轻化专业化工实验讲义版1.docx
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轻化专业化工实验讲义版1
流体流动阻力的测定
一、实验目的
研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的能量损耗。
流体流动时的能量损耗（压头损失），主要由于管路系统中存在着各种阻力。
管路中的各种阻力可分为沿程阻力（直管阻力）和局部阻力两大类。
本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数λ和局部阻力系数ζ；并学会压差计、流量计的使用方法以及识别管路中各个管件、阀门的作用。
二、基本原理
当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统中任意两个界面之间列出机械能衡算方程为
J·kg–1
（1）
或
m液柱
（2）
式中：
Z—流体的位压头，m液柱；
P—流体的压强，Pa；
u—流体的平均流速，m·s–1；
ρ－流体的密度，kg·m–3；
hf－流动系统内因阻力造成的能量损失，J·kg–1；
Hf－流动系统内因阻力造成的压头损失，m液柱。
符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。
假若：
（1）水作为实验物系，则水可视为不可压缩流体；
（2）实验导管是按水平装置的，则Z1=Z2；
（3）实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1=u2。
因此
（1）和
（2）两式分别可简化为
J·kg–1（3）
m水柱（4）
由此可见，因阻力造成的能量损失（压头损失），可由管路系统的两界面之间的压力差（压头差）来测定。
当流体在圆形直管内流动时，流体因磨擦阻力所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：
J·kg–1（5）
或
m液柱（6）
式中：
d－圆形直管的直径，m；
l－圆形直管的长度，m；
λ－摩擦系数，（无因次）。
大量试验研究表明：
摩擦系数λ与流体的密度ρ和粘度μ管径d、流速u和管壁粗糙度ε有关。
应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度ε/d存在函数关系，即
（7）
通过实验测得λ和Re数据可以在双对数坐标上标绘出试验曲线。
当Re＜2000时，摩擦系数λ与管壁粗糙度ε无关。
当流体在直管中呈湍流时，λ不仅与雷诺数有关，而且与管壁相对粗糙度有关。
当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的能量损失（压头损失），有如下一般关系式：
J·kg–1
或
m液柱
式中：
u－连接管件等的直管中流体的平均流速，m·s–1；
ζ－局部阻力系数（无因次）。
由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通过实验直接测定。
三、实验步骤
1、关闭流量控制阀，确认两个平衡阀是否打开（注意：
启动泵前必须打开平衡阀），启动泵。
2、系统排气
（1）总管排气：
先将流量控制阀开足然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的气体被排走。
（2）引压管排气：
依次分别对4个排气阀，开、关重复三次。
（3）压差计排气：
关闭两个平衡阀，依次分别打开4个排气阀，此时眼睛要注视着U型压差计中的指示剂液面的上升，防止指示剂冲出，开、关重复三次。
3、检验排气是否彻底是将流量控制阀开至最大，再关至零，看U型压差计读数，若左右读数相等，则判断系统排气彻底；若左右读数不等，则重复上述2步骤。
由于流量计量采用涡轮流量计，其小流量受到结构的限制，因此从大流量做起，实验数据比较准确。
4、实验布点
由于Re在充分湍流区，λ～Re的关系是直线，所以大流量时少布点，而Re在比较小时，λ～Re的关系是曲线，所以小流量时多布点。
先将控制阀开至最大，读取流量显示仪读
，然后关至水银压差计差值约0.10时，在读取流量显示仪读数
，在
和
二个读数之间布12～14个点。
水温取第一组和最后一组读数的平均值。
5、实验结束后，关闭电源，打开两个平衡阀。
四、原始数据
直管段长：
；直管段直径：
；局部阻力段直径：
；流量系数：
；压差计初读数：
直管阻力左=；右=；局部阻力左=；右=；水温：
初读数，终读数；平均值。
NO.
