化工原理实验报告要点.docx
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化工原理实验报告要点
环境科学与工程学院
化工原理课程
实
验
报
告
报告主题恒压过滤参数的测定
专业班级环境工程
（2）班
学号20110301221
姓名杨迅
时间2013年12月9日
恒压过滤常数的测定
1、前言
过滤是利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（滤布和滤渣），使悬浮液中的固体、液体得到分离的单元操作。
过滤操作本质上是流体通过固体颗粒床层的流动，所不同的是，该固体颗粒床层的厚度随着过滤过程的进行不断增加。
过滤操作分为恒压过滤和恒速过滤。
当恒压操作时，过滤介质两侧的压差维持不变，单位时间通过过滤介质的滤液量不断下降；当恒速操作时，即保持过滤速度不变。
影响过滤速率的主要因素除压强差、滤饼厚度外，还与滤饼和悬浮液的性质、悬浮液温度、过滤介质的阻力等有关。
2、实验材料与设备
取适量的碳酸钙，在配料槽中配制成浓度在2-4%左右的轻质碳酸钙悬浮液，用搅拌棍进行均匀搅拌（浆液不出现旋涡为好）。
本实验装置由空压机、配料槽、搅拌釜、板框过滤机等组成，其流程示意如图
3、试验方法和过程
1.配制含CaCO33%～5%（wt%）的水悬浮液，用泵抽入原料釜，关闭进料阀门，开釜底阀，用泵使料液循环，同时开搅拌，使CaCO3悬浮液搅拌均匀。
2.关泵。
开空压机，将压缩空气通入搅拌釜。
3.正确装好滤板、滤框及滤布。
装好滤布（滤布使用前应先用水湿透，滤布孔要对准，表面服贴平展无皱纹，否则会漏），排好板框，然后压紧板框。
4.调节搅拌釜的压力到需要的值。
主要依靠控制面板对釜压力进行设定，由压力传感器对空压机进行自动调节。
5.最大压力不要超过0.3MPa。
6.实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次ΔW取200～300g左右，记录相应的过滤时间Δτ。
7.待滤渣装满框时即可停止过滤（以滤液量显著减少到一滴一滴地流出为准）。
8.实验结束后要冲洗滤框、滤板及滤布，滤板应用刷子刷洗。
实验结果与分析讨论
4、过滤实验数据处理方法介绍
1.方法一`
恒压过滤速率方程式为:
将式
（2）两边对q求导数得:
为了便于实验测定,dτ/dq、dτ/dV可分别用微商Δτ/Δq、Δτ/ΔV代替,从而Δτ/Δq与q或Δτ/ΔV与V之间具有线性关系,前者的斜率为2/K、截距为2qe/K,后者的斜率为2/KA2、截距为2Ve/KA2,从而可用图解法或一元线性回归法求取过滤常数。
2.方法二
将恒压速率方程式
（1）、
（2）改写成式（5）、（6）
可见,τ/V与V或τ/q与q之间具有线性关系,直线的斜率、截距分别为1/K、2qe/K或1/KA2、2Ve/KA2,从而可用图解法或一元线性回归法求取过滤常数。
5、实验结果与分析讨论
1.实验数据记录与处理
过滤面积口径7㎝,过滤面积A=0.00385㎡。
实验序号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
过滤压强差Δp×10-5Pa
0.02mpa
0.04mpa
0.06mpa
过滤时间
/s
单位面积滤液量q×102m3/m2
20
0
0
0
20
30
50
60
20
60
90
110
20
85
110
160
20
110
165
210
20
120
200
250
20
140
235
290
实验数据：
q×102m3/m2
Δq×102m3/m2
q’×102m3/m2
s
×10-2s/m
实
验
Ⅰ
0
0
0
0
——
7.792
7.792
