化工原理实验讲义化工.docx

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化工原理实验讲义化工

化工原理实验讲义

（化学工程与工艺专业）

一班

二班

第九周

干燥实验（朱）

离心泵实验（王）

第十周

吸收实验（王）

干燥实验（朱）

第十一周

精馏实验（王）

萃取实验（朱）

第十二周

萃取实验（朱）

精馏实验（王）

第十三周

离心泵实验（王）

吸收实验（王）

备注：

1.上课时间，周一，周四下午16：

2.每位代课老师做完实验后，让学生所带的学生把各自实验实卫生打扫干净。

石河子大学化学化工学院

实验安排

各班按学号分为A，B两大组，根据安排表进行实验。

进入实验室前每大组自行组合分为四小组（4-5人），每小组确定实验装置编号，根据装置编号预习对应实验流程。

如：

化工0601班－A组－1小组－流体阻力①号装置，2小组－流体阻力②号装置，3小组－流体阻力③号装置，4小组－流体阻力④号装置。

（≤2套的装置，可重复编号）

1．典型单元操作实验内容和地点如下表所示。

实验内容

实验地点

实验1伯努利实验

实验2流体阻力测定实验

实验3离心泵性能测定实验

实验4过滤实验

实验5传热实验

实验6精馏实验

实验7吸收实验

实验8萃取实验

实验9干燥实验

逸夫实验楼101室

逸夫实验楼106室

逸夫实验楼105室

逸夫实验楼106室

逸夫实验楼101室

逸夫实验楼105室

2．化工原理实验教学方法

工程实验是一项技术工作，它本身就是一门重要的技术学科，有其自己的特点和系统。

为了切实加强实验教学环节，将实验课单独设课。

化工原理实验课程工程性较强，有许多问题需事先考虑、分析，并做好必要的准备，因此在教学过程中，每个实验课内均安排现场预习和实验操作两个单元。

此外，化工原理实验室实行开放制度，学生实验前必须预约。

化工原理实验成绩实行结构成绩制，分为两部分：

（1）平时成绩占60%，包括预习情况、现场提问、实验操作及实验报告等。

（2）期末成绩占40％，期末考试为笔试或操作考试，主要考核学生对工程实验研究方法掌握和应用的程度，包括以下几方面的内容：

实验方法、实验原理、实验设计、实验操作、数据处理、实验分析、工程实践等几方面的内容。

实验3流量计标定实验

一、实验目的

1、了解几种常用流量计的构造、工作原理和主要特点。

2、掌握流量计的标定方法。

3、了解节流式流量计流量系数C随雷诺数Re的变化规律，流量系数C的确定方法。

4、学习合理选择坐标系的方法。

二、实验原理及内容

（一）实验原理

流体通过节流式流量计时在流量计上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为：

（10-1）

式中：

被测流体（水）的体积流量，m3/s；

流量系数，无因次；

流量计节流孔截面积，m2；

流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa；

被测流体（水）的密度，kg／m3。

用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量VS。

每一个流量在压差计上都有一对应的读数，将压差计读数△P和流量Vs绘制成一条曲线，即流量标定曲线。

同时用上式整理数据可进一步得到C—Re关系曲线。

（二）实验内容

1、通过实验室的实物，了解文丘里及涡轮流量计的构造及工作原理。

2、测定节流式流量计（文丘里流量计）的流量标定曲线。

3、测定节流式流量计雷诺数Re和流量系数C的关系。

三、实验装置及流程

实验装置及流程图参见实验二中图2-1、图2-2。

四、实验方法及步骤

方法一：

新装置图见实验二中图2-1（①、②号实验装置）

⒈向储水槽内注入蒸馏水。

检查流量调节阀18，压力表4的开关及真空表3的开关是否关闭（应关闭）。

⒉启动离心泵，缓慢打开调节阀18至全开，用倒U型管进行赶气泡操作（参见实验二）。

待系统内流体稳定，进行完赶气泡操作，即系统内已没有气体，将倒U型管所有阀门关闭，方可测取数据。

⒊用阀18调节流量，从流量为零至最大或流量从最大到零，测取10～15组数据，同时记录表盘文丘里流量计的压差和流量读数，并记录水温。

⒋实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。

方法二：

旧装置图见实验二中图2-2（③、④号实验装置）

1.检查流量调节阀10，压力表8的开关及真空表9的开关是否关闭（应关闭）。

2.启动离心泵，缓慢打开调节阀10至全开。

待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。

3.用阀10调节流量，测取数据的顺序可从最大流量至0，或反之，测取10～15组数据，每次测量同时记录表盘文丘里流量计的压差和流量读数，并记录水温。

4.实验结束，关闭调节阀，停泵，切断电源。

五、注意事项

1.启动心泵之前，关闭压力表和真空表的开关以免损坏压强表，并检查所有流量调节阀是否关闭。

2.测取数据时，应将回流阀全开。

3.在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和压差的数据稳定以后方可记录数据。

4.若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水槽内的水。

六、报告内容

⒈将实验数据和计算结果列在数据表格中，并以一组数据进行计算举例。

⒉在合适的坐标系上，标绘流量Vs和压差△P的关系曲线（即流量标定曲线）、流量系数C和雷诺数Re的关系曲线。

七、思考题

1、实验管路中如果积存有空气，为什么要排除?

