3600式（3.10）、（3.11）：Vm—冷流體在套管內的平均體積流量，m3/h；Cpm—流體的定壓比熱，kJ/(kg?OC)；ρm—冷流體的密度，kg/m3。

Cpm和ρm可根據定性溫度tm查得，tm=t1+t2為冷流體進出口平均溫度。t1，t2，tw和Vm可采取一定的測量手段得到。

25

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

2.1.2對流傳熱系數準數關聯式的試驗確定

流體在管內作強制湍流，被加熱狀態，準數關聯式的形式為：

Nu?ARemPrn（3.12）

其中：

Nu?ud??idi，Re?mim，Pr?Cpm?m?i?m?m物性數據λm、Cpm、μm可根據定性溫度tm查得。經過計算可知，對于管內被加熱的空氣，普蘭特準數Pr變化不大，可以認為是常數，則關聯式的形式簡化為：

Nu?ARemPr0.4（3.13）

這樣通過試驗確定不同流量下的Re與Nu，然后用線性回歸方法確定A和m的值。

2.1.3空氣流量的測量

空氣流量計由孔板與差壓變送器和二次儀表組成。該孔板流量計在20OC時

標定的流量和壓差的關系式為：

V20?6.639?(?P)0.5（3.14）

流量計在實際使用時往往不是20OC，此時需要對該讀數進行校正：

Vt1?V20273?t1（3.15）

273?20式（3.14）、（3.15）中：?P—孔板流量計兩端壓差，KPa；V20—20OC時體積流量，m3/h；Vt1—流量計處體積流量，也是空氣入口體積流量，m3/h；t1—流量計處溫度，也是空氣入口溫度，OC。

由于換熱器內溫度的變化，傳熱管內的體積流量需進行校正：Vm?Vt1?273?tm（3.16）

273?t1式（3.16）：Vm—傳熱管內平均體積流量，m3/h；tm—傳熱管內平均溫度，OC。2.2加強套管換熱器傳熱系數、準數關聯式及加強比的測定

加強傳熱又被學術界稱為其次代傳熱技術，它能減小初設計的傳熱面積，以

26

試驗三傳熱試驗

減小換熱器的體積和重量；提高現有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動力消耗，更有效地利用能源和資金。加強傳熱的方法有多種，本試驗裝置是采用在換熱器內管插入螺旋線圈的方法來加強傳熱的。

螺旋線圈的結構圖如圖3.4。旋線圈由直徑3mm以下的銅絲和鋼絲按一定節距繞成。將金屬螺旋線圈插入并固定在管內，即可構成一種加強傳熱管。在近壁區域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發生旋轉，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動，因而可以使傳熱加強。由于繞制線圈的金屬絲直徑很細，流體旋流強度也較弱，所以阻力較小，有利于節省能源。螺旋線圈是以線圈節距H與管內徑d的比值技術參數，且長徑比是影響傳熱效果和阻力系數的重要因素。科學家通過試驗研究總結了形式為Nu=BRem的經驗公式，其中B和m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。

圖3.4線圈內部結構

采用和光滑套管同樣的試驗方法確定不同流量下得Rei與Nu，用線性回歸方法可確定B和m的值。

單純研究加強手段的加強效果（不考慮阻力的影響），可以用加強比的概念作為評判準則，它的形式是：Nu/Nu0，Nu是加強管的努塞爾準數，Nu0是光滑管的努塞爾準數，顯然，加強比Nu/Nu0＞1，而且它的值越大，加強效果越好。

3試驗裝置

傳熱綜合試驗裝置如圖3.5所示。

27

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

圖3.5空氣-水蒸氣傳熱綜合試驗流程

1-普通套管換熱器；2-內插有螺旋線圈的加強套管換熱器；3-蒸汽發生器；4-旋渦氣泵；5-變頻器；6-孔板流量計；7、8-空氣支路控制閥；9、10-蒸汽支路控制閥；11、12-蒸汽放空口；13-蒸汽上升主管路；14-加水口；15-放水口；16-液位計；17-冷凝液回流口；18-儲槽

4試驗步驟與本卷須知

4.1試驗前的準備，檢查工作

（1）向電加熱釜加水至液位計上端紅線處。（2）檢查空氣流量旁路調理閥是否全開。

（3）檢查蒸氣管支路各控制閥是否已開啟。保證蒸汽和空氣管線的暢通。（4）接通電源總閘，設定加熱電壓，啟動電加熱器開關，開始加熱。4.2試驗開始

（1）關閉通向加強套管的閥門9，開啟通向簡單套管的閥門10，當簡單套管換熱器的放空口11有水蒸氣冒出時，可啟動風機，此時要關閉閥門7，開啟閥門8。在整個試驗過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣冒出。