3.896
20
2.567
15.584
7.792
3.896
20
2.567
22.078
6.494
3.274
20
3.080
28.571
6.493
3.274
20
3.080
31.168
2.597
1.299
20
7.701
36.363
5.195
2.598
20
3.850
实
验
Ⅱ
0
0
0
0
——
12.978
12.978
6.489
20
1.541
23.377
10.399
5.1995
20
1.923
33.766
10.398
5.199
20
1.923
42.857
9.091
4.546
20
2.200
51.948
9.091
4.546
20
2.200
61.039
9.091
4.546
20
2.200
实
验
Ⅲ
0
0
0
20
——
15.584
15.584
7.792
20
1.283
28.571
12.987
6.494
20
1.540
41.588
13.017
6.509
20
1.536
54.545
12.957
6.479
20
1.544
64.935
10.390
5.195
20
1.925
75.235
10.300
5.15
20
1.942
0
注：
q’为Δq的中点。
由以上数据分别作图：
实验Ⅰ
实验二：
实验三：
2.实验结果与讨论
1）实验结果：
实验序号
过滤压强差
Δp×10-5Pa
斜率
s/㎡
截距
s/m
K
㎡/s
m3/m2
s
Ⅰ
0.02mpa
0.1016
1.4096
19.685;
13.874
140
Ⅱ
0.04mpa
0.0133
1.4983
150.376
112.654
140
Ⅲ
0.06mpa
0.0105
1.1387
190.476
108.448
140
2）实验结果讨论：
1 从实验的数据上看，实验存在着明显的误差，可能这就包括（实验数据的读取，以及看时间的人与读数的人之间形成的时间差，读取数据时视线与液面凹槽处是否水平等等）。
为尽量避免这些误差，我认为读数和记录时间的人应该是同一个人，并且进行多次实验，取结果相对较准确的一组为准。
2 从实验的数据我们同样可以得到在0.02mpa到0.04mpa的改变时，得到过滤压强差△p是增加了一倍，而滤饼常数却呈现不规律的增加，这就表明滤饼常数不仅仅与过滤压强差有关。
同样，可以得到介质常数
与过滤压强差有关。
3.思考题
1、过滤刚开始时，为什么滤液经常是浑浊的？
答：
因为刚开始的时候滤布没有固体附着，所以空隙较大，浑浊液会通过滤布，从而滤液是浑浊的。
当一段时间后，待过滤液体中的固体会填满滤布上的空隙从而使固体颗粒不能通过滤布，此时的液体就会变得清澈。
2、在恒定过滤中，初始阶段为什么不采取恒定操作？
答：
因为刚开始时要生成滤饼，等滤饼有一定厚度之后才能开始等压过滤。
3、如果滤液的粘度比较大，你考虑用什么方法改善过滤速率？
答：
（1）使用助滤剂，改善滤饼特性；
（2）加热滤浆，降低滤液粘度；
（3）使用絮凝剂，改变颗粒聚集状态；
（4）限制滤饼厚度，降低过滤阻力
4、当操作压强增大一倍时，其K值是否也增大一倍，是得到同样的过滤量时，其过滤时间是否缩短一半？
答：
不是的，dv/dθ=A2ΔP/μrv（v+ve）,dv/dθ是代表过滤速率，它随着过滤的进行，它是一个逐渐减少的过程，虽然ΔP增大一倍，表面上是时间减少一倍，单过滤速率减少，所以过滤得到相同的滤液，所需的时间不是原来的一半，比一半要多。
6、参考文献
[1]吴洪特.化工原理实验[M].北京:
化学工业出版社,2010.
[2]谭天恩等.化工原理（上册）[M].北京:
化学工业出版社,2006.
[3]魏崇光,郑晓梅.化工工程制图[M].北京:
化学工业出版社,1994.
