化工原理实验讲义(应化09)

一、目的与要求

1、通过实验了解圆管内流体流动情况，建立流型概念。

2、通过流量的测定、雷诺数的计算和圆管内流线的特征，判断流体的流动型态，并测定临界雷诺数。

3、测定流体在圆形直管中层流、湍流的速度分布图。 二、实验原理

流体作稳态流动时，其流动型态基本分为滞流（层流）、湍流两种，这两种流型的过渡状态称为过渡流。流体流动的型态与流体的密度、粘度及流道的直径有关。这可用雷诺准数来判断，一般为：

Re≤2000为滞流

Re≥4000为湍流 2000实验主要仪器：雷诺仪、秒表、量筒

实验主要数据：实验管道有效长度 L=600mm 外径 d =30mm 内径 di=26mm 四、实验方法 1、准备工作

（1）向墨水储瓶中加入适量的用水稀释过的墨水。

（2）调整墨水细管出口的位置，使它位于实验管道的中心线上。

（3）轻轻打开墨水流量调节夹，使墨水从墨水咀流出，排出墨水管内空气，关闭调

节夹。

2、雷诺实验过程

（1）关闭流量出口调节阀，打开储水槽进水阀，使自来水充满水槽，并使槽内溢流

堰具有一定的溢流量。

（2）轻轻打开管道出水阀门，使流体缓慢流过实验管道，排出管内气体。 （3）调节储水槽下部的出水阀开度，调节储水槽液位，使其保持恒定。

（4）缓慢地适当打开墨水流量调节夹，墨水自墨水咀流出，待墨线稳定后，即可看

出当前水流量下实验管道中墨水的流线。根据流线判断流型，并用秒表、量筒测定流体流量。

（5）适当的增大管道出水阀开度，通过调节储水槽下部的出水阀和进水阀控制储水槽

液位，并维持一定的水槽溢流板溢流量。适当调整墨水流量，使墨线清晰，稳定后，测定较大流量下实验管内的流动状况。如此反复，可测得一系列不同流量下的流型，并判断临界流型。

3、速度分布图的测定

与上述雷诺数测定相似，通过流量调节及墨线线形的判断，分别判定流型为层流、湍

流时对应的管道出水阀的开度范围。首先使储水槽液位恒定（此时，可通过调节储水槽的进口阀和出口阀使液位稳定），瞬时开关墨水流量调节夹，在墨水咀出口处形成一个墨团，观察墨团端面特征，打开管道出水阀（使出水阀开度在所测定流型的开度范围），观察墨团端面随流体流动时的变化，记下管道末端墨团端面的形态后，通过调节储水槽的

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进口阀和出口阀调节储槽液位，使其恒定。测定流量，计算雷诺准数，判断流型，即可测得对应流型的径向速度分布图。如此反复，通过调节管道出水阀开度，即可测得不同流型的速度分布图。 五、实验数据及记录

1、实验用水： 温度= 黏度= 密度=

Re 序号 线型 容积 时间 流量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 2、速度分布图的测定 层流：Re= 流量： 速度图：

湍流：Re= 流量： 速度图： 六、实验结果与讨论

1、实验结果：层流时 Re≤ 湍流时 Re≥ 临界值 Re= 2、讨论

（1）临界值与理论值有何出入，为什么？ （2）如因进水、溢流、外界震动等因素，使实验管中墨水流线偏离中心线或左右摆动，

对实验结果有影响吗？如何消除？

2

实验二 单相流体流动阻力实验

一、 实验目的

1、学习了解直管摩擦阻力hf、直管摩擦阻力系数λ的测定方法。 2、掌握摩擦阻力系数λ与雷诺数Re之间的关系。 3、熟悉压差的测定方法。 二、 实验内容

1、测定不同的流体流型状态下摩擦阻力系数λ与Re之间的关系。 2、在对数坐标纸上绘制λ— Re的关系曲线。 三、 实验原理

直管的摩擦阻力是雷诺数和管壁相对粗糙度的函数，即λ=f（Re，ε/d），所以对一定的相对粗糙度而言（特定的直管）λ与Re才有一定的关系。但λ随Re的变化规律与流体流型有关。

