化工原理实验讲义1

1、目录目录2序言1实验一流体摩擦阻力系数测定3实验二流量计校核9实验三离心泵特性曲线的测定12实验四恒压过滤常数的测定16实验五固体流态化21实验六空气在圆形直管中对流传热系数的测定26实验七板式精馏塔塔板效率的测定31实验八吸收实验填料塔吸收传质系数的测定35序言一、化工原理实验的特点化工原理实验属于工程实验范畴，它不同于基础课程的实验。后者面对的是基础科学，采用的方法是理论的、严密的，处理的对象通常是简单的、基本的甚至是理想的，而工程实验面对的是复杂的实际问题和工程问题。对象不同，实验研究方法也必然不同。工程实验的在于变量多，涉及的物料千变万化，设备大小悬殊，实验工作量之大之难是可想而知的。

2、因此不能把处理一般物理实验的方法简单地套用于化工原理实验。数学模型方法和因次分析方法是研究工程问题的两个基本的实验研究方法，因为这两种方法可以成功地使实验研究结果由小见大，由此及彼地应用于大设备的生产设计上。例如，在因次分析法指导下的实验，可不需要过程的深入理解，不需要采用真实的物料、真实流体或实际的设备，只需借助模拟物料（如空气、水等）在规模的小设备中，经一些设备性的实验或理性的推断得出过程的因素，从而加以归纳和概括成经验方程。这种因次分析法指导下的实验研究方法，是解决难于作出数学描述的复杂问题的一种有效方法。数学模型方法是在对过程有比较深入认识的基础上，将过程进行概括，得到简单而不失真的物

3、理模型，然后进行数学上的描述。这种研究方法同样可以具备以小见大，由此及彼的功能（因次分析法指导下的实验方法和数学模型方法反映了工程实验和基础实验的主要区别）。化工原理实验的另一目的是理论实际。化工过程由很多单元过程和设备所组成，学生应该运用理论去指导并且能够进行化工单元的操作，应能在现有设备中完成指定的任务，并某些参数的变化对过程的影响。二、基本要求1、实验研究方法及数据处理1） 掌握处理化学工程问题的两种基本实验研究方法。一种是经验的方法，即应用因次分析法进行实验的规划；另一种是半经验半理论的方法或数学模型方法，掌握如何规划实验，去检验模型的有效性、模型参数的估值的可靠性。2） 掌握最基本的

4、经验参数和模型参数的估值方法最小二乘法。3） 对于特定的工程问题，在缺乏数据的情况下，学会如何组织实验以及取得必要的设计数据。2、熟悉化工数据的基本测试技术其中包括操作参数（例如流量、温度、压强等）和设备特性参数（例如阻力参数、传热系数、传质系数等）、特性曲线的测试方法。3、熟悉并掌握化工中典型设备的操作了解影响设备操作的参数，能某些参数的变化对设备操作的影响，并能在现有设备中通过调整操作参数以完成指定的工艺要求。三、实验课教学内容及教学方法通过实验课的教学应让学生掌握工程实验的全过程，此过程应包括：1）实验前的准备；2）进行实验操作；3）正确和处理实验数据；4）撰写实验报告。以上四个方面是实

5、验课的主要环节，认为实验课就是单纯进行实验“操作”的观点应该改变。为使学生对于实验有严肃的态度，严格的要求和严密的作风，我们推荐典型的实验程序如下：1）认真阅读实验指导书和有关参考资料，了解实验目的和要求；2）进行现场预习。了解实验装置，摸清实验流程、测试点、操作控制点，此外还需了解所使用的检测仪器、仪表的基本原理和使用方法；3）预先组织好实验小组，实验小组讨论并拟订实验方案，预先作好分工，并写出实 验的预习报告，预习报告的内容应包括：实验目的和内容；实验的基本原理及方案；实验装置及流程图；实验操作步骤及实验数据的布点；设计原始数据的预习报告应在实验前交给实验指导教师审阅，获准后学生方能参加实

6、验。表格。进行实验操作，要求认真细致地实验原始数据。操作中应能进行理论实际的思考。实验数据的处理：重复计算过程可以采用表格化的方式表达；具体计算过程需要有一组手算的计算示例，鼓励使用现代化方法进行实验数据处理。撰写实验报告。撰写实验报告是实验教学的重要组成部分，应避免单纯填写表格的方式，而应由学生自行撰写成文，内容大致包括：1）实验目的和原理；2）实验装置简介；3）实验数据处理；4）实验结果及讨论。及数据四、学生实验守则1、遵守纪律不从教师指导。不早退，在内保持安静，不大声谈笑，遵守的一切规章制度，听2、实验前要认真预习，作好预习报告，经教师提问通过后，方可准予参加实验。3、实验时要严格遵守仪

