化工技术基础实验指导书

2020-12-10 来源：钮旅网

化工技术基础实验指导书

绪论

化工原理是化工类专业的一门技术基础课程。该课程具有理论性强和实践性强的双重特点。化工技术基础实验是该课程的重要实践教学内容。一、化工技术基础实验的教学目的

1、巩固和深化理论知识

化工原理课程中所讲授的工程概念、工程理论和技术方法等，需要通过实践环节加深理解。通过该实验，学生可对于化工原理课程中各单元操作的基本原理、公式中各种参数的来源及公式的使用范围会有更完整而深刻的认识。

2、培养学生从事实验研究的能力高等理工科院校的学生，作为今后的科技工作者，必须具备一定的通过实验进行科技开发研究的能力，科技实验能力是基本而重要的。基本的实验能力主要包括：（1）为了完成某一研究课题，选择实验方法并设计实验方案的能力；（2）进行实验时，观察现象、测取记录数据和分析实验现象的能力；正确选择和使用测量仪表的能力：（3）利用实验的原始数据进行数据处理以获得实验结果的能力；（4）运用文字表达书写技术报告的能力。这些能力是进行科学研究的基础，学生只有通过一定数量的基础实验与综合实验的训练，才能学会和掌握基本的实验能力。

3、培养学生严谨的科学态度

从实验操作、现象观察到数据处理等各个环节都要及时、准确，不容丝毫马虎。如果粗心大意，敷衍了事，轻则实验数据检测不准，得不出什么研究结论，重则会造成设备或人身事故。

总之，实验环节对于学生能力的培养是不容忽视的，对于学生操作技能和观察分析问题能力的训练是书本无法代替的。对于化工类专业的学生来说，化工技术基础实验虽仅是工程实践学习的开始，但其为后续工程专业课程的学习奠定了重要的基础。二、化工技术基础实验的要求

对于学生来说化工技术基础实验是第一次用工程装置进行实验，学生往往感到陌生，无从下手。因为实验过程中的操作和检测数据较多，故工程实验一般均是分小组进行的，这样同时培养学生既分工，又合作的协调能力。但是，每个学生都要有责任感、主管意识和配合意识，绝对不要有依赖心理。要求每个学生必须认真做好以下几方面：

1、实验前的准备

学生实验前必须认真的预习实验指导书，清楚的了解实验目的、要求、原理及实验操作步骤，对于实验所涉及到的测量仪表也要预习它们的使用方法。有计算机辅助教学手段时，让学生进行计算机仿真练习，熟悉实验装置、流程、各操作步骤和注意事项。有条件的话还要进行实验现场观察了解。学生们在预习和仿真练习的基础上写出实验预习报告。预习报告的内容主要包括实验目的、原理、装置流程示意图、各操作步骤和注意事项。经实验指导教师检查提问后方可进行实验。

2、实验中的操作

实验操作是动手动脑的重要过程，学生一定要严格按照实验操作规程（步骤）进行，一点的误操作都有可能引起实验设备的不正常。对于要测取的各项目，要预计好测量点的范围及测点数目，要合理布点。调试时要求细心，操作平稳。对于实验过程中的现象、仪表读数要随时仔细观察，并且保持在预定值上。测取的实验数据要记录在表格内，并注明单位。记录好实验环境条件的数据。实验现象要尽量详细记录在记录本内，绝对不应记在随便取来的1

零散纸上，有些当时不能理解的实验现象，重复进行一遍仍然如此，需如实记录下来，待实验结束经过思考后，提出自己的看法和结论。学生在实验操作中培养自己严谨的科学作风，实事求是的科学精神。

3、实验成果的总结

任何实验均是以获得成果为目的的。实验成果是通过科学地处理实验数据，分析总结所得研究规律，书写实验报告，提交出书面实验报告，以这种技术文件的形成来表达实验研究成果的。

书写实验报告是学生用文字、表格、曲线等方式表达技术资料的一种基本而重要的训练，应对完成实验报告的过程有足够的重视，学生应提前浏览一些科技研究报告或科技研究论文。

实验报告应包括以下内容：实验目的、原理、装置流程图、操作步骤，操作注意事项。原始数据记录表、数据处理过程中数据表、数据处理结果数据表。反映研究规律的曲线图（或表）。研究规律分析讨论，研究结论。以1-2个实验点为例，表达根据实验原始数据进行数据处理的各个计算步骤的原理和具体计算过程。有时还要回答所要求的实验思考题。

实验报告必须书写工整，内容层次清晰，语言通畅，图形绘制清晰整洁。实验报告是评价实验效果的主要依据。 2

临界雷诺数的测定

一、实验目的

1．观察流体在管内流动的两种不同流型。 2．测定临界雷诺数。

二、基本原理

流体流动有两种流动型态，层流(滞流)和湍流(紊流)。流体层流流动时，其流体质点作互相平行运动；湍流时流体质点紊乱地向各个方向作不规则的运动，但流体的主体向某一方向流动。

雷诺准数是判断流动型态的准数，若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：

Redu 式中，Re——雷诺准数，无因次； d——管子内径，m；

u——流体流速，m/s； ρ——流体密度，kg/m； μ——流体粘度；Pa﹒s。

对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。本实验通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体流型的变化，一般认为Re＜2000时，流动型态为层流；Re＞4000时。流动为湍流；2000＜Re＜4000时，流动为过渡流。

三、实验装置与实验步骤

实验装置如图1所示。主要由玻璃试验导管10、低位贮水槽3、循环水泵2、高位水槽7和转子流量计6等部分组成。

1、打开泵入口阀12，关闭流量计调节阀4和排污阀11，将自来水充满低位贮水槽3后启动循环水泵。

2、打开泵入口阀12，将高位水槽7充满水至溢流管5中有水流出。

3、打开流量计调节阀4，水由高位水槽7经试验导管10、转子流量计6流回低位贮水槽3。水流量的大小，由流量计调节阀4调节。泵的入口阀12控制溢流管5的溢流量。

4、示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶8，经连接软管和红墨水喷针9注入试验导管。红墨水喷针9出口位于试验导管入口的轴线部位。 5、先少许开启流量计调节阀4，使水缓慢流过玻璃实验导管10，这时可以观察到玻璃实验导管10

中的红色直线，说明水流动为层流。逐渐开大流

图1 雷诺演示实验

量计调节阀4，当玻璃实验导管10中红墨水刚

1-可移动框架 2-循环水泵 3-低位贮水槽

呈现波动时说明已进入过渡区。仔细调节红墨水

4-流量计调节阀 5-溢流管 6-转子流量计

贮瓶连接软管上的自由夹开度，使红墨水的注入

7-高位水槽 8-红墨水贮瓶 9-红墨水喷针

流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般

10-玻璃实验导管 11-排污阀 12-泵入口阀

略低于主体流体的流速为宜。记录当层流刚结束3

时水的流量和温度。

6、缓慢加大流量计调节阀4的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管10内的流速也随之平稳地增大。同时，相应地适当调节泵入口阀12的开度，以保持溢流管5中仍有一定溢流量，确保试验导管10内的流体始终为稳定流动。可观察到：实验导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后,立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为—体，将整个管内水染为红色，以致无法辨别红墨水的流线,此时流动为湍流。仔细调节流量计调节阀4和红墨水贮瓶连接软管上的自由夹开度，使红墨水的注入流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。记录当湍流刚开始时水的流量和温度。

