化学工程基础试验指导书

本文格式为Word版，下载可任意编辑——化学工程基础试验指导书化学与生物农学系

《化学工程基础》

试验指导书

陈红亮编写

适用专业：化学

安顺学院二OO九年八月

前言

化工基础试验作为理科化工基础课程教学的重要组成部分，属于工程试验的范畴，面对的是繁杂的工程问题，涉及诸多变量和大小各异的设备与流程，是一门工程技术试验课程。开设化工基础试验课程，可以对学生进行工程技术的基本技能，研究工程问题的思维方法及创新能力等综合素质训练，加深学生对化学工程基本原理和基本概念的理解，提高他们分析实际问题的能力，为学生今后在实际工作中设计新试验和从事科学研究与开发工作打下良好的基础。

学习化工试验的研究方法，使学生在科学试验方法和试验技能等方面得到系统的训练；理论联系实际，培养和提高学生在实践中综合应用所学的知识去发现问题、分析问题和解决问题的能力，以及创新意识和创新能力；培养科学的思维方法、科学态度和科学作风；加深对化工操作过程原理的理解，加强工程观点，了解典型化工设备的结构、性能和操作方法；把握化工试验的基本方法和测量技术；学习试验数据处理的基本方法；正确书写试验报告，把握正确表达试验结果的方法。

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目录

试验一、流体滚动型态及临界雷诺数的测定?????????????????????????????????????????????????1试验二、伯努利方程试验?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????5试验三、管道流体阻力试验???????????????????????????????????????????????????????????????????????????9试验四、套管换热器液－液热交换系数及膜系数的确定???????????????????????????????14试验五、填料塔液侧传质膜系数的测定????????????????????????????????????????????????????????21试验六填料塔连续精馏试验??????????????????????????????????????????????????????????????????????28

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试验一、流体滚动型态及临界雷诺数的测定

试验学时：3试验类型：验证试验要求：必修一、试验目的

研究流体滚动的型态，对于化学工程的理论和工程实践都具有决定性的意义。1883年雷诺（Reynolds）首先在试验装置中观测到实际流体的滚动存在两种不同型态——层流和湍流，以及两种不同型态的转变过程。

本试验的目的，是通过雷诺试验装置，观测流体滚动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的临界雷诺数。二、试验内容

1、观测流体在管内滚动的两种不同形态，层流和湍流；2、确定临界雷诺数（Re=dρu/μ）。三、试验原理、方法和手段

经大量研究者试验证明：流体滚动存在两种截然不同的型态，主要决定因素为流体的

密度和粘度、流体滚动的速度，以及设备的几何尺寸（在圆形导管中为导管直径）。

将这些因素整理归纳为一个无因次数群，称该无因次数群为雷诺准数（或雷诺数），即

Re?d?u?1??

式中d一导管直径，m

ρ一流体密度，kg·m-3；μ一流体粘度，Pa·s；u一流体流速，m·s-1；

大量试验测得：当雷诺准数小于某一下临界值时，流体滚动型态恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流。在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域。对于圆形导管，下临界雷诺数为2000，上临界雷诺数为

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10000。一般状况下，上临界雷诺数为4000时，即可形成湍流。

应当指出，层流与湍流之间并非是突然的转变，而是两者之间相隔一个不稳定过渡区域，因此，临界雷诺数测定值和流型的转变，在一定程度上受一些不稳定的其他因素的影响。四、试验组织运行要求

根据本试验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的开放模式组织教学〞。五、试验条件

仪器：雷诺试验仪、量筒（2000ml）。试剂：蒸馏水（或软水）、红墨水。六、试验步骤

雷诺试验装置主要由稳压溢流水槽、试验导管和转子流量计等部分组成，如下图所示。自来水不断注人并充满稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经试验导管和流量计，最终排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。水流量由调理阀调理。

雷诺试验装置

1.示踪剂瓶；2.稳压溢流水槽；3．试验导管；4．转子流量计；V01．示踪剂调理阀；V02．上

水调理阀；V03．水流量调理阀；V04，V05-泄水阀；V06一放风阀。

（一）试验前准备工作：

1、试验前，先用自来水充满稳压溢流水槽．将适量示踪剂（红墨水）参与贮瓶内备用，并排尽贮瓶与针头之间管路内的空气。

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2、试验前，先对转子流量计进行标定，作好流量标定曲线。3、用温度计测定水温。（二）试验操作步骤：