流体以不同的流速在一定的长度等直径的水平圆型直管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为：

hfP1P2P （2—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）

Lu2 hf （2—2）

d2整理（2—1）、（2—2）两式得

Pd2Lu2

Rdu （2—3）

分析以上两式，对实验来说，直管的长度L和管径d是已知的，确定流体的温度，则流体的ρ和μ也是定值。调节一系列的流量，通过压差测定，就可计算一系列的λ和Re，从而得出λ随Re的变化关系。 四、 实验主要仪器及主要技术数据

直管的长度L=1.8m 管内径d=8.3mm. 五、 实验方法

1、接通电源，打开数字式差压变送器开关，预热15min后，检察零点（方法：不带电的状态下检察电流表的零点，称为机械零点。带电状态下的零点是差压变送器的零点，称为电器零点）不为零时在老师的指导下调整。

2、向储水槽内注水，到水满为止。关闭水泵出口阀（即各流量计调节阀），开动水泵，分别逐步打开大流量转子流量计和小流量转子流量计进口阀，可使流量各自达到最大时，排出流道和导压管内的空气。此环节中，在逐步打开大流量计时，应用夹子夹住U型压差计的导压管，待数字式压差计和流道中气体排出后，关闭大流量计进口阀。将U型压差计导压管夹子去掉，适当打开大流量计进口阀。使流体在U型压差计的导压管内流动，关闭阀门，通过U型管顶部旋塞，排出U型压差计管内的空气并调节压差计两侧的液位，使其

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等高。

3、确定流道和导压管内的气体排完后，夹住U型压差计的导压管。

4、逐步打开大流量计进口阀，每对应一定的流量值，待数字式压差计的数值稳定后，读数（单位：KPa）。如此，可得一系列流量和ΔP。

5、待大流量计最大值测完后，可关闭其进口阀。同时，打开U型压差计导压管夹子，调节U型管两端的液位，使之平齐。打开小流量转子流量计进口阀，依次测出不同流量对应于U型管中的液柱差。

6、测试中，为保证数据准确，每组数据应重复测1-3次，且为整体重复。 7、在数据测量完毕，关闭流量调节阀，并切断电源。 注：水温的测定应在实验前后都测，取其平均值。 六、实验数据表

水的温度= 密度= 黏度= Q λ Re 物理量 压差（ΔP） 序号 m3s-1 mmH2O KPa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 七、结果与分析 1、画出λ—Re的曲线 2、数据分析，结论。

八、思考题

1、λ是--------和--------的函数。

2、直管摩擦主力系数λ随Re的变化规律因----------不同而不同。

3、本实验中用水为工作介质，作出的λ—Re 曲线，对其他流体是否适用？为什么？

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实验三 离心泵特性曲线测定

一、实验目的

1、学习离心泵的操作方法。

2、掌握离心泵特性曲线的测定方法及表示方法。 二、实验内容

测定并绘制某一型号离心泵在一定的转速下H-Q、N-Q、η-Q的关系。 三、实验原理

离心泵是常见的液体输送设备，离心泵的特性曲线因型号和转速不同而异，一般由实验测得，离心泵的特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选泵的重要依据，具体的测定方法如下：

