化工原理實驗課件-華東理工

化工原理實驗多媒體課件化工原理教學實驗中心2002年1月序言一、化工原理實驗的特點1.工程實驗工程實驗與基礎實驗的區(qū)別：面對復雜的實際問題和工程問題；采用的方法是經(jīng)驗的或半理論半經(jīng)驗的；處理對象是復雜的(變量多、物料變化大、設備尺寸懸殊)。工程實驗經(jīng)常采用的方法為：因次分析法和數(shù)學模型法。因次分析法：黑箱法，不需要對過程的深入理解，不需要采用真實的物料、真實流體或實際的設備尺寸，只需借助模擬物料(如空氣、水、黃砂等)在實驗室規(guī)模的小設備中，經(jīng)一些預備性的實驗或理性的推斷得出過程因素，從而加以歸納和概括成經(jīng)驗方程，因次分析法的優(yōu)點：由小見大、由此及彼、減少工作量。因次分析法原理：(1).物理方程的一致性

(2).π定理：任一方程可寫成無因次方程(3). 相似原理：工業(yè)上與實驗室無因次準數(shù)相等實驗目的掌握處理工程問題的實驗方法；理論聯(lián)系實際。實驗允許誤差3~5%，甚至可達20%。二、因次分析法1．因次、基本因次、導出因次和無因次數(shù)因次：量綱，物理量單位的種類；基本因次：基本物理量的因次；導出因次：導出物理量的因次，例如：速度u無因次數(shù)：因次為0，例如：雷諾數(shù)Re2．物理方程因次一致性例如：s

[L]，u0

[LT-1]，t

[T]，g[LT-2]2021s

u

t

gt3．π定理及因次分析法某一物理現(xiàn)象中有n個獨立變量，x1，x2…xn，因變量y可以用因次一致關系來表示：y=F（x1，x2…xn），或f（y，x1，x2…xn）=0由于方程中各項因次一致，函數(shù)f可以改為（n-m）個獨立的無因次數(shù)間的關系。f（

π1，π2 ，π3…

πn-m）=0因次分析的步驟：確定對所研究的物理現(xiàn)象有影響的獨立變量，設有n個，f（x1，x2…xn）=0；選擇基本因次，力學中[M],

[L],

[T]，并用基本因次表示出所有各變量的因次；選擇m個變量作為基本變量(相互獨立),流體力學中可選ρ,d ,u 為基本變量；D.

列出無因次數(shù)，一般形式為：E.

該物理現(xiàn)象可以用（n-m）個參數(shù)的函數(shù)F來表達；F.

改變無因次數(shù)進行實驗，以求得F的具體實現(xiàn)形式。a b ci i A B C

x

x

x

x實例：某廠采用300的管道，將硫酸從A地輸送到B地，距離為50m，求該段距離的阻力損失？采用因次分析法：流體性質：密度ρ，粘度μ；設備的幾何尺寸：管徑d，

管長l，管壁粗糙度ε；流動條件：流速u；阻力損失hf；f

(hf

,ρ, μ, d, l, ε, u)=0 七個變量，工作量106分析各變量的因次：ρ[ML-3]，μ[ML-1 T-1]，d[L]，l[L]，ε[L]，u[LT-1]， hf[L2

T-2]；選定基本變量：ρ，d， u；確定無因次數(shù)：[ML-1T-1][ML-3]a[LT-1]b[L]c=[M0L0T0]a b c

u

d1解之得：a=-1，b=-1，c=-1改寫為熟悉的形式，：同理可得：4π

=hf/u2[5] 四個變量，工作量103實驗室選?。汗軓?0的管子，可由π2計算出管長為：5米π2

=l/d,

50/300

=

L/30,

L=5米由π1計算出流速u，由π4計算出hfud所以

1

ud1

l

2

dd

3F

(1,

2

,

3

,

4

)

0流體流動阻力的測定一、實驗目的和內(nèi)容目的熟悉測定流體流經(jīng)直管和管件時的阻力損失的實驗組織方法及測定摩擦阻力系數(shù)的工程意義；學會壓差計和流量計的使用方法；識別組成管路的各個管件、閥門，并了解其作用；[4]學會用因次分析法分析規(guī)劃實驗。內(nèi)容測定特定ε/d下直管摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的關系；測定流體流經(jīng)閥門時的阻力系數(shù)。二、基本原理直管阻力采用因此分析法規(guī)劃實驗：影響因素：物性因素（流體性質）：