1、开启自来水阀门，保持稳压溢流水槽有一定的溢流量，以保证试验时具有稳定的压头。

2、用放风阀放去流量计内的空气，再少许开启转子流量计后的调理阀，将流量调至最小值，以便观测稳定的层流流型，再精细地调理示踪剂管路阀，使示踪剂（红墨水）的注水流速与试验导管内主体流体的流速相近，一般略低于主体流体的流选为宜。精心调理至能观测到一条平直的红色细流为止。

3、缓慢地逐渐增大调理阀的开度，使水通过试验导管的流速平稳地增大．直至试验导管内直线滚动的红色细流开始发生波动时，记录下来水的流量和温度，以供计算下临界雷诺数据．

4、继续缓慢地增加调理阀开度，使水流量平稳地增加。这时，导管内的流体的流型逐步由层流向湍流过渡。当流量增大到某一数据值后，示踪剂（红墨水）一进入试验导管，马上被分散呈烟雾状，这时标明流体的流型已进入湍流区域．记录下来水的流量和温度数据，以供计算上临界雷诺数。

这样试验操作需反复进行数次（至少5－6次），以便取得较为确凿的试验数据。

（三）试验操作本卷须知。

1、本试验示踪剂采用红墨水．它由红墨水贮瓶，经连接软管和注射针头，注入试验导管。应注意适当调理注射针头的位置。使针头位于管轴线上为佳。红墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调理红墨水注射流量，才能得到较好的试验效果。

2、在试验过程中，应随时注意稳压水槽的溢流水量，随着操作流量的变化，相应调理自来水给水量，防止稳压槽内液面下降或泛滥事故的发生。

3、在整个试验过程中，切勿碰撞设备，操作时也要便捷缓慢，以免干扰流体滚动过程的稳定性。试验过程有一定滞后现象，因此，调理流量过程切勿操之过急，状态确实稳定之后，再继续调理或记录数据。

（四）试验结果整理（1）试验设备基本参数

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试验导管内径d=mm（2）试验数据记录及整理实流量Vs温度T验m3·s-1℃序[1][2]号七、思考题

1、什么是雷诺数？有何意义？2、速度分布曲线是什么型状？3、最大流速和平均流速的关系？

粘度μPa·s[3]密度ρkg·m-3[4]流速m·s-1[5]临界雷诺数Re[6]试验现象及流型

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试验二、伯努利方程试验

试验学时：3试验类型：验证试验要求：必修一、试验目的

当流体在导管内作定态滚动时，导管各截面之间的各种形式机械能相互转化，这种变化的变化规律，可由机械能衡算基本方程来表达。本试验通过测定滚动流体不同截面上的各种压头，弄清它们之间能量的相互转化关系，加深对伯努利方程、连续性方程的理解与认识。二、试验内容

1、理解滚动流体中各种能量和压头的概念及其相互转换关系，在此基础上得出的柏努利方程：

22u1p1u2p2Z1???Z2???Hf2g?g2g?g

2、水在异径管内滚动，测定不同流速下，不同截面处的静压能、动能与阻力损失,了解测速管的结构和冲压头的测试方法。三、试验原理、方法和手段

对于不可压缩流体，在导管内作定常滚动，系统与环境又无功的交换时，若以单位质量流体为衡算基准，则对确定的系统即可列出机械能衡算方程：

22u1p1u2p2gZ1???gZ2????hf(1)2?2?

若以单位重量流体为衡算基准时，则又可表达为

22u1p1u2pZ1???Z2??2?Hf(2)2g?g2g?g

不可压缩流体的机械能衡算方程，应用于各种具体状况下的作适当的简化，例如：

1、当流体为理想液体时，于是式(1)和(2)可简化为

u2pu2p

112gZ1???gZ2??2(3)2?2?

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2u12p1u2pZ1???Z2??2(4)2g?g2g?g2、当液体流经的系统为一水平装置的管道时，则(1)和(2)式又可简化为

22u1?p1?u2?p2??(5)hf2?2?