流量读数
直管阻力压差计
局部阻力压差计
左
右
左
右
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
换热系数的测定
一、实验目的
1、了解列管换热器的结构；
2、掌握换热器的主要性能指标的测定方法；
3、掌握换热器的基本操作方法。
二、基本原理
工业上大量存在的传热过程（指间壁式传热过程）都是由固体内部的导热及各种流体与固体表面见的给热组合而成的。
传热过程的基本数学描述是传热速率方程式和热量衡算式。
1.传热基本方程式
传热密度q是反映具体传热过程速率大小的特征量。
对q的计算，需要引入壁面温度，
而在实际计算时，壁温往往是未知的。
为实用方便，希望能避开壁温测量，直接根据冷、热流体的温度进行传热速率的计算。
在间壁式换热器中，热量序贯地由热流体传给壁面左侧、再由壁面左侧传导至壁面右侧，壁面右侧传给冷流体。
在定态条件下，并忽略壁面内外表面的差异，则各环节的热流密度相等，即
（1）
由
（1）式可以得到
（2）
式中
、
、
分别为各传热环节对单位传热而言的热阻。
由上式，串联过程的推动力和阻力具有加和性。
在工程上，上式通常写成：
（3）式中
（4）
式（4）为传热过程总热阻的倒数，称为传热系数。
比较式
（1）和式
（2）两式可知，给热系数α同流体与壁面的温差相联系，而传热系数K则同冷、热流体的温差相联系。
由于冷流体的温度差沿加热面是连续变化的，且此温度差与冷、热流体温度成线性关系，故将（3）式中（T-t）的推动力用换热器两端温差的对数平均温差来表示，即
（5），其中逆流时
。
2.热量衡算方程式
上图为单壳程双管程列管换热器实验流程图，具体参数如下：
壳程采用圆缺型挡板，传热管为不锈钢管，管径：
φ13×lmm；有效管长：
1000mm；管数：
24根；管外侧传热总面积：
1.0m2。
本实验物系冷流体是水，热流体是空气。
热流体自风机1来，经旁路阀2调节流量后，经转子流量计3测量体积流量为qvh后，进入空气加热器4加热到100~110℃后，流入换热器的管程，并在入口处测量其进口温度T1，在出口处测量其出口温度T2，冷流体走壳程，经阀门7调节流量，经转子流量计测量体积流量为qvc，测量进口温度t1后，进入换热器壳程，换热后在出口处测量其出口温度t2。
不计热损失，稳定状态时热流体放出的热量等于冷流体得到的热量，即
，其中
（6）
（7）
将（5）和（6）或（7）式联立，则可求出K值
3.传热过程的调节
在换热器中若热流体的流量qvh或进口温度T1发生变化，而要求出口温度T2保持原来数值不变，可通过调节冷却介质流量来达到目的。
但是这种调节作用不能单纯地从热量衡算的观点理解为冷流体的流量大带走的热量多，流量小带走的热量小。
根据传热基本方程式，正确的理解是，冷却介质流量的调节，改变了换热器内传热过程的速率。
传热速率的改变，困难来自△tm的变化，也可能来自K的变化，而多数是由两者共同引起的。
如果αc>>αh，调节qvc，将使△tm的变化。
如果αc<<αh或αc≈αh，调节Wc，将使△tm和K皆有较大变化，此时过程调节是两者共同作用的结果。
三、实验步骤
1．先开冷流体（水）阀门，调整流量使流量稳定在200L/h；
2．启动风机，调整空气流量计旁路阀门，使空气流量稳定在10m3/h；然后打开加热电源，对空气进行加热（空气进口温度已设定好，不要再触摸温控仪表表键，以免破坏已设定的控制程序，影响实验操作）；
3．待空气进口温度T1稳定后，再观察空气和水的出口温度待t2和T2稳定不变5min，读取原始数据；
4．保持水流量不变，改变空气流量，重复步骤3，这样测4--6组数据；
5．保持空气流量不变，改变水流量，重复步骤3，同样测4--6组数据；
6．实验结束时，先关闭加热电源开关，继续通空气和水，待空气进口温度T1下降到在60℃以下，关闭风机和水阀，排尽管路中的积水。
四、原始数据记录
1．原始数据记录
管长：
1000mm管径：
13mm管程数：
2传热面积：
1.0m2
No.
冷水流量
L/h
空气流量
m³/h
空气进口温度
T1℃
空气出口温度
T2℃
水进口温度
t1℃
水出口温度
t2℃
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2．过程运算表
No.