密度ρ，粘度μ；設備因素（流動的幾何尺寸）：管徑d， 管長l，粗糙度ε；操作因素（流動條件）：流速u；分析各變量的因次：ρ[ML-3]，μ[ML-1

T-1]，d[L]，l[L]，ε[L]，u[LT-1]， P[ML-1

T-2]；選定基本變量：ρ，d，

u；[4]確定無因次數(shù)：π1＝μρaubdc[ML-1

T-1][ML-3]a[LT-1]b[L]c=[M0L0T0]解之得：a=

-1，b=

-1，c=

-1同理可得： ，[5]，即引入ud

所以 1，改寫為熟悉的形式：

ud1

l

d2d

34u

2

PF

(1,

2

,

3

,

4

)

0u2

d dP

(

ud

,

l

,

)u2P l ud (

,

d

,

d

)

d

(

,

d

)

2P

ud l u

2u2P lhf

d

2d得：

(Re,

)2.局部阻力流體通過某一管件或閥門的阻力損失用流體在管路中的動能系數(shù)來表示，這種計算阻力系數(shù)的方法，稱阻力系數(shù)法。即u

2he

2三、實驗裝置及流程門閥9四、操作步驟開泵之前，首先打開平衡閥、關閉出口閥；排氣：總管排氣、引壓管排氣和壓差計排氣；檢驗排氣是否完全；4. 確定量程，布點，8-10點；通過控制閥調(diào)節(jié)流量，記錄數(shù)據(jù)；打開平衡閥，結束實驗。五、原始數(shù)據(jù)記錄表格設備常數(shù):

d= L= ε/d

=T(OC

)=No數(shù)據(jù)處理離心泵特性曲線的測定一、實驗目的和內(nèi)容目的熟悉離心泵操作，了解離心泵的結構和特性；[2]學會離心泵特性曲線的測定方法。內(nèi)容測定一定轉速下泵的特性曲線二、基本原理特性曲線的測定泵的特性主要是指：一定轉速下，泵的流量、揚程、功率和效率。理想流體、葉片無限多，定常流動時，可推導出揚程的理論計算公式。但由于：（1）葉片不是無限多；摩擦阻力和局部阻力損失；流量變化引起沖擊損失，因此揚程難以理論求解，故對每臺泵的特性必須用試驗求得。而，但N軸不易測量，所以我們用N電代替，即總效率P P2gu

2

u

22u

2

2 1

2gu2

1

h0He

H真

h0

2 1

H壓g g軸NNe泵的效率為有效功率和軸功率只比：

Ne

gVHe電總N

Ne1

水槽

2

真空表3

排氣閥4離心泵5

功率表

6壓強表

7引水閥

8溫度計泵特性曲線測試流程9渦輪流量計10

控制閥三、實驗裝置及流程四、操作步驟關閉出口閥和功率表開關。引水灌泵，泵排氣，啟動泵。打開出口閥及功率表，確定流量量程，分配15個點。每次調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，讀取各表數(shù)據(jù)，特別不要忘記流量為0時的各表數(shù)據(jù)。5

關泵，停止實驗。數(shù)據(jù)處理1.坐標分度的確定作圖時如果比例尺選擇不當，可能導致錯誤的變量關系判斷，造成函數(shù)關系的失真。標繪實驗數(shù)據(jù)曲線時，應考慮X和Y的誤差，獲得所研究的變量之間的函數(shù)關系，具有唯一性。通常選擇的比例尺使2△X=2mm，2△y=2mm。根據(jù)該原則可求得坐標比例M：Mx=1/△X，My=1/△y。對于間接測量值：y=f(x1,x2…)，由泰勒級數(shù)展開：y

f

x1

f

x2

f

x3

....x1 x2 x3進而可以求得比例尺。例如：Y=2X2+3，

當△X=0.2,

X=2時，求△Y解：

△Y=4X×

△X=4×2×0.2=0.8P30頁）比例尺的選擇：（1）流量誤差及坐標比例尺（示值誤差：

Q=脈沖數(shù)/儀表常數(shù)*時間頻率顯示儀最小讀數(shù)誤差為1，渦輪流量計儀表常數(shù)為278.15，則△Q1=1/278.15=3.595*10-3l/s系統(tǒng)誤差：△Q2=[(1+0.0005)*(1+0.005)-1]*(10-1.6)*1000/3600=2.339*10-2l/s△Q=max(△Q1,△Q2)=2.339*10-2l/sMQ=1/2.339*10-2=42.75mm/(l/s),所以選比例尺為40mm/(l/s).(2)揚程的誤差及坐標比例尺