2u12p1u2p2Z???Z????hf(6)122g?g2g?g3、当流体处于静止状态时，则(1)和(2)式又可简化为

gZ?p/?gZ?p/??(7)1122

Z1?p1/?g?Z2?p2/?g(8)

四、试验组织运行要求

根据本试验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的开放模式组织教学〞。五、试验条件

仪器：伯努利方程试验仪、量筒（2000ml）。试剂：蒸馏水（或软水）、红墨水。六、试验步骤

雷诺试验装置

1．稳压水槽；2.试验导管；3.出口调理阀；4.静压头测量管；5．冲压头测量管

试验前，先缓慢开启进水阀，将水充满稳压溢流水槽，并保持有适量流水流出，使槽内液面平稳不变，最终，设法排尽设备内的气泡。

1、关闭试验导管出口调理阀，观测和测量液体处于静止状态下个测试点（a、

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b和c三点）的压强。

2、开启试验导管出口调理阀，观测比较液体在滚动状况下测试点的压头变化。

3、缓慢开启试验导管的出口条件阀，测量流体在不同流量下的各测试点的静压头、动压头和损失压头。

试验过程中必需注意如下几点：

1、试验前一定要将试验导管和测压管中的空气泡排除清白，否则会影响确凿性。

2、开启进水阀或调理阀时，一定要缓慢，并随时注意设备内的变化。3、试验过程中需根据测压管量程范围，确定最小和最大流量。

4、为观测测压管的液柱高度，可在临试验测定前，向各测压管滴入几滴红墨水。

试验记录

1、测量并记录试验基本参数

试验导管内径：dA=mm；dB=mm；dC=mm;试验系统的总压头：h=mmH2O2、非滚动体系的机械能分布及其转换验证流体静力学方程：水温密度各测试点的静压头pB/ρgΤ/℃各测试点的静压强ρ/kgm-3pA/ρgpB/ρgΤ/℃ρ/kgm-3pA/ρg3、滚动体系的机械能分布及其转换

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试验序号温度，Τ/℃密度，ρ/kgm-3静压头PA/?g,mmH2OPB/?g,mmH2OPC/?g,mmH2OpA,Pa压强pB,PapC,Pau2A/2g,mmH2O动压头u2B/2g,mmH2O2uC/2g,mmH2O验证滚动流体的机械能恒算方程：六、思考题

1、为什么试验前一定要将试验导管和测压管中的空气泡排除清白？2、当流体在导管内作定态滚动各种形式能量的转化关系？

UA，m·s-1流速UB，m·s-1UC，m·s-1损失压头Hf(1-A)，mmH2OHf(1-B)，mmH2OHf(1-C)，mmH2O

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试验三、管道流体阻力试验

试验学时：3试验类型：验证试验要求：必修一、试验目的

本试验以水为流体，测定流体流过直管时的摩擦阻力，并确定摩擦系数与雷诺准数之间的关系。通过试验，不仅可学习流体流量的测定方法，流体阻力的测定方法，而且学习了流量计的使用和校验方法，还有助于稳定所学理论知识。二、试验内容

1、识别组成管路的各种管件，并了解其作用；

2、熟悉测定流体流经直管和管件时能量损失的试验组织方法；3、测定直管的摩擦阻力系数λ及突然扩大管的局部阻力系数ξ；4、测定流体流过直管的λ和Re的关系。三、试验原理、方法和手段

直管阻力摩擦系数λ的测定

流体在水平等径直管中稳定滚动时，阻力损失为：

hf??pf?p1?p2lu2??d2

??2d?pf??则直管阻力摩擦系数可写成：

Re??lu2

du?雷诺准数Re的定义是：

?

层流时：

??64Re

湍流时：λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数。完全湍流时：λ只是相对粗糙度（ε/d）的函数。上式中

d：直管内径，m；

?pf：流体在l米直管内滚动时由于滚动阻力而产生的压降，Pa；

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hf：单位质量流体流经l米直管时产生的滚动阻力，J/kg；