2、U管压差计上装设的平衡阀有何作用？

在什么情况下应开着？

在什么情况下应该关闭？

3、在所学过的流量计中，哪些属于节流式流量计？

哪些属于变截面流量计？

4、用转子流量计作为标准流量计来测量流量VS，有无测量误差？

为什么？

八、附录

（一）设备主要技术数据

1、流量计性能

流量测量：

文丘里流量计文丘里喉径：

0.020m

涡轮流量计精度0.5级

实验管路管径：

0.043m，

2、离心泵性能

（1）离心泵型号：

WB70/055

流量Q=4m3/h，扬程H=8m，轴功率N=168w，电机效率为60%

（2）真空表用于泵吸入口真空度的测量

表盘真径-100mm测量范围-0.1-0MPa精度1.5级

测压位置管内径d1=0.025m

（3）压强表用于泵出口压力的测量

表盘直径-100mm测量范围0-0.25MPa精度1.5级

测压位置管内径d2=0.025m

（4）流量计涡轮流量计精度0.5级

（5）功率表型号501精度1.0级

（6）两测压口之间距离：

真空表与压强表测压口之间的垂直距离h0=0.38m

实验4离心泵性能测定实验

一、实验目的

1.熟悉离心泵的操作方法。

2.掌握离心泵特性曲线和管路特性曲线的测定方法、表示方法，加深对离心泵性能的了解。

二、实验原理及内容

（一）实验原理

1.离心泵特性曲线

离心泵是最常见的液体输送设备。

在一定的型号和转速下，离心泵的扬程H、轴功率N及效率η均随流量Q而改变。

通常通过实验测出H-Q、N-Q及η-Q关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。

特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。

泵特性曲线的具体测定方法如下：

离心泵性能的测定：

①流量VS的计算：

涡轮流量计的仪表常数K

（3-1）

②H的测定：

在泵的吸入口和压出口之间列柏努利方程

（3-2）

（3-3）

上式中

是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努力方程中其它项比较，

值很小，故可忽略。

于是上式变为：

（3-4）

将测得的

和

的值以及计算所得的

代入上式即可求得H的值勤。

③N的测定：

功率表测得的功率为电动机的输入功率。

由于泵由电动机直接带动，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=电动机的输出功率，kw。

电动机的输出功率=电动机的输入功率×电动机的效率。

泵的轴功率=功率表的读数×电动机效率，kw。

④

的测定

（3-5）

（3-6）

式中：

η—泵的效率；

N—泵的轴功率，kw

Ne—泵的有效功率，kw

H—泵的压头，m

Q—泵的流量，m3/s

ρ—水的密度，kg/m3

2.管路特性曲线

当离心泵安装在特定的管路系统中工作时，实际的工作压头和流量不仅与离心泵本身的性能有关，还与管路特性有关，也就是说，在液体输送过程中，泵和管路二者是相互制约的。

在一定的管路上，泵所提供的压头和流量必然与管路所需的压头和流量一致。

若将泵的特性曲线与管路特性曲线绘在同一坐标图上，两曲线交点即为泵在该管路的工作点。

因此，可通过改变泵转速来改变泵的特性曲线，从而得出管路特性曲线。

泵的压头H计算同上。

（二）实验内容

1.练习离心泵的操作。

2.测定某型号离心泵在一定转速下，H（扬程）、N（轴功率）、（效率）与Q（流量）之间的特性曲线。

3.测定流量调节阀某一开度下管路特性曲线。

三、实验装置及流程

实验装置及流程图参见实验二中图2-1、图2-2。

四、实验方法及步骤

方法一：

新装置图见实验二中图2-1

（一）流量计、离心泵性能的测定

1.向储水槽内注入蒸馏水。

检查流量调节阀10，压力表8的开关及真空表9的开关是否关闭（应关闭）。

2.启动离心泵，缓慢打开调节阀10至全开。

待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。

3.测取数据的顺序可从最大流量至0，或反之。

一般测15~20组数据。

4.每次测量同时记录：

涡轮流量计的频率、压力表、真空表、功率表的读数及水温。

（二）管路特性的测量

1.置流量调节阀10为某一状态（即使系统的流量为某一固定值）。

2.调节离心泵电机频率（调节范围（20~50Hz），以得到管路特性改变状态。

测取10~15组数据。

3.每改变电机频率一次，同时记录以下数据：

电机频率、涡轮流量计的频率、泵入口真空度、泵出口压强、水温。

4.实验结束，关闭调节阀，停泵，切断电源

方法二：

旧装置图见实验二中图2-2