（

P30頁）壓力表：儀表誤差：

量程*精度=0.6*0.015=0.009MPa示值誤差：最小分度*估計值=0.02*1/5=0.004MPa

真空表：儀表誤差：量程*精度=

0.1*0.015=0.0015MPa示值誤差：最小分度*估計值=

0.002*1/5=0.0004MPa△

He=0.009*106/(9.81*1000)+

0.0015*106/(9.81*1000)=1.07mH2OMHe=1/1.07=0.93mm/(mH2O),所以選比例尺為1mm/(mH2O).He

H壓

H真過濾實驗一、實驗目的和內(nèi)容1.目的（1）掌握過濾問題的簡化工程處理方法，及過濾常數(shù)的測定；（2）了解過濾設備的構造和操作方法。2.內(nèi)容測定恒壓操作下過濾常數(shù)K、qe。二、實驗基本原理過濾是借多孔介質讓通過它的氣-固或液固懸浮液留下固體，而讓流體通過的過程。過濾得以實現(xiàn)的本質是因為流體在小剪應力作用下能發(fā)生形變，而固體不宜發(fā)生形變。過濾是流體通過固體顆粒層的流動，只是這個固體顆粒層的厚度隨著過濾過程的進行而不斷增加，因此在勢能差不變的情況下，單位時間通過過濾介質的液體量也在不斷下降，即過濾

dq速度不斷降低。過濾速度

u

dVAd

d影響過濾速度的因素很多，包括勢能差、濾餅厚度、濾餅和懸浮液的性質、懸浮液的溫度、過濾介質的阻力等，故難以用嚴格的流體力學方法處理。比較過濾過程與流體通過固定床的流動可知：過濾速率即為流體經(jīng)過固定床的表觀速度u。同時，液體在細小顆粒構成的濾餅空隙中的流動屬于低雷諾數(shù)范圍。因此，可利用流體通過固定床壓降的簡化數(shù)學模型，尋求q與t的關系。

在低雷諾數(shù)下，可采用康采尼方程：

u

1 P

K

'

Ldqd

(1

)

2

a

2

3對于不可壓縮濾餅，由上式可以導出過濾速率的計算式：2(q

qe

)dq

P

K

d

r(q

qe)在恒壓操作時，上述微分方程積分后可得：2qqe

Kq

2由該式可知：過濾設備、過濾條件一定時，過濾一定濾液量所需要的時間，或者在過濾時間、過濾條件一定，可計算所需的過濾設備的大小。過濾設備：板框式過濾機、回轉真空過濾機、離心式過濾設備、動態(tài)過濾設備K，qe

只有通過實驗才能測定。eq K K將上述方程變形：

1

q

2

q 。若在恒壓過濾之前的

t1

時間內(nèi)已通過單位過濾面的濾液量為q1，則該式變化為：K K Ke 1 e1 11q

q

K

1

1

(q

q

)

2

(q

q )

1

(q

q

)

2

q ，從此式可以方便地求出

K，qe。1

配料桶2

供料泵3

接自來水4

接壓縮空氣5

壓力表6

高位槽7

接下水道8

過濾機9

計量桶過濾裝置流程三.實驗裝置二、操作要點1.過濾機的安裝7層順序：支座—支承板－濾布-墊圈－框—分布板—蓋子2.各部件洗干凈后安裝，注意螺絲對角上。3.進料少許，排氣（注意安全）。4.選定實驗操作壓強（0.08Mpa～0.11Mpa），維持液面，不超過計量桶2/3。5.待計量桶中開始有液體滴出，開始記時，兩只秒表，交替記時。6.記錄數(shù)據(jù)，每間隔2CM/1CM，記錄到10組數(shù)據(jù)（1.5MIN/CM以上）。7.關閥門，清洗過濾機。五、數(shù)據(jù)處理數(shù)學模型法一、概述數(shù)學模型法是解決工程問題的一種實驗規(guī)劃方法，它要求對過程有深刻的認識，能做出高度的概括，即能得出足夠簡化而又不過于失真的模型，然后獲得描述過程的數(shù)學方程。二、數(shù)學模型法解決工程問題的大致步驟(1)通過預實驗認識過程，設想簡化模型；(2)通過實驗檢驗簡化模型的等效性；(3)通過實驗確定模型參數(shù)。給熱系數(shù)冊測定一、實驗目的和內(nèi)容1.目的了解間壁式傳熱元件的研究和給熱系數(shù)測定的實驗組織方法；掌握借助于熱電偶測量壁面溫度的方法；學會給熱系數(shù)測定的實驗數(shù)據(jù)處理方法；了解影響給熱系數(shù)的因素和強化傳熱的途徑。內(nèi)容測定飽和水蒸汽在垂直或水平圓管外冷凝時的給熱系數(shù)；測定冷水在圓管內(nèi)作強制湍流時的給熱系數(shù),并確定Nu、Re和Pr之間的關系。二、實驗基本原理間壁式傳熱裝置的傳熱過程是冷熱流體通過固體壁面（傳熱元件）進行熱量交換，它是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三個傳熱過程所組成。由傳熱速率方程知，單位時間、單位傳熱面所傳遞的熱量q=K(T-t)，而對流傳熱所傳的熱量，對于冷、熱流體可由牛頓冷卻定律表示，也可以分別表示為：q=h(T-tw1)和q=c(tw2-t)，在以冷流體側的傳熱面為基準面的傳熱系數(shù)為c