[4]谭天恩,麦本熙,丁惠华.化工原理（第二版）上册[M].北京:
化学工业出版社,19901
[5]伍钦,邹华生,高桂田.化工原理实验[M].广州:
华南理工大学
出版社,20011
[6]陈敏恒,丛德滋,方图南,齐鸣斋.化工原理（上册）第二版[M].北京:
化学工业出版社,19991
[7]何潮洪,冯霄.化工原理[M].北京:
科学出版社,20011
[8]黄少烈,邹华生.化工原理[M].北京:
高等教育出版社,20021
[9]WarrenL.McCabe,JulianC.Smith,PeterHarriott.UnitOperationofChemicalEngineering.6thed.NewYork:
McGraw-Hill,2001
[10]ChristieJ.Geankoplis著，TransportProcessesandUnitOperations，1978
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Wiley-Interscience,1972
[12]MansourA,VonRosenbergDU,SylvesterND.AIChEJ,1982
[13]KomiyamaH,SmithJM.AIChEJ,1974
[14]SuzukiM,KawazoeK.JChemEngngJapan,1975
[15]SunShuyu,JiangZhixin.In:
ProceedingsoftheinternationalConferenceofReactivePolymers.Xi’an.1994
环境科学与工程学院
化工原理课程
实
验
报
告
报告主题对流传热系数及准数
关联式常数的测定
专业班级环境工程
（2）班
学号20110301221
姓名杨迅
时间2013年12月9日
对流传热系数及准数关联式常数的测定
一、前言
在各种化工生产中的流体，由于工艺要求，往往需要将其加热或冷却至规定的温度范围，要达到这种需要，通常进行的单元操作是传热．传热的常用形式是间壁式传热，其中最重要的参数是传热系数，涉及到间壁两侧的流体与壁面间的传热膜系数，即对流传热系数．而想要提高传热系数，主要就是提高对流传热系数．影响对流传热系数的因素很多，主要影响因素有：
流体的状态，流体的物理性质，流体的运动状况，流体对流的状况，传热表面的形状、位置及大小等J．对流传热在化工、发电、动力、节能及航天热控领域具有十分广泛的应用背景，研究对流传热系数的影响因素和计算方法，成为解决对流传热的关键，对于节约能源、原材料和工程费用等具有重要意义
二、实验装置
本实验设备由两组黄铜管（其中一组为光滑管，另一组为波纹管）组成平行的两组套管换热器，内管为紫铜材质，外管为不锈钢管，两端用不锈钢法兰固定。
空气由旋涡气泵吹出，由旁路调节阀调节，经孔板流量计，由支路控制阀选择不同的支路进入换热器。
管程蒸汽由加热釜发生后自然上升，经支路控制阀选择逆流进入换热器壳程，其冷凝放出热量通过黄铜管壁被传递到管内流动的空气，达到逆流换热的效果。
饱和蒸汽由配套的电加热蒸汽发生器产生。
该实验流程图如图1所示，其主要参数见表1。
表1实验装置结构参数
实验内管内径di（mm）
16.00
实验内管外径do（mm）
17.92
实验外管内径Di（mm）
50
实验外管外径Do（mm）
52.5
总管长（紫铜内管）L（m）
1.30
测量段长度l（m）
1.10
图1 空气-水蒸气传热综合实验装置流程图
1—光滑套管换热器；2—螺纹管的强化套管换热器；3—蒸汽发生器；4—旋涡气泵；
5—旁路调节阀；6—孔板流量计；7、8、9—空气支路控制阀；10、11—蒸汽支路控制阀；
12、13—蒸汽放空口；15—放水口；14—液位计；16—加水口；
三、实验内容
1、光滑管
①测定6～8个不同流速下光滑管换热器的对流传热系数α1。
②对α1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=ARem中常数A、m的值。
2、波纹管
①测定6～8个不同流速下波纹管换热器的对流传热系数α1。
②对α1的实验数据进行线性回归，求关联式Nu=BRem中常数B、m的值。
四、实验原理
1．准数关联
影响对流传热的因素很多，根据因次分析得到的对流传热的准数关联为：
Nu=CRemPrnGrl
（1）
式中C、m、n、l为待定参数。
参加传热的流体、流态及温度等不同，待定参数不同。
目前，只能通过实验来确定特定范围的参数。
本实验是测定空气在圆管内作强制对流时的对流传热系数。
因此，可以忽略自然对流对传热膜系数的影响，则Gr为常数。
在温度变化不太大的情况下，Pr可视为常数。