ρ：流体密度，kg/m3；l：直管长度，m；

u：流体在管内滚动的平均流速，m/s；μ：流体粘度，Pa·s。

其中l、d为装置参数，ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。本装置采用涡轮番量计测流量V（m3/h），则

u?V900?d2

Δpf采用倒置U型管液柱压差计和差压变送器测量。

局部阻力系数?的测定

根据阻力系数法，流体通过某一管件或阀门时的机械能损失可表示为流体在管内滚动时平均动能的某一倍数，即：

u2h?f????2??故式中

?p?f2?p?f?u2

?：局部阻力系数，无因次；

?p?f：局部阻力引起的压降，Pa（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口

间直管段的压降后才是闸阀局部阻力引起的压降，直管段的压降由直管阻力试验结果求取）。

四、试验组织运行要求

根据本试验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的开放模式组织教学〞。五、试验条件

仪器：管路流体阻力试验仪、量筒（2000ml）；试剂：蒸馏水（或软水）、红墨水。六、试验步骤

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本试验装置选择几种较为典型的管子、管件、阀门和流量计组合而成一条管路系统；动力工作系统由泵、阀门和高位水槽控制运行；测量系统由旋塞、胶管、倒置U形管水柱压差计和U形管汞柱压差计组成。

管路流体阻力试验装置

1、低位贮水槽；2、循环水泵；3、光滑试验管；4、粗糙试验管5、扩大与缩小试验管；6、孔板流量计；7、旋塞；8、U形汞柱压差计；9、转换阀组；10、倒置U形汞柱压

差计；11、高位稳压水槽；V-1、泵出口阀；V-2、V-3玻璃旋塞

（一）试验前准备工作

1、先将水灌满循环水槽，关闭试验导管入口调理阀，再启动水泵，待泵运转正常后，先将试验导管中旋塞阀全部开启，关闭转换阀组的全部旋塞，然后缓慢开启试验导管的入口调理阀，当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽有溢流水排出时，关闭调理阀，停泵。

2、开启离心泵，进行管路系统的排气，进行压差计测压装置U形管压差计或倒U形管压差计的排气。

3、调理倒置U形管压差计的水柱高度，让压差计高度居于中间，为了便于观测，可在压差计顶部放空处滴几滴红墨水。

4、在高位排气水槽放一温度计，测量水温。5、试验前对孔板流量计标定。（二）试验测定

1、先检查试验导管旋塞是否置于全开，其余测试旋塞和试验系统入口调理阀是否全部关闭，检查完启动循环水泵。

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2、泵运转正常时，缓慢开启调理阀调理流量，流量大小有孔板流量计显示。3、待流量稳定以后，将转换阀组中与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置，这是测压口与倒置U型管相连，可记录压强降。当改换测试部位时，只需将转换阀组有一组旋塞转换为另一组旋塞。

4、改变流量，重复上述操作，测得各试验导管中不同流速下的压强降。5、每测一组流量与压强降数据，同时记录水温。（三）试验本卷须知

1、试验前将系统内存留的气泡排除清白，否则达不到预期效果。2、试验装置不用时，特别冬季，将管路系统和水槽内水排放清白。

（四）试验记录

1、试验基本参数

试验导管内径：d=mm;试验导管测试段长度：L=mm；粗糙管的粗糙度：ε=mm;管的粗糙度：ε/d=;孔板流量计的孔径：d0=mm；旋塞的孔径dv=mm。

2、流量标定曲线3、试验数据试验序号孔板流量计压差计读数R/mmHg水的流量Vs/m3s-1水的温度T/℃水的密度ρ/kg·m-1水的粘度μ/Pa·s光滑管压头损失Hf1/mmH2O粗糙管压头损失Hf2/mmH2O旋塞压头损失（全开）Hf1ˊmmH2O孔板流量计压头损失Hˊˊf1mmH2O4、数据整理试验序号水的流速u/ms-1

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雷诺准数Re/—光滑管摩擦系数λ1/—粗糙管摩擦系数λ2/—孔板流量计局部阻力系数ξˊˊ1/—ˊ旋塞的局部阻力系数（全开）ξ5、绘制Re—λ试验曲线七、思考题

1/—1、在压差计两管之间装一阀门的作用什么？

2、怎样排出管路系统内的气体，如何检测系统中的气体是否排净？3、不同管径不同水温下测得的Re—λ数据能否关联在同一条曲线上？

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试验四、套管换热器液－液热交换系数及膜系数的确定

试验学时：3试验类型：验证试验要求：必修一、试验目的

本试验利用套管换热器试验装置，测定液-液热交换中总传热系数，以及流体在圆管内作强制湍流时的传热膜系数。通过试验，对这种传热过程的试验研究方法有所了解，并加深对流体传热基本原理的理解。二、试验内容