（2）啟動風機后用變頻器5來調理流量，調好某一流量后穩定5-10分鐘后，分別測量空氣的流量，空氣進、出口的溫度及壁面溫度。然后，改變流量測量下組數據。一般從小流量到最大流量之間，測量5～6組數據。

28

試驗三傳熱試驗

（3）做完簡單套管換熱器的數據后，進行加強管換熱器試驗。先開啟蒸汽支路閥9，中止變頻器運轉，關閉蒸汽支路閥10，關閉空氣支路閥8，開啟空氣支路閥7，進行加強管傳熱試驗。試驗方法同步驟（2）。

（4）試驗終止后，依次關閉加熱電源、風機和總電源，一切復原。4.3本卷須知

（1）檢查蒸汽加熱釜中的水位是否在正常范圍內。特別是每個試驗終止后，進行下一試驗之前，假使發現水位過低，應及時補給水量。

（2）必需保證蒸汽上升管線的暢通。即在給蒸汽加熱釜電壓之前，兩蒸汽支路閥門之一必需全開。在轉換支路時，應先開啟需要的支路閥，再關閉另一側，且開啟和關閉閥門必需緩慢，防止管線截斷或蒸汽壓力過大突然噴出。

（3）必需保證空氣管線的暢通。即在接通風機電源之前，兩個空氣支路控制閥之一和旁路調理閥必需全開。在轉換支路時，應先關閉風機電源，然后開啟和關閉支路閥。

（4）調理流量后，應至少穩定5～10分鐘后讀取試驗數據。

（5）試驗中保持上升蒸汽量的穩定，不應改變加熱電壓，且保證蒸汽放空口一直有蒸汽放出。

5思考題

（1）試驗中冷流體和蒸汽的流向，對傳熱效果有何影響?

（2）在計算冷流體質量流量時所用到的密度值與求雷諾數時的密度值是否一致？它們分別表示什么位置的密度，應在什么條件下進行計算。

（3）試驗過程中，冷凝水不及時排走，會產生什么影響？如何及時排走冷凝水？假使采用不同壓強的蒸汽進行試驗，對α關聯式有何影響？

29

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

30

試驗四吸收與解吸綜合試驗

試驗四吸收與解吸綜合試驗

1試驗目的

（1）了解填料吸收塔、解吸塔的基本結構、性能和特點。（2）練習并把握填料塔操作方法。

（3）了解氣體通過填料層的壓降與流速及與噴淋密度的關系。（4）學習并把握總傳質系數的測定方法。（5）把握操作條件對傳質系數的影響規律。

2基本原理

2.1填料塔流體力學特性

氣體通過干填料層時，流體滾動引起的壓降和湍流滾動引起的壓降規律相一致。在雙對數坐標系中△P/Z對G＇作圖得到一條斜率為1.8～2的直線（圖4.1中的aa線）。而有噴淋量時，在低氣速時（c點以前）壓降也比例于氣速的1.8～2次冪，但大于同一氣速下干填料的壓降（圖中bc段）。隨氣速增加，出現載點（圖中c點），持液量開始增大。圖中不難看出載點的位置不是十明顯確，說明氣液兩相滾動的相互影響開始出現。壓降～氣速線向上彎曲，斜率變徒（圖中cd段）。當氣體增至液泛點（圖中d點，試驗中可以目測出）后在幾乎不變的氣速下，壓降急劇上升，此時液相完全轉為連續相，氣相完全轉為分散相，塔內液體返混和氣體的液沫夾帶現象嚴重，傳質效果極差。

圖4.1填料層壓降～空塔質量流速關系圖

31

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

測定填料塔的壓降和液泛氣速是為了計算填料塔所需動力消耗和確定填料塔的適合操作范圍，選擇適合的氣液負荷。試驗可用空氣與水進行。在各種噴淋量下，逐步增大氣速，記錄必要的數據直至剛出現液泛時止。但必需注意，不要使氣速過分超過泛點，避免沖跑和沖破填料。2.2以液相為基準的總體積傳質系數KYa的測定