冷水流量
L/h
空气流量
m³/h
热量
KJ/h
△tM逆
℃
ψ
△tm
℃
K
KJ/㎡h℃
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
流化床干燥塔的操作及其干燥速率曲线的测定
一、实验目的
1．掌握测定物料干燥速率曲线的工程意义；
2．熟悉实验干燥设备的流程、工作及实验组织方法；
3．了解影响干燥速率曲线的因素。
二、基本原理
流化床对流干燥中，是利用湿物料在流化状态下与热气流进行传热与传质而达到干燥的目的。
在流化状态下物料颗粒在热气流中上下翻腾，热量由气体传递给湿物料，并由湿物料表面向内部传递，这是一个传热过程；由于受热，湿物料表面的湿分即行汽化，从而造成物料表面与内部之间湿份浓度差，于是湿份就从物料内部向表面扩散，并通过表面的气膜向气流主体扩散，这是个传质过程。
1．干燥曲线
在干燥过程中，湿物料中的水分随着干燥时间增长而不断减少。
在恒定空气条件（即空气的温度、湿度和流动速度保持不变）下，实验测定物料中含水量随时间的变化关系，将其标绘成曲线，即为湿物料的干燥曲线。
湿物料含水量可以湿物料的质量为基准（称之为湿基），或以绝干物料的质量为基准（称之为干基）来表示：
当湿物料中绝干物料的质量为mc，水的质量为mw时，则
以湿基表示的物料含水量为
kg（水）/kg（湿物料）
（1）
以干基表示的湿物料含水量为
kg（水）/kg（绝干物料）
（2）
湿含量的两种表示方法存在如下关系：
（3）
（4）
在恒定的空气条件下测得干燥曲线如图1所示。
显然，空气干燥条件的不同干燥曲线的位置也将随之不同。
2．干燥速度曲线
物料的干燥速度即水分汽化的速度。
若以绝干物料的质量为基准，则干燥速度可表示为
s–1或kg（水）·kg–1（绝干物料）·s–1（5）
式中：
W－物料的含水量kg（水）·kg–1（绝干物料）；
t－气固两相接触时间，也即干燥时间，s。
由此可见，干燥曲线上各点的斜率即为干燥速度。
若将各点的干燥速度对固体的含水量标绘成曲线，即为干燥速度曲线，如图2所示。
干燥速度曲线也可采用干燥速度对自由含水量进行标绘。
在实验曲线的测绘中，干燥速度值也可近似地按下列差分进行计算：
s–1（7）
3．临界点和临界含水量
从干燥曲线和干燥速度曲线可知，在恒定干燥条件下，干燥过程可分为如下三个阶段：
（1）物料预热阶段当湿物料与热空气接触时，热空气向湿物料传递热量，湿物料温度逐渐升高，一直达到热空气的湿球温度。
这一阶段称为预热阶段，如图1和图2中的Ⅰ段。
（2）恒速干燥阶段由于湿物料表面存在液态的非结合水，热空气传给湿物料的热量，使表面水分在空气湿球温度下不断气化，并由固相向气相扩散。
在此阶段，湿物料的含水量以恒定的速度不断减少。
因此，这一阶段称为恒定干燥阶段，如图1和图2中的Ⅱ段。
。
（3）降速干燥阶段当湿物料表面非结合水已不复存在时，固体内部水分由固体内部向表面扩散后气化，或者气化表面逐渐内移，因此水分的汽化速度受内扩散速度控制，干燥速度逐渐下降，一直达到平衡含水量而终止。
因此这个阶段称为降速干燥阶段，如图1和图2中的Ⅲ段。
。
在一般情况下，第一阶段相对于后两阶段所需时间要短得多，因此一般可略而不计，或归入Ⅱ段一并考虑。
根据固体物料特性和干燥介质的条件，第二阶段与第三阶段的相对比较，所需干燥时间长短不一，甚至有的可能不存在其中某一阶段。
第二阶段与读三阶段干燥速度曲线的交点称为干燥过程的临界点，该交叉点上的含水量称为临界含水量。
干燥速度曲线中临界点的位置，也即临界含水量的大小，受众多因素的影响。
它受固体物料的特性，物料的形态和大小，物料的堆积方式，物料与干燥介质的接触状态以及干燥介质的条件（湿度、温度和风速）等等因素的复杂影响。
例如，同样的颗粒状固体物料在相同的干燥介质条件下，在流化床干燥器中干燥较在固定床中干燥的临界含水量要低。
因此，在实验室中模拟工业干燥器，测定干燥过程临界点的临界含水量，干燥曲线和干燥速度曲线，具有十分重要的意义。
图1干燥曲线图图2干燥速率曲线图
三、实验装置及流程
流化床干燥塔流程图
1.除尘袋滤器；2.干燥塔塔体；3.加水器；4.气体转子流量计；
5.流量调节阀；6.电加热器；7.温度计；8.取样器；9.压差计