1、H的测定：

以离心泵入口和泵的出口间列出伯努利方程

2p1u12p2u2 z1Hz2Hf,12 (3—1)

g2gg2g式中是泵的入口和出口之间管路内流体流动阻力，不包括泵本身的阻力，当所选两截面

很近时，与式中其它项相比其值极小，可忽略。

上式变为：

Hz2z122p2p1u2u1 (3—2) g2g2、Ｎ的测定：

功率表测得的功率为电动机的输入功率，由于泵与电动机直接带动，传动规律为1，所以电动机的输出功率等于离心泵的轴功率。

即：泵的轴功率N=电动机的输出功率 电动机的输出功率=电动机的输入功率×电动机的效率 电动机的输入功率=功率表的读数×功率表的仪表常数

此仪表常数为1 N=功率表的读数×电动机的效率（kw） 3、η的测定：

Ne100% （3—3）

NHQgHQNe （3—4）

1000102四、实验仪器及主要数据

实验仪器：离心式水泵 转子流量计 真空计 压力计

电功率表

主要数据：功率表常数=1 电机效率=0.6 Z2-Z1=h0=0.22m

d进=0.041m(真空表处) d出=0.027m(压强表处)

五、实验方法和步骤

1、检查各仪表开关是否处于“关”位。

2、向储水槽内注水，约到水箱的一半，淹没底阀。

3、打开泵的排气嘴，如有水喷出，表明泵内有水，无须灌泵。反之，由灌泵口灌泵，防

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止气缚。

4、接通电源，打开水泵开关，开始操作。

5、打开流量调节阀，调节流量，从大到小或从小到大。在每一个流量下测定泵的进出口压强、功率表读数，记下数据。依次测定10 - 15组数据。

6、实验做完后，依次关闭功率表、压力表开关、流量计阀门，最后关泵。 注：水温的测定最好取试验前后的平均值。 六、数据表

项目 序号 离心泵型号 泵转速 水温 流量计读 压 强表读 真空表读 功率表读 流量 m3/h 数m3/h 数Pa 数Pa 数Kw 扬程 m 轴功率 Kw 效率 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 七、离心泵的特性曲线绘制 八、实验结果分析 九、思考题

1、与所有N值相比，当Q=0时，N值-----------。这告诉我们：---------------------------------。 2、η—Q曲线的主要特点是----------------。η值------------的点称为---------点。其对应的Q=-----------，H=---------，N=--------。

3、一台在正常进行送水操作的水泵，实际送水量的大小决定于-------------------。

4、什么情况下，开泵前要先给泵灌水？为什么？什么情况下，开泵前不需给泵灌水？为什么？

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实验四 空气－蒸汽对流给热系数测定

一、实验目的

1、 了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。

2、 掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。

3、 学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途

径。

二、基本原理

在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交 换，称为间壁式换热。如右图所示，间壁式传热过程由热流体对固体壁面的对流传热， 固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热所组成。

达到传热稳定时，有

Qm1cp1T1T2m2cp2t2t1KAtm  T t 1A1TTWM2A2tWtm （4－1） T t WW式中：Q － 传热量，J / s；

m1 － 热流体的质量流率，kg / s； cp1 － 热流体的比热，J / (kg ∙℃)； T1 － 热流体的进口温度，℃； T2 － 热流体的出口温度，℃； m2 － 冷流体的质量流率，kg / s； cp2 － 冷流体的比热，J / (kg ∙℃)； t1 － 冷流体的进口温度，℃； t2 － 冷流体的出口温度，℃；

1 － 热流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ∙℃)； A1 － 热流体侧的对流传热面积，m2；

TTWm－ 热流体与固体壁面的对数平均温差，℃；

2 － 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ∙℃)； A2 － 冷流体侧的对流传热面积，m2；

tWtm－ 固体壁面与冷流体的对数平均温差，℃；

K － 以传热面积A为基准的总给热系数，W / (m2 ∙℃)；

tm－ 冷热流体的对数平均温差，℃；

热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算，

TTWmT1TW1T2TW2TTW1ln1T2TW2 （4－2）

式中：TW1 － 热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；

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TW2 － 热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。 固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4-3）计算，

tWtmtW1t1tW2t2ttlnW11tW2t2 （4－3）

式中：tW1 － 冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；

tW2 － 冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。 热、冷流体间的对数平均温差可由式（4- 4）计算，