1、测定套管换热器的传热总系数K；

2、测定流体在圆管内作强制湍流时的传热膜系数a。三、试验原理、方法和手段

冷热流体通过固体壁所进行的热交换过程，先由热流体把热量传递给固体壁面，然后由固体壁面的一侧传向另一侧，最终再由壁面把热量传给冷热流体。热交换过程即给热导热给热三个串联过程组成。

若热流体在套管换热器的管内流过，而冷流体在管外流过，设备两端测试点上的温度如下图所示。则在单位时间内热流体向冷流体传递的热量，可由热流体的热量衡算方程表示：

Q?msCP(T1?T2)（1）

就整个热交换而言，有传热速率基本方程经过数学处理，得计算式

Q?KA?Tm（2）

?T1?(T1?T1')?T2?(T2?T)'2（3）

套管热交换器两端测试点的温度

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平均温度差可按下式计算：

?T1?T1??T2?2,ΔTm??T2ln(?T1/?T2)?T1?T??T2?2,ΔTm?1?T22（4）

由（1）和（2）联立，可得传热总系数计算式：K?msCP(T1?T2)（5）

A?Tm就固体壁面两侧的给热过程来说，给热速率基本方程为：

Q??1AW(T?TW)''Q??2AW(TW?T')（6）

根据热交换两端的边界条件，经数学推导，可得管内给热过程的速率计算式：

'（7）Q??1AW?TW

热流体与管内面之间的平均温度差可按下式计算：

T1?TW1(T?T)?(T2?TW2)'?2,ΔTm?1W1T2?TW2ln(T1?TW1)/(T2?TW2)T1?TW1(T?T)?(T2?TW2)'?2,ΔTm?1W1T2?TW22由（1）和（7）联立可得管内传热膜系数的计算式：

?1?（8）

msCP(T1?T2)（9）'AW1?Tm同理可得到管外给热过程的传热膜系数的公式。

流体在圆形直管内作强制对流时，传热膜系数α与各项影响因素（管内径、流速、流体密度、流体黏度、定亚比热容和流体导热系数）之间的关系可关联成如下准数式：

Nu?aRemPrn;Nu?ad/?;Re?du?/?;Pr?Cp?/?

上式中系数a和指数m、n的具体数值需要通过试验来测定，则传热膜系数可由上式计算。

例如：当流体在圆形直管内作强制湍流时，

Re?10000,Pr?0.7~160,1/d?50

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则流体被冷却时，a值可按下式计算：

?du?0.8CP?0.30.8Nu?0.023RePr0.3;a?0.023()()

d??流体被加热时，a值可按下式计算：

?du?0.8CP?0.40.8Nu?0.023RePr0.4;a?0.023()()

d??当流体在套管环隙内作强制湍流时，上列各式中d用当量直径de替代即可。各项物性常数均取流体进出口平均温度下的数值。四、试验组织运行要求

根据本试验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的开放模式组织教学〞。五、试验条件

仪器：套管换热器液-液热交换试验仪、量筒（2000ml）；试剂：蒸馏水（或软水）、冰块。六、试验步骤

套管换热器液-液热交换试验仪试验装置及其流程

套管换热器液-液热交换试验仪

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1、恒温水槽；2、搅拌桨；3、循环水泵；4、转子流量计；5、冷水阀门；6、高位稳

压水槽；7、冷阱

（一）试验前准备工作

1、向恒温循环水槽中灌入蒸馏水或软水，直至溢流管有水溢出为止。2、开启并调理通往高位稳压水槽的自来水阀门，使槽内充满水，并由溢流管有水流出。

3、将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水，使之成粥状。将热电偶冷接触点插入冰水中，盖严盖子。