7、器、设备、电路的操作规程不得擅自变更，操作前须经教师检查同意后方可接通电路和开车，操作中仔细观察，如实即报告教师。现象和数据。仪器设备发生故障严禁擅自处理，应立4、实验后根据原始，处理数据、分析问题并及时作好实验报告。5、爱护仪器、注意安全，水、电、煤气及药品要节约使用。6、保持7、实验完毕整洁，废品、废物丢入箱内。数据须经教师签字，做好清洁工作，恢复仪器设备原状，关好门窗，检查水、。电及气源是否关好后，方可离开实验一 流体摩擦阻力系数测定1、学习流体在管道内摩擦阻力DPf 及摩擦阻力系数的测定方法；2、确定摩擦阻力系数与雷诺数 Re 和相对粗糙度e d 之间的关系；3、在双对数坐标纸上绘出R

8、e 曲线并与莫迪图进行比较；4、测定局部（阀门）阻力系数z 。二、实验基本原理由于有粘性和涡流的影响，流体时会产生阻力。其大小与管子的长度、直径、流体流速和管道摩擦阻力系数有关。本实验分为直管摩擦系数l和局部（阀门）阻力系数z 两种情况。1、直管摩擦系数与雷诺数 Re 的测定直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即l = f (Re,e / d ) ，对一定的相对粗糙度而言， l = f (Re) 。流体在一定长度等直径的水平圆管内时，其管路阻力引起的能量损失为：DPfrP1 - P2rhf =（1-1）又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式）u2lDPh = lf（1-

9、2）frd2整理（1-1）（1-2）两式得DPf2dl =r l u（1-3）2d u rmRe =（1-4）式中： d - 管径，m ；DPf -直管阻力引起的压强降，Pa；l - 管长，m；u - 流速，m / s；r - 流体的密度，kg / m3；m - 流体的粘度，Ns / m2。在实验装置中，直管段管长 l 和管径 d 都已固定。若水温一定，则水的密度和粘度也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降DPf 与流速u （流量 V）之间的关系。根据实验数据和式（1-3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数，用式（1-4）计算对应的 Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系

10、，绘出与 Re 的关系曲线。2、局部（阀门）阻力系数z的测定DP fru 22= zh f =（1-5）= 2 DP fz r （1-6）u2式中：z - 局部阻力系数，无因次；DP - 局部阻力引起的压强降，Pa；fh- 局部阻力引起的能量损失，Jkg。f图 1-1局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降DP 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局f部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口 a-a和 b-b，见图 1-1，使abbc ；Pf，a b Pf，bc 在aa之间列柏努利方程式：abbcPf，ab= Pf，bc则；PaPa =2Pf，a b+2Pf，ab+P

11、f在bb之间列柏努利方程式：（1-7）Pf，bc+Pf，bc+P f = Pf，a b+Pf，ab+P fPbPb =（1-8）联立式（1-7）和（1-8），则：DP 2（P P）（P P）bbaaf为了实验方便，称（PbPb）为近点压差，称（PaPa）为远点压差。用差压传感器来测量。三、实验装置及流程实验流程示意图见图 1-2。水泵 2 将储水槽 1 中的水抽出，送入实验系统，首先经流量调节阀 14、转子流量计 15、16 测量流量，然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的阻力；或经阀门 10 测量局部阻力后回到储水槽，水循环使用。被测直管段流体别采用变送器 12 或空气-水倒置型管 2

12、2 来测量。阻力p 可根据其数值大小分图 1-2阻力实验流程示意图1-；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀；8、20-粗糙管测压阀；9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U 型管进水阀；12-传感器；14-流量调节阀； 15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀；21-倒置 U 型管放空阀；22-倒置 U 型管；23-放水阀；24-管线放水阀；25-压差表；26-温度表；27-泵开关；28-总电源开关本实验共有 8 套实验设备，其主要技术数据如下:被测光滑直管段：设备编号管径 d/ m管长 L/ m材料1

13、0.0081491.700Cr18Ni920.0080101.700Cr18Ni930.0081611.700Cr18Ni940.0080161.700Cr18Ni950.0081521.700Cr18Ni92. 被测粗糙直管段：3. 被测局部阻力直管段：管径 d0.010m； 管长 L1.70m； 材料不锈d0.015m；管长 L1.2m； 材料不锈管径4传感器：型号：LXWY 5 .直流数字电压表：型号：PZ1396离心泵：型号： WB70/055200 KPa测量范围：测量范围：0 200 KPa流量： 8 m3h扬程： 12 m电机功率：550 W7.转子流量计：四、实验步骤及注意事项