tmT1t2T2t1 （4－4）

lnT1t2T2t1当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，

2m2cp2t2t1A2tWtM （4－5）

实验中测定紫铜管的壁温tw1、tw2；冷空气或水的进出口温度t1、t2；实验用紫铜管的长度l、内径d2，A2d2l；和冷流体的质量流量，即可计算2。

然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。

由式（4－1）得，

Km2cp2t2t1Atm （4－6）

实验测定m2、t1、t2、T1、T2、并查取t平均1t1t2下冷流体对应的cp2、换热面积A，即可2由上式计算得总给热系数K。

下面通过两种方法来求对流给热系数。

1．近似法求算对流给热系数2

以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，

bddd11RS22RS122 （4－7） K2dmd11d1式中：d1 － 换热管外径，m；

d2 － 换热管内径，m；

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dm － 换热管的对数平均直径，m； b － 换热管的壁厚，m；

 － 换热管材料的导热系数，W / (m ∙ ℃)；

RS1－ 换热管外侧的污垢热阻，m2KW；

RS2－ 换热管内侧的污垢热阻，m2KW。

用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百Wm2.K；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数1可达~104Wm2.K左右，因此冷凝传热热阻

d2可忽略，1d1同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻RS1d2也可忽略。实验中的传热元件材d1bd2可忽dm料采用紫铜，导热系数为383.8WmK，壁厚为2.5mm，因此换热管壁的导热热阻略。若换热管内侧的污垢热阻RS2也忽略不计，则由式（4－7）得，

2K （4－8）

由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。

2．传热准数式求算对流给热系数2

对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，若符合如下范围内：Re=1.0×104～1.2×105,Pr＝0.7～120，管长与管内径之比l/d≥60, 则传热准数经验式为，

Nu0.023Re0.8Prn （4－9） 式中：Nu－努塞尔数，NuRe－雷诺数，Red，无因次； du，无因次；  9

Pr－普兰特数，Prcp，无因次；

当流体被加热时n＝0.4，流体被冷却时n＝0.3；

 － 流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ∙℃)； d － 换热管内径，m；

 － 流体的导热系数，W / (m ∙ ℃)； u － 流体在管内流动的平均速度，m / s；  － 流体的密度，kg / m3；  － 流体的粘度，Pa ∙ s； cp － 流体的比热，J / (kg ∙℃)。

对于水或空气在管内强制对流被加热时，可将式（4－9）改写为，

120.023411令， m0.02340.81.8d2 （4－11）

0.8211.8d2 （4－10） 0.42Pr2m20.821 X （4－12） 0.4m2Pr220.8 Y1 （4－13） Kbd2ddRS122 （4－14） dmd11d1 CRS2则式（4－7）可写为，

YmXC （4－15）

当测定管内不同流量下的对流给热系数时，由式（4－14）计算所得的C值为一常数。管内径d2一定时，m也为常数。因此，实验时测定不同流量所对应的t1、t2、T1、T2，由式（4－4）、（4－6）、（4－12）、（4－13）求取一系列X、Y值，再在X～Y图上作图或将所得的X、

Y值回归成一直线，该直线的斜率即为m。任一冷流体流量下的给热系数2可用下式求得，

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22Pr20.4mm22 (4－16) 0.83．冷流体质量流量的测定

（1）若用转子流量计测定冷空气的流量，还须用下式换算得到实际的流量，

VVf (4－17)

f1t1t2下对应水或空气的2式中： V ' — 实际被测流体的体积流量，m3 / s；

ρ' — 实际被测流体的密度，kg / m3；均可取t平均密度，见冷流体物性与温度的关系式；

V — 标定用流体的体积流量，m3/s； ρ — 标定用流体的密度，kg / m3；对水ρ＝1000 kg / m3；对空气ρ＝1.205 kg / m3；

3

ρf — 转子材料密度，单位kg / m。

于是 m2V (4－18)