本試驗考察水對于二氧化碳的吸收性能，對于水而言，二氧化碳屬于難溶性氣體，平衡常數m值大，平衡線很陡，吸收過程傳質阻力主要集中在液相，屬于液相擴散控制過程（或液膜控制過程），因此，以液相為基準的總體積傳質系數近似等于液相總體積傳質系數，即：

Kxa?kxa（4.1）

式（4.1）中：Kxa—以液相為基準的總體積傳質系數，kmol/(m3·s)；ka—液相總體積傳質系數，kmol/m3·s。

通過式（4.2）計算液相總體積傳質系數：

kxa?VLCA1?CA2（4.2）?ZS?CAm（4.2）式中：VL—吸收液流量，m3/s；Z—填料層高度，m；S—填料塔截面積，m2；CA1—塔底吸收液中二氧化碳濃度，kmol/m3；CA2—塔頂吸收液中二氧化碳濃度，kmol/m3；△CAm—液相平均推動力，kmol/m3。

液相平均推動力的計算見下式：

?C－?CA1（CA2?CA2)?(CA1?CA1)（4.3）?CAm＝A2＝*?CA2C?CA2lnA2ln*?CA1CA1?CA1**對于本試驗考察的純水吸收二氧化碳，有：

CA1=CA2=HPA（4.4）

**式（4.4）中H—溶解度系數，kmol/(m3·Pa)；PA—溶質在氣相中的平衡分壓，Pa。

對于稀溶液而言，由于溶質的濃度很小，因此式（4.5）中二氧化碳的溶解度系數計算方法近似等于：

H??sMs?1E（4.5）

32

試驗四吸收與解吸綜合試驗

式（4.5）中：ρs—溶劑密度，Kg/m3；ρs—溶解的相對分子質量，g/mol；E為特定溫度下，二氧化碳溶解于水中的亨利系數，Pa。

聯立（4.1）～（4.5）式，可以得到以液相為基準的總體積傳質系數值。

3試驗裝置

本試驗裝置見圖4.2：吸收質（純二氧化碳氣體或與空氣混合氣）由鋼瓶經二次減壓閥和轉子流量計15計量后，由塔底進入吸收塔內，氣體自下而上經過填料層，與吸收劑純水逆流接觸進行吸收操作，尾氣從塔頂放空；吸收劑經轉子流量計14計量后由塔頂進入噴灑而下；吸收二氧化碳后的溶液流入塔底液料儲罐中儲存，再由吸收液泵3經流量計7計量后進入解吸塔，空氣由6流量計控制流量進入解吸塔塔底，自下而上經過填料層與液相逆流接觸對吸收液進行解吸，解吸后氣體自塔頂放空。U形液柱壓差計用來測量填料層兩端的壓強降。

圖4.2二氧化碳吸收-解吸試驗流程

1-解吸液水箱；2-解吸液液泵；3-吸收液液泵；4-風機；5-空氣旁通閥；6-空氣流量計；7-吸收液流量計；8-吸收塔；9-吸收塔塔底取樣閥；10、11-U型壓差計；12-解吸塔；13-解吸塔塔底取樣閥；14-解吸液流量計；15-CO2流量計；16-吸收用空氣流量計；17-吸收用氣泵；18-CO2鋼瓶；19、21-水箱放水閥；20-減壓閥；22-吸收液水箱；23-放水閥；

33

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

24-回水閥

4試驗步驟與本卷須知

4.1試驗步驟

4.1.1測量解吸塔干填料層（△P/Z）～u關系曲線

先全開空氣旁路調理閥5，啟動風機，（先全開閥5和空氣流量計閥，再利用閥5調理進入解吸塔內的空氣流量，空氣流量從小到大）。讀取填料層壓降△P（U形液柱壓差計11），然后在對數坐標紙上以空塔氣速u為橫坐標，以單位高度的壓降△P/Z為縱坐標，標繪干填料層(△P/Z)～u關系曲線。4.1.2測量吸收塔在噴淋狀態下填料層(△P/Z)～u關系曲線

將水流量固定在100L/h（水流量大小因設備而定），然后采用上面一致步驟調理空氣流量，并讀取填料層壓降△P、轉子流量計讀數和流量計處空氣溫度，注意觀測塔內操作現象，一旦出現液泛現象，馬上記錄下來對應空氣轉子流量計讀數。在對數坐標紙上標出液體噴淋量為100L/h時的（△P/Z）～u關系曲線，在圖上確定液泛氣速，并與觀測的液泛氣速相比較是否吻合。4.1.3二氧化碳吸收傳質系數測定