14、1、实验步骤向储水槽内注水，直到水满为止。全关出口阀门 14，启动离心泵。1) 光滑管阻力测定：关闭局部阻力管阀 10、局部阻力近端测压阀 6；局部阻力远端测压阀 7、15；关闭粗糙管阀 18、粗糙管测压进水阀 20、粗糙管测压回水阀 8，将光滑管阀 17 全开。在流量为零条件下，打开光滑管测压进水阀 19 和回水阀 9，旋开倒置U 型管进水阀 11，检查导压管内是否有气泡存在。若倒置 U 型管内液柱高度差不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行赶气泡操作。导压系统如图 1-3 所示。赶气泡操作方法如下：开大控制阀门开度，使倒置 U 型管内液体充分，以赶出管路内的气泡；若认为气泡已赶净，将流量

15、阀关闭；慢慢旋开倒置 U 型管上部的放空阀 21，打开阀 3、4，使液柱降至零点上下时马上关闭， 管内形成气-水柱，此时管内液柱高度差应为零。然后关闭放空阀 21。 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。 差压变送器与倒置 U 型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。应在最大流量和最小流量之间进行实验，一般测取 1015 组 数据。建议当流量小于 100Lh 时，只用倒置型管来测量压差。型 号测量范围/ Lh-1精度LZB4010010001.5LZB10101002.5设备编号管径 d/ m管长 L/

16、m材料60.0081501.700Cr18Ni970.0080501.700Cr18Ni980.0080581.700Cr18Ni92) 粗糙管阻力测定关闭阀 17、光滑管测压进水阀 19、光滑管测压回水阀 9，全开阀 18，旋开粗糙管测压进水阀 20、粗糙管测压回水阀 8，逐渐调大流量调节阀，赶出导压管内气泡。 从小流量到最大流量，一般测取 1520 组数据。 直管段的压差用差压变送器测量。光滑管和粗糙管直管阻力的测定使用同一差压变送器，当测量光滑管直管阻力时，要把通向粗糙管直管阻力的阀门关闭；同样当测量粗糙管直管阻力时，要把通向光滑管直管阻力的阀门关闭。图 1-3导压系统示意图传感器；15

17、-粗糙管测压回水阀；16-光滑管测压回水阀；13-粗糙管测压进水阀；14-直管17-光滑管测压进水阀；18-U 型管进水阀；19-排水阀；20-U 型管出水阀；21-U 型管放空阀3) 局部阻力测定关闭阀门 17 和 18，全开或半开阀门 10，改变流量，用差压变送器测量远点、近点压差。远点、近点压差的测量使用同一差压变送器。当测量远点压差时，要把通向近点压差的阀门关闭； 同样当测量近点压差时，要把通向远点压差的阀门关闭。4) 测取内水的温度。5) 待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。2、实验注意事项1） 直流数字表操作方法请仔细阅读说明书后，方可使用。2） 较长时间未做实验，启动离心泵之前

18、应先盘轴转动，否则易烧坏电机。3） 启动离心泵之前，以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。4）在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可数据。5）利用测量数值。传感器测量大流量下P 时，应切断空气水倒置型管的阀门 18、20 否则影响6）大流量状态下的压差测量系统，应先接电预热 1015 分钟，调好数字表的零点，然后启动泵进行实验。1、将实验数据和数据处理结果列在表格中。表 1-1 实验原始数据实验装置编号： 表实验水温：T水温：管径：管长：密度：黏度： 2、写出计算示例，即以某一组数据为例写出计算过程。3、在双对数坐标纸上绘出Re

19、关系曲线并与莫迪图进行比较。4、求本实验条件下层流区光滑管Re 关系式，并与理论公式l = 64 Re 比较。六、思考及讨论1、在测量前为什么要将设备中的空气排尽？怎样才能迅速地排尽？2、以水为介质做出的 Re 关系曲线，能否适用于其他流体？为什么？3、在不同设备上（包括相对粗糙度相同而管径不同）、不同温度下测定的数据是否能关联在一条曲线上？为什么？序号流量直管压降(表示)U 形管读数l/hkPaR1/mmR2/mm123456实验二 流量计校核1、了解孔板流量计和文丘里流量计的构造和使用方法。2、学习掌握流量计的校核方法，计算标准孔板流量计和文丘里流量计的流量系数，验证流量计流量系数的变化规

20、律。3、标绘出标准孔板流量计和文丘里流量计的流量曲线。4、测定并比较孔板流量计和文丘里流量计的流量系数大小及压降（阻力损失）的大小。二、实验基本原理孔板流量计是利用流体经过孔板前后的压差变化来实现测量流量的。流体流过孔板流量计孔口时，截面突然收缩，流体约在孔口后 1/3 或 2/3 处形成缩脉，引起流体静压能和动能的变化。根据由于机械能衡算方程，选择缩脉取压方式，将测定的静压差和相应的动能变化进行关联，可以求出流量。孔板流量计流量与 U 形管压差计内指示液高度差之间的关系为：2Rg(r0 - r)rV = C A(2-1)000式中：Ao孔板的截面积，m2；Co孔板流量计的孔流系数。孔流系数

