1、化工原理实验教材武汉科技大学化学工程与技术学院2003 年目录实验一 流体静力学演示实验 .1实验二 流体机械能转换实验 柏努利方程演示 .4实验三 雷诺数的测定与流型观察 .7实验四 管内流体流动阻力的测定 .9实验五 离心泵性能实验 离心泵特性曲线的测定 12试验六 离心泵汽蚀、气缚的演示实验 .16试验七 传热实验 19试验八 板式精馏塔的操作及塔板效率实验 .25试验九 吸收实验 30试验十 填料塔流体力学特性实验 .35试验十一 板式塔演示实验 .38试验十二 干燥实验 401实验一 流体静力学演示实验实验目的1.通过本实验的演示，加强对静力学概念的理解；2.掌握 U 型管压力计测量
2、压力的使用方法；3.了解 U 型管压力计中不同指示液对读数的影响；基本原理压力：流体垂直作用于单位面积上的力称为压强，工业上习惯称为压力。常用压力表所示读数，即表压力（表压） ，并非表内压力的实际值，即绝对压力（绝压） ，而是表内压力比表外大气压力高出的值。两者关系为：表压 = 绝压 大气压。真空表的读数为大气压比所测压力的实际值高出的值，称为真空度（负压） 。两者关系为：真空度 = 大气压 绝压。2U 形管压差计：U 形管压差计是利用流体静力学平衡原理测流体静压力的仪器，为连通器应用的实例之一。其读数的方法以图 3.1-a 和 3.1- b 两种情况为例：(a) (b)2图 1.1 流体静力
3、学平衡示意图 图 1.1 a 表示容器内为正压，其绝对压力 gRPa图 1.1 b 表示容器内为负压，其绝对压力 a其中： P绝对压力，2mN；a 大气压，2；gR表压，2N；指示液密度，3mkg；R液位差，m；g重力加速度,2s.若将图示中指示液改为密度为 a 或 b 、 c 的液体，则有cbaR若已知 a，则可求出 b、 c实验装置(如图 1.2)3图 1.2 静力学实验装置实验步骤1.打开阀门 D，使大、小水箱内压力等于大气压。然后关上阀门 D，将小水箱置于适当位置，使大水箱内压力大于大气压，读取各个测压管的数据。2打开阀门 D，使大、小水箱内压力等于大气压。然后关上阀门 D，将小水箱置
4、于适当位置，使大水箱内压力小于大气压，读取各个测压管的数据。讨论与计算1 讨论 U 型管压力计测压原理，算出操作 1、2 两项时容器 2 内的绝对压力（2mN） 。2 如何选用 U 型管压力计内的指示液？3 测压导管长度，U 型管直径对压力计读数有无影响？4 若已知水的密度，能否通过以上操作分别求出四氯化碳和煤油的密度？5 若要测大于 2 个大气压或小于 10 OmH2的压力，此压力计是否依然适用？4实验二 流体机械能转换实验柏努利方程演示实验目的熟悉流动流体中各种能量和压头的概念及其互相转换关系，在此基础上掌握柏努利方程。基本概念1. 流体在流动时具有三种机械能：即位能，动能，压力能。这三种
5、能量可以互相转换。当管路条件改变时（如位置高低，管径大小），它们会自行转换。如果是粘度为零的理想流体，由于不存在机械能损失，因此在同一管路的任何二个截面上，尽管三种机械能彼此不一定相等，但这三种机械能的总和是相等的。2. 对实际流体来说，则因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞而消失，即转化成了热能。而转化为热能的机械能，在管路中是不能恢复的。对实际流体来说，这部分机械能相当于是被损失掉了，亦即两个截面上的机械能的总和是不相等的，两者的差额就是流体在这两个截面之间因摩擦和碰撞转换成为热的机械能。因此在进行机械能衡算时，就必须将这部分消失的机械能加到下游截面上，其和才等于流体在上