四、实验结果及讨论

玻璃实验导管d=。项目临界层流临界湍流水温，℃ 水粘度，Pas 水密度，kg/m 流量，m3/h 3雷诺数Re

1、写出层流和湍流时临界雷诺数的计算。 2、解释转子流量计的测量原理。

3、解释区分层流与湍流对管路计算有什么实际意义。

4、为什么设置高位水槽，而不是直接将泵的出口管与转子流量计相连？ 5、为什么启动泵后再打开泵入口阀？ 4

流体流动过程能量转换(柏努利)

一、实验目的

1、加深对流体流动过程能量转化及柏努利方程式的理解；

2、观察不同高度和截面积处玻璃管中水位的变化，流体动能、位能及静压能的变化，学会分析流体动能、位能、静压能及摩擦阻力损失的转化。

二、实验原理

对于不可压缩流体，在管路内作稳定流动，系统与环境无外加功交换时，若以单位质量流体为衡算基准，其关系可由流动过程中能量衡算方程即柏努利方程来描述，即

2u12p2u2z1gz2ghf J/kg (1)22p1式中：zg——单位质量流体具有的位能，J/kg；

u/2——单位质量流体具有的动能，J/kg；

2p/——单位质量流体具有的压强能，J/kg；

h

f——单位质量流体在流动过程中的摩擦损失，J/kg

若以单位重量流体为衡算基准时，则可表示为

2p1u12p2u2z1z2Hf m (2)g2gg2g

式中： z—单位重量流体具有的位能即位压头，m； pg—单位重量流体具有的静压能即静压头，m；

u22g—单位重量流体具有的动能即动压头，m；

Hf—单位重量流体流过系统的能量损失即损失压头，m。

由于导管直径和高度发生变化，以及流动过程中的摩擦阻力损失，导致管内流速变化和压强变化，可由各玻璃管中水柱高度指示出来。

a-b、c-d、i-j三对垂直测压管，其中一根液面高度是所在截面的静压头，另一根液面高度是所在截面的冲压头，冲压头即所在截面处的动压头与静压头之和。

根据g-h这对测压管的液面高度，可以计算45°弯头的局部阻力系数ζ。

三、实验装置

如图1-1所示，本实验装置主要由实验导管6、稳压溢流水槽5和多对测压管所组成。

实验导管为一装置的变径圆管，沿程设置多根竖直测压玻璃管。每处测压管有一对并列的测压管组成。

水由离心泵从低位贮水槽1输送至稳压溢流水槽4，后流过实验导管7，实验导管由内5

径分别为19mm、42mm、收缩管和19mm的玻璃管组成，最后经转子流量计9后流回低位贮水槽。实验导管中水流量由导管流量调节阀8调节，流量从转子流量计9测定。

图1-1柏努利实验装置流程图

1—低位贮水槽 2—泵入口阀 3—泵出口阀 4—稳压溢流水槽

5—溢流管 6—放水阀 7—实验导管 8—导管流量调节阀 9—转子流量计

四、实验步骤

1、实验前，先将水充满低位贮水槽 1，打开泵入口阀2和放水阀6，让泵内充满水。关闭泵出口阀3和放水阀6，启动泵。

2、关闭导管流量调节阀8，打开泵出口阀3，让泵将稳压溢流水槽4中充满水，至溢流管5中有水流出。以下操作中始终保持溢流管5中有细小水流流出，流量由泵出口阀3调节。 3、将导管流量调节阀8打开，让水流过实验导管7后返回低位贮水槽1，将管路中的空气排净。

4、关闭导管流量调节阀8，观察各垂直玻璃管中的水面与稳压溢流水槽4中的水面是否在同一高度。

5、调节导管流量调节阀8，让水的流量增大至转子流量计9量程的中间附近，各垂直玻璃管中水面高度随之变化，观察记录各垂直玻璃管中的水柱高度。可观察到：各对测压管中水柱高度差随着流体流量的增大而增大，同时各测压玻璃管中水面高度比水静止时降低。说明当流量加大时，流体流过导管各截面上的流速也随之加大，动压头增大，这就需要更多的静压头转化为动压头，表现为各对测压管的水柱高度差加大。同时，各对测压管中水柱高度则6

随流体流量增大而下降。这说明流体在流动过程中，能量损失随流体流速增大而增大。 6、调节导管流量调节阀8，让水的流量增大至转子流量计9量程最大值附近，各垂直玻璃管中水面高度随之降低，观察记录各垂直玻璃管中的水柱高度。

五、实验结果

右侧实验导管轴线比左侧实验导管轴线高 m。流量 L/min a mm b mm c mm d mm e mm f mm g mm h mm i mm j mm 根据a-b、c-d、i-j三对垂直测压管中液面高度，计算所在截面处的流速，与通过转子流量计所测流量计算的流速比较，分析其偏差产生的原因。

根据g-h这对测压管的液面高度，计算45°弯头的局部阻力系数ζ。

六、思考题

1、为什么随流量增大，垂直玻璃管中液面高度下降？ 2、为什么随流量增大，各对垂直玻璃管中液面的高度差增大？

3、当流量增大时，水流过45°弯头的局部阻力系数ζ是否变化，试解释其原因。 4、为什么实验过程中应保持溢流管中有水流动？

5、为什么启动泵前要关闭泵出口阀3和放水阀6后再启动泵？

流体流动阻力测定

一、实验目的

1．掌握流体流经直管和管阀件时阻力损失的测定方法，通过实验掌握流体流动中能量损失的变化规律。

2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，将数据处理所得的λ-Re关系式与已有的经验公式进行比较。

3．测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ。 4．学会压差计和流量计的使用方法。

5．观察组成管路的各种管件、阀件，并了解其作用。

二、基本原理

流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，称为阻力损失。这种阻力损失包括流体流经直管中的沿程阻力损失和流体流经各种管件时运动方向改变所引起的局部阻力损失。 1．沿程阻力

流体在水平均匀管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。即

hfp1p2ppf

影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究方法。为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量综合成准数关联式。根据因次分析，影响阻力损失的因素有，

(1)流体性质：密度ρ，粘度μ；

(2)管路的几何尺寸：管径d，管长l，管壁粗糙度ε； (3)流动条件：流速μ。可表示为

pff(d,l,,,u,)

通过因次分析方法得到如下的无因次式

pfu2(dul,,) dd

通过初步实验反映的规律，将阻力损失可表示为

pf令

dulu22(,)•• dd22(则

du•)

dlu2hf

d2式中： P（Pf）——压强降（压强损失），Pa

hf——直管阻力损失， J/kg；

ρ——流体密度，kg/m3 ； λ——直管摩擦系数，无因次； l——直管长度， m； d——直管内径， m；

u——流体流速，由实验测定 m/s；

λ——直管摩擦系数。滞流(层流)时，λ＝64／Re；湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度的函数，须由实验确定。 2．局部阻力

局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。 (1) 当量长度法

流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号le表示。这样就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时．可将管路中的直管长度与各管件、阀门等的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度及各种局部阻力的当量长度之和为

pf；

lle，则流体在管路中流动时的总阻力损失hf为

hflleu2d2

(2) 阻力系数法

流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路小的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法。即

hf 式中，ξ——局部阻力系数，无因次；

u22 u——在小截面管中流体的平均流速，m／s。

由于管件两侧距测压孔间的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。因此hf'的值可应用柏努利方程由压差计读数求取。