Am

1

Ac Ach

Ah1K＝δ傳熱過程示意圖熱流體冷流體經(jīng)無因此化處理，得：由于傳熱過程十分復雜，影響因素極多，目前尚不能通過解析法得到給熱系數(shù)的關系式，故采用因此分析法來確定給熱系數(shù)的影響因素。影響因素：1)固體壁面的特征尺寸：l2)流體的物理性質：、、cp、3)強制對流的流速：u4)產(chǎn)生自然對流的升力＝f

(l,

,

,

cp

,

,

u,

gT

)Nu

a0

Re Pr Gra1 a

2 a3在強制對流時，可以忽略自然對流的影響，則：Nu=a0Rea1Pra2冷水被加熱時,

a2=0.4,即Nu/Pr0.4=a0Rea1其中：Nu

l

，為努塞爾準數(shù)，描述對流給熱的大小；Re

ul

，為雷諾準數(shù)，描述流體流動狀態(tài)；prC

p ，為普朗特準數(shù)，描述流體的物性；gTl322Gr

，為格拉斯霍夫準數(shù)，描述自然對流的運動狀態(tài)。在定常給熱時，

由能量衡算得：Q＝

Gcp(t2-t1)=DR-Q

損由傳熱速率方程可分別表示為：Q=h

Ah

Tmh

Q=c

Ac

Tmc

Q=KAc

Tm蒸汽下水下水下水上水下水疏水器給熱系數(shù)測定流程下水放氣閥三.實驗裝置流程圖四、操作要點先開冷水，然后開蒸汽；開蒸汽后，排除不凝氣；控制蒸汽壓力在0.5 Mpa;第1組數(shù)據(jù)穩(wěn)定時間為10～15min。調(diào)節(jié)冷水流量在 350-1000 L/Hr五、數(shù)據(jù)處理填料吸收塔的操作及吸收傳質系數(shù)的測定一、實驗目的和內(nèi)容1.目的了解填料吸收塔的結構和流程；了解吸收劑進口條件變化對吸收操作結果的影響；掌握吸收傳質系數(shù)Kya的測定方法。2.內(nèi)容測定氣體出口濃度y1、y2，計算組分回收率、傳質推動力和傳質系數(shù)。改變清水流量(L)；改變空氣流量(G)；改變清水進口溫度(T)。二、基本原理1.填料塔填料分類：散堆填料（拉西環(huán)、階梯環(huán)、鮑爾環(huán)、矩鞍形、環(huán)矩鞍）規(guī)整填料（孔板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料填料的作用：增大汽液接觸面積；增大汽液接觸面的湍動程度。填料性能評價指標：比表面積、空隙率、壓降(1)拉西環(huán)A．名稱：拉西環(huán)B．開發(fā)年代：1914，1915，1916C．開發(fā)者或開發(fā)單位：德國F.Rasching,RaschingAG(2)金屬矩鞍環(huán)名稱：英特洛克斯金屬填料（Intalox Metal TowerPacking），IMTP，金屬矩鞍環(huán)開發(fā)年代：1977年開發(fā)者或開發(fā)單位：美國諾頓公司（NORTON）(3)鮑爾環(huán)名稱：鮑爾環(huán)（PallRing）

開發(fā)年代：1948年，1952年開發(fā)者或開發(fā)單位：德國BASF公司(4)短階梯環(huán)名稱：短階梯環(huán)

開發(fā)年代：1986年開發(fā)者或開發(fā)單位：美國GLITSCH.CO2.Kya的求取G=G空氣/（1-y1),

m=0.5855e0.0518t注意：各變量的單位：L，G均為kmol/m2.hL=l

×

ρ/（M×A）G按照PV=nRT求取。3.操作調(diào)節(jié)G改變對過程的影響（G增大）L改變對過程的影響（L增大）T改變對過程的影響（T升高）三、實驗裝置及流程四、操作要點1.實驗點的分布實驗開始時，先開水，后開氣，壓力定值器定在0.2kgf/cm2。取樣時，先取出口，后取進口。數(shù)據(jù)處理時，氣體轉子流量計需要校正。加熱電壓175V。一、實驗目的和內(nèi)容1.目的熟悉板式塔的結構和精餾流程；理論聯(lián)系實際，掌握精餾塔的操作；學會精餾塔效率的測定方法。2.內(nèi)容全回流操作，并測定全塔效率；對15%~20%（v）的水和乙醇混合液進行精餾分離，