6、游截面上的机械能总和。3. 上述几种机械能都可以用测压管中的一段液体柱的高度来表示。在流体力学中，把表示各种机械能的流体柱高度称之为“压头”。表示位能的，称为位压头；表示动能的，称为动压头（或速度头）；表示压力的，称为静压头；已消失的机械能，称为损失压头（或摩擦压头）。这里所谓的“压头”系指单位重量的流体所具有的能量。4. 当测压管上的小孔（即测压孔的中心线）与水流方向垂直时，测压管内液柱高度（从测压孔算起）即为静压头，它反映测压点处液体的压强大小。测压孔处液体的位压头则由测压孔的几何高度决定。5. 当测压孔由上述方位转为正对水流方向时，测压管内液位将因此上升，所增加的液位高度，即为测压孔处液
7、体的动压头，它反映出该点水流动能的大小。这时测压管内液位总高度则为静压头与动压头之和，我们称之为“总压头”。6. 任何两个截面上位压头、动压头、静压头三者总和之差即为损失压头，它表示液体流经这两个截面之间时机械能的损失。实验装置(如图 2.1)试验设备由玻璃管、测压管、活动测压头、水槽、水泵等组成。活动测压头的小管端部封闭，管身开有小孔，小孔位置与玻璃管中心线平齐，小管与测压管相通，转动活动测压头就可以测量动、静压头。5管路分成四段，由两段不同直径的玻璃管所组成。中间相对较粗管段的内径约为 34 毫米，其余部分的内径约为 13 毫米。第四段的位置，比第三段低约 5 毫米，阀 A 供调节流量之用
8、。图 2.1 柏努利演示实验装置实验操作1. 关闭 A 阀，旋转测压管，观察并记录个测压管中的液位高度 H。2. 开动循环水泵，开阀 A 至一定大小，将测压孔转到正对水流方向及垂直水流方向，观察并记录各测压管相应的液位高度 H1。3. 不改变测压孔位置，继续开大 A 阀，观察测压管液位变化。并记录各测压管液位的相应高度 H2。记录表格操作测压点次别及H 值 1 2 3 4 5 6 阀 A 测压孔轴线方向1 H关 任意正对水流2 H1开与水流方向垂直3 H2 再开大 正对水流6与水流方向 垂直思考题(要求在实验报告上写出答案)1. 关闭 A 阀，各测压管旋转时，液位高度有无变化？这一现象说明什么
9、？这一高度的物理意义又是什么？2. 当测压孔正对水流方向时，各测压管的液位高度 H 的物理意义是什么？3. 为什么 HH1（对同一点而言）？为什么距离水槽越远，（H-H1）的差值越大？其物理意义是什么？4. 测压孔正对水流方向，开大阀 A，流速增大，动压头增大，为什么测压管的液位反而下降？5. 将测压孔由正对水流方向，转至与水流方向垂直，为什么各测压管的液位下降？下降的液位代表什么压头？2、3 两点及 4、5 两点各自下降的液位是否相等？这一现象说明了什么？7实验三 雷诺数的测定与流型观察实验目的1. 观察流动类型，测定并计算临界雷诺数 Re；2. 观察速度分布。基本原理1. 流体在管内流动时
10、，一般情况下，不是处于滞流（层流）就是处于湍流（紊流）状态。滞流时，流体质点运动互相平行，不同流体层间的质点彼此不发生穿插混合。湍流时，流体质点向各个方向作不规则运动，但流体主体仍向某一规定方向流动。判定流型的准数称为雷诺准数，以 Re 表示。圆直管中，Re2000 时属于层流；Re4000 时则属于湍流。Re 在 2000 至4000 之间时，流动处于一种过渡状态，可能为层流，也可能为湍流，或是二者交替出现，为外界条件所左右。一般情况下把滞流变为湍流的临界情况的 Re 称为上临界 Re 数。而把由湍流变为滞流的临界情况的 Re 称为下临界 Re 数。二者一般是不相等的。Re 以下式表示： d
11、uRe因为流体的粘度和密度与流体的温度有关，所以在测定 Re 数的过程中，还必须知道流体的温度，流体在管道内流动，若已知 d、，则测定出由滞流变为湍流时的临界速度即可计算出临界雷诺数 Re 的值。实验观察过程中，影响流动状态的因素很多，入口条件、有无振动现象、流量计调节速度快慢等都会对流体流动造成影响。2. 流体进入圆管，以均匀一致的速度 u 流动，由于流体粘性的影响，相邻的流体层间产生摩擦力，使流体流动速度发生变化，在垂直流体流动方向产生速度梯度 du/dy，从而形成速度分布。层流时速度分布为抛物线，湍流时则为指数曲线（顶部较平坦）。实验时，通过红墨水示踪，即可观察到不同的流动型态。实验装置