21、Co 由实验测定。Co 是流体雷诺数 Re（以管内径计算）和孔径与管内径之比 do/d1 的函数。当 do/d1 一定时，随 Re 的增加 Co 是下降的。当 Re 达到一定值后，C0 趋于常数。当雷诺数 Re 一定时， 随着孔径比 do/d1 的增大 C0 增大。设计选用孔板流量计时应使孔流系数 Co 处于常数区。孔板流量计的C0 范围一般是在 0.60.7 。文丘里流量计用一段渐缩渐扩管代替孔板减小阻力损失。文丘里流量计的工作原理和孔板流量计是完全一样的。文丘里流量计的流量与 U 形管压差计内指示液的高度差之间的关系为：2Rg(rv - r)rV = C A(2-2)vv v式中，Av文丘

22、里流量计的喉径截面积，m2；Cv文丘里流量计的孔流系数。当流体流经孔板流量计或文丘里流量计时，由于突然的收缩或扩大，形成涡生阻力，损失部分能量，使不能恢复，这种损失是损失。可以用实验方法测得。为保证测量的准确性，需消除涡流等因素的影响。两测压口应选在孔板前 1d（1 倍管径长度）和孔板后 6d（6 倍管径长度）的 2 个截面处。对于文丘里流量计，两测压口应选在距离和扩散管出口为 1d（1 倍管径长度）地方的 2 个截面处。2 个截面差为：Dp永 = p1 - p2(2-3)损失P 永，可以用 U 形管压差计测定。常将它表示为流量计测量压差的一个百分比，即：h = Dp永(2-4)Dp测 与孔板

23、孔径（或文丘里管喉径）do 和管道直径 d1 的比值有关。do/d1 越小则损失就越大。各种孔板流量计的损失在 40%90%。由于文丘里管和出口都为扩散形管，流体流过时涡损失一般为 8%18%。流损失较小，所以压降比孔板流量计小得多，文丘里流量计的三、实验装置及流程本实验装置由、水泵、转子流量计、孔板流量计、文丘里流量计、U形管压差计和计量槽组成。实验流程如图 2-1 所示。图 2-1 流量计校核实验装置流程图孔板流量计的孔径为 20.0mm， 文丘里流量计的喉径为 19.0mm。水管管内径为 26.0mm。本实验以水为介质，其流量用计量槽和秒表测量。计量槽底面积为 1.57010 -3 m2

24、 。四、 实验步骤及注意事项1、实验步骤1） 在启动泵之前，检查旁路是否全开，出口阀是否关闭。2） 将压差计测压导管中的气泡赶出，检查 U 形管水银压差计中指示液面是否处于平衡位置，使各压差计处于备用状态。3） 启动水泵，调节出口及旁路阀阀门开度，使流量达到最大，流量最大值以压差计最大量程为准。4）分别孔板流量计文丘里流量计对应 U 形管压差计的压差及损失压差，关闭计量槽排水阀，用计量槽和秒表测量水的流量。5） 改变流量再重复测定以上各数据，共取 1215 组。6） 测取水的温度。7） 实验完毕，先关闭出口阀和旁路阀，然后停泵，切断电源。2、注意事项1） 在做实验之前确保将取压管中气泡赶尽。2

25、） 为保证测量精度，每次测量的时间要尽量长，水的体积要尽量多。3） 出口阀要缓缓打开，以防压差计内的水银冲出。4） 旁路阀需要开的小一点，这样携带进转子流量计的气泡就会少些。1、将实验数据和数据处理结果列在表格中。根据实验数据得到实验结果和结论。2、在坐标纸上绘制 Co 与lgRe 之间的关系曲线。3、在双对数坐标纸上标绘出流量 Vv 与压差计读数 R 之间的关系曲线，并求出斜率，验证是否为0.5 次方的关系。4、计算孔板流量计和文丘里流量计的流量系数 Co 和 Cv，比较二者的大小。5、计算实验条件下的压降之比 ，比较两种压差计的压降损失大小。六、思考及讨论1、U 形管水银压差计测压导管中的

26、气泡该怎样除去？2、流量计的流量系数 Co 和 Cv 一般范围是多少?它们与哪些参数有关？这些参数对流量系数 Co 和Cv 有什么影响?3、比较孔板和文丘里流量计流量系数 Co 和Cv 的大小，压降 的大小，并做出适当的说明。实验三 离心泵特性曲线的测定一、实验目的与任务1、了解离心泵的结构特点，熟悉并掌握离心泵的工作原理和操作方法；2、测定离心泵在一定转速下的特性曲线。二、实验基本原理离心泵是一种液体输送机械，它籍助于泵的叶轮高速旋转，使充满在泵体内的液体在离心力的作用下，从叶轮中心被甩至边缘，在此过程中液体获得能量，提高了静压能和动能。液体在离开叶轮进入壳体时，由于截面积的增大，部分动能变

