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化工原理實驗指導書.doc

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?目錄化工原理實驗指導書化工原理教研室2014年編制55化工原理實驗指導書目 錄實驗一 流動過程綜合實驗 4實驗二 過濾實驗 11實驗三 傳熱實驗(水-水蒸汽、空氣-水蒸汽給熱系數測定和傳熱綜合實驗) 15傳熱實驗一 水-水蒸汽給熱系數測定 15傳熱實驗二 空氣-水蒸汽給熱系數測定 20傳熱實驗三 傳熱綜合(空氣和水蒸汽)實驗 23實驗四 吸收與解吸綜合實驗 29實驗五 精餾實驗 34實驗六 萃取實驗 (填料萃取塔、振動篩板萃取塔) 39萃取實驗一 填料萃取塔 39萃取實驗二 振動篩板萃取塔 44實驗七 干燥實驗(洞道干燥、流化床干燥) 48干燥實驗一 洞道干燥 48干燥實驗二 流化床干燥 52附件:《化工原理實驗》教學大綱????????????實驗一 流動過程綜合實驗1 實驗目的(1)掌握測定流體流經直管、管件和閥門時阻力損失的一般實驗方法。(2)識別組成管路的各種管件、閥門的結構、使用方法和性能。(3)學習壓差計、流量計的使用方法。(4)學習光滑直管和粗糙直管的摩擦系數l與雷諾準數Re的測量方法,并驗證流體處于不同流動類型時的l與Re二者間的關系。(5)測定流體流經管件、閥門時的局部阻力系數ξ。(6)分別測定文丘里流量計流量標定曲線(流量-壓差關系)及流量系數和雷諾數之間的關系曲線(C-Re關系)。(7)了解離心泵的結構、操作方法,掌握離心泵特性曲線測定方法,掌握離心泵管路特性曲線的測定方法,加深對離心泵性能的理解。2 基本原理2.1 直管摩擦系數l與雷諾數Re的測定對于不可壓縮流體在水平等直徑直管內作定態流動,根據伯努利方程有: (1.1)(1.1)式中:hf—壓頭損失,J/kg;L—兩測壓點間直管長度,m;d—直管內徑,m;λ—摩擦阻力系數;u—流體流速,m/s;ΔPf—直管阻力引起的壓降,N/m2;ρ—流體密度,kg/m3。將(1.1)式經適當變形,可以得到摩擦系數的表達式,即: (1.2)雷諾準數定義式如下: (1.3)(1.2)式中:μ—流體粘度,Pa.s。在管壁粗糙度、管長和管徑一定的條件下,本實驗將選擇水作為流體,通過改變水的流量,并測得不同流量下的ΔPf值,連同L、d、u和ρ(對一定流體來說,ρ和μ都是溫度的函數,可以根據流體的種類及溫度從手冊中查出)一同帶入式(1.2)和(1.3),將能夠分別求出不同流量下的直管摩擦系數λ和雷諾準數Re,從而整理出λ與Re的關系并繪制二者關系曲線。2.2 測定局部阻力系數(1)局部阻力系數ξ的測定。局部阻力損失的計算方法有兩種,即局部阻力系數法和當量長度法。其中,局部阻力系數法假定局部阻力損失與流體動能成正比,即: (1.4)(1.4)式中:hf'—局部阻力引起的能量損失,J/kg;ΔPf'—局部阻力引起的壓強降,Pa;ρ—流體密度,kg/m3;ξ—局部阻力系數,無因次; u—流體流速,m/s。將(1.4)適當整理后,有: (1.5)局部阻力引起的壓強降ΔPf'可用下面的方法測量:在一條各處直徑相等的直管段上,安裝待測局部阻力的閥門,在其上、下游開兩對測壓口a-a'和b-b',見圖1-1。圖1.1 局部阻力測量取壓口布置圖對于開口位置,有:; (1.6)那么,對于ab,bc,a'b'和b'c'之間的壓降關系有:; (1.7)對于區間a~a',有: (1.8)對于區間b~b',有: (1.9)聯立式(1.8)和(1.9),則有: (1.10)為了實驗方便,(Pb-Pb')稱之為近點壓差,(Pa-Pa')稱之為遠點壓差,其具體數值用差壓傳感器測定。2.3 流量計性能測定流體通過節流式流量計時在上、下游兩取壓口之間產生壓強差,它與流量的關系為: (1.11)(1.11)式中:Vs—被測流體(水)的體積流量,m3/s;C—流量系數,無因次;A0—流量計節流孔截面積,m2;(P上-P下)—流量計上、下游兩取壓口之間的壓強差,Pa;ρ—被測流體(水)的密度,kg/m3。用渦輪流量計作為標準流量計來測定流量Vs,每一個流量在壓差計上都有一對應的讀數,將壓差計讀數△P和流量Vs繪制成一條曲線,即流量標定曲線,同時利用上式整理數據可進一步得到C—Re關系曲線。