当装置确定后，根据P（即Pf）和u的实验测定值，根据阻力损失表达式可计算出λ或者ξ的值。雷诺数Re=duρ/μ。因此，只要调节流量，可得到一系列λ～Re的实验点，绘出λ～Re曲线。

三、实验装置与流程

1．实验装置

图1-1 实验装置流程图

实验装置如图1-1所示。主要由离心泵，不同管径、材质的管子，各管件及阀门，转子流量计等组成。从上向下第一根为不锈钢光滑管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力损失的测定。第三根为不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)，用于局部阻力损失的测定。

本实验的介质为水，由离心泵供给，经实验装置后的水通过地下管道流人储水箱内循环使用。水流量用装在测试装置的转子流量计测量，直管段和管件的阻力损失分别用各自的倒U形压差计测量。 10

2．装置结构尺寸

装置结构尺寸如表1-1所示。

表1-1 装置参数

名称光滑管粗糙管局部阻力材质不锈钢食品管镀锌铁管闸阀管内径 / mm 装置（1）装置（2）测试段长度 / m 3．仪表面板图

图1-2 流体力学综合实验装置仪表面板

1-离心泵电源切换开关； 2-变频器电源开关； 3-电动调节阀电源开关； 4-指示灯； 5-智能流量手自动控制仪； 6-转速手自动控制仪； 7-真空度、出口压力、压差、水温智能巡检仪； 8-带漏电保护空气开关； 9-总电源指示灯； 10-功率测量显示仪； 11-离心泵启动按钮； 12-离心泵停止按钮

四、实验步骤及注意事项

（一）实验步骤

1．关闭阀1、阀2。

2．打开放水阀与灌水阀，给水泵灌水，灌好水后关闭放水阀与灌水阀。打开总电源开关，打开仪表电源开关，按下启动按钮启动离心泵。

3．缓缓打开阀3，关闭阀2，打开压差变送器上光滑管阀门组，打开压差变送器上排气11

阀门组，给压差变送器排气，当排完气后，关闭排气阀门组，并准备做光滑管阻力测定实验。

4．缓缓打开出水阀门2，调节好一个流量，待水稳定后，正确测取压差和流量等有关参数。然后再改变不同流量，正确读取不同流量下的测取压差和流量等有关参数。

5．根据本装置特点，流量从1m³/h开始，每次改变0.4m³/h，测量实验数据并记录，测完数据后整理实验数据并输入实验数据处理是软件处理。

6．做完光滑管实验后，关闭阀3。

7．同理，分别打开阀4、阀5，给压差变送器排水后分别进行粗糙管及局部阻力实验。 8．实验结束后，应将装置中的水排放干净。

（二）注意事项

（1）在启动离心泵前要对水泵进行灌水。

（2）在启动离心泵前，要确保三相电源的正确，确保不缺相，离心泵缺相不会运转，且会烧毁离心泵。

（3）在启动离心泵前，要确保离心泵转向的正确，否则长时间反向运转会损坏离心泵。（4）在做流体阻力实验时，要排尽管路里的气泡。（5）在开、关各阀门时，须缓开慢关。

五、实验报告

1．根据粗糙管实验作数据处理，根据数据处理结果在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线。对照化工原理教材上有关图形，即可估出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。 2．根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。 3．根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。 4．对实验结果进行分析讨论。

六、思考题

1．在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的流量调节阀?为什么? 2．如何检验测试系统内的空气已经被排除干净?

3．以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体?如何应用?

4．在不同设备上(包括不同管径)，不同水温下测定的λ～Re数据能否关联在同一条曲线上?

5．如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?

离心泵特性曲线测定

一、实验目的

1. 了解离心泵的结构与特性，学会离心泵的操作； 2. 掌握离心泵特性曲线测定方法。

二、基本原理

离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在某一恒定转速下通过实验测定出的，分别为泵的扬程H、轴功率Pa及效率η与泵的流量qv之间的关系曲线。泵的特性曲线是流体在泵内流动规律的外部表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。

1．扬程H的测定与计算

在泵进口截面、出口截面之间列出柏努利方程为

2u2u12p2p1 HZ2Z1g2g式中：p1,p2——分别为泵进、出口的压强 N/m2 ρ——流体密度 kg/m3

u1, u2——分别为泵进、出口的流量m/s g——重力加速度 m/s2 当泵进、出口管径相同，忽略压力表与真空表之间的高度差，上式可简化为

''p2p1 Hg由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，就可以计算出泵的扬程。 2．轴功率Pa的测量与计算轴的功率可按下式计算：

Pa0.94•w

式中，Pa—泵的轴功率，W

w—电机输出功率，W

由上式可知，测定泵的轴功率，只需测定电机的输出功率，乘上功率转换中的倍率即可。

3．效率η的计算

泵的效率η是泵的有效功率P与轴功率Pa的比值。有效功率P是单位时间内流体自泵得到的功，轴功率Pa是单位时间内泵从电机得到的功，两者的差异反映了泵的水力损失、容积损失和机械损失的大小。 13

泵的有效功率P可用下式计算：

P=Hqvρg

故

η=P/Pa=Hqvρg/Pa

4．转速改变时泵特性参数的换算

泵的特性曲线是在指定转速下的数据，就是说在某一特性曲线上的一切实验点，其转速都是相同的。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量的变化，多个实验点的转速将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为平均转速下的数据。换算关系如下：

流量 qv'qvn n扬程 HH(n2) n轴功率 Pa'Pa(n3) n效率 qv'HgqvHg

Pa'Pa三、实验装置与流程

离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图如图2-1所示。

图2-1 离心泵实验装置流程示意图

仪表面板如图2-2所示。

图2-2 流体力学综合实验装置仪表面板

1-离心泵电源切换开关； 2-变频器电源开关； 3-电动调节阀电源开关； 4-指示灯； 5-智能流量手自动控制仪； 6-转速手自动控制仪； 7-真空度、出口压力、压差、水温智能巡检仪； 8-带漏电保护空气开关；

9-总电源指示灯； 10-功率测量显示仪； 11-离心泵启动按钮； 12-离心泵停止按钮

四、实验步骤及注意事项

（一）实验步骤

1．关闭阀1及阀3、阀4、阀5。

2．打开总电源空气开关，打开仪表电源开关，仪表上电。

3．打开离心泵出口阀及阀1，打开离心泵灌水阀及排气阀，对水泵进行灌水。灌好水后关闭泵的排气阀与灌水阀门。

4．管路选择：(1)手动实验：底阀—>离心泵—>泵出口阀—>涡轮流量计—>阀1—>阀6—>水箱；(2)电动调节阀做自动实验：底阀—>离心泵—>泵出口阀—>涡轮流量计—>阀1—>电动调节阀—>阀7—>水箱。

