化工原理实验

化工原理实验指导书安徽理工大学化工基础教研室编2目录绪论第一章演示实验部分实验一、机械能转化演示实验实验二、板式塔流体力学演示实验第二章实验部分实验一、流体流动阻力的测定实验二、流量计的流量校正实验三、离心泵特性曲线的测定实验四、过滤常数测定实验实验五、空气－蒸汽给热系数测定实验六、填料吸收塔的操作和吸收传质系数aKX的测定实验七、精馏塔的操作与塔板效率的测定实验八、液—液萃取塔的操作实验九、洞道干燥速度曲线的测定3前言本指导书是在2001年化工基础教研室编写的《化工原理实验指导书》的基础上修订而成的。主要介绍两个演示实验和流体力学、流量计校正、传热、吸收、精馏、萃取、干燥等十个基本单元操作的实验原理和操作方法。绪论部分由马建华同志编写；第一章演示实验部分由陶昭才同志编写；第二章实验部分实验一、五、七由耿云华同志编写。实验三由张学才同志编写。实验六由宋晓敏同志编写。实验二、四、八由陶昭才同志编写；全书由陶昭才同志统一整理校对。由于时间仓促，加之编者水平有限，错误之处在所难免，敬请批评指正。编者2007.44绪论理工科学生在大学学习期间，除了进行系统的理论知识学习外，还必须得到必要的训练，以便培养运用所学的基础知识，对所遇到的科技问题独立地进行进一步研究的能力。实验能力就是这种独立工作能力的一个重要方面。一、实验研究在化学工程发展中的重要作用化学工程在其发展过程中形成了两种基本的研究方法：实验研究法与教学模型法。实验研究法主要通过实验来直接测定各变量之间的关系，以表格图线或经验公式的形式表示出来。教学模型法是首先对复杂的实际问题进行具体分析，忽略部分影响不大的因素，对问题进行合理简化，得到一个接近实际的物理模型。然后对此模型进行理论分析，得到以方程（多为微分方程）表示的数学模型，最终求解方程。由于化工过程的复杂性，数学模型法的难度很大，至今仍未能广泛使用。即使是数学模型法也离不开实验。没有一定的实验数据便无法确定影响过程的主要因素。不利用实验确定修正系数，便无法消除由简化而带来的误差。因此，在今后相当长的时间内，实验在化学工程的发展中仍将起着十分重要的作用。二、化工原理实验的任务与基本要求化工原理实验是化工原理课程必不可少的一个教学环节，它的主要任务是：（1）应用化工原理知识来指导实验和讨论问题，加深对化工单元操作的理解，培养和提高在实践中运用理论知识发现问题、分析问题和解决问题的能力。（2）加强化工基础实验技术的研究，严格进行实验技术基本功的训练。化工原理实验的基本要求包括以下几个方面：1、实验研究方法与数据处理（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，即应用因次分析方法进行实验的规划；另一种是半经验半理论的方法或称数学模型法，掌握如何规划实验，检验模型的有效性和模型参数的估值。（2）掌握最基本的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，在缺乏数据情况下，学会如何组织实验以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（流量、温度、压强等）和设备参数（如阻力系数、传热系数、传质系数等）、特性曲线的测试方法。3、熟悉并掌握某些化工典型设备的操作，了解有关影响操作的参数，能在现有设备中完成指定的工艺要求，并能预测某些参数的变化对设备能力的影响。三、学生在实验过程中应注意的事项1、从事科学实验的基本态度—实事求是实事求是是我们对待每一项科学实验的最基本的态度。所谓“实事求是”就是说要把实验中观测到的现象、数据、规律忠实地记录下来，把它们作为第一性的材料来对待。5科学推理要以实验观测为依据，科学理论要以实验来检验。因此，记录下来的应该是实际观测到的情况，而不能在任何理由下加以编造、修改。当然，实验中观测到的现象和数据由于种种原因也会出现偏差，有时甚至是错误的。但某次实验是不是可靠也只能用反复多次的实验来核对，不能随意取消或修改某次记录。