27、成静压能，进一步提高了静压能。流体获得能量的多少，不仅取决于离心泵的结构和转速，而且与流体的密度有关。当离心泵内存在空气，空气的密度远比液体的小，使离心泵所产生的离心力不足以在泵的进口处形成所需的真空度，无法吸入液体，该现象称为“气缚”。为了保证离心泵的正常操作，在启动前必须在离心泵和吸入管路内充满液体，并确保运转过程中尽量不使空气漏入。离心泵的主要性能参数是扬程 H、流量 Q、功率 N、效率h 和转速 n。在一定的转速下，离心泵的扬程、功率、效率均随流量的大小改变。扬程与流量的特性曲线 H=f（Q）、功率消耗与流量的特性曲线 N=f（Q）、以及效率与流量的特性曲线h =f（Q）是离心泵的三条

28、特性曲线。它们与离心泵的设计、制造有关，必须由实验测定。泵特性曲线的具体测定方法如下：1、扬程的测定在泵的吸和压出口之间列柏努利方程：u 2入Pu 2出PZ+入+ H = Z+出+ H（3-1）rg2grg2gf入-出入出P - P入u 2出 - u 2入H = (Z- Z )+ H出（3-2）rgf入-出出入2g上式中 H f入-出是泵的吸和压出口之间管路内的流体阻力，与柏努力方程中其它项比较，H f入-出值很小，故可忽略。于是上式变为：- P入rgZ- Z )+ P+ u 出 - u 入22H = (出(3-3)出入2g将测得的(Z- Z)和 P - P 的值以及计算所得的u , u 代入

29、上式即可求得 H 的值。出入出入入出2、轴功率的测定功率表测得的功率为电的输入功率。由于泵由电直接带动，传动效率可视为 1，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率。即：泵的轴功率 N=电的输出功率，kw电的输出功率=电的输入功率电的效率。泵的轴功率=功率表的读数电效率，kw。3、效率的测定NeNHQrgh =(3-4)HQrNe =(3-5)1000102式中：h 泵的效率；N泵的轴功率，kw Ne泵的有效功率 kw； H泵的压头，mQ泵的流量，m3/s；r 水的密度，kg/m3三、实验装置与流程水泵 2 将水槽 1 内的水输送到实验系统，用流量调节阀 8 调节流量，流体经涡轮流量计 5 计量后，

30、 流回储水槽。流程示意图见图 3-1。实验设备主要技术参数如下：离心泵：流量 Q=1.27.2 m3/h ，扬程 H=1419m ，轴功率N=550w真空表测压位置管内径 d 入=0.030m压强表测压位置管内径 d 出=0.030m真空表与压强表测压口之间的垂直距离h =0.355m实验管路 d=0.050m电机效率为 60%图 3-1离心泵性能测定实验装置流程示意图1-2-离心泵 3-真空表 4-出口表 5-涡轮流量计 6-温度计 7-排水阀计 8-流量调节阀9-流量表 10-功率表 11-流体温度表 12-变频器 13-总电源关 14-总电源开关 15 底阀四、实验步骤及注意事项1、实验

31、步骤1）向储水槽 1 内注入蒸馏水。水位最好没过回水出口，避免。2）检查流量调节阀 8，表 4 及真空表 3 的开关应关闭。3） 启动实验装置总电源，启动离心泵，缓慢打开调节阀 8 至全开。待系统内流体稳定，打开表和真空表的开关，方可测取数据。4） 调节流量，测取数据。可从 0 至最大流量。一般测 1215 组数据。5）每次在稳定的条件下同时：流量、表、真空表、功率表的读数及流体温度。6）实验结束，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。2、注意事项1）该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好地接地。2）启动离心泵前，关闭流量调节阀，表和真空表的开关以免损坏涡轮流量计和压强表。1、将实测数据记入表

32、 3-1；2、将所取得的实验数据及通过计算求得的各参数在坐标纸上作出以下三条特性曲线： 扬程和流量的特性曲线 H Q；轴功率消耗和流量的特性曲线 N Q；效率和流量的特性曲线h Q；表 3-1原始数据表实验装置编号： 实验水温：T六、思考及讨论1、离心泵在启动前为什么要引水灌泵？如果已经引水灌泵了，但离心泵还是启动不起来，你认为可能是什么原因？2、为什么离心泵启动时要关闭出口阀和拉下功率表的开关？3、为什么调节离心泵的出口阀可调节其流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其它方法调节泵的流量？4、正常工作的离心泵，在其进口管上设阀门是否合理？为什么？5、为什么在离心泵的进口管下安装底阀？从节能观点