5．当一切准备就绪后，按下离心泵启动按钮，启动离心泵，这时离心泵启动按钮绿灯亮，开始进行离心泵实验。 15

6．打开泵的出水阀1（全开），这时流量达到最大值。

7．等实验数据稳定后，测定泵的真空度p1、泵后压力p2、水温t、流量v及泵的功率并记录。

8．通过调节泵的出口阀2调节流量，改变流量的大小，每次减小1.5m³/h的流量，测定每次流量下泵的真空度p1、泵后压力p2、水温t、流量v及泵的功率并记录。

9．以同样的方法改变流量并测定实验数据，最少测8次。同时注意流量不能低于3㎡/h。

10．实验完毕，按下仪表台上的水泵停止按钮，停止水泵的运转。关闭水泵出口阀。（二）注意事项

（1）在启动离心泵前要对水泵进行灌水。

（2）在启动离心泵前，要确保三相电源的正确，确保不缺相，离心泵缺相不会运转，且会烧毁离心泵。

（3）在启动离心泵前，要确保离心泵转向的正确，否则长时间反向运转会损坏离心泵。（4）在开、关各阀门时，须缓开慢关。

五、实验报告

1．在同一张坐标纸上描绘在实验转速下的H～qv、Pa～qv、η～qv曲线； 2．分析实验结果，判断该泵适宜的工作范围。

六、思考题

1．试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？

2．启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？

3．为什么用泵的出口阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？十分还有其他方法调节流量？

4．泵启动后，出口阀如果打不开，压力表读数是否会逐渐上升？为什么？

5．正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？为什么？

6．试分析，用清水泵输送密度为1200Kg／m3的盐水（忽略密度的影响），在相同流量下你认为泵的压力是否变化？轴功率是否变化？

对流给热系数测定

一．实验目的

1．通过套管式换热器了解间壁式换热器的操作原理，观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型；

2．测定空气在圆形直管内强制对流给热系数i；

3．应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=中常数A、m的值。 4．掌握热电阻测温的方法。

二．基本原理

对流传热系数i可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为i<<o ,所以传热

管内的对流传热系数i冷热流体间的总传热系数KQ/Atm（W/m2·℃）

i式中：

Q （1） Aitmi—管内流体对流传热系数，W/(m2·℃)； Q—换热器的传热速率，W；

Ai—管内换热面积，m2； tm—冷热流体的对数平均温度差，℃。

对数平均温差由下式确定：

tm(twt1)(twt2) （2）

(twt1)ln(twt2)式中：

t1、t2—冷流体的入口、出口温度，℃； tw—壁面平均温度，℃；

因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内壁温度、外壁温度和壁面平均温度近似相等，用tw表示。由于管外为蒸汽冷凝，对流传热系数很大，故壁面平均温度近似等于蒸汽的平均温度。管内换热面积：

Aidl （3）

式中：

d—内管管内径，m； l—传热管测量段的实际长度，m。由热量衡算式：

其中质量流量由下式求得： qmQqmcp(t2t1) （4）

V （5）

式中：

qm—空气在换热管内的质量流量，m3/s； cp—空气的平均定压比热，J/(kg·℃)； V—空气的平均体积流量，m3/s； ρ—空气的平均密度，kg/m3。 cp和ρ可根据定性温度tm查得，tmt1t2为冷流体进出口平均温度。t1、t2、 tw和V可测2得。

流体在管内作强制湍流，被加热，准数关联式的形式为

NuARemPr0.4 （6）

其中： Nu式中：

ciddu， Re ， Prp

Nu—空气的努塞尔数，无因次； Re—空气的雷诺数，无因次；

Pr—空气的普朗特数，无因次； u—空气在换热管内的流速，无因次；

物性数据λ、cp、ρ、μ可根据定性温度tm查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普兰特准数Pr变化不大，可以认为是常数。通过实验确定不同流量下的Re与Nu，然后用线性回归方法确定A和m的值。

三．实验装置与流程

1．实验装置

图1传热系数测定装置流程图

1-空气调节阀 2-空气调节旁路阀 3-空气均匀分布器 4-可移动实验框架 5-防振软连接 6-风机 7-冷凝水排出阀 8-蒸汽进气管 9-蒸汽调节阀 10-冷空气出口温度 11-蒸汽压力表 12-排不凝性气体阀 13-蒸汽喷汽管 14-换热管 15-孔板流量计 16-压差变送器 17-空气进口温度

来自蒸汽发生器的水蒸气进入套管换热器的环隙，空气由风机6输送流过换热管14内，换热管为紫铜管，饱和水蒸汽与空气在套管换热器内进行热交换，蒸汽放热后生成的冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计15进入套管换热器管内，被加热后排出装置外。 2．仪表箱面板

2 仪表箱面板图

1-控制柜总电源空气开关 2-仪表电源开关 3-变频器电源开关 4-风机电源切换开关 5-风量手自动控制仪图 6-智能温度巡检仪 7-变频器 8-智能流量积算变送仪 9-指示灯(分别为总电源、仪表电源、变频器电源、风机直接工作状态指示灯)

1#液晶记录仪从1~2通道分别为：空气流量、蒸汽一端温度；空气出口温度；

2#液晶记录仪1~3通道分别为：空气进口温度、空气出口温度、蒸汽一端温度。 3．设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：直径φ20mm×1.5mm，长度l=1000mm （2）外套玻璃管规格：直径φ100mm×5mm，长度l=1000mm （3）压力表规格：0～

四、实验步骤与注意事项

（一）实验步骤

1．打开总电源开关，打开仪表电源开关，给仪表上电。

2．打开电脑，运行“传热系数实验软件.MCG”软件，输入“班级”、“姓名”、“学号”及“装置号”，单击“确定”按钮，选择“传热系数测定实验”进入实验界面。

3．打开仪表台上的风机电源切换开关到直接，让风机工作，同时打开冷流体入口阀门1，让套管换热器里充有一定量的空气。

4．打开冷凝水出口阀7，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。

5．在做实验前，应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门9，打开装置下面的排冷凝水阀7，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭排冷凝水阀7，进行实验。

6．刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀9的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。

7．当一切准备好后，打开蒸汽进口阀9和排不凝性气体阀12，排出换热器环隙中的空气。当排不凝性气体阀12中有蒸汽排出，等片刻后关闭排不凝性气体阀12。将蒸汽压力调到，并保持蒸汽压力不变。（可通过调节排不凝性气体阀12以及蒸汽进口阀9来实现。） 8．流量调节：

（1）手动调节1：调节空气调节阀1手动调节空气流量，稳定后在实验软件界面上单击“采19

集数据”按钮，实验软件会自动记录实验数值；改变不同流量，采集不同流量下的实验数值。手动调节2：按输出模式，再通过按

切换到仪表下显示窗显示输出值时，按

或

把输出方式切换到手动

来改变输出值的大小，从而控制输出，控制风机电源频率，

从而改变冷流体的流量到一定值，等稳定后在实验软件界面上单击“采集数据”按钮，实验软件会自动记录实验数值；改变不同流量，采集不同流量下的实验数值。（2）自动调节：按

切换到仪表下显示窗显示输出值时，按

把输出方式切换到自

动输出模式，可通过自动调节仪表，改变风机电源频率，调节空气流流量，改变冷流体的流量到一定值，等稳定后在实验软件界面上单击“采集数据”按钮，实验软件会自动记录实验数值；改变不同流量，采集不同流量下的实验数值。

9．记录3到5组实验数据，完成实验，关闭蒸汽进口阀9与空气调节阀1，关闭仪表电源和风机的电源。

10．关闭蒸汽发生器。

11．打开实验数据处理软件“对流给热系数测定实验.exe”，打开该组实验数据，进行实验数据分析处理。（二）注意事项

1．先打开排冷凝水的阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。

2．一定要在套管换热器内管输以一定量的冷流体后，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。

3．刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。 3．操作过程中，蒸汽压力一般控制在（表压）以下，否则可能造成玻璃管爆裂和密封填料损坏。

4.确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意不凝性气体的排空和压力表读数的调整。

五、实验数据处理

使用数据处理软件进行实验数据处理，软件使用方法参见软件使用说明书。

六、实验报告

1．将冷流体给热系数的实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。 2．说明蒸汽冷凝给热系数的实验值和冷流体给热系数实验值的变化规律。 3．按冷流体给热系数的模型式：Nu/Pr0.4ARem。确定式中常数A及m。

七、思考题

1．空气和水蒸汽的流向，对传热效果有何影响?