4、将恒温水槽的温度定为55℃，启动恒温水槽的电热器，等温度到达后即可开始试验。

5、试验前需要准备好热水转子流量计的流量标定曲线和热电偶分度表。（二）试验操作步骤

1、开启冷水阀门，测定冷水流量，试验过程中保持恒定。

2、启动循环水泵，开启并调理热水阀门使流量在60~250L·h-1范围内选取若干流量值（一般不少于5组数据）进行试验测定。

3、每调理一次热水流量，待流量和温度都恒定后再通过开关依次测定各点温度。

（三）试验本卷须知

1、开始试验时，必需先向换热器通冷水，然后再启动热水泵。中止试验时，必需先停热电器，待热交换器管内存留热水被冷却后，再停水泵并中止通冷水。

2、启动恒温水槽的电热器之前，必需先启动循环泵使水滚动。

3、在启动循环泵之前，必需先将热水调理阀门关闭，待泵运行正常后，再徐徐开启调理阀。

4、每改变一次热水流量，一定要等传热过程稳定之后，才能测数据。每测一组数据最好多重复几次。当流量和各点温度数值恒定后，说明过程已达稳定状态。

（四）试验记录

1、记录试验设备基本参数(1)内管基本参数：

外径：d=mm；壁厚：δ=mm；

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测试段长：L=mm(2)套管基本参数：外径：d’=mm；壁厚：δ’=mm；(3)流体流通的横截面积内管横截面积：S=mm环隙横截面积：S’=mm(4)热交换面积：

内管内壁表面积：AW=内管外壁表面积：AW’=平均热交换面积：A=2、试验数据记录序号冷水流量ms’kg·s-1热水流量mskg·s-1温度测试截面ⅠT1TW1T1’℃℃℃测试截面ⅡT2TW2T2’℃℃℃备注3、试验数据整理

(1)总传热系数序号管内流速um·s-1液体间温度差ΔT1ΔT2ΔTmKKK传热速率总传热系数QWKW·m-2·K-1备注-18-

(2)传热膜系数序号管内流速流体与壁面温差uT1-TW1T2-TW2ΔT’mm·s-1KKK传热速率传热膜系数QaW·m-2·K-1W·m-2·K-1备注(3)传热膜系数的关联式

雷努赛管内流体流体流体流体导热管内传热膜系诺尔准系数流速数准序平均温度密度黏度数数号(T1+T2)/2ρμλuaReNuKkg·m-3Pa·sW·m-1·K-1m·s-1W·m-1·K-1——普兰特准数Pr—然后，按如下方法和步骤估计参数：水平管内传热膜系数的准数关联式：

Nu?aRemPrn

在试验测定温度范围内，Pr数值变化不大，可取其平均值并将Prn视为定值与a项合并。

Nu?ARem

上式两边取对数：

lgNu?mlgRe?lgA

因此，可将Nu和Re试验数据，直接在双对数坐标纸上进行标绘，由试验曲线的斜率和截距估计参数A和m，或者用最小二乘法进行线性回归，估计参数

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A和m。

取Pr为定值，且n=0.3，由A计算得到a值，列出：A=m=a=七、思考题

1、要提高试验数据的确凿度，在试验操作中要注意哪些问题，为什么？2、对于同一个换热器，若冷、热流体的流量均不变，将逆流操作改为并流操作，总传热系数K是否会发生变化，为什么？

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试验五、填料塔液侧传质膜系数的测定

试验学时：3试验类型：验证试验要求：必修一、试验目的

了解填料吸收塔的结构和流程；了解吸收剂进口条件的变化对吸收操作结果的影响；把握吸收总传质系数的测定方法。二、试验内容

1、测定组分吸收率和气相平均推动力。

2、采用水吸收二氧化碳，空气解吸水中二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数和总传质系数。三、试验原理、方法和手段

根据双膜模型的基本假设，气相侧和液相侧的吸收质A的传质速率方程可分别表达为

气膜GA?kgA(pA?pAi)（1）液膜GA?klA(CAi?CA)（2）式中：

GA—A组分的传质速率，kmoI?s?1；A—两相接触面积，m2；

PA—气侧A组分的平均分压，Pa；PAi—相界面上A组分的平均分压，Pa；

CA—液侧A组分的平均浓度，kmol?m?3CAi—相界面上A组分的浓度kmol?m?3

?2?1?1kg—以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmol?m?s?Pa;