吸收塔與解吸塔（水流量為40L/h）（1）開啟閥門5，關閉閥門9、13。

（2）啟動吸收液泵2將水經水流量計14計量后打入吸收塔中，然后開啟二氧化碳鋼瓶頂上的針閥20，向吸收塔通入二氧化碳（二氧化碳氣體流量計15的閥門要全開），流量由流量計讀出在0.1m3/h左右。

（3）吸收進行15分鐘后，啟動解吸泵2，將吸收液經解吸流量計7計量后打入解吸塔中，同時啟動風機，利用閥門5調理空氣流量（0.25m3/h）對解吸塔中的吸收液進行解吸。

（4）操作達到穩定狀態之后，測量塔底的水溫，同時取樣，測定兩塔塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。（試驗時注意吸收塔水流量計和解吸塔水流量計要一致，并注意解吸水箱中的液位，各流量計要及時調理，以保證明驗時操作條件不變）

34

試驗四吸收與解吸綜合試驗

（5）二氧化碳含量測定。

用移液管吸取0.1M的Ba(OH)2溶液10mL，放入三角瓶中，并從塔底附設的取樣口處接收塔底溶液10mL，用膠塞塞好振蕩。溶液中參與2～3滴酚酞指示劑搖勻，用0.1M的鹽酸滴定到粉紅色消失即為終點。

按下式計算得出溶液中二氧化碳濃度：

CCO2?2CBa(OH)2VBa(OH)2－CHClVHCl2V溶液（4.2）

4.2本卷須知

（1）開啟CO2總閥前，要先關閉減壓閥，閥門開度不宜過大。

（2）試驗中要注意保持吸收塔水流量計和解吸塔水流量計數值一致，并隨時注意水箱中的液位。

（3）分析操作時動作要迅速，以免二氧化碳從液體中溢出導致結果不確鑿。

5思考題

（1）如何配制二氧化碳與空氣的混合氣？

（2）為什么要保證入口氣濃度Y1恒定？怎樣保證Y1恒定？通過什么衡量Y1是否恒定？

（3）填料吸收塔塔底為什么必需有液封裝置？液封裝置是如何設計的？（4）可否改變空氣流量達到改變傳質系數的目的？（5）維持吸收劑流量恒定的恒壓槽的原理是什么？

（6）氣體轉子流量計測定何種氣體流量？怎樣得到混合氣流量？

35

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

36

試驗五精餾試驗

試驗五精餾試驗

1試驗目的

（1）了解篩板式精餾單元操作的工作原理、精餾塔結構及典型精餾流程。（2）了解精餾過程采用的主要設備、設備形式及用途。（3）了解精餾塔操作規程，熟練把握精餾塔操作技能。

（4）學會分析判斷精餾塔操作中出現非正常現象以及對其的處理。（5）學會使用DCS控制系統對精餾塔控制操作。

（6）學習并把握精餾塔全塔效率、單板效率的概念及測定原理。

2基本原理

在精餾塔中，塔釜產生的蒸汽沿塔逐漸上升，來自塔頂冷凝器的回流液從塔頂逐漸下降，氣液兩相在塔內實現屢屢接觸，進行傳質、傳熱過程，輕組分上升，重組分下降，使混合液達到一定程度的分開。假使離開某一塊塔板的氣相和液相的組成達到平衡，則該板）稱為一塊理論板或一個理論級。然而，在實際操作的塔板上或一段填料層中，由于汽液兩相接觸時間有限，氣液相達不到平衡狀態，即一塊實際操作的塔板的分開效果往往達不到一塊理論板或一個理論級的作用。要想達到一定的分開要求，實際操作的塔板數總要比所需的理論板數多。2.1全塔效率η的測定

全塔效率即精餾塔的理論塔板數NT實際塔板數NP之比：

??NT?100%（5.1）NP（5.1）式中：η—全塔效率；NT—理論塔板數，塊；NP—實際塔板數，塊。2.2全回流理論塔板數

全回流操作時理論板數可通過逐板計算或利用汽液平衡數據通過圖解法求出：

（1）逐板計算法求理論板數，據芬斯克方程式

lg[(Nmin?xD1?xW)()]1?xDxW?1（不包括再沸器）（5.2）

lg?m（5.2）式中：xD—塔頂液相組成，摩爾分率；xW—塔底液相組成，摩爾分

37

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

率；αm—塔內平均相對揮發度，可取塔頂與塔釜間的幾何平均值，αm=(α頂α釜)1/2。

（2）圖解法求理論板數

精餾塔塔板數的計算利用圖解的方法最簡便，對于二元物系，若已知其氣液平衡數據，則根據流出液的組成xD，料液組成xF，殘液組成xW及回流比R，即可求出全回流時的理論板數NT。