2．蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响，应采取什么措施？ 3．冷凝水不及时排走，会产生什么影响，如何及时排走冷凝水？ 4．所测定的壁温是接近水蒸汽还是接近空气的温度，为什么？ 5．如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？ 20

恒压过滤常数测定

一、实验目的

1、熟悉板框压滤机的构造和操作方法； 2、通过恒压过滤实验，验证过滤基本方程；

3、学会测定过滤常数K、qe及压缩性指数s的方法； 4、了解操作压力对过滤速率的影响。

二、实验原理

过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液的操作。在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固液分离。过滤操作中，随着过滤过程的进行，固体颗粒层的厚度不断增加，使过滤阻力不断增大，故在恒压过滤操作中，过滤速率不断降低。

影响过滤速率的主要因素除压强差、滤饼厚度外，还有滤饼和悬浮液的性质、悬浮液温度、过滤介质的阻力等，在低雷诺数范围内，过滤速率计算式为：

13p u22Ka(1)Lu—过滤速度，m/s ； ε—床层空隙率，m3/m3 ； a—颗粒的比表面积，m2/m3 ； L—滤饼厚度，m；

由此可以导出过滤基本方程式：

(1)

K′—康采尼常数，层流时，K′＝； μ—滤液粘度，Pa﹒s； △p—过滤的压强差，Pa；

dVA2p1S dr'(VVe) (2)

V—滤液体积，m3； τ—过滤时间，s；

A—过滤面积，m2 ； Ve—虚拟滤液体积，m3；

r—滤饼比阻，1/m2，r=5.0a2(1-ε)2/ε3； r′—单位压强差下的比阻，1/m2，r= r′△pS； υ—滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次；

s—滤饼压缩性指数，无因次，一般s＝0～1，对不可压缩滤饼，s＝0。

恒压过滤时，令k=1/(μr′υ)，K=2k△p1-S，q=V/A，qe=Ve/A，对(2)式积分得：

q22qeqK

(3)

K和qe总称为过滤常数，由实验测定。

k—物料的物性常数，m3/(N﹒s)； K—过滤常数，m2/s；

q—单位过滤面积的滤液体积，m3/m2； qe—单位过滤面积的虚拟滤液体积，m3/m2；

对（3）式两边微分得：

2qdq2qedqKd

dqKK得 d2q2q

e用△τ/△q代替dτ/dq，得 2q2q

eqKK (4)

在恒压条件下，用秒表和电子天平分别测定一系列过滤时间τi所对应的滤液体积Vi，计算出一系列△τi、△qi、qi，在直角坐标系中绘制△τ/△q～q的函数关系，得一直线，斜率为2/K，截距为2qe/K，可求得K和qe。

改变过滤压强差△p，可测得不同的K值，由K的定义式两边取对数得

lgK=(1-s)lg(△p)+lg(2k) (5) 在实验压强差范围内，若k为常数，则lgK～lg(△p)的关系在直角坐标上应是一条直线，斜率为(1-s)，可得滤饼压缩性指数s，截距为lg(2k)，进而确定物料的特性常数k。

三、实验装置与流程

实验装置如图1-1所示。

图1-1 板框压滤机过滤流程

1-可移动框架 2-阀 3-止回阀 4-压力料槽 5-排污阀 6－放空阀 7－玻璃视镜 8－压力表 9-压紧手轮 10-板框组 11-板框进口压力表 12-料浆进口阀 13-滤液出口阀 14-压力定值调节阀 15-阀及3#电磁阀 16-阀及2#电磁阀 17-阀及1#电磁阀 18-配料槽 19-出滤液口 20-指示尺 21-进水口 22阀 23－阀 24－阀 25－阀 26－阀 27－阀 28－阀

控制柜面板图如图1-2：

图1-2 控制柜面板图

1-仪表电源开关 2-空压机电源开关 3-1#电磁阀电源开关 4-2#电磁阀电源开关 5-3#电磁阀电源开关 6-电子天平通讯串口 7-智能仪表通讯串口 8-压力显示仪 9-空气开关

在配料槽内配制一定浓度CaCO3悬浮液后，用压缩空气充分搅拌使其混合均匀。利用高度差送入压力料槽中，用压缩空气搅拌均匀，同时利用压缩空气的压强对滤浆加压，将滤浆送入板框压滤机过滤，滤液流入量筒计量，压缩空气从压力料槽排空管排出。

板框压虑机的结构尺寸：框厚度11mm，过滤总面积 0.0471m2。空气压缩机规格型号：V－8，最大气压。

四、实验步骤与注意事项

（一）实验步骤

1、检查所有阀门处于关闭状态，配制含CaCO33％～5％（wt%）的水悬浮液。

2、开启空压机，关闭阀25、阀26和阀28，切断配料槽18与所连管路的联系，打开阀2和阀27，将压缩空气通入配料槽18，使CaCO3悬浮液搅拌均匀。

3、正确装好滤板、滤框及滤布。滤布使用前用水浸湿。滤布要绷紧，不能起皱（注意：用螺旋压紧时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧）。

4、等配料槽料液搅拌均匀后，关闭阀27停止通压缩空气。打开阀25及压力料槽的放空阀6，因配料槽位置较高，故料浆自动由配料槽流入压力料槽，液位至其视镜2/3处，关闭阀2和阀25，停止加料。

5、打开阀26，通压缩空气至压力料槽，使容器内料浆不断搅拌。压力料槽的放空阀6应不断排气，但不能有料浆喷出。

6、调节压力料槽的压力到需要的值。主要依靠调节压力料槽出口处的压力定值调节阀14来控制出口压力恒定，压力料槽的压力由压力表8读出。压力定值调节阀已调好，从左到右分别为1#压力：；2#压力：；3#压力：。考虑各个压力值的分布，从低压过滤开始做实验较好。 7、放置好电子天平，按下电子天平上的“on”开关，打开电子天平，将料液桶放置到电子天平上。打开并运行电脑上的“恒压过滤测定实验软件”，进入实验界面，做好准备工作，可以开始实验。

8、做压力实验：打开阀17、阀22及阀12、阀13，打开1#电磁阀电源开关，开始加压过滤。等滤液澄清且流量稳定时，单击实验软件上的“开始实验”按钮，进行压力实验，实验软件自动计算时间间隔内的过滤量并记录数据，存储到数据库中，以供数据处理软件之用。当实验数据组数做完后，软件自动停止。关闭阀17、阀22及阀12、阀13。

9、做压力实验：打开阀16、阀23及阀12、阀13，打开2#电磁阀开关，开始加压过滤。等流量稳定时，单击实验软件上的“开始实验”按钮，进行压力实验，实验软件自动计算时间间隔内的过滤量并记录数据，存储到数据库中，以供数据处理软件之用。当实验数据组数做23