達到塔頂餾出液乙醇濃度大于90%（v），塔釜殘液乙醇濃度小于5%（v）；并在規(guī)定時間內(nèi)完成300ml的塔頂采出量。二、基本原理板式塔的結構、分類及特點總體逆流，板上錯流泡罩塔———篩板塔———浮閥塔維持穩(wěn)定的精餾精餾過程連續(xù)操作的條件物料平衡———總物料平衡和各組分平衡精餾塔應有足夠的分離能力———塔板數(shù)和回流比維持正常的氣液負荷量，避免發(fā)生以下不正常的操作狀況：嚴重的液沫夾帶現(xiàn)象；嚴重的漏液現(xiàn)象；溢流液泛產(chǎn)品不合格的原因及調(diào)節(jié)方法物料不平衡DxD>FxF-WxW表現(xiàn)：釜溫合格，而頂溫上升原因：頂?shù)桩a(chǎn)品采出比例不當調(diào)節(jié)方法：不變加熱蒸汽壓，減小塔頂采出，加大塔釜出料和進料量DxD<FxF-WxW表現(xiàn)：釜溫不合格，而頂溫合格原因：頂?shù)桩a(chǎn)品采出比例不當調(diào)節(jié)方法：不變回流量，加大塔頂采出，加大加熱蒸汽壓分離能力不夠引起產(chǎn)品不合格的現(xiàn)象及調(diào)節(jié)方法表現(xiàn)：塔頂溫度升高，塔底溫度降低。調(diào)節(jié)方法：加大回流比4.

靈敏板對于物料不平衡和分離能力不夠造成的產(chǎn)品不

合格現(xiàn)象，可早期通過靈敏板溫度的變化得到預測。全塔溫度分布：某一板的溫度變化明顯5.板效率全塔效率定義：N

N

T

1

100

%三、流程圖四、操作要點預熱開始后，要及時開啟冷凝水的冷卻水閥，當釜液沸騰后要注意控制加熱量；排除管道內(nèi)的不凝氣；要注意釜內(nèi)壓強和靈敏板溫度，塔釜操作壓力約20KPa，靈敏板溫度約78~81℃

；取樣應在穩(wěn)定操作時進行。5.全回流狀態(tài)下的數(shù)據(jù)處理注意塔頂和塔釜濃度換算成mol濃度；作圖求解理論塔板數(shù)。一、實驗目的和內(nèi)容1.目的了解液液設備的結構和特點；掌握液液萃取塔的操作；掌握傳質單元高度的測定方法，并分析外加能量對液液萃取塔傳質單元高度和通量的影響。2.內(nèi)容測定不同頻率下的萃取效率（傳質單元高度）；在最大頻率下，測定本實驗裝置的最大通量或液泛速度。二、基本原理1.液液萃取設備的特點液液系統(tǒng)：比重差??；界面張力小強化過程的慣性力不大；分散的兩相分離困難需要外加能量；分層空間。液液萃取塔的操作分散相的選擇A.流量大的一相作為分散相；表面張力正系統(tǒng)，按傳質方向選擇，選擇傳質方向為從分散相向連續(xù)相傳遞；將不潤濕設備的作為分散相；此外，從成本、安全考慮，應將成本高的，易燃物料作為分散相。（2）分層空間的選擇當輕相為分散相時，分層空間在上面；當重相為分散相時，分層空間在下面。（3）液滴的分散外加能量大，液滴小，相際接觸面積大，

有利于傳質；但是能量過大，增加軸向混合，而且使液滴過小，其內(nèi)循環(huán)消失，傳質系數(shù)下降，對傳質不利。3.液液萃取設備內(nèi)的傳質（1）H=HOR×NORHOR

以萃余相為基準的傳質單元高度，表示設備傳質性能的好壞；NOR傳質單元數(shù)，表示過程分離難易的程度。對于稀溶液，傳質單元數(shù)可近似用下式表示：*x1x

2ORdx

x

xN mORNx

xF

xR積分可得：其中：KxKxKRERFmxSKxF

x

ln(x

xE

)

(x

xS

)其中：XS=0，XF、XR分析獲得