33、上看，底阀的设置是否有利？你认为应如何改进？序号流量ls表MPa真空表MPa功率kW转速rpm实验四 恒压过滤常数的测定1、了解板框压滤机的构造，学会板框压滤机的操作方法；2、在恒压操作时测定过滤常数 K，qe，e，并以实验所得结果验证过滤方程式；3、测定压缩指数 s 和物料特性常数 k；4、了解操作对过滤速率的影响；5、了解定值调节阀的工作原理和使用方法。二、实验基本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。在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截流下来，从而实现固液分离，因此，过滤操作本质上是流体通过固体颗粒床层的，所不同的是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进

34、行而不断增加，故在恒压过滤操作中，其过滤速率不断降低。影响过滤速度的主要因素除压强差p，滤饼厚度 L 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，故难以用流体力学的方法处理。比较过滤过程与流体经过固定床的流体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的可知：过滤速度即为流体通过固定床的表现速度 u。同时，属于低雷诺数范围，因此，可利用流体通过固定床压降的简化模型，寻求滤液量与时间的关系，运用层流时泊唆叶公式不难推导出过滤速度计算式：e 3Dp1u =(4-1)K a 2 (1 - e )2 mL式中，u过滤速度，m/s；K康采尼常数，层流时，K=5.0； 床层的空隙率，m3/m3；a颗粒的比表面

35、积，m2/m3；p过滤的压强差，Pa； 滤液的粘度，Pa.s；L床层厚度，m。由此可导出过滤基本方程式为A2 Dp1-sdV=(4-2)dtmrv(V + Ve)式中，V滤液体积，m3；过滤时间，s；A过滤面积，m2；S滤饼压缩性指数，无因次。一般情况下 S=01，对不可压缩滤饼 S=0；2r滤饼比阻，1/m ，r= 5.0a 2 (1 - e )2 / e 3 ；r压差下的比阻，1/m2，r= rDps ；v滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次；Ve虚拟滤液体积， m 3 。恒压过滤时，令 k=1/ mrv ， K = 2kDp (1-s) ，q=V / A ， q = Ve / A 对式(4

36、-2)e可得= K(t +t e )2e )(4-3)过滤面积的滤液体积， m3 / m2 ；式中，q过滤面积的虚拟滤液体积， m3 / m2 ；qee虚拟过滤时间，s；K滤饼常数，由物料特性及过滤压差所决定， m2 / s 。K，qe，e 三者总称为过滤常数。利用恒压过滤方程进行计算时，必须首先需要知道 K，qe，e，它们只有通过实验才能确定。对式（4-3）微分整理可得dt22=q +qe KK（4-4）dqdt该式表明以为纵坐标，以 q 为横坐标作图可得一直线，直线斜率为 2/K，截距为 2 qe /K。在dqDtdt实验测定中，为便于计算，可用替代，把式（4-4）改写成DqdqDt22=

37、q +qeDqKK（4-5）在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔i(i=1 、2 、3)及对应的滤液体积Vi(i=1 、2 、3 )，也可采用计算机软件自动一系列时间间隔i(i=1 、2 、3)及对应的滤液体积Vi(i=1 、2 、3)，由此算出一系列i，qi，qi 在直角坐标系中绘制DtDqq 的函数关系，得一直线。有直线的斜率便可求出 K 和qe，再根据t = q 2 / K ，求出t e。ee改变实验所用的过滤压差p，可测得不同压强差下的 K 值，由 K 的定义式两边取对数得lg K = (1 - s) lg( DP) + lg( 2k)(4-6)在实验压差范围内，若 k 为

38、常数，则 lgKlg(P)的关系在直角坐标上应是一条直线，直线的斜率为（1-s），可得滤饼压缩性指数 s，由截矩可得物料特性常数 k。三、实验装置及流程图 4-1 恒压过滤常数测定实验装置流程图1-配料槽2-料槽3-板框压滤机4-表5-安全阀6-定值调节阀7-洗涤液槽8-压缩机定值调节阀等组成。其实验流程如本实验装置由空压机、配料槽、储槽、板框过滤机和图 4-1 所示。MgCO3 的悬浮液在配料桶内配置一定浓度后利用位差送入储槽中，用压缩空气加以搅拌使 MgCO3 不致沉降，同时利用压缩空气的将料浆送入板框过滤机过滤，滤液流入量筒或滤液量自动测量仪计量。板框过滤机的结构如下：框厚度 25mm，