通过分析确属实验装置的问题，可通过进一步完善装置来解决。只有具备了“实事求是”的基本态度，其实验工作才可能提供有意义的数据，才能使自己受到正确的训练，不断提高科学实验能力。2、加强实验前的预习准备工作实验者在实验之前必须对实验原理、实验装置与流程、实验方法步骤以及应该记录哪些现象与数据做到胸中有数，这样在实验过程中才可能掌握实验的主动权，切不可抱着实验指导书边看边做。为此提出以下要求：（1）认真阅读实验讲义和有关资料，掌握本实验的目的与要求。（2）根据实验的具体任务，研究实验的做法及其理论根据，分析应该测取哪些数据，并预计实验数据的变化规律，以便及时纠正实验过程中出现的偏差。（3）到实验现场预习，了解实验装置、工艺流程、测试点、操作控制点和所使用的测试仪器、仪表。3、加强实验的组织工作化工原理实验一般都是几个人合作。因此，在实验分组时应选出一名具有组织能力的同学担任组长，负责实验方案的执行、联络和指挥。学生在实验时既要认真操作，又要观察实验现象，全组要协调一致，既有分工又有协作。记录数据时，一个实验点要同时进行多次测量，并注意数据的有效数字。绝不能随意更改实验数据。4、认真进行实验数据的分析和处理工作，编写好实验报告。实验报告的内容包括：（1）如实填写计算结果一览表；（2）计算举例（列举1~2个实验点计算过程）；（3）实验结果的讨论分析：a)实验结果用图表示或被整理成方程式；b)与理论计算值或文献上数值进行比较；c)分析误差原因，提出实验的改进措施。6第一章演示实验部分实验一、机械能转化实验一、实验目的通过垂直玻璃管中液体高度的变化了解动能、位能以及静压能之间的相互转化关系。二、操作步骤1、先在下水槽中加满水量，保持管路排水阀、出口阀关闭状态，通过循环泵将水打入上水槽中，使整个管路中充满流体，并保持上水槽液位在溢流孔的平行面上。2、通过管路出口闸阀调节液体流量，使转子流量计读数在刻度线上（便于准确读数），同时调节泵进口处的球阀开度，防止上水槽水流溢出或水位下降。一般地，在流量1200L/h以下,使上水槽液位在溢流孔附近稳定较易操作。3、按上步调节流量和稳定液位的方法，每改变一个流量，待流动稳定后（一般保持3－5分钟），记录各标竿刻度和转子流量计读数，并可观察整个过程中标竿的高度变化。4、如上记录4－6组流量及刻度，就可结束实验。若要进一步考虑流量计的校核，可测取下水槽中液体温度。5、实验结束，通过出口阀排空装置中的液体，管路中的滞留液体通过上水槽下方的塑料球阀排出。7实验二、板式塔流体力学实验一.实验目的1.观察板式塔各类型塔板的结构，比较各塔板上的气液接触状况。2.实验研究板式塔的极限操作状态，确定各塔板的漏液点和液泛点。二.实验原理板式塔是一种应用广泛的气液两相接触并进行传热、传质的塔设备，可用于吸收（解吸）、精馏和萃取等化工单元操作。与填料塔不同，板式塔属于分段接触式气液传质设备，塔板上气液接触的良好与否和塔板结构及气液两相相对流动情况有关，后者即是本实验研究的流体力学性能。1、塔板的组成各种塔板板面大致可分为三个区域，即溢流区、鼓泡区和无效区。降液管所占的部分称为溢流区。降液管的作用除使液体下流外，还须使泡沫中的气体在降液管中得到分离，不至于使气泡带入下一塔板而影响传质效率。因此液体在降液管中应有足够的停留时间使气体得以解脱，一般要求停留时间大于3～5s。一般溢流区所占总面积不超过塔板总面积的25％，对液量很大的情况，可超过此值。塔板开孔部分称为鼓泡区，即气液两相传质的场所，也是区别各种不同塔板的依据。而如图9-1阴影部分所示则为无效区，因为在液体进图9-1塔板板面口处液体容易自板上孔中漏下，故设一传质无效的不开孔区，称为进口安定区，而在出口处，由于进降液管的的泡沫较多，也应设定不开孔区来破除一部分泡沫，又称破沫区。2、常用塔板类型泡罩塔这是最早应用于生产上的塔板之一，因其操作性能稳定，故一直到20世纪40年代还在板式塔中占绝对优势。后来逐渐被其他塔板代替，但至今仍占有一定地位，泡罩塔特别适用于容易堵塞的物系。