（2）若用孔板流量计测冷流体的流量，则，

m2V (4－19)

式中，V 为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下对应的密度。

4．冷流体物性与温度的关系式

在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。 （1）空气的密度与温度的关系式：105t24.5103t1.2916 （2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下Cp＝1005 J / (kg ∙℃),

70℃以上Cp＝1009 J / (kg ∙℃)。 （3）空气的导热系数与温度的关系式： 2108t28105t0.0244 （4）空气的黏度与温度的关系式：(2106t25103t1.7169）105 三、实验装置与流程

1．实验装置

实验装置如图4-1所示

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1－旋涡式气泵；2－排气阀；3－孔板流量计；4－冷流体进气阀；5－冷流体进口温度； 6－冷流体出口温度； 7－冷流体进口侧蒸汽温度； 8－冷流体出口侧蒸汽温度； 9－冷凝水出口阀； 10－压力表；11－蒸汽进口阀； 12－冷凝水排水口；13－紫铜管； 14－蒸汽进口；15－冷流体出口；16－换热器；17－电气控制箱

图4-1 空气-水蒸气换热流程图

来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。

2．设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm

（2）外套不锈钢管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm （4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示 （5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表 四、实验步骤与注意事项

（一）实验步骤

1、 打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显

示是否正常。

2、 在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，开启发生器电源，使水处于加热状态。

到达符合条件的蒸汽压力后，系统会自动处于保温状态。

3、 打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换

热器里充有一定量的空气。

4、 打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开

度。注意开度适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过大而导致不锈钢管炸裂。

5、 在通水蒸汽前，也应将蒸汽发生器到实验装置之间管道中的冷凝水排除，否则夹带

冷凝水的蒸汽会损坏压力表及压力变送器。具体排除冷凝水的方法是：关闭蒸汽进口阀门，打开装置下面的排冷凝水阀门，让蒸汽压力把管道中的冷凝水带走，当听到蒸汽响时关闭冷凝水排除阀，方可进行下一步实验。

6、 开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满

系统中，使系统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器

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因突然受热、受压而爆裂。

7、 上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持

在0. 01MPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。 8、 自动调节冷空气进口流量时，可通过仪表调节风机转速频率来改变冷流体的流量到

一定值，在每个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使热交换过程保持15分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。

9、 记录6～8组实验数据，可结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭

仪表电源，待系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。

10、 打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。

（二）注意事项

1、 先打开排冷凝水的阀1，注意只开一定的开度，开的太大会使换热器里的蒸汽跑掉，开的太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力增大而使不锈钢管炸裂。

2、 一定要在套管换热器内管输以一定量的空气后，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。

3、 刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，以防止不锈钢管因突然受热、受压而爆裂。

4、 操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa（表压）以下，否则可能造成不锈钢管爆裂和填料损坏。

5、 确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意蒸汽量的调节和压力表读数的调整。

五、实验数据处理

1．打开数据处理软件，在教师界面左上“设置”的下拉菜单中输入装置参数管长、管内径以及转子流量计的转子密度。（在本套装置中，管长为1m，管内径为16mm，转子流

量计的转子密度为ρf ＝7.9103kg/m3）。

2．数字型装置可以实现数据直接倒入实验数据软件，可以表格形式得到本实验所要的最终处理结果，点“显示曲线”，则可得到实验结果的曲线对比图和拟合公式。

3. 数据输入错误，或明显不符合实验情况，程序会有警告对话框跳出。每次修改数据后，都应点击“保存数据”，再按2步中次序，点击“显示结果”和“显示曲线”。 4. 记录软件处理结果，并可作为手算处理的对照。结束，点“退出程序”。 六、实验报告

1、冷流体给热系数的实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。

2、冷流体给热系数的准数式：Nu/Pr0.4ARem，由实验数据作图拟合曲线方程，确定 式中常数A及m。

3、以lnNu/Pr0.4为纵坐标，lnRe为横坐标，将两种方法处理实验数据的结果标绘在 图上，并与教材中的经验式Nu/Pr0.40.023Re0.8比较。 七、思考题

1、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?