2.4 離心泵性能的測定2.4.1 H的測定針對泵的吸入口和排出口之間列伯努利方程: (1.12)(1.12)式中:Z—位壓頭,m;u—流體速度,m/s;ρ—流體密度,kg/m3;P—壓強;H—總壓頭(揚程),m;Hf入-出—泵的吸入口和排出口之間管路內的流體流動阻力。根據(1.12)可以獲得離心泵總壓頭H: (1.13)與伯努利方程中其它項比較,Hf入-出值很小,故可以忽略,于是(1.13)簡化為: (1.14)將實驗測定的(Z出- Z入)和(P出-P入)的值以及計算所得的u入、u出代入式(1.14)中即可以得到H值。2.4.2 P的測定離心泵由電動機直接帶動,若將傳動效率視為100%,那么電動機的輸出功率等于泵的軸功率,即:泵的軸功率P =電動機的輸出功率=電動機的輸入功率×電動機的效率(1.15)利用功率表測得的功率即為電動機的輸入功率,因而有:泵的軸功率P=功率表讀數×電動機效率 (1.16)2.4.3η的測定離心泵總效率指的是有效功率與軸功率的比值,其定義式為: (1.17)(1.17)中:η—泵的效率;P—泵的軸功率,kw;Pe—泵的有效功率kw。有效功率Pe定義式如下: (1.18)(1.18)中:H—泵的揚程,m;ρ—液體密度,kg/m3;Qv—體積流量,單位時間內泵輸送的液體體積,m3/s。將(1.16)和(1.18)計算得到的P 和Pe代入(1.17),即可以獲得離心泵總效率。2.5 離心泵管路特性的測定管路特性曲線是指流體流經管路系統的流量與所需壓頭之間的關系,若將泵的特性曲線與管路特性曲線繪制在同一坐標圖上,兩曲線交點即為泵在該管路的工作點。因此,如同通過改變閥門開度來改變管路特性曲線,求出泵的特性曲線一樣,可通過改變泵轉速來改變泵的特性曲線,從而獲得管路特性曲線。3 實驗裝置流體流動過程綜合實驗裝置如圖1.2所示。圖1.2 流動過程綜合實驗流程1-水箱;2。省略部分。干燥曲線通過適當變換,可由上述干燥曲線進一步獲得干燥速率曲線。由已測得的干燥曲線求出不同X下的斜率dX/dτ,再由式(7.1)計算得到干燥速率U,將U對X作圖,即得到干燥速率曲線,如圖7.2所示。圖7.2 恒定干燥條件下的干燥速率曲線3 實驗裝置洞道干燥實驗裝置流程見圖7.3:空氣由鼓風機送入電加熱器,經加熱后流入干燥室,加熱干燥室料盤中的濕物料后,經排出管道通入大氣中。隨著干燥過程的進行,物料失去的水分量由稱重傳感器轉化為電信號,并由智能數顯儀表記錄下來(或通過固定間隔時間,讀取該時刻的濕物料重量)。圖7.3 洞道干燥裝置流程1-風機;2-管道;3-進風口;4-加熱器;5-廂式干燥器;6-氣流均布器;7-稱重傳感器; 8-濕毛氈; 9-玻璃視鏡門; 10,11,12-蝶閥4 實驗步驟與注意事項4.1 實驗步驟洞道干燥實驗步驟如下:(1)放置托盤,開啟總電源,開啟風機電源。(2)打開儀表電源開關,加熱器通電加熱,旋轉加熱按鈕至適當加熱電壓。在U型濕漏斗中加入一定水量,并關注干球溫度,干燥室溫度(干球溫度)要求達到恒定溫度(例如70 OC)。(3)將毛氈加入一定量的水并使其潤濕均勻,注意水量不能過多或過少。(4)當干燥室溫度恒定在70 OC時,將濕毛氈十分小心地放置于稱重傳感器上。放置毛氈時應特別注意不能用力下壓,因稱重傳感器的測量上限僅為300 g,用力過大容易損壞稱重傳感器。(5)記錄時間和脫水量,每分鐘記錄一次重量數據;每兩分鐘記錄一次干球溫度和濕球溫度。(6)待毛氈恒重時,即為實驗終了時,關閉儀表電源,注意保護稱重傳感器,非常小心地取下毛氈。(7)關閉風機,切斷總電源,清理實驗設備。4.2 注意事項(1)必須先開風機,后開加熱器,否則加熱管可能會被燒壞。(2)特別注意傳感器的負荷量僅為300 g,放取毛氈時必須十分小心,絕對不能下壓,以免損壞稱重傳感器。(3)實驗過程中,不要拍打和碰觸裝置面板,以免引起料盤晃動,影響稱量結果。5 思考題(1)什么是恒定干燥條件?本實驗裝置中采用了哪些措施來保持干燥過程在恒定干燥條件下進行?(2)控制恒速干燥階段速率的因素是什么?控制降速干燥階段干燥速率的因素又是什么?(3)為什么要先啟動風機,再啟動加熱器?實驗過程中干、濕球溫度計或者流化床床層溫度是否變化?