（一）流量计、离心泵性能的测定

1.向储水槽内注入蒸馏水。

检查流量调节阀18，压力表4的开关及真空表3的开关是否关闭（应关闭）。

2.启动离心泵，缓慢打开调节阀18至全开，进行赶气泡操作。

待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。

3.用阀18调节流量，从流量为零至最大或流量从最大到零，测取10～15组数据，同时记录流量、泵入口真空度、泵出口压强、功率表读数，并记录水温。

4.实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。

（二）管路特性的测量

1.测量管路特性曲线测定时，先置流量调节阀18为某一开度，调节离心泵电机频率（调节范围20~50Hz），测取10~15组数据，同时记录电机频率、泵入口真空度、泵出口压强、流量计读数，并记录水温。

2.实验结束后，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。

五、注意事项

1.启动心泵之前，必须检查所有流量调节阀是否关闭。

2.测取数据时，应将回流阀全开。

六、报告内容

1.将实验数据和计算结果列在数据表格中，并以一组数据进行计算举例。

2.在合适的坐标系上标绘离心泵的特性曲线，并在图上标出离心泵的各种性能（泵的型号、转速和高效区）。

3.标绘本实验的管路特性曲线，并标出泵的工作点。

七、思考题

1.试分析实验数据，看一看，随着泵出口流量调节阀开度的增大，泵入口真空表读数是减少还是增加，泵出口压强表读数是减少还是增加。

为什么?

2.本实验中，为了得到较好的实验结果，实验流量范围下限应小到零，上限应尽量的大，为什么?

3.离心泵的流量，为什么可以通过出口阀来调节?

往复泵的流量是否也可采用同样的方法来调节。

为什么?

实验7填料吸收塔实验

一、实验目的

1.了解填料吸收塔的结构和吸收解吸流程；

2.观察填料塔的载液、液泛现象；

3.掌握体积吸收系数

的测定方法。

二、实验原理及内容

（一）实验原理

1．气体通过填料层的压强降

压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。

压强降与气液流量有关，不同喷淋量下填料层的压强降ΔP与空塔气速u的关系如下图所示：

ΔP，kPa

图6-1填料层的ΔP～u关系

当无液体喷淋即喷淋量L0=0时，干填料的ΔP～u的关系是直线，如图中的直线0。

当有一定的喷淋量时，ΔP～u的关系变成折线，并存在两个转折点，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”。

这两个转折点将ΔP～u关系分为三个区段：

恒持液量区、载液区与液泛区。

2．传质性能

吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，而实验测定是获取吸收系数的根本途径。

对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数将随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。

本实验所用气体混合物中氨的浓度很低（摩尔比为0．02），所得吸收液的浓度也不高，可认为气-液平衡关系服从亨利定律，可用方程式

表示。

又因是常压操作，相平衡常数m值仅是温度的函数。

⑴

可依下列公式进行计算

（6-1）

（6-2）

（6-3）

（6-4）

（6-5）

式中：

H—填料层的高度，m；

HOG—气相总传质单元高度，m；

NOG—气相总传质单元数，无因次；

y1、y2—进、出口气体中溶质组分的摩尔百分数；

ym—所测填料层两端面上气相推动力的平均值；

y2、y1—分别为填料层上、下两端面上气相推动力；

—进、出口液体中溶质组分的摩尔百分数；

—相平衡常数，无因次；

—气相总体积吸收系数，

；

—空气的摩尔流率，kmol（B）/h；

—填料塔截面积，m2。

—混合气中氨被吸收的百分率（吸收率），无因次。

（二）实验内容

1．测定干塔填料的（△P/H）─u压降性能曲线；

2．固定一液相流量，测定湿塔填料的（△P／H）─u压降性能曲线，确定液泛速度；

3．计算以

为推动力的总体积吸收系数

三、实验装置及流程

图6-2二氧化碳吸收解吸实验装置流程

1-减压阀；2-CO2钢瓶；3-CO2流量计；4-解吸塔水流量计；5-解吸塔水泵；6-吸收塔；7，20-取样阀；8-阀门；9、18-U型压差计；10-CO2进气阀；11、19-空气进气阀；12-解吸塔；13-吸收塔水流量计；14-吸收塔水泵；15-风机；16-空气流量计；17-空气旁通阀；21-阀门；22-吸收液储罐