12、(如图 3.1)8图 3.1 雷诺数实验装置如图所示，实验时水由高位水槽 1 进入实验玻璃管，水量由 C 阀控制，槽内设有进水稳流装置 2 及溢流装置 3，以维持液面平稳恒定，多余的水由溢流管 4 排出，以保证 C 阀开度不变时通过实验管的水流量不变，即稳定流动。实验操作1. 打开阀 C，水由高位槽进入实验管 5，经转子流量计 6 排出。由转子流量计读出通过实验管的流量。2. 用阀 B 控制高位墨水瓶 7 的墨水注入量。装置前面附有算图，可以由流量计的读数以及水温直接查知所测的雷诺准数。这样由玻璃管观察流动状态的同时就可知道管内雷诺数的大小。9实验四 管内流体流动阻力的测定实验目的1. 测定液
13、体在直管内流动时的摩擦阻力，并确定管路一定时摩擦系数与雷诺数之间的关系；2. 熟悉压力的测量及转子流量计的构造及使用；3. 学会在双对数坐标纸上标绘 与 Re 的关系曲线。基本原理流体在管路内流动时，由于存在摩擦阻力，须克服内摩擦力作功，损失一部分能量。流体阻力可分为直管阻力与局部阻力两类。流体通过直管的阻力可用下式计算： gudlhf2将此式写为压头的形式：式中 hgp， 为压力计的压差（ m 水柱）。在一定的管路中，测定两点间的压强差，在已知 l、d、 u 的情况下，利用上两式即可求出摩擦系数 。变换流速，测出不同 Re 数下的摩擦系数，得到某一相对粗糙度时该段管路Re 的关系。为 Re
14、与 de的函数，即 =f（Re， de）。在滞流时， 与 Re 无关，对圆管而言，R64；在湍流时摩擦系数 与 Re 及 都有关。当 Re=3000100000 时，光滑管内 与 Re 的关系可用下式表示：gudlPf21025.0Re3164在完全湍流区 则与 Re 的大小无关，只受 de的影响。实验装置(如图 4.1)实验步骤1. 熟悉实验装置及流程，观察倒 U 型压差计与管道的连接状况及测压点在管道上的位置。2. 关闭 B、C、D 阀（A 阀不动），启动电泵，利用倒 U 型压差计上的放气夹和阀 D 调节压差计的液柱高度，近似稳定在压差计的中间偏上一点的位置。打开阀 C，观察转子流量计流量
15、最大时，压差计中的液位高低是否适当，直至调至适当位置为止。3. 逐渐开启 B 阀，在小流量计量程范围内，由低到高读取不同流量下压差计左右两边液柱高度。图 4.1 流体流动管路阻力实验装置114. 关闭 B 阀，逐渐开启 C 阀，调节大流量计，读取由低至高不同流量下，压差计左右两边液柱高度。5. 实验做完后关闭 B、C 阀，停止电泵，用温度计测水槽内的水温。数据整理铜管内径 d=0.013m 铜试验管长 L=1.2m水温 t =水的密度 =水的粘度 =1. 将 及 Re 的计算结果列成表格： 的计算序号流量L/h液压差计高度差R流速um/s h u 1 2 3 2. 在双对数坐标纸上标绘 与 R
16、e 的关系曲线。3. 根据 随 Re 变化情况，分析测定所用直管的 de范围。4. 思考题：本实验为什么采用倒 U 型压差计？还有什么压力计可以在本实验中应用？12实验五 离心泵性能实验离心泵特性曲线的测定实验目的1 熟悉离心泵的结构与操作；2 测定一定转速下离心泵特性曲线；3 学习离心泵特性曲线的应用。基本原理 在一定转速下，离心泵的压力 H、轴功率 N 及效率 均随实际流量 Q 的大小而改变，通常用水做实验测出 HQ、NQ 、及 Q 之间的关系，并以曲线表示，称为泵的特性曲线。泵的特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用离心泵的重要依据。 如果在泵的操作条件和选用离心泵的重要依据。 如果在泵的