所以，准数关联式
（1）可写成
Nu＝CRem
（2）
待定参数C和m可通过实验测定蒸汽、空气的有关数据后，对式
（2）取对数，回归求得直线斜率和截距。
2．传热量计算
努塞尔数Nu或α1无法直接用实验测定，只能测定相关的参数并通过计算求得。
当通过套管环隙的饱和蒸汽与冷凝壁面接触后，蒸汽将放出冷凝潜热，冷凝成水，热量通过间壁传递给套管内的空气，使空气的温度升高，空气从管的末端排出管外，传递的热量由（3）式计算。
Q＝Wecpc（t2－t1）=Vρ1cpc（t2－t1）（3）
根据热传递速率
Q＝KSΔtm（4）
所以KSΔtm=Vρ1cpc（t2－t1）（5）
式中：
Q——换热器的热负荷（即传热速率），kJ／s；
We——冷流体的质量流量，kg／s；
V——冷流体（空气）的体积流量，m3/s；
ρ1一冷流体（空气）的密度，kg／m3；
K——换热器总传热系数，W/（m2·℃）；
Cpc一一冷流体（空气）的平均比定压热容，kJ/（kg·K）；
S——传热面积，m2；
Δtm——蒸汽与空气的对数平均温度差，℃。
空气的流量及两种流体的温度等可以通过各种测量仪表测得。
综合上面各式即可算出传热总系数K。
3．传热膜系数的计算
当传热面为平壁或者当管壁很薄时，总的传热阻力和传热分阻力的关系可表示为：
式中：
αl——空气在圆管中强制对流的传热膜系数，W／（m2·℃）；
α2——蒸汽冷凝时的传热膜系数，W／（m2·℃）。
当管壁热阻可以忽略（内管为黄铜管而且壁厚b较薄，黄铜导热系数λ比较大）时，
（7）
蒸汽冷凝传热膜系数远远大于空气传热膜系数，则K≈α1。
因此，只要在实验中测得冷、热流体的温度及空气的体积流量，即可通过热衡算求出套管换热器的总传热系数K值，由此求得空气传热膜系数α1。
4．努塞尔数和雷诺数的计算
式中：
λ——空气导热系数，W／（m·℃）；
μ一空气的粘度，Pa·s；
d——套管换热器的内管平均直径，m；
ρ1——进口温度t1时的空气密度，kg／m3。
由于热阻主要集中在空气一侧，本实验的传热面积S取管子的内表面较为合理，即
S＝πdl
本装置d=0．0178m，l=1．327m。
5．空气流量和密度的计算
空气密度ρ1可按理想气体计算：
式中：
pa——当地大气压，Pa；
t——孔板流量计前空气温度，℃，可取t=t1；
空气的流量由1／4喷嘴流量计测量，合并常数后，空气的体积流量可由（11）式计算
（11）
式中：
C0——合并整理的流量系数，其值为C0=0．001233；
R——喷嘴流量计的压差计示值，mmH2O。
V1——空气的体积流量，m3／s。
五、实验操作
1．实验前的准备
（1）向电加热釜加水至液位计上端红线处。
（2）检查空气流量旁路调节阀是否全开。
（3）检查普通管支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管路的畅通。
（4）接通电源总闸，设定加热电压，启动电热锅炉开关，开始加热。
2．实验开始
（1）当蒸汽压力稳定后，启动旋涡气泵并运行一段时间，保证实验开始时空气入口温度
（℃）稳定。
（2）调节空气流量旁路阀的开度或主阀开度，使孔板流量计的压差计读数为所需的空气流量值。
（3）稳定5－8分钟左右读取压差计读数，读取空气入口、出口的温度值
、
（温度测量可采用热电偶或温度计）、空气压力值p1、空气入、出口之间压力差p2、蒸汽温度值t3及压力值p3,孔板流量计读数p4。
（4）调节空气流量，重复（3）与（4）共测6－10组数据（注意：
在空气入、出口之间压力差p2最大值与最小值之间可分为6-10段）。
（5）实验过程，要尽可能保证蒸汽温度或压力稳定，在蒸汽锅炉加热过程（蒸汽温度或压力变化较大）不要记录数据。
3．实验结束
（1）关闭加热器开关。
（2）过5分钟后关闭鼓风机，并将旁路阀全开。
（3）切断总电源。
六、实验注意事项
1、检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。
特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。
2、必须保证蒸汽上升管线的畅通。
在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。
3、必须保证空气管线的畅通。
即在接通风机电源之前，三个空气支路控制阀之一和旁路调节阀（见图1所示）必须全开。
在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。
4、调节流量后，应至少稳定5～10分钟后读取实验数据。