2、在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表

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示什么位置的密度，应在什么条件下进行计算。

3、实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？

实验五 填料塔流体动力学实验

一、实验目的

1．了解填料吸收塔的构造。 2．测定填料塔的流体力学性能。 二、主要仪器及技术数据

3．仪器：吸收塔，流量计，压差计，温度计。

4．技术数据：Z=0.4m， D内=0.075 拉西环：10x10x1.5mm α=440[m2/m3] 三、实验原理

填料的作用是增大气液两相的接触面积，气—液两相在塔内逆向流动。因阻力损失，气流保持一定的流速，沿程必产生一定的压降。干塔时，可测得ΔP/Z -u[u=G/F]之间的关系并在双对数坐标纸上绘图，可得一直线，斜率为1.8-2。当塔内有一定的喷淋量时，可测得ΔP/Z -u 之关系并在双对数坐标纸上绘图,得三条相交的直线。其拐点分别为载点和泛点。对应的气速为载点和泛点气速，液泛气速在塔的设计和操作中起重要作用。 四、实验内容

1、测量干填料塔时（ΔP/Z）—u关系曲线； 2、测量某喷淋量下（ΔP/Z）—u关系曲线； 五、实验方法与步骤

1、测量干填料层（ΔP/Z）- u关系曲线。先全开放空阀，后启动风机，用放空阀调节空气进塔流量。按空气流量从小到大读取填料层压降，在每一流量下，测定当时空气温度，后在对数坐标纸以空塔气速u为横坐标，以单位高度的压降ΔP/Z为纵坐标，描绘干填料层的ΔP/Z- u关系曲线。

2、测量某喷淋量下（ΔP/Z）- u关系曲线。调节水转子流量计出口阀，使其指示值为40 L/hr，用“（1）”相同的方法读取填料层压降ΔP、空气流量、空气温度，并观查塔内的操作现象，如看到液泛现象时记下对应的空气转子流量计读数。在对数坐标纸上绘出液体喷淋量为40L/hr下的ΔP/Z- u关系曲线 ，确定液泛气速并与观察的液泛气速相比较。

3、流量计校正。由风机输送的空气，因风机作功，温度上升，不等于流量计的标示温度20℃，为此必须进行流量校正。校正方法为：

qv,实际值

qv,读数值p21p1212 (5—1)

式中：ρ1为转子流量计标刻温度所对应的空气密度，ρ2为实验时转子流量计上方温度计测量值所对应的空气密度。

注：空气流量调节时，因流量调节为旁路调节，在风机打开前，一定使旁路调节阀处于全开位置，否则，打开风机后，流入转子流量计中的风量过大，会导致转子骤升打碎玻璃刻度管，且有可能伤及他人。

六、实验数据及结果

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1、干填料时ΔP/Z-u关系测定 表1

2、喷淋量为40L/h时，ΔP/Z-u关系测定：

序 号 表1 干塔时ΔP/Z-u关系 填料层压强单位高度填料层空气转子流量空气流量计处空降（mmH2O） 压降（mmH2O/m） 计读数 m3/h 气温度（℃） 对应空气流量（m3/h） 空塔气速 （m/s） 1 2 3 4 5 6 表2 湿填料时ΔP/Z—u关系测定

L=40 Z=0.4m 塔径D=0.075m 序号 填料层压强降（mmH2O） 单位高度填料层压降（mmH2O/m） 空气转子流量空气流量计处空计读数 气温度（℃） 3 （m/h）对应空气流量（m3/h） 空塔气速（m/s） 塔内操 做现象 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 七、实验结果与分析 八、思考题