kl—以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，m?s。

?1-21-

双膜模型的浓度分布图填料塔的物料衡算图

以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为

GA?KGA(pA?p?A)（3）

?GA?KLA(CA?CA)（4）

式中：

p?A—液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；

??3CA—气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmol?m；

KG—以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为气相传质总系数，

kmol?m?2?s?1?Pa?1；

?1KL—以气相分压表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，m?s。

若气液相平衡关系遵循享利定律：CA?HpA，则

111??KGkgHKl（5）

1H1??KLkgkl（6）

当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程式受气膜传质速率控制，此

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时，KG=kg；

反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制，此时，KL=kl。

如上图，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A的物料衡算可得：

dGA?FL?LdCA（a）

?1式中：FL—液相摩尔流率，kmol?s；

ρL—液相摩尔密度，kmol?m。

根据传质速率基本方程式，可写出该微分段的传质速率微分方程：

?dGA?KL(CA?CA)aSdh（b）

?3联立上两式可得：

dh?FLdC??AKLaS?LCA?CA（c）

式中：a—气液两相接触的比表面积，m2·m-1；

S—填料塔的横载面积，m2。

本试验采用水吸收二氧化碳，已知二氧化碳在常温常压下溶解度较小，因此，液相摩尔流率FL和摩尔密度ρL的比值，亦即液相体积流率（Vs）L可视为定值，且设总传质系数KL和两相接触比表面积a，在整个填料层内为一定值，则按以下边值条件积分式（6-1-13c），可得填料层高度的计算公式：

h=0，CA?CA.2h=h，CA?CA1

CA1VsLdCAh????KLaSCA2CA?CA（7）

令

HL?CA1VsLKLaS，且称HL为液相传质单元高度（HTU）；

NL??dCACA2C??CAA，且称NL为液相传质单元数（NTU）。

因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即

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h=HL×NL（8）若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则式（7）为可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可采用以下平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度：

h?VsLCA1?CA2?KLaS?CAm（9）

hh?HL(CA1?CA2)/?CAm（10）

NL?式中?CA.m为液相平均推动力，即

?CAm???CA1??CA2(CA2?CA2)?(CA1?CA1)????CA.2CA?CA2Inln?2?CA1CA1?CA1（11）

由于本试验采用纯水吸收二氧化碳，则

???CA1?CA2?CA?HpA（12）

二氧化碳的溶解度常数，

H??wMw?1Ekoml?m?3?Pa?1（13）

?3式中：ρw—水的密度，kg?m;

?1Mw—水的摩尔质量，kg?kmol；

E—二氧化碳在水中的享利系数，Pa。因此，式（10）可简化为

?CAm?CA1?CAln?CA?CA1（14）

因本试验采用的物系不仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计，在此状况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，亦即

kla?KLa?VsLCA1?CA2?hS?CAm（15）

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四、试验组织运行要求

根据本试验的特点、要求和具体条件，采用“以学生自主训练为主的开放模式组织教学〞。五、试验条件

仪器：填料塔液侧传质膜系数测定试验仪、量筒（2000ml）；试剂：蒸馏水（或软水）、二氧化碳。六、试验步骤

本试验装置由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、水槽、水泵、空气压缩机和各种测量仪表组成，其流程如下图

二氧化碳吸收-解吸试验装置

1、CO2钢瓶；2、减压阀；3、CO2流量计；4、18、空气流量计；5、水流量计；6、水泵；7、吸收塔液封；8、液位计；9、填料吸收塔；10、阀门；11、吸收塔压差计；12、解吸塔压差计；13、水槽；14、解吸塔液封；15、填料解吸塔；16、空气压缩机；17、水流

量计；19、温度显示仪表

试验前，往水槽中参与蒸馏水，检查各流量计调理阀，以及二氧化化碳的减压阀是否均已关严。

(一)试验操作可按下步骤进行：

1、缓慢开启进水调理阀，水流量可在10—50L·h-1范围内选取。一般在此范围内选取5-6个数据点。调理流量时一定要注意保持高位稳压水槽有适量溢流水

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流出，以保证水压稳定。

2、缓慢开启进气调理阀。二氧化碳流量一般控制在0.1m3·h-1左右。3、当操作稳定时，测量塔顶和塔底的水温柔气温，同时测量塔底溶液中的CO2含量。

溶液中二氧化碳含量的测定方法

用吸量管吸取0.1M的Ba（OH）2溶液10mL，放入三角瓶中，并从塔底附设的取样口处接收塔底溶液20mL，用胶塞塞好，并振荡。用离心机除去瓶中碳酸钡白色沉淀，清液中参与2-3滴甲基橙指示剂，最终用0.1M的盐酸滴定到终点。直到其脱除红色的瞬时为止，由空白试验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度：