17、操作中，测得其流量 Q，进、出口的压力和泵所消耗的功率（即轴功率） ，则可求得其特性曲线。1 泵的压头 H ：由动力学方程可知：H=h0+H2+H1+(u22-u12)/2g+h1-2由于两截面间管路很短，h 1-2 可忽略不计，若吸入管与压出管管径相同，则 u1=u2，上式可简化为：H=H1+H2+h0式中：H 2泵出口处压力表读数，以 mH2O 柱（表压）计；H1泵入口处压力表读数，以 mH2O 柱（真空度）计；h0压力表与真空表之间的垂直距离，本实验装置为 0.5m。当测得各点流量和对应压力表及真空表读数即可作出 HQ 曲线。2NQ 曲线 表示泵的流量 Q 和轴功率 N 轴的关系本实验中
18、不能直接测出轴功率，而是用瓦特计测得电机的输入功率：N 轴 =N 电 电 传13式中：N 电 电动机的输入功率（kW） ； 电 电动机的效率（无因次） ； 传 传动效率（无因次） 。由于 电缺乏曲线关系，本实验实际测定的是 N 电 Q 的关系曲线。3Q 曲线 表示泵的流量 Q 和 的关系。泵的效率 为泵的有用功率 Ne 和轴功率 N 轴 之比。=QH/102N 轴由于本实验没有测出轴功率，实验测出的是电机的输入功率 N 电，所以本实验只能测出 总Q 的关系曲线。 总 为泵和电机整套装置的总效率。 总 =Ne/ N 电 总 = QH/102N 电当测出泵各点的流量和对应的电机的输入功率 N 电
19、并计算出各点泵的扬程时，即可作出 总 Q 曲线。 实验装置(如图 5.1)图 5.1 离心泵性能实验装置实验步骤141 了解设备熟悉流程及所用仪表，特别是瓦特计，要学会使用的方法。2 检查轴承的润滑情况，用手转动联轴节，视其是否转动灵活。3 打开泵的灌水阀及出口阀，向泵内灌水至满，然后关闭阀门。4 调节压差计：首先开启电钮使泵运转，慢慢打开泵的出口阀，旋开双管压差计的放气阀及平衡阀，放出气体后，关闭放气阀及平衡阀，再关闭泵的出口阀门，检查压差计左右两臂是否相平，否则应重新放气。5 用泵的出口阀门调节流量，从零到最大或反之，取 810 组数据。数据处理1原始数据表 序号压力表kgf/cm2真空表
20、kgf/cm2孔板压差计mmHg瓦特计kW备注1 2 3 4 5 6 2整理数据表 序号H1mH2OH2mH2OHmH2OQm3/sNekW%1 2 3 4 5 6 3在方格坐标纸上绘出离心泵的特性曲线。4标出适宜工作区及最佳工作点。 讨论151为什么开泵前要先灌满水？开泵和关泵前为什么要先关闭泵的出口阀门？2为什么流量越大，入口处真空表的读数越大？离心泵的流量可以通过出口阀门调节，往复泵的送液能力是否也可以采用同样的方法，为什么？16试验六 离心泵汽蚀、气缚的演示实验实验目的1.观察离心泵汽蚀、气缚现象2.了解汽蚀、气缚现象产生原因及其防止方法基本原理1 气缚现象：离心泵靠离心力输送液体。离
21、心力大小，除与叶轮直径及叶轮旋转速度有关外，还与流体重度有关。若离心泵启动时，泵壳内存在大量空气，则由于空气的重度远远低于液体的重度，叶轮旋转所造成的离心力也很小，导致泵入口与水池液面间的压差太小，不能把水池内液体抽压到叶轮中心，就会发生离心泵空转却送不出液体的状况，这种现象称“气缚” 。所以，离心泵若安装在液面上方时，启动前必须先使泵体及吸入管路中充满液体（所谓“灌泵” ） 。同时，在运转过程中也要防止外界空气大量漏入，以免产生气缚。2吸上真空高度及汽蚀现象：离心泵之所以能吸取液体，是由于泵的叶轮旋转时，将液体抛向外沿，而中心形成真空，而贮槽液面上的压力却为大气压，因此，泵就依靠此压差将液体
22、压入泵内，如果输送的是水，并设叶轮进口处为绝对真空，管路阻力为零，液面上为一个标准大气压，那么最大几何吸上高度也不超过 10.33 米。图 3.7 离心泵吸上真空度参照图 3.7，列 00，11 截面间柏努利方程式：17)2(10101 fshZgup式中 Zs 为几何安装高度。设： sHgp10， s为吸上真空高度，则 10210 fss hZu由此可知，P1 愈小，Hs 愈大。但当 P1 低达 PV（输送液体的饱和蒸汽压）时，液体就要汽化，就产生汽蚀现象，使泵无法工作，所以对 P1 的降低幅度应有限制。由上式可见，P1 随着泵的几何安装高度 Zs 提高而降低，故最终应对泵的几何安装高度加以