在本試驗中所處理的物料為乙醇一水溶液，通過阿貝折光儀測定塔頂、塔底的濃度。

2.3部分回流操作時可通過圖解法求出理論板數

（1）簡捷法求理論板數（可參考有關化工原理教材）。（2）圖解法求理論板數。

本試驗利用相平衡數據，定出q線方程，測出xD、xW、xF，從而確定精餾段和提餾段的操作線，即可在平衡線與操作線之間交替作梯級，確定理論板數。2.4全回流時單板效率的測定

氣相默弗里效率計算式為：

Emv?yn?yn?1*yn?yn?1（5.3）

液相默弗里效率計算式為：

Eml?xn?xn?1*xn?1?xn（5.4）

式（5.3）和式（5.4）中：yn*是與xn成平衡的氣相組成，摩爾分率xn*是與yn成平衡的液相組成，摩爾分率可通過測量相鄰兩塊板液相組成計算Emv、Eml。

3試驗裝置

精餾試驗裝置見圖5.1。

4試驗步驟與本卷須知

4.1試驗步驟

4.1.1試驗前檢查準備工作

（1）將與阿貝折光儀配套的超級恒溫水浴，調整運行到所需溫度并作好記錄。檢查取樣用注射器和擦鏡頭紙是否準備好。

（2）檢查試驗裝置上的各個旋塞、閥門均應處于關閉狀態。

38

試驗五精餾試驗

（3）配制一定濃度（質量濃度20％左右）的乙醇─正丙醇混合液（總容量15升左右），倒入儲料罐中。

（4）開啟進料泵開關，開啟直接進料閥22，向精餾釜內加料到指定高度（液面控制在塔釜總高2/3處），而后關閉進料泵和閥門22。

圖5.1連續精餾試驗流程

1-原料罐進料口；2-原料罐；3-進料泵回流閥；4-進料泵；5-電加熱器；6-釜料放空；7-塔釜產品罐放空閥；8-釜產品儲罐；9-塔釜；10-流量計；11-塔頂產品罐放空閥；12-塔頂產品儲罐；13-塔板；14-塔身；15-降液管；16-塔頂取樣口；17-觀測段；18-線圈；19-冷凝器；20-塔釜取樣口；21-高位槽；22、23-閥門；24、25、26-進料閥；27、29放空閥；28-液位計；30-電磁閥；31-塔釜出料閥

39

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

4.1.2手動試驗操作

（1）全回流操作。

①接通塔頂冷凝器冷卻水，保證冷卻水量足夠大（約8L/min）。②記錄室溫值。合上電源閘門（220V），按下試驗裝置上總電源開關。③調理加熱電壓到130V，按下加熱開關開始加熱，使塔內維持正常操作。④等各塊塔板上鼓泡均勻后，保持加熱釜電壓不變，在全回流狀況下穩定20分鐘左右（即塔頂溫度穩定20min）。期間細心觀測全塔傳質狀況，確定操作穩定后分別在塔頂、塔釜取樣口同時取樣，利用阿貝折射儀分析樣品濃度。

（2）部分回流操作。

①全回流試驗采樣終止后，保持塔冷卻水流量不變。

②開啟進料泵開關，再開啟間接進料閥門23，調理轉子流量計進料閥門，以2.5～3.0（L/h）的流量向塔內加料，通過回流比控制調理器調理回流比R＝4，餾出液收集在塔頂容量管中。

③塔釜產品由溢流管流出，收集在容器內。

④操作穩定后，注意觀測塔板上氣液傳質狀況，記錄下來加熱電壓、塔頂溫度等相關數據。整個操作中要維持進料流量計讀數不變，取下塔頂、塔釜和進料三處樣品后用折光儀分析濃度，并記錄進塔原料液的溫度（室溫）。