39、每个框过滤面积 0.024m2，框数 2 个。空气压缩机规格型号为：2VS0.08/7，风量 0.08m3/min，最大气压为 0.7MPa。四、实验步骤及注意事项1、实验步骤过滤实验：8%13%(wt.%)的水悬浮液；1)2)配制含 MgCO3熟悉实验装置流程；3)4)开启空气压缩机；正确装好滤板、滤框及滤布。滤布使用前先用水浸湿。滤布要绑紧，不能（用丝杆压紧时，千万不要把手压伤，先慢慢转动手轮使滤框合上，然后再压紧）；5) 打开阀（3）、（2）、（4），将压缩空气通入配料槽，使 MgCO3 悬浮液搅拌均匀；（开阀时从小到大缓慢打开，以防止悬浮液喷出配料槽）6) 关闭阀（2），打开料槽排气阀

40、（18），打开阀（6），使料浆由配料桶流入料槽至 1/22/3 处，关闭阀（6）；7) 打开阀（5），后打开阀（7）、阀(8) 、阀(15)通压缩空气入料槽，再打开阀(20)开始做低压过滤实验(为 0.02MPa 左右)；8) 每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时刻作为开始时刻，每次V 取为 800ml 左右，相应的过滤时间。要熟悉双秒表轮流读数的方法。量筒交替接液时不要流失滤液。等量筒内滤液静止后读出V 值和 值。测量 68 个读数即可停止实验。9) 关闭阀（7）、阀(8)、 阀(20)，再打开阀（9）、阀（10）、阀（20），重复上述操作做中等过滤实验(在 0.2MPa 左右)。10) 关闭

41、阀（15）、阀（20）打开阀（6）、（4），将阀（6）。料槽剩余的悬浮回配料桶，关闭阀（4），洗涤实验：打开阀（14），进行横穿洗涤，测定洗涤速率。测定完后关闭阀门。打开排气阀（12），卸除料槽内的。然后卸下滤饼，滤布、滤框及滤板。关闭空气压缩机电源，总电源开关。2、注意事项1） 滤饼、滤液要全部回收到配料桶 。2） 过滤进行时，阀(18)一定要稍开一点，以搅拌料液。3）搅拌及槽料浆压回配料槽时注意要控制好阀门的开度，以免料浆溅出配料槽1、将实测数据记入表 4-1，计算结果记入计算结果表。2、由恒压过滤实验数据求过滤常数 K，qe，e；3、比较几种压差下的 K、qe 及 e 值，讨论压差变化对

42、以上参数数值的影响；4、在直角坐标纸上绘制lg K lg( Dp) 关系曲线，求出 S 及 k；5、写出完整的过滤方程式，弄清其中各个参数的符号及意义；6、比较洗涤速率与过滤终了时的过滤速率两者之间的关系。表 4-1原始数据表实验装置编号： 操作：PMPa六、思考及讨论1) 通过实验你认为过滤的一维模型是否适用？2) 当操作压强增加一倍，其 K 值是否也增加一倍？要得到同样的过滤液，其过滤时间是否缩短了一半？3）影响过滤速率的主要因素有哪些？4）滤浆浓度和操作压强对过滤常数 K 值有何影响？5）为什么过滤开始时，滤液常常有点浑浊，而过段时间后才变清？序号时间 t（秒）体积 V(ml)12345

43、678实验五 固体流态化一、实验目的和任务1、学习流体通过固体颗粒层特性的测量方法；2、观察散式流化和聚式流化的实验现象；3、测定流化曲线和临界流化速度，验证流体通过固体颗粒床层的规律，加深对这些规律的认识和理解；4、测定液体和气体分别通过固体颗粒床层时流速与床层压降的关系；5、观察空气固体颗粒床中颗粒输送现象及旋风分离器收集颗粒的现象。二、实验基本原理流体通过固体颗粒床层时，流体的流速保持在一定的范围内将大量固体颗粒悬浮于的流体中，并在流体作用下使颗粒作翻滚运动，类似于液体的沸腾，从而大大强化了物质的扩散过程，提高了反应速度，具有流体的某些特性故这种状态为固体流态化。流态化技术是研究和处理工

44、业过程中固体颗粒与气相、液相、气液相之间的混合、传质、传热的多相流技术。流态化技术是化学工程及相关学科中一个非常重要的研究领域，在石油化工、煤燃烧、制药、污水处理等过程中得到重要应用。掌握流态化技术，了解流态化床层的性质对工业生产和科学研究都有重要的意义。根据系统的不同，流化床可以分为散式流化床和聚式流化床。由液-固系统形成的流化床，由于固体颗粒和液体颗粒的密度相差不是很大，当颗粒的直径很小时，流体以较低速度通过固体颗粒床层，就能形成流化态。且个个粒子的运动以相对比较一致的平均自由路程通过床层，床层有相对稳定的上界面，固体颗粒均匀的分散在液体中，这种流化态称为散式流化。对气-固系统形成的流化床