泡罩塔板见图9-2(A).塔板上装有许多升气管，每根升气管上覆盖着一只泡罩（多为圆形，也可以是条形或是其他形状）。泡罩下边缘或开齿缝或不开齿缝，操作时气体从升气管上升再经泡罩塔与升气管的环隙，然后从泡罩下边缘或经齿缝排出进入液层。8泡罩塔板操作稳定，传质效率（对塔板而言称为塔板效率）也较高。但有不少缺点：结构复杂、造价高、塔板阻力大。液体通过塔板的液面落差较大，因而易使气流分布不均造成气液接触不良。筛板塔筛板塔也是最早出现的塔板之一。从图9-2(B)可知，筛板就是在板上打很多筛孔，操作时气体直接穿过筛孔进入液层。这种塔板早期一直被认为很难操作，只要气流发生波动，液体就不从降液管下来，而是从筛孔中大量漏下，于是操作也就被破坏。直到1949年以后才又对筛板进行试验，掌握了规律，发现能稳定操作。目前它在国内外已大量应用，特别在美国其比例大于下面介绍的浮阀塔板。筛板塔的优点是构造简单、造价低，此外也能稳定操作，板效率也较高。缺点是小孔易堵（近年来发展了大孔径筛板，以适应大塔径、易堵塞物料的需要），操作弹性和板效率比下面介绍的浮阀塔板略差。浮阀塔这种塔板见图9-2(C)，是在20世纪40～50年代才发展起来的，现在使用很广。在国内浮阀塔的应用占有重要地位，普遍获得好评。其特点是当气流在较大范围内波动时均能稳定地操作，弹性大，效率好，适应性强。浮阀塔结构特点是将浮阀装在塔板上的孔中，能自由地上下浮动，随气速的不同，浮阀打开的程度也不同。（A）泡罩塔（B）筛板塔（C）浮阀塔图2-1常用塔板示意图3、板式塔的操作塔板的操作上限与操作下限之比称为操作弹性（即最大气量与最小气量之比或最大液量与最小液量之比）。操作弹性是塔板的一个重要特性。操作弹性大，则该塔稳定操作范围大，这是我们所希望的。为了使塔板在稳定范围内操作，必须了解板式塔的几个极限操作状态。在本演示实验中，主要观察研究各塔板的漏液点和液泛点，也即塔板的操作上、下限。漏液点可以设想，在一定液量下，当气速不够大时，塔板上的液体会有一部分从筛孔漏下，这样就会降低塔板的传质效率。因此一般要求塔板应在不漏液的情况下操作。所谓“漏液点”是指刚使液体不从塔板上泄漏时的气速，此气体也称为最小气速。9液泛点当气速大到一定程度，液体就不再从降液管下流，而是从下塔板上升，这就是板式塔的液泛。液泛速度也就是达到液泛时的气速。现以筛板塔为例来说明板式塔的操作原理。如图2-2，上一层塔板上的液体由降液管流至塔板上，并经过板上由另一降液管流至下一层塔板上。而下一层板上升的气体（或蒸汽）经塔板上的筛孔，以鼓泡的形式穿过塔板上的液体层，并在此进行气液接触传质。离开液层的气体继续升至上一层塔板，再次进行气液接触传质。由此经过若干层塔板，由塔板结构和气液两相流量而定。在塔板结构和液量已定的情况下，鼓泡层高度随气速而变。通常在塔板以上形成三种不同状态的区间，靠近塔板的液层底部属鼓泡区，如图中1；在液层表面属泡沫区，如图中2；在液层上方空间属雾沫区，如图中3。图2-2筛板塔操作简图这三种状态都能起气液接触传质作用，其中泡沫状态的传质效果尤为良好。当气速不很大时，塔板上以鼓泡区为主，传质效果不够理想。随着气速增大到一定值，泡沫区增加，传质效果显著改善，相应的雾沫夹带虽有增加，但还不至于影响传质效果。如果气速超过一定范围，则雾沫区显著增大，雾沫夹带过量，严重影响传质效果。为此，在板式塔中必须在适宜的液体流量和气速下操作，才能达到良好的传质效果。三．实验装置及操作步骤本装置主体由直径200mm，板间距为300mm的四个有机玻璃塔节与两个封头组成的塔体，配以风机、水泵和气、液转子流量计及相应的管线、阀门等部件构成。塔体内由上而下安装四块塔板，分别为泡罩塔板、浮阀塔板、有降液管的筛孔板和无降液管的筛孔板，降液管均为内径25mm的有机圆柱管。流程示意如图2-3。10456783211－增压水泵，2－调节阀，3－转子流量计，4－泡罩塔板，5－浮阀塔板，6－有降液管筛孔板，7－无降液管筛孔板，8－风机。图2-3塔板流