空气由风机经旁路流量调节阀调节，并由转子流量计计量，在空气加热器预热后进入流化床干燥器。
热空气由干燥器底部鼓入，经分布板分布后，进入床层将固体颗粒流化并进行干燥。
湿空气由干燥塔塔顶排出，经扩大段沉降和除尘袋滤器过滤后放空。
四、实验步骤
旧装置的实验步骤如下：
1.实验操作前从加水斗加入220～250ml水，系统同时通入常温空气，使加入的水充分均匀地分散在硅胶表面，（这一步已由老师完成）。
2.先开气泵，然后调节空气流量计至18m³/h。
3.开启空气加热电闸，调节变压器电压至100～110v。
打开空气出口阀，待空气进口温度计读数为95℃时，关闭空气出口阀，使热空气进入系统，稳定空气进口温度在95--100℃之间的任一恒定值，整个实验过程此温度变化控制在±1℃以内。
4.仔细观察进口温度与床层温度的变化，待床层温度升至40℃，即开始取第一个样品，此时的时间设定为0，并控制好以后每个样品的热空气进口温度都处在第一个样品取样时的热空气进口温度。
进口温度控制恒定与否是本次实验的难点，
5.实验布点采用先密后疏原则。
6.待取样结束时，调节变压器电压至0（v），关闭加热电闸开关；打开旁路调节阀，待旁路温度计读数为50℃以下时，关闭微型气泵。
7.快速称量已在120℃烘箱烘干30min以上的硅胶样品，并做好记录，硅胶样品收集在一起，整理好烧杯及台面，结束实验。
新装置的实验步骤如下：
1．实验操作前从加水斗加入220～250ml水，系统同时通入常温空气，使加入的水充分均匀地分散在硅胶表面，（这一步由准备老师完成）。
2．先开气泵。
逐步调节旁路阀，使气体流量控制在10~14m3/h，使干燥塔中颗粒物料处于良好的流化状态。
3．开启加热电源，对空气进行加热，待温度到达设定值并稳定后（温控仪表为智能型精密仪器，非专业人员切记不要触摸表键），方可进行正常实验操作。
4．在气体流量和温度维持一定的条件下，待床层温度升至40℃，即开始取第一个样品，此时的时间设定为0，以后每隔一定时间记录床层温度，并取样分析固体物料的含水量。
5．实验进行直到物料温度大于60℃，硅胶变蓝即可停止。
6．切断加热电源，气泵继续工作，待空气进口温度下降至50℃以下，停止送风。
7．快速称量已在120℃烘箱烘干30min以上的硅胶样品，并做好记录，硅胶样品收集在一起，整理好烧杯及台面，结束实验。
实验注意事项：
（1）实验开始时，一定要先通风，后开电热器；实验毕，一定要先关掉电热器，待空气温度降至50℃以下，才可停止通风，以防烧毁电热器。
（2）使用采样器时，转动和推拉切莫用力过猛，并要注意正确掌握拉动的位置和扭转的方向和时机。
（3）试样的采集、称重和烘干都要精心操作，避免造成大的实验误差，或因操作失误而导致实验失败。
五、原始数据记录
空气流量：
塔径：
mm烘箱温度：
120℃物料：
变色硅胶
No.
时间min
床层温度
℃
空烧杯重量g
空烧杯+湿物g
空烧杯+干物g
空气进口温度
℃
1
0
2
5
3
10
4
15
5
20
6
25
7
30
8
40
9
50
10
60
11
70
12
80
13
90
14
100
15
110
16
120
17
18
19
20
板式精馏塔的操作及其总塔效率的测定
一、实验目的
1.熟悉板式塔的结构及精馏流程；
2.理论联系实验，掌握精馏塔全回流和间歇精馏的操作方法；
3.学会理论塔板数和精馏塔效率的测定方法。
二、基本原理
塔釜加热，液体沸腾，在塔内产生上升蒸汽，上升蒸汽与沸腾液体有着不同的组成，这种不同组成来自轻重组份间有不同的挥发度，由此塔顶冷凝，只需要部分回流即可达到塔顶轻组份增浓和塔底重组份提浓的目的。
部分凝液作为轻组份较浓的塔顶产品，部分凝液作为回流，形成塔内下降液流，下降液流的浓度自塔顶而下逐步下降，至塔底浓度合格后，连续或间歇地自塔釜排出部分釜液作为重组份较浓的塔底产品。
在塔中部适当位置加入待分离料液，加料液中轻组份浓度与塔截面下降液流浓度最接近，该处即为加料的适当位置。
因此，加料液中轻组分浓度愈高，加料位置也愈高，加料位置将塔分成上下二个塔段，上段为精馏段，下段为提馏段。
在精馏段中上升蒸汽与回流之间进行物质传递，使上升蒸汽中轻组份不断增浓，至塔顶达到要求浓度。