完后，软件自动停止。关闭阀16、阀23及阀12、阀13。

10、做压力实验：打开阀15、阀24及阀12、阀13，打开3#电磁阀开关，开始加压过滤。等流量稳定时，单击实验软件上的“开始实验”按钮，进行压力实验，实验软件自动计算时间间隔内的过滤量并记录数据，存储到数据库中，以供数据处理软件之用。当实验数据组数做完后，软件自动停止。关闭阀15、阀24及阀12、阀13。 11、实验完成后打开数据处理软件进行数据处理。

12、手动实验时每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次△V取800ml左右，滤液量可以由电子天平处读出。记录相应的过滤时间△τ及滤液量。每个压力下，测量8～10个读数即可停止实验。

13、每次滤液及滤饼均收集在小桶内，滤饼弄细后重新倒入料浆桶内，实验结束后要冲洗滤框、滤板及滤布不要折，应用刷子刷。

（二）注意事项

1．在夹紧滤布时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧。 2．滤饼及滤液循环下次实验可继续使用。

五、实验结果及整理

实验数据列于表1-1中。计算结果列于表1-2、表-3中。

表1-1 实验数据 △p＝ △p MPa △q m3/m2 △τ s △τ/△q s．m2/m3 续表1-2

△p＝ q m3/m2 K m2/s △p＝ qe m3/m2 △V（ml） △τ（s） △V（ml） △τ（s） △V（ml） △τ（s）表1-2 计算结果

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -

△p MPa 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 △q m3/m2 △q m3/m2 △τ s △τ s △τ/△q s．m2/m3 △τ/△q s．m2/m3 q m3/m2 q m3/m2 K m2/s qe m3/m2 △p MPa 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 K m2/s qe m3/m2

表1-3 不同压力下的K值 △p，MPa 过滤常数K，m2/s 物料的物性常数k， m2/(Pa﹒s) 六、思考题

1．当操作压强增加一倍，过滤常安数K值是否也增加一倍？要得到同样的过滤液，过滤时间是否缩短一半？

2．为什么过滤开始时，滤液常常有点混浊，过段时间后才变清？ 3、不同过滤压力下，物料的物性常数是否应不变，为什么？

筛板精馏塔实训系统实验

一、实验目的

1．了解连续精馏塔的基本结构及流程。 2．掌握连续精馏塔的操作方法。

3．学会板式精馏塔全塔效率、单板效率和填料精馏塔等板高度的测定方法。 4．确定部分回流时不同回流比对精馏塔效率的影响。

二、基本原理

1．全塔效率ET

全塔效率ET＝NT/NP，其中NT为塔内所需理论板数，NP为塔内实际板数。板式塔内各层塔板上的气液相接触效率并不相同，全塔效率简单反映了塔内塔板的平均效率，它反映了塔板结构、物系性质、操作状况对塔分离能力的影响，一般由实验测定。

式中NT由已知的双组分物系平衡关系，通过实验测得塔顶产品组成XD、料液组成XF、热状态q、残液组成XW、回流比R等，即能用图解法求得。 2．单板效率EM

是指气相或液相经过一层实际塔板前后的组成变化与经过一层理论塔板前后的组成变化的比值。

三、实验装置与流程

本实验装置为筛板塔，其特征数据如下： 1.不锈钢筛板塔

塔内径D内＝68mm，塔板数NP＝14块。塔釜液体加热采用电加热，塔顶冷凝器为盘管换热器。供料采用磁力驱动泵进料。

筛板精馏塔实验装置如图1所示：

图1 精馏塔实验装置流程图

2.仪表控制面板

图2仪表控制板

1-进料泵电源开关 2-指示灯循环泵电源开关 3-1#温度巡检仪回流泵电源开关 4-再沸温度手自动控制仪进料泵电源开关 5-再沸加热管电压表回流比电源开关 6-进料温度手自动控制仪指示灯组 7-总电源空气开关组 8-进料量手自动控制仪 9-预热器电压表（进料加热） 10-回流量手自动控制仪 11-成品量手自动控制仪 12-2#温度巡检仪 13-3#温度巡检仪 14-再沸器加热管启动按钮 15-再沸器加热管停止按钮 16-预热器电源开关 17-冷凝泵电源开关 18-真空泵电源开关 19-循环泵电源开关 20-成品泵电源开关 21-回流泵电源开关

仪表说明：（1）进料量、回流量、成品量手自动控制仪：1）手动调节：按到仪表下显示窗显示输出值时，按过按

或

切换

把输出方式切换到手动输出模式即M模式，再通

来改变输出值的大小，从而控制输出，从而实现手动控制计量泵； 2）自切换到仪表下显示窗显示输出值时，按

把输出方式切换到自动输出

动调节：按

模式，可通过自动调节仪表，改变计量泵的转速，从而实现自动控制计量泵。（2）再沸温度手自动控制仪：1）手动调节：按

切换到仪表下显示窗显示输出值时，按

或

把输出

方式切换到手动输出模式即M模式，再通过按来改变输出值的大小，控制可

切换到仪表下

控硅，控制加热管电压，从而实现再沸温度的控制； 2）自动调节：按显示窗显示输出值时，按

把输出方式切换到自动输出模式，可通过仪表自动调节，控

制可控硅，控制加热管电压，从而实现再沸温度的控制。（3）1＃智能巡检仪：1～6通道分别巡检1～6层塔板的温度。（4）2＃智能巡检仪：1～6通道分别巡检7层、9～13层塔板的温度（5）3#温度巡检仪：1~3通道分别对应：14层塔板温度、蒸汽温度、回流温度。

四、实验步骤及注意事项

（一）化工实训实验：功能及设备培训要点：项目 1、工艺流程图的识读与表述 2、熟悉现场装置及主要设备、仪表、阀门的位号、功能、工作原理和使用方法开车准备 3、按照要求制定操作方案 4、检查流程中各设备、管线、阀门是否处于正常开车状态 5、引入公用工程（水、电、汽）并确保正常操作实训内容 28

6、装置上电，检查各仪表状态是否正常；动设备试车开车 1、按正确的开车步骤开车，调节精馏塔达到平衡点 1、能改变进料流量、塔釜温度到指定值并重新建立正常操作 2、按照要求巡查各温度、压力、流量并做好记录，能及时判断各指标否正常 3、按照要求巡查动设备（水泵）的运行状况，确认并做好记录正常操作 4、观察正常操作时精馏塔的操作状况，并指出可能影响其正常操作的因素 5、能按正常操作调节进料流量及塔釜温度 6、能测定精馏塔的全塔效率。 1、按正常的停车步骤停车停车 2、检查停车后各设备、阀门、储液罐的状态，确认后做好记录 1、会观察、分析因溢泛引起的系统操作异常并恢复至正常操作状态 2、通过玻璃视盅观察塔板上气─液传质过程全貌、分析精馏塔系统操作异常并恢事故处理复至正常操作状态。 3、可观察塔板气液接触状况及塔中灵敏板温度变化。 1、设备的开、停、正常操作及日常维护设备维护 2、精馏塔的构造、工作原理、正常操作及维护 3、主要阀门的位置、类型、构造、工作原理、正常操作及维护 1、温度、流量、压力传感器的测量原理；温度、压力显示仪表及流量控制仪表的正常使用。控制仪表 2、控制执行装置变频器、调压器的正常使用。 3、了解精馏塔控制时需要检测及控制的参数、检测位置、检测传感器及控制方法。监控软件 1、上位监控平台软件的熟悉、了解及使用 29