為什么?如何判斷實驗已經結束?(4)若提高熱空氣流量,干燥速率曲線有何變化?恒速干燥速率、臨界濕含量又如何變化?為什么?干燥實驗二 流化床干燥1 實驗目的(1)了解流化床干燥裝置的基本結構、工藝流程和操作方法。(2)學習測定物料在恒定干燥條件下干燥特性的實驗方法。(3)掌握利用實驗干燥曲線求取干燥速率曲線以及恒速階段干燥速率、臨界含水量、平衡含水量的實驗分析方法。(4)實驗研究干燥操作條件對流化床干燥過程特性的影響。(5)比較洞道干燥和流化床干燥這兩種對流干燥器的干燥特性。2 基本原理干燥過程是復雜的傳熱、傳質過程,通常根據空氣狀態的變化將干燥過程分為恒定干燥操作和非恒定(或變動)干燥操作兩大類。恒定狀態下的干燥操作(簡稱恒定干燥)是指干燥操作過程中空氣的溫度、濕度、流速及與物料的接觸方式不發生變化,如用大量空氣對少量物料進行間歇操作可視為恒定干燥,本實驗重點考查恒定干燥。2.1 干燥速率的定義干燥速率的定義為單位干燥面積(提供濕分汽化的面積)、單位時間內所除去的濕分質量,即: (7.3)(7.3)式中:U—干燥速率,又稱干燥通量,kg/(m2·s);A—干燥表面積,m2;W—一批操作中汽化的水分量,kg;τ—干燥時間,s;Gc—絕干物料的質量,kg;X—物料濕含量,kg水分/kg干物料,負號表示隨干燥時間的增加而減小。2.2 干燥速率的測定方法方法一:(1)將電子天平開啟,待用。(2)將快速水分測定儀開啟,待用。(3)準備0.5~1 kg的濕物料,待用。(4)開啟風機,調節風量至40~60 m3/h,打開加熱器加熱。待熱風溫度恒定后(通??稍O定在70~80 OC),將濕物料加入流化床中,開始計時,每過4 min取出10 g左右的物料,同時讀取床層溫度。將取出的濕物料在快速水分測定儀中測定,得初始質量Gi和終了質量Gic。則物料中瞬間含水率Xi為 (7.4)方法二:利用床層的壓降來測定干燥過程的失水量。(1)準備0.5~1 kg的濕物料,待用。(2)開啟風機,調節風量至40~60m3/h,打開加熱器加熱。待熱風溫度恒定后(通??稍O定在70~80 OC),將濕物料加入流化床中,開始計時,此時床層的壓差將隨時間減小,實驗至床層壓差(?pe)恒定為止。則物料中瞬間含水率Xi為 (7.5)式(7.5)中:?p—時刻τ時床層的壓差。計算出每一時刻的瞬間含水率Xi,然后將Xi對干燥時間τi作圖,如圖7.4,即為干燥曲線。圖7.4 恒定干燥條件下的干燥曲線上述干燥曲線還可以變換得到干燥速率曲線。由已測得的干燥曲線求出不同Xi下的斜率dXi/dτi,再由式(7.3)計算得到干燥速率U,將U對X作圖,就是干燥速率曲線,如圖7.5所示。圖7.5 恒定干燥條件下的干燥速率曲線將床層的溫度對時間作圖,可得床層的溫度與干燥時間的關系曲線。3 實驗裝置流化床干燥實驗裝置流程見圖7.4。圖7.4 流化床干燥裝置流程1-加料斗;2-床層(可視部分);3-床層測溫點;4-進口測溫點;5-風加熱器;6-轉子流量計;7-風機;8-U形壓差計;9-取樣口;10-排灰口;11-旋風分離器4 實驗步驟與注意事項4.1 實驗步驟流化床干燥實驗主要包括以下7個步驟。(1)開啟風機。(2)打開儀表控制柜電源開關,加熱器通電加熱,床層進口溫度要求恒定在70~80 OC左右。(3)將準備好的耐水硅膠/綠豆加入流化床進行實驗。(4)每隔4 min取樣5~10 g左右分析或由壓差傳感器記錄床層壓差,同時記錄床層溫度。(5)待干燥物料恒重或床層壓差一定時,即為實驗終了,關閉儀表電源。(6)關閉加熱電源。(7)關閉風機,切斷總電源,清理實驗設備。4.2 注意事項必須先開風機,后開加熱器,否則加熱管可能會被燒壞,破壞實驗裝置。5 思考題(1)什么是恒定干燥條件?本實驗裝置中采用了哪些措施來保持干燥過程在恒定干燥條件下進行?(2)控制恒速干燥階段速率的因素是什么?控制降速干燥階段干燥速率的因素又是什么?(3)為什么要先啟動風機,再啟動加熱器?實驗過程中干、濕球溫度計或者流化床床層溫度是否變化?為什么?如何判斷實驗已經結束?(4)若提高熱空氣流量,干燥速率曲線有何變化?恒速干燥速率、臨界濕含量又如何變化?為什么?
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