在提馏段中，下降液流与上升蒸汽间的物质传递使下降液流中的轻组份转入汽相，重组份则转入液相，下降液流中重组份浓度不断增浓，至塔底达到要求浓度。
2.1评价精馏的指标—全塔效率η
图1精馏原理图
全回流下测全塔效率有二个目的。
一是在尽可能短的时间内在塔内各塔板，至上而下建立浓度分布，从而使未达平衡的不合格产品全部回入塔内直至塔顶塔底产品浓度合格，并维持若干时间后为部分回流提供质量保证。
二是由于全回流下的全塔效率和部分回流下的全塔效率相差不大，在工程处理时，可以用全回流下的全塔效率代替部分回流下的全塔效率，全回流时精馏段和提馏段操作线重合，气液两相间的传质具有最大的推动力，操作变量只有1个，即塔釜加热量，所测定的全塔效率比较准确地反映了该精馏塔的最佳性能，对应的塔顶或塔底浓度即为该塔的极限浓度。
全塔效率的定义式如下：
（1）
NT：
全回流下的理论板数；
图2正常操作时的气液接触状况
N：
精馏塔实际板数。
2.2维持正常精馏的设备因素和操作因素
精馏塔的结构应能提供所需的塔板数和塔板上足够的相间传递面积。
塔底加热（产生上升蒸汽）、塔顶冷凝（形成回流）是精馏操作的主要能量消耗；回流比愈大，塔顶冷凝量愈大，塔底加热量也必须愈大。
回流比愈大，相间物质传递的推动力也愈大。
合理的塔板数和塔结构为正常精馏达到指定分离任务提供了质量保证，塔板数和塔板结构为汽液接触提供传质面积。
塔板数愈少，塔高愈矮，设备投资愈省。
塔板数多少和被分离的物系性质有关，轻重组份间挥发度愈大，塔板数愈少。
反之，塔板数愈多。
塔结构合理，操作弹性大，不易发生液沫夹带、漏液、溢流液泛。
反之，会使操作不易控制，塔顶塔底质量难以保证。
为有效地实现汽液两相之间的传质，为了使传质具有最大的推动力，设计良好的塔结构能使操作时的板式精馏塔（如图2所示）应同时具有以下两方面流动特征：
⑴汽液两相总体逆流；
⑵汽液两相在板上错流。
塔结构设计不合理和操作不当时会发生以下三种不正常现象：
（i）严重的液沫夹带现象
由于开孔率太小，而加热量过大，导致汽速过大，塔板上的一部分液体被上升汽流带至上层塔板，这种现象称为液沫夹带。
液沫夹带是一种与液体主流方向相反的流动，属返混现象，使板效率降低，严重时还会发生夹带液泛，破坏塔的正常操作（见图3所示）。
这种现象可通过
显示，由于：
图3过量的液沫夹带现象
＝
＋∑板压降
（2）
此时板压降急剧上升，表现
读数超出正常范围的上限。
（ii）严重的漏液现象
图4塔内漏液示意图
由于开孔率太大，加上加热量太小，导致汽速过小，部分液体从塔板开孔处直接漏下，这种现象称为漏液。
漏液造成液体与气体在板上无法错流接触，传质推动力降低。
严重的漏液，将使塔板上不能积液而无法正常操作，上升的蒸汽直接从降液管里走，板压降几乎为0，见图4所示。
此时
≈
。
综上所述现象都与塔釜加热量直接有关。
塔釜加热量愈大，汽液负
荷愈大，表现为操作压力
也愈大。
过大，液沫夹带将发生，
过小，漏液将出现。
若液沫夹带量和漏液量各超过10%，被称为严重的不正常现象。
所以正常的精馏塔，操作压力
应有合适的范围即操作压力区间。
（iii）溢流液泛
图5溢流液泛示意图
由于降液管通过能力的限制，当气液负荷增大，降液管通道截面积太小，或塔内某塔板的降液管有堵塞现象时降液管内清液层高度增加，当降液管液面升至堰板上缘时（见图5所示），降液管内的液体流量为其极限通过能力，若液体流量超过此极限值，板上开始积液，最终会使全塔充满液体，引起溢流液泛，破坏塔的正常操作。
⑴适宜回流比的确定
回流比是精馏的核心因素。
在设计时，存在着一个最小回流比，低于该回流比即使塔板数再多，也达不到分离要求。
在精馏塔的设计时存在一个经济上合理的回流比，使设备费用和能耗得到兼顾。
在精馏塔操作时，存在一个回流比的允许操作范围。
处理量恒定时，若汽液负荷（回流比）超出塔的通量极限时，会发生一系列不正常的操作现象，同样会使塔顶产品不合格。
加热量过大，会发生严重的雾沫夹带和液泛；加热量过小，会发生漏液，液层过薄，塔板效率降低。
⑵物料平衡
F=D+W（3）
Fxf=DxD+WxW（4）
（i）总物料的平衡：
F=D+
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