（3）試驗終止。

①檢查所取試驗數據合理有效后，可中止試驗。首先關閉加熱電壓開關；關閉回流比調理器開關。

②根據物系的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，一切復原。4.1.3計算機采集和控制

將乙醇和水混合液濃度在（15～25%）15升倒入儲料罐中，開啟進料泵開關，將混合液參與到再沸器指定位置。向塔頂冷凝器，塔底冷卻器通入冷卻水。

接通設備總電源，把選擇開關放到自動檔位置，啟動計算機開啟控制軟件，依照計算機程序的提醒進行全回流操作，試驗開始時一定要把加熱開關按下，待塔內操作穩定后，測定并繪制出在全回流條件下塔體溫度分布和塔頂溫度動態響應曲線并確定操作的穩定時間。

40

試驗五精餾試驗

隨后進行連續精餾操作，通過計算機設定加熱電壓、回流比。

試驗終止后，依照計算機的要求退出控制程序并關機。關閉選擇開關閉總電源，在無上升蒸氣后關閉冷卻水。試驗完畢，一切復原。4.2本卷須知

（1）塔內預先配制濃度7%～8%的水溶液，液位以接近塔釜高的2/3為宜。（2）本試驗設備加熱功率由電位器來調解，固在加熱時應注意加熱千萬別過快，以免發生爆沸（過冷沸騰），使釜液從塔頂沖出，若遇此現象應馬上斷電，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，讀取折光指數，一定要同時記其測量溫度，并按折光指數-質量百分濃度-測量溫度關系測定有關數據。

（5）為便于對全回流和部分回流的試驗結果(塔頂產品和質量)進行比較，應盡量使兩組試驗的加熱電壓及所用料液濃度一致或相近。連續開出試驗時，在做試驗前應將前一次試驗時留存在塔釜和塔頂、塔底產品接受器內的料液均倒回原料液瓶中。

5思考題

（1）全回流操作的目的？如何確定全塔效率？

（2）精餾塔操作中，塔釜壓力為什么是一個重要操作參數？它與哪些因素有關？

（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）操作中由于塔頂采出率太大而造成產品不合格，恢復正常的最快，最有效的方法是什么？

（5）本試驗中，進料狀況為冷進料，當進料量太大時，為什么會出現精餾段干板，甚至出現塔頂既沒有回流也沒有出料的現象，應如何調理？

（6）在部分回流操作時，你是如何根據全回流的數據，選擇一個適合的全回流比和進料口位置？

41

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

42

試驗六萃取試驗

試驗六萃取試驗（填料萃取塔、振動篩

板萃取塔）

萃取試驗一填料萃取塔

1試驗目的

（1）熟悉、把握標準溶液及原料液的配制原則。

（2）把握傳質單元數、傳質單元高度和總傳質系數的測量方法。（3）把握水、油流量的變化對傳質系數的影響。

2基本原理

本試驗以水為萃取劑，從煤油中萃取苯甲酸，其中，水為萃取相（用字母E來表示，本試驗為連續相、重相），煤油為萃余相（用字母R來表示）。

煤油入口處，苯甲酸在煤油中的濃度應保持在0.0015～0.0020（Kg苯甲酸/Kg煤油）之間為宜。煤油由塔底進入作為分散相向上滾動，經塔頂分開段分開后由塔頂流出。水由塔頂進入作為連續相向下滾動至塔底流出。水與煤油兩相在塔內呈逆向滾動。在萃取過程中，苯甲酸部分地從水轉移至煤油。萃取相及萃余相進出口濃度由容量分析法測定。考慮水與煤油是完全不互溶的，且苯甲酸在兩相中的濃度都很低，可認為在萃取過程中兩相液體的體積流量不發生變化。2.1萃取相傳質單元數的計算

利用萃取相計算傳質單元數NOE的計算公式為：

YEbNOE?YEt??YdYE（6.1）*?YEE?式（6.1）中：YEt—苯甲酸在進入塔頂的萃取相中的質量比組成，kg苯甲酸/kg水；對于本試驗，YEt近似等于0，YEb—苯甲酸在離開塔底萃取相中的質量比組成，kg苯甲酸/kg水；YE—苯甲酸在塔內某一高度處萃取相中的質量比組成，kg苯甲酸/kg水；YE*—與苯甲酸在塔內某一高度處萃余相組成XR成平衡的萃取相中的質量比組成，kg苯甲酸/kg水。

利用式（6.1）計算傳質單元數，涉及到操作曲線和平衡曲線，其中操作曲

43

化工原理試驗講義昆明理工大學化學工程學院

線必然經過（XRb，YEb）和（XRt，YEt）兩點。

其中塔底煤油中苯甲酸濃度（XRb）、塔頂煤油中苯甲酸濃度（XRt）和YEb可通過NaOH溶液滴定（YEt=0