1、填料的类型 、 、 。

2、从ΔP/Z-u关系曲线中确定出液泛气速与实际观测的结果是否符和？

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实验六 填料塔部分回流精馏实验

一、实验目的和要求

1、了解掌握填料式精馏塔的构造和操作原理。

2、测定部分回流时连续精馏的理论塔板数及回收率。 二、实验原理

1、部分回流时理论塔板数的求法及总回收率的测定、计算（泡点进料状态） (1) 图解法求算：

精馏段操作线方程式

xRxnD yn1R1R1 提馏段操作线方程式（泡点进料, q=1）

ym1RDFFDxmxW

R1DR1D 相平衡方程式：yx

11x图解时，χD 和χW 为实验测定值,α则根据塔顶组成、进料组成及塔釜组成对应与相平衡数据表求其相对挥发度，再求其几何平均值即可。

(2)逐板计算法：

精馏段：以相平衡方程式：y操作线方程式：yn1x

11xxRxnD为依据交替计算， 当χk≤χf时，板kR1R1上为加料板，所得精馏段理论塔板数。此后，即为提馏段。

提馏段（泡点进料）：以相平衡方程式：yx

11x操作线方程式：ym1RDFFDxmxW为依据交替计算，至χm≤χw

R1DR1D所得提馏段理论塔板数。

如冷液进料，精馏段操作线方程相同。而提馏段操作线方程为：

ym1RDqFFDxmxW

R1D1qFR1D1qF q1

cmprm(Tt)

cmpcp,AxAcp,AxB,rmrAxArAxB

T——泡点温度 t——料液实际温度

理论板数的计算方法同上述一样。

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3、有机物的浓度采用阿贝折射仪测其折光指数来确定。因有机混合物的折光指数具有加和性，为此，只要测出纯品和混合物的折光指数，就可以算出混合物的组成含量（摩尔分率）。

4、回收率：DxD100% FxF三、实验仪器与主要技术数据

实验主要仪器: 普通填料塔精馏装置 阿贝折射仪 实验技术数据: 填料层高度 (Z)：1.4m

填料：2x2mm（不锈钢，￠网环） 实验用料：乙醇——正丁醇

相平衡数据： 常压下乙醇——正丁醇平衡数据如下表，相图见上个实验。 x y 0 0 0.126 0.220 0.188 0.318 0.210 0.349 0.358 0.550 0.461 0.650 0.564 0.731 0.600 0.760 0.663 0.799 0.844 0.914 1.0 1.0 四、实验方法 1、实验前准备工作

先将阿贝折射仪置于白炽灯下。将测量棱镜和辅助棱镜上保温夹套的水进出口与超级恒温水浴之间的橡皮管连接好，然后将恒温水浴的温度自控装置调节到所需测量的温度（如25℃+0.1℃）。待水浴稳定10min后即可开始测量。（测量方法见附页）。

2、部分回流操作 （1）先打开自来水阀门，使塔顶冷凝器通入循环冷却水。将已配好的料液装入高位槽中，打开料液流量调节阀，使料液流进原料液预热器，启动装置电源总开关，打开预热开关，控制电流为0.15A，同时，在塔釜中预加入约100mL原料混合液，打开塔釜加热电源开关，控制电流为0.50A，打开测温开关，选择测温按钮（1为塔顶蒸汽，2位原料液，3位塔釜液）选择测温对象。

（2）待塔釜液沸腾后15min，打开塔身保温系统电源开关，调节控温旋钮使上、下保温电流均为0.20A。待塔顶有冷凝液滴下时，如料液预热器中的料液沸腾，打开料液进口阀，通过流量计控制进料量F=3-4mL/min（在塔身某处）。同时，打开回流比控制开关，控制回流比R=4。对塔釜三口瓶，通过引出口引出釜液，且控制其流量（流量必小于进料量），并计量，（计量方式采用量筒和秒表，测定一定时间内的流量）。