CCO2?（二）试验记录

1、记录试验设备基本参数(1)填料柱：

2CBa(OH)2VBa(OH)2?CHClVHCl2V溶液?1mo?lL

柱体内径d=mm；填料层高度h=mm大气压Pa=MPa；室温Ta=℃；

试剂：Ba（OH）2溶液浓度CBa=；用量VBa=；

盐酸浓度CHcl=测定并记录数据试验序号气相塔底气温Tg·1/℃塔顶气温Tg·2/℃塔底压强P/mmH2O3-1CO2流量Vs·g/mh液相塔底液温TL·1/℃塔顶水温TL·1/℃-1水的流量Vs·L/h塔底采样量V/ml-26-

盐酸滴定量VHcl/ml整理试验数据试验序号气相平均温度Tg/℃CO2密度ρg/kg.m-3空塔速度u0/m.s-1液相平均温度TL/℃液体密度ρL/kg.m-3液体粘度μL/Pa.sCO2扩散系数Dl/m2.s-13-1体积流率Vs·l/ms喷淋密度W/m3.m-2.h-1质量流速L/kg.m-3.m-2.s-1-3塔顶浓度CA·1/kmol.m塔底浓度CA/kmol.m-3传质速率GA/kmol.s-3平均推动力ΔCA·m/kmol.m-1-1液相体积传质总系数KL·a/s-1液侧体积传质膜系数Kl·a/s根据试验结果，在双对数坐标上标绘液侧体积传质膜系数与喷淋密度的关系曲线七、思考题

1、哪些操作条件会影响本试验系统的稳定性？如何判定系统稳定与否？2、本试验中其他条件不变而空气流量适当增加时，出塔气、液组成会如何变化？

3、本试验中其他条件不变而水流量适当增加时，出塔气、液组成会如何变化？

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试验六填料塔连续精馏试验

试验学时：3试验类型：验证试验要求：必修一、试验目的

本试验采用正庚烷—甲基环己烷理想二元混合液或乙醇—正丙醇二元混合液作为试验物系，在不同的回流比下测定连续精馏塔的等板高度（当量高度），通过试验观测连续精馏的状况，把握试验室连续缜密分馏的操作技术和试验研究方法。二、试验内容

1、熟悉精馏的工艺流程；2、了解填料精馏塔的结构；3、把握精馏塔的操作方法与调理；

4、把握二元混合液的精馏试验方法，加强对连续精馏原理的理解。三、试验原理、方法和手段

1、对于精馏塔，假使每层塔板上的液体与离开该板的上升蒸汽处于平衡状态，则该塔板称理论塔。

实际操作中，由于接触时间的限制以及其它因素的影响，不能达到平衡状态，即实际塔板的分开达不到理论板的理想分开效果。因此所需实际塔板数总比理论板数要多。

2、对于二元物系，倘已知汽、液平衡数据，则根据塔顶馏出液的组成XD，原料液的组成Xf,塔釜残液的组成Xw及操作回流比R和进料状态参数q，就可用图解法求得理论塔板数。

理论塔板数与实际塔板数之比定义为全塔效率：

ET?NTNp式中:ET——全塔效率。NT——理论塔板数。NP——实际塔板数。

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塔的单板效率（塔板数自下而上数），对于汽相为：

对于液相为：

式中：

Env—以汽相浓度表示的单板效率；yn—离开n板的汽相组成，[摩尔分率]；yn-1—进入n板的汽相组成，[摩尔分率]；yn*—与xn成平衡的汽相组成，[摩尔分率]；Enl—以液相组成表示的单板效率；Xn+1—进入n板的液相组成，[摩尔分率]；xn—离开n板的液相组成，[摩尔分率]；xn*—与yn成平衡的液相组成，[摩尔分率]。

3、在任一回流比和一定的操作气速下，表征填料精馏塔分开能力是以每米填料高度所具有的理论塔板数或等板高度（一块理论塔板相当的填料高度）作主要指标。

4、填料塔理论塔板数NT其精馏段可以按精馏段的操作线方程和平衡线方程逐板计算；提馏段可以按提馏段的操作线方程和平衡线方程逐板计算；

5、全回流下理论塔板数NT0用芬斯克公式计算；相对挥发度采用塔顶、塔釜的几何平均值计算；全回流时的等板高度为：he0=h/