吸收质（纯二氧化碳气体）由钢瓶经二次减压阀和转子流量计3，进入吸收塔塔底，气体由下向上经过填料层与液相水逆流接触，到塔顶经放空；吸收剂（纯水）经转子流量计13进入塔顶，再喷洒而下；吸收后溶液由塔底流入塔底液料罐中由解吸泵5经流量计4进入解吸塔，空气由16流量计控制流量进入解吸塔塔底由下向上经过填料层与液相逆流接触，对吸收液进行解吸，然后自塔顶放空，U形液柱压差计用以测量填料层的压强降。

四、实验方法及步骤

⒈测量吸收塔干填料层（△P／H）～u关系曲线（只做吸收塔）

先全开阀门17，21与进入吸收塔的空气进气阀11，将16的阀门打开少许，关闭解吸塔的空气进气阀19和阀门8，启动风机，（先全开阀17和空气流量计阀,再利用阀17调节进塔的空气流量。

空气流量按从小到大的顺序）读取填料层压降△P（U形液柱压差计9），然后在对数坐标纸上以空塔气速u为横坐标，以单位高度的压降△P／H为纵坐标，标绘干填料层（△P／H）～u关系曲线。

2.测量吸收塔在某喷淋量下填料层（△P／H）～u关系曲线

将水流量固定在20、24、32、40L／h（水的流量因设备而定），然后用上面相同方法调节空气流量，并读取填料层压降△P、转子流量计读数和流量计处空气温度，并注意观察塔内的操作现象，一旦看到液泛现象时，记下对应的空气转子流量计读数。

在对数坐标纸上标出液体喷淋量为20L／h时的（△P／H）～u关系曲线（见图2A），从图上确定液泛气速，并与观察的液泛气速相比较。

3.二氧化碳吸收传质系数的测定

吸收塔（水流量为20、24、32、40L/h）

（1）打开阀门3、8、10、17、19、20，关闭阀门4、11、13、21。

（2）调节水流量计13调到给定值，然后打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，将压力调到1MPa，二氧化碳流量一般控制在0.25m3/h左右为宜，开始吸收实验，待吸收液储罐中的液位到中间位置时打开水流量计4调节与吸收一样的流量，并随时根据吸收液储罐液位的高低来调节流量计4的大小，操作达到稳定状态之后，测量塔底的水温，同时取样，测定两塔塔顶、塔底溶液中二氧化碳的含量。

（实验时要注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计要一致，并注意吸收塔下的储料罐中的液位，对各流量计及时调节以达到实验时的操作条件不变）

（3）二氧化碳含量的测定

用移液管吸取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10mL，用胶塞塞好，并振荡。

溶液中加入2～3滴酚酞指示剂，最后用0.1M的盐酸滴定到粉红色消失的瞬间为终点。

按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度：

五、实验注意事项

1.开启CO2总阀前，要先关闭自动减压阀，开启开度不宜过大。

2.实验时要注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计要一致，并注意吸收塔下的储料罐中的液位。