45、，因为固体颗粒与气体的密度差很大或颗粒直径较大，气体必须以较大的速度通过固体颗粒床层，此时的流化态是不平稳的。气体通过固体颗粒床层时，主要是呈大气泡状态，由于这些气泡的上升与破裂，床层上界面波动大，更看不到清晰的上界面，所以将这种气固系统所形成的流态化称为聚式流态化。根据流体通过固体颗粒床层的流速大小，床层可表现为固定床层、流化床层和气体输送等阶段。在各个阶段，流体的流速与床层压降关系具有不同的规律。1 流体通过固定床层的压降与流体流速的关系关于流体通过固体床层的压降与流速之间的关系，一般使用欧根半经验公式进行计算(1 - e )2mu(1 - e ) ru 2DpL= K1+ K 2(5-1

46、)e 3(j de 3j d)2s ps p式中 p床层压降，Pa；d p 颗粒平均直径，m；床层空隙率；L床层高度，m；流体粘度，Pas；u以床层横截面为基准的流体速度，m/s； 测定温度体的密度，kgm-3；s球形度；公式（5-1）中，右边第一项为粘性阻力，第二项为空隙收缩放大而导致的局部阻力。欧根采用的系数 K1 =150， K 2 =1.75。2 临界流化速度的确定为保持稳定的流化床操作，需要将流体流速控制在一定的范围内。其起始流化速度为临界流化速度；流化床消失的速度为带出速度。稳定流态化操作的流体流速应控制在临界流化速度和带出速度之间。这两个速度对流化设备的设计和操作都是的。临界流化

47、速度可由公式计算出，为数众多的计算颗粒初始流态化速度的公式大体上分为三类:第一类以 Ergun 公式为基础，引入经验系数加以修正；第二类以某种流体力学关系为基础；第三类属于纯经验公式。然而，液固流态化颗粒特性计算公式很多，计算结果差别很大，例如，据全统计，有关资料上介绍适用于球形颗粒初始流态化速度 umf 的经验公式超过 30 种。 在众多的计算公式中，Ergun 型的计算式适用的较宽， 精度较高。当颗粒雷诺数Re p 5 时，可用李伐公式计算：d1.82r (r- r )0.94u= 0.00923ps（5-2）mf m 0.88r式中 d p 颗粒平均直径，m； 流体粘度，Pas。(a)(

48、b)图 5-1流化床的 L、P 随流化床表观速度 u 的变化关系临界流化速度 umf 也可以通过实验测得。临界流化速度与颗粒的性质及流体的性质有关。由实验做出p/L-u 图，由曲线的斜率计算出临界流化速度。由图 5-1（b）可以看出，在固定床阶段压降与流体流速的关系为DpL= Ku（5-3）又流化床层的压降式可以写成Dp = (1- e )(r - r )g（5-4）sL联立上两式，可得= (1- e )(rs - r )g Kumf （5-5）测得流体速度 u 与压降的数据，标出流化曲线，求出直线的斜率 K，进而求出临界流化速度。比较图中的临界流化速度与计算出的流化速度。带出速度只测气固流化

49、床，并采用旋风分离器对固体颗粒进行分离，使固体粒循环使用。为了防止固体颗粒的损失而影响实验的进行，所以不作液固流态化相关的实验。三、实验装置及流程如图 5-2 所示，实验装置主要由散式（液-固系统）流化部分和聚式（气-固系统）流化部分组成。两个部分各有一个透明二维床。床底部的分布板是不锈钢多孔板，床层内的固体颗粒为砂粒。图 5-2 固体流态化实验装置流程图1-泵；2、8、9-转子流量计；3、10-温度计；4、11-分布板；5、12-床层；6、13-U 型管压差计；7-风机；14-旋风分离器；15-灰斗对气-固系统，空气由风机供给，经过流量调节阀、转子流量计进入分布板。空气流经二维床中固体床层后从旋风分离器顶部排出，而颗粒落入灰斗中。通过调节空气流量，可以进行不同的测定实验。设备中装有压差计指示床层压降，标尺用于测量床层高度。状态下对液-固系统，用泵输送的水经调节阀、转子流量计送至分布板，经二维床层后从床层上部溢流至下水槽。颗粒特性及设备参数列于表 5-1 中。表 5 -1 装置的颗粒特性及设备参数表四、实验步骤及注意事项1、实验步骤在熟悉实验设备、流程、各控制开关、阀门的基础上按以下步骤进行实验： 散式流态化（液-固系统）1） 检查阀应处于全关状态；2） 启动泵（按下绿色按钮，启动前应搬动泵轴使其转动灵活）；3） 缓缓打开阀，流量计浮子升起，使流化床内充满水至上部溢流槽，检查 U