（二）化工原理实验：一）实验步骤： 1.配料

（1）把纯净水和酒精质量配置成质量浓度为40%~50%的溶液，关闭阀2、阀3、阀11，

打开再沸器进料阀和排空阀阀，把配好的浓液通过加料漏斗加料到再沸器内，位置为液位指示的上刻度线的位置，关闭然后关闭进料阀及排空阀。

（2）将相同浓度的料液加到原料灌：打开原料灌进料阀及放空阀，从进料漏斗进行加

料。位置根据实验时间长短定，一般安15l/h的量确定进料量。 2.加热

（1）关闭回流灌上的放空阀，打回流阀及成品阀。（2）打开塔顶排气管的阀门14，加热之前一定要检查。

（3）检查塔釜、成品罐和原料罐上的液位指示器上的阀门是否打开，没有打开的一定

要打开，顺时针方向关闭，逆时针方向打开。（4）检查冷却水流通是否正常。

（5）打开控制柜上的电源开关，打开仪表电源，仪表电源指示灯亮，轻轻按一下电加

热管启动按钮。启动指示灯亮。通过仪表手动输出改变加热电压的大小，把电压调到100V～150V之后开始加热。 3.全回流

（1）当加热到玻璃视盅中的塔板有蒸汽上升时，打开冷凝泵电源开关，调节冷凝液阀

门，使流量为400L/H。

（2）适当的调节加热电压，不要出现液泛现象。当第一层塔板温度为73度时，开启回

流泵，把回流流量调整在8~12L左右，用回流泵进行回流，并观察回流灌的液位高度及塔板气液接触现象。

（3）当塔板各层的温度，回流的流量都稳定之后，分别取塔顶样品、塔釜残液样品、

原料样品送到色谱中化验，把数据输入到计算机数据处理软件中，就可计算出全回流下的全塔平均效率。

4.从各层塔板取出气相和液相样品，送到色谱仪中分析，可得出相应塔板的单板效率。 5.部分回流

（1）全回流稳定之后，打开产品泵电源开关，调节产品流量大小，调节合适的回流比；

打开残液转子流量计的调节阀门，调节残液流量计阀门的大小；打开原料灌下的阀1，打开进料泵，通过进料流量控制仪调节进料流量大小。确保管路里有流量后再开启预热器电源，通过进料温度控制仪控制一定的进料温度。（注意：如果进料管路里没有液体，而打开预热器电源，会烧坏预热器加热管）。控制各流量大小，使进料流量=残液流量+采出流量的物系平衡关系。回流比=回流流量：产

品流量。

（2）待部分回流稳定后，取塔顶样品、塔釜残液样品、原料样品送到气相色谱仪中化

验，把数据输入到计算机数据处理软件中，就可计算出部分回流下的全塔平均效率。 6.结束实验

（1）实验结束后，关上进料泵电源，回流比分配器电源，电加热罐电源。

（2）等再沸器温度降到30度以下时，打开成品罐放空阀、原料罐上的放空阀、残液灌

上的放空阀、再沸器上的放空阀、阀10、阀11、阀12和阀13，打开循环泵电源，把再沸器、成品罐和残液灌里的料打到原料灌中混合，打完之后关上成品罐和原

料罐上的所有阀门，关上仪表电源和总电源，为下次重做实验做好实验。二）注意事项：

（1）实验前，必须手动（电压为100V）给釜中缓缓升温，30min后再进行塔釜温度手自动控制，否则会因受热不均而导致玻璃视盅炸裂。（2）塔顶放空阀一定要打开。

（3）料液一定要加到设定液位3/5处方可打开加热管电源，否则塔釜液位过低会使电加热丝露出干烧致坏。

（4）部分回流时，进料泵电源开启前务必打开进料阀，否则会损害进料泵。

五、实验报告

１.将塔顶、塔底温度和组成等原始数据列表。２.按全回流和部分回流分别计算理论板数。３.计算全塔效率、单板效率或等板高度。４.分析并讨论实验过程中观察到的现象。

六、思考题

１．测定全回流和部分回流总板效率（或等板高度）与单板效率时各需测几个参数？取样位置在何处？

全回流时测得板式塔上第n、n-1层液相组成，如何求得xn*?部分回流时，又如何求xn* ？

２.在全回流时，测得板式塔上第n、n-1层液相组成后，能否求出第层塔板上的以气相组成变化表示的单板效率？

３.查取进料液的汽化潜热时定性温度取何值？４.若测得单板效率超过100%，作何解释？

５.试分析实验结果成功或失败的原因，提出改进意见。 31

洞道干燥特性曲线测定实验

一、实验目的

1. 了解洞道式干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法。 2. 学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法。

3. 掌握根据实验干燥曲线求取干燥速率曲线以及恒速阶段干燥速率、临界含水量、平衡含水量的实验分析方法。

4. 实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响。

二、基本原理

在设计干燥器的尺寸或确定干燥器的生产能力时，被干燥物料在给定干燥条件下的干燥速率、临界湿含量和平衡湿含量等干燥特性数据是最基本的技术依据参数。由于实际生产中32

的被干燥物料的性质千变万化，因此对于大多数具体的被干燥物料而言，其干燥特性数据常常需要通过实验测定。

按干燥过程中空气状态参数是否变化，可将干燥过程分为恒定干燥条件操作和非恒定干燥条件操作两大类。若用大量空气干燥少量物料，则可以认为湿空气在干燥过程中温度、湿度均不变，再加上气流速度、与物料的接触方式不变，则称这种操作为恒定干燥条件下的干燥操作。

1. 干燥速率的定义

干燥速率定义为单位干燥面积（提供湿分汽化的面积）、单位时间内所除去的湿分质量。即

UGdXdW CAdAd (10－1)

式中，U－干燥速率，又称干燥通量，kg/（m2s）；

A－干燥表面积，m2； W－汽化的湿分量，kg；

 －干燥时间，s；

Gc－绝干物料的质量，kg；

X－物料湿含量，kg湿分/kg干物料，负号表示X随干燥时间的增加而减少。

2. 干燥速率的测定方法

将湿物料试样置于恒定空气流中进行干燥实验，随着干燥的进行，水分不断汽化，湿物料质量减少。若记录物料不同时刻时湿物料的质量G，直到物料质量不变为止，也就是物料在该条件下达到干燥极限为止，此时留在物料中的水分就是平衡水分X。再将物料烘干后称重得到绝干物料重Gc，则物料中瞬间含水率X为 XGGc （10－2） Gc计算出每一时刻的瞬间含水率X，然后将X对干燥时间作图，如图10－1，即为干燥曲线。

图10－1恒定干燥条件下的干燥曲线

上述干燥曲线还可以变换得到干燥速率曲线。由已测得的干燥曲线求出不同X下的斜率

dX，再由式（10－1）计算得到干燥速率U，将U对X作图，就是干燥速率曲线，如d图10－2所示。

图10－2恒定干燥条件下的干燥速率曲线

3. 干燥过程分析

预热段见图10－1、10－2中的AB段或AB段。物料在预热段中，含水率略有下降，温度则升至湿球温度tW ,干燥速率可能呈上升趋势变化，也可能呈下降趋势变化。预热段经历的时间很短，通常在干燥计算中忽略不计，有些干燥过程甚至没有预热段。