5、套管换热器中积累的热水要及时放掉，以免影响蒸汽传热。
七、实验记录及数据处理
1.给热系数K的计算
序号
1
2
3
4
5
6
7
空气进口处密度ρKg/m³
1.209
1.208
1.206
1.204
1.202
1.197
1.192
空气质量流量m2Kg/s
0.0019
0.0024
0.003
0.0035
0.0041
0.0046
0.005
空气流速um/s
7.98
10.09
12.37
14.56
17
19.21
21.01
空气定性温度t平均℃
41.7
42.05
42.4
42.75
43.4
44.25
45.25
定性温度下的空气密度ρ’Kg/m³
1.213
1.12
1.119
1.118
1.115
1.112
1.108
冷、热流体间的对数平均温差△tm℃
58.5
57.91
57.63
57.42
56.74
55.85
46.08
总给热系数Kw/㎡·℃
29.84
37.42
47.1
54.79
64.81
73.38
95.36
2..α2理论值的计算
序号
1
2
3
4
5
6
7
对流给热系数α2w/㎡·℃
29.84
37.42
47.1
54.79
64.81
73.38
95.36
空气黏度μ（×10∧-5Pa·s）
1.922
1.924
1.925
1.925
1.93
1.934
1.939
空气导热系数λW/m·K
0.0273
0.0277
0.0278
0.0278
0.0278
0.0275
0.028
雷诺数Re
8058.056
9397.755
11505.064
13529.833
15713.99
17672.405
19209.413
普兰特数Pr
0.7076
0.6981
0.7
0.7
0.697
0.7069
0.6966
努赛尔数Nu
17.49
21.61
23.72
31.53
37.3
42.69
54.49
α2理论值α2’w/㎡·℃
45.54
52.01
61.44
69.93
78.78
86.01
92.96
努赛尔数理论值Nu'
26.69
30.04
35.36
40.25
45.29
50.04
53.16
3.α2理论值与实验值比较
序号
1
2
3
4
5
6
7
α2理论值
45.54
52.01
61.44
69.93
78.78
86.01
92.96
α2实验值
29.84
37.42
47.1
54.79
64.81
73.38
95.36
α2相对误差
0.3448
0.2805
0.2334
0.2165
0.1772
0.1468
-0.0258
误差分析：
1.迪图斯-贝尔特公式有条件范围，而实验数据并非全在其适用范围内，用此公式算出的Nu’和α2’误差就可能较大。
2.实验时，等待时间不足，导致数据未稳定时就记录了。
序号
1
2
3
4
5
6
7
ln（Nu/Pr0.4）
3
3.22
3.31
3.59
3.76
3.89
4.12
ln（Re）
8.99
9.15
9.35
9.51
9.66
9.78
9.86
冷流体给热系数的准数式：
Nu/Pr0.4=APrm
ln（Nu/Pr0.4）=lnA+mln（Re）
lnA=-7.9273，A=0.0256m=1.2124
另附上原始实验数据：
序号
冷空气
热蒸汽
流量（m3/h）
进口温度（℃）
进口温度（℃）
进口温度（℃）
进口温度（℃）
1
5.27
19.20
64.20
103.10
103.00
2
7.30
19.50
64.60
102.90
102.80
3
8.95
19.80
65.00
103.00
102.90
4
10.60
20.30
65.20
103.10
103.00
5
12.30
21.00
65.80
103.10
103.00
6
13.90
22.00
66.50
103.10
102.90
7
15.20
23.30
67.20
102.90
102.90
八、对实验结果进行分析与讨论
从图像中线性回归方程的相关系数来看，实验数据结果不是很准确，特别是螺纹管。
产生误差的来源很多，读数不稳定、换热器保温效果差、换热器使用久了，污垢较厚，热流量值下降等都使结果有一定的偏差。
而且在处理数据时，采用很多近似处理，而实际实验时很多的条件并不稳定。
在实验过程中采用改变空气流量来调节，但是在改变空气流量的同时，其他的数据也会改变，比如说空气出口温度，而且在改变的过程中，要经过一段时间空气出口温度才会稳定，而我们测定的温度一定要是这个稳定的温度，所以在测
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