3.作分析时动作迅速，以免二氧化碳溢出。

六、实验报告

1.将干、湿填料Δp～u的关系在双对数坐标纸上表示出来，确定泛点气速。

2.将实验数据整理在数据表中，并用其中一组数据写出计算过程。

七、思考题

1．综合班上各组实验数据进行分析，你认为水吸收CO2属于气膜还是液膜控制？

2．气体温度与吸收温度不同时，应按那个温度计算相平衡常数？

3．当进气浓度不变时，欲提高溶液出口浓度，可采用哪些措施？

八、附录

（一）主要设备性能参数

1．鼓风机：

XGB型旋涡气泵，型号2，最大压力1176KPa，最大流量75m3/h

2．填料塔：

玻璃管，内装10×10×1.5瓷拉西环，填料层高度Z＝0.65m，填料塔内径D＝0.035m

3．流量测量：

（1）空气转子流量计：

型号：

LZB-25；流量范围：

2.5─25m3／h；精度：

2.5％；

（2）水转子流量计：

型号：

LZB-6；流量范围：

6─60L／h；精度：

2.5％；

（3）氨转子流量计：

型号：

LZB-6；流量范围：

0.06─0.6m3／h；精度：

2.5％。

（二）数据处理

表6-1二氧化碳在水中的亨利系数E×10-5，kPa

气体

温度，℃

CO2

0.738

0.888

1.05

1.24

1.44

1.66

1.88

2.12

2.36

2.60

2.87

3.46

空塔气速：

CO2的溶解度常数为：

塔顶和塔底的平衡浓度为：

液相体积传质总系数：

表6-2干（湿）填料时△P/H～u关系测定

填料层高度H=0.65m；塔径D=0.035m；L=L/h

序号

填料层压强降mmH2O

单位高度填料层压强降

mmH2O/m

空气转子流量计读数m3/h

空塔气速m/s

现象

表6-3纯CO2吸收解吸实验数据

吸收塔

CO2流量0.25NM3/h

吸收液流量（L/h）

1组

2组

3组

4组

解吸塔

空气流量0.3-0.5NM3/h

解吸液流量（L/h）

同吸收液流量

表6-4体积吸收系数测定表

序号

被吸收的气体：

纯CO2；吸收剂：

水；

吸收液流量（L/h）

CO2流量（NM3/h）

滴定空白液HCl体积（ml）

滴定吸收液HCl体积（ml）

储槽水温（℃）

亨利常数（Pa）

C1（kmol/m3）

（kmol/m3）

C2（kmol/m3）

（kmol/m3）

（）

滴定解吸液HCl体积（ml）

解吸液浓度

实验8精馏实验

一、实验目的

1．了解精馏塔内出现的几种操作状态，并分析这些操作状态对塔性能的影响。

2．学习精馏塔性能参数的测量方法，并掌握其影响因素。

二、实验原理及内容

（一）实验原理

对于二元物系，如已知其汽液平衡数据（见表7-1），则根据精馏塔的原料液组成、进料热状况、操作回流比及塔顶馏出液组成、塔底釜液组成，可以求出该塔的理论板数

。

再根据公式（7-1）可以计算得到总板效率

，其中

为实际塔板数。

表7-1乙醇─正丙醇t-x-y关系

（均以乙醇摩尔分率表示，x-液相;y-气相；乙醇沸点:

78.3℃，正丙醇沸点:

97.2℃．）

97.60

93.85

92.66

91.60

88.32

86.25

84.98

84.13

83.06

80.50

78.38

0.126

0.188

0.210

0.358

0.461

0.546

0.600

0.663

0.884

1.0

0.240

0.318

0.349

0.550

0.650

0.711

0.760

0.799

0.914

1.0

（7-1）

本实验中，料液为乙醇质量百分浓度约15-25％的乙醇─正丙醇二元溶液，溶液浓度分析用阿贝折光仪。

折光指数与溶液浓度的关系见附录表7-2。

对30℃下质量分率与阿贝折光仪读数之间关系也可按下列回归式计算:

（7-2）

式中，

——乙醇的质量分率;

——折光仪读数（折光指数）．

由质量分率求乙醇摩尔分率（XＡ）:

（7-3）

式中，乙醇分子量

＝46；正丙醇分子量

＝60。

部分回流时,进料热状况参数的计算公式为：

（7-4）

式中，

——混合物的进料温度；

——混合物的泡点温度。

可根据物系的t-x-y关系确定；

——进料液体在平均温度

时的比热，kJ/（kmol·℃）；

——进料液体在其组成和泡点温度

下汽化潜热，kJ/kmol。

（7-5）

（7-6）

式中，

，

——分别为纯组分A和组分B在平均温度下的比热，kJ/（kg·℃）；

，

——分别为纯组分A和组分B在泡点温度下的汽化潜热，kJ/kg；

，

——分别为纯组分A和组分B在进料中的摩尔分率。

（二）实验内容

1.研究开车过程中，精馏塔在全回流条件下，塔顶温度等参数随时间的变化情况。

2.测定精馏塔在全回流和某一回流比下连续精馏时，稳定操作后的全塔理论塔板数、总板效率。

三、实验装置及流程

图7-1精馏实验装置及流程示意图

1-储料罐；2-进料泵；3-放料阀；4-料液循环阀；5-直接进料阀；6-间接进料阀；7-流量计；8-高位槽；9-玻璃观察段；10-塔身；11-塔釜取样阀；12-釜液放空阀；13-塔顶冷凝器；14-回流比控制器；15-塔顶取样阀；16-塔顶液回收罐；17-放空阀；18-塔釜出料阀；19-塔釜储料罐；20

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