恒速干燥阶段见图10－1、10－2中的BC段。该段物料水分不断汽化，含水率不断下降。但由于这一阶段去除的是物料表面附着的非结合水分，水分去除的机理与纯水的相同，故在恒定干燥条件下，物料表面始终保持为湿球温度tW，传质推动力保持不变，因而干燥速率也不变。于是，在图10－2中，BC段为水平线。

只要物料表面保持足够湿润，物料的干燥过程就处于恒速阶段。而该段的干燥速率大小34

取决于物料表面水分的汽化速率，亦即决定于物料外部的空气干燥条件，故该阶段又称为表面汽化控制阶段。

降速干燥阶段随着干燥过程的进行，物料内部水分移动到表面的速度赶不上表面水分的气化速率，物料表面局部出现“干区”，尽管这时物料其余表面的平衡蒸汽压仍与纯水的饱和蒸汽压相同、传质推动力也仍为湿度差，但以物料全部外表面计算的干燥速率因“干区”的出现而降低，此时物料中的含水率称为临界含水率，用Xc表示，对应图10－2中的C点，称为临界点。过C点以后，干燥速率逐渐降低至D点，C至D阶段称为降速第一阶段。

干燥到点D时，物料全部表面都成为干区，汽化面逐渐向物料内部移动，汽化所需的热量必须通过已被干燥的固体层才能传递到汽化面；从物料中汽化的水分也必须通过这层干燥层才能传递到空气主流中。干燥速率因热、质传递的途径加长而下降。此外，在点D以后，物料中的非结合水分已被除尽。接下去所汽化的是各种形式的结合水，因而，平衡蒸汽压将逐渐下降，传质推动力减小，干燥速率也随之较快地降低，直至到达点E时，速率降为零。这一阶段称为降速第二阶段。

降速阶段干燥速率曲线的形状随物料内部的结构而异，不一定都呈现前面所述的曲线CDE形状。对于某些多孔性物料，可能降速两个阶段的界限不是很明显，曲线好像只有CD段；对于某些无孔性吸水物料，汽化只在表面进行，干燥速率取决于固体内部水分的扩散速率，故降速阶段只有类似DE段的曲线。

与恒速阶段相比，降速阶段从物料中除去的水分量相对少许多，但所需的干燥时间却长得多。总之，降速阶段的干燥速率取决与物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大，故降速阶段又称物料内部迁移控制阶段。

三、实验装置

1．装置流程

本装置流程如图10-3所示。置于干燥室内的料盘，其侧面及底面均外包绝热材料，防止导热影响。空气由鼓风机送入电加热器，经加热的空气通过均布器后进入干燥室，加热干燥室料盘中的湿物料后，经排出管道通入大气中。干燥过程中，物料失去的水分量由称重传感器转化为电信号，并由智能数显仪表记录下来（或通过固定间隔时间，读取该时刻的湿物料重量）。

洞道式干燥实验流程示意图

1－空气入口； 2－旋涡气泵； 3－流量旁路调节阀； 4－流量计进口铂电阻； 5－孔板流量计； 6－U型管压差计； 7－常热加热电阻丝； 8－控温加热电阻丝； 9－洞道干燥主体； 10－保温层；11－控温铂电阻；12－湿试件；13—称重传感器；14—干球铂电阻；15—湿球铂电阻 2．主要设备及仪器

（1）鼓风机：XGB-12型旋涡气泵,370W；（2）电加热器：额定功率；

（3）干燥室：120mm×120mm×1200mm；（4）干燥物料：湿毛毡；

（5）称重传感器：SH－18型，5～300g。

四、实验方法及操作步骤

1．实验前准备工作

（1）按流程及板面布置、电器线路示意图检查设备及仪器、仪表是否齐全、完好。熟悉装置上各个设备、仪表和部件使用方法，了解有关注意事项。

（2）检查湿球温度测量铂电阻包装、安装是否正确，并将玻璃管内水加到指定孔口。（3）实验前必须浸湿当前要用的试件。 2.实验操作步骤

（1）开启风机电源开关，调节流量，设定加热温度，调节控温电流为3~4A并调节常热电流1~2A。

（2）当温度稳定后，注意观察重量显示仪读数是否稳定，当读数稳定后，准备开始实验。

（3）当零点值和湿球温度读数稳定后，记下流量和各点温度值。将准备好的湿试件（物料）放入干燥器内（注意手不能按称重传感器上的托架）。记下湿物料初重。

（4）用秒表在一定时间间隔内（比如5min）记下称重传感器显示的质量值。连续测试，直到较长时间间隔（比如10min）物料质量保持不变为止。

（5）在计时过程中随时注意控温点的干球温度和湿球温度的显示值，整个操作过程中湿球温度基本不变。否则系统未达到稳定或湿球计内缺水或物料已烘干。

（6）停止加热，让风机继续运转几分钟，待温度降低后停风机并取出试样，然后一切复原。

五、注意事项

（1）物料干燥前应测定好绝干料重和有关尺寸。实验操作前必须先将物料充分湿透。（2）准确安装湿球温度计，并保证玻璃管内有足够量的水。

（3）流量不宜过大，防止噪音大，且标定流量计时，流量计算式应在一定读数范围内使用。

（4）加热器电流不宜过大，否则使控温精度降低。

（5）称重传感器属贵重仪表且极易损坏。零点受温度影响较大，使用时一定不能超重，严禁用手按压。

六、实验结果

1、测量并记录实验基本参数实验日期：实验试件：

U型压差计读数：左： mmH2O ；右： mmH2O 流量计处温度 t0 ： ℃ 干燥器进口控温温度 t1 ： ℃

干球温度 t2 ： ℃ 湿球温度 tw ℃：

绝干料质量 Gc ： g 试件尺寸（长×宽×厚）mm： 2、数据记录时间（min）

3、数据整理项目空气平均温度 tm ℃ 空气湿球温度 tw ℃ 空气体积流量 Vt m3/h

X，kg水/kg绝干料累计时间τ，min X，kg水/kg绝干料累计时间τ，min

U，kg/m2·h 项目物料受热面积 S m2 tw下水的汽化热 γtw kJ/kg 干燥器洞道流通面积 F m2 重量(g) 风温（℃ ）湿球温度（℃ ）干球温度（℃ ） X，kg水/kg绝干料 38

__ -

时间间隔 U，kg/m2·h __ X，kg水/kg绝干料时间间隔

项目 2项目恒速段干燥速率 UC kg/m2·h 恒速段对流传热系数 α W/m2·℃ 按值估计的 UC计 kg/m2·h 空气的质量速度 L kg/m·h 临界含水量 XC 平衡含水量 X 列出上表中各项计算式。根据实验结果：

* （1）绘制干燥曲线（失水量~时间关系曲线）；（2）根据干燥曲线作干燥速率曲线；（3）读取物料的临界湿含量；（4）对实验结果进行分析讨论。

七、思考题

1. 什么是恒定干燥条件？本实验装置中采用了哪些措施来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行？

2. 控制恒速干燥阶段速率的因素是什么？控制降速干燥阶段干燥速率的因素又是什么？ 3. 为什么要先启动风机，再启动加热器？实验过程中干、湿球温度计是否变化？为什么？如何判断实验已经结束？

4. 若加大热空气流量，干燥速率曲线有何变化？恒速干燥速率、临界湿含量又如何变化？为什么？

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