（3）待塔顶冷凝液有出液时，进行计量，计量方法同塔釜一样。

（4）通过测温选择按钮选择测温点，待塔顶、塔釜液温度恒定并保持10min（或塔釜压差计读数恒定），可分别从塔顶、塔釜取样，用阿贝折射仪测定塔顶、塔釜液组成，记录折光之数值，同时，记录操作条件参数。

（5）测定及记录结束后，停止进料，关闭回流比开关，调节预热、塔釜加热和保温电流为零，再关闭各自的电源开关，待塔顶温度降至40℃以下，可关闭测温电源开关及总电源开关，最后关掉冷凝循环水阀门。

3、实验结束后，将高位槽中的料液、塔釜釜液、塔顶残留液及预热器中的残留液引出，整理、清洁实验仪器，让实验装置和仪器恢复原状。 五、注意事项

1、本实验装置全部采用玻璃制成，采用涂镀于塔体表面的导电透明膜对塔加热保温。在加热过程中不应过快，以免塔器炸裂。

2、开车时，应先向塔顶分馏头通冷却水，再向塔釜加热。停车反之。 3、连续精馏实验中，釜液流量通过量筒、秒表计量。

4、如原料未加热至泡点，测其温度，求cmp 、rm及q，进而推出操作线方程。cA、cB、

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rA、rB的求取见化工原理上册附表8、9（注：乙醇tc=240.77℃,正丁醇tc=289.78℃） 六、实验数据表

在部分回流条件下 R=4

塔釜加热电压（ ） 塔身加热电压（ ） 塔釜加热电流（ ） 塔身加热电流（ ） 塔顶温度（ ） 折光仪温度 （ ） 冷液进料温度（ ） 进料的泡点温度（ ） 塔顶 塔釜 原料 流量 D= W= F= 样品折光指数 质量分数W 摩尔分数x 理论塔板数NT= 回收率η= 七、实验结果分析

八、思考题

1、如何判断精馏塔的操作是否已经稳定？

2、实验结果表明，当R由4增至无穷时，塔顶产品的浓度 （ ）塔顶产品的产量 （ ） 。这对于化工设计和生产中回流比的选择有什么指导意义？

注：1、该实验装置可完成全回流和部分回流精流实验。

2、乙醇——正丁醇的折光指数与质量浓度数据见附页2。

附页1：阿贝折射仪的测量方法

1、恒温准备（详见实验步骤）。

2、加样：松开棱镜组上的锁钮，将辅助棱镜打开，用少量乙醚或无水酒精清洗镜面，用揩镜纸将镜面揩干，待棱镜干燥后，闭合辅助棱镜，将试样滴管从加液小槽中加入，然后旋紧锁钮。

3、对光和调整：转动手柄，使刻度盘标尺的示值最小，并调反射镜，使入射光进入棱镜组，使测量望远镜中的视场最亮。再调目镜，使现场准缘达到最清晰。转动手柄，直至观察到视场中的明暗界线。此时若出现彩色光带，则应调节消色散手柄，直到视场内呈现清晰明暗界线为止。将明暗界线对准准丝交点上，此时从读数望远镜中读出的读数即为折光率ND值.

4、实验结束时，先将恒温水浴的电源关掉，同时关掉白炽灯，然后将表面擦干净。 附页2

乙醇——正丁醇质量浓度与折光指数对照表

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质量浓度（%） 折光指数（nD）t=18℃ 0 1.4019

4.89 1.3999 9.78 1.3986 14.68 1.3968 19.6 1.3949 24.53 1.3928 29.48 1.3914 34.43 1.3887 39.4 1.3879 44.38 1.3853 49.38 1.3838 54.38 1.381 59.4 1.3798 64.43 1.3772 69.47 1.3758 74.53 1.3732 79.6 1.3718 84.68 1.3697 89.77 1.3683 94.88 1.3662 99.7 1.3642

1.399y = -0.0004x + 1.40161.394R2 = 0.99751.389率光1.384折1.3791.3741.3691.3640102030405060708090100质量分数19