23、限制。在离心泵的铭牌（性能表）上一般都列有允许吸上真空高度 允 许sH 和汽蚀余量 允 许h，二者均是对泵的安装高度加以限制，以避免汽蚀现象发生。如果知道 允 许s或 允 许 之一，则其允许几何安装高度可由下式计算： 1021fss hguHZ允 许允 许或 10fvasp允 许允 许 如果所输送的液体温度、重度、大气压与铭牌上规定不符，应参照有关规定校正。实验装置(如图 6.1)操作步骤(一) 汽缚现象的观察：1当泵内没有充水时，开动泵，观察能否打出水。2打开阀 A 使泵注满水，开动泵，观察能否打出水，然后微微打开阀 B，漏入空气，观察现象。18（二）汽蚀现象的观察：欲发生汽蚀，由式可知，须
24、使方程中的 P1 降低，可通过增大入口 u1 或提高 Zs，但本装置要实现这些存在技术上的困难。为了观察汽蚀现象，我们可以关小阀门 C（或开大出口阀） ，通过增大吸入管阻力 10fh，降低 P1 来实现。当逐渐头小阀门 C，由真空表上看到 Pc 不断下降（即真空度不断增加 ,读数增大） ，当下降到一定压力时，就可观察到由大量汽泡充入泵体，当汽泡达到高压区时被压破。此时压力表指针明显不稳，泵体震动，发出噪音。泵的流量，扬程显著下降，说明汽蚀现象已发生。此时，再不能关小进口阀，否则会造成泵的损坏，操作应特别小心。当开大阀门，随着真空表压力升到一定大小时，离心泵运转又恢复正常。思考题在进口阀开度不变
25、的情况下，开大出口阀，能否出现汽蚀？为什么？此时真空表读数如何变化？压力表读数时增大还是减小？为什么？图 6.1 离心泵汽蚀、气缚实验装置19试验七 传热实验实验目的1测定空气在圆形光滑直管中作湍流流动时的对流传热系数 ；2根据对流传热系数 整理出传热准数关联式 Nu=BRen，并与传热的经验公式Nu=0.023Re0.8Pr0.4 相比较。3学会整理这一类实验数据的技巧。 本实验有电加热和蒸汽加热空气进行传热两种实验装置。现分述如下：电加热空气的对流传热系数的测定实验原理：本实验为空气在电阻丝加热的铜管（铜管的规格为：222.1）内强制流动。实验目的是测定铜管内壁与流过空气间的给热系数。在铜
26、管的某一载面上，空气的温度为 t ，铜管壁面温度为 Tw ，则传热速率为 Q=A(Tw-t) ， 即为该截面上的给热系数。但在测定空气通过一定长度管道的给热系数时，因空气的温度和壁面的温度都沿空气流动方向在改变，所以给热系数为平均温度下的平均给热系数（传热速率为 Q=Atm） 。由于铜的导热系数很大，壁温可近似看作不变。若测出进出这段铜管的温度 t 进、t 出并测定铜管的壁温 Tw，即可求出对数平均温度差。 出进进出 tTtwmln根据牛顿冷却定律，在传热达到稳定后，则根据此式即可求出： mptACV 进出 )(测出空气的体积流量 V，已知管径 d 内和管长 L，可求出 Ad 内 L 从而求出
27、一定流量下的给热系数 。同时可计算出： uRe，改变流量，可得不流量下的 和 Re，根据不同流量下的 可计算出：20 duN ReneuBN4.08.23.reuPR实验装置（如图 7.1）实验步骤1先合上电加热系统的闸刀，开始加热铜管，电压用调压器控制，并调控温仪在 80，当保温层内加热到热平衡时，即可测定数据；2启动鼓风机，调节转子流量计，在转子流量计的量程范围内测 67 组数据；图 7.1 传热(电加热)实验装置图3在每组数据的测量时，待其稳定 35 分钟，再读取数据，每次读数时都应按控温计某一指示灯（一般规定为白灯）刚变化时数据为准，以消除部分误差，读取数据时要认真作好如下记录： 流量
28、次序流量计读数 换算后Tw t 进 t 出 P 表1 2 3 4 215 6 4实验结束后，先关闭转子流量计阀门及控温仪开关，然后拉下风机及加热系统的电源闸刀，并检查有无异常现象。数据整理及实验报告（1）根据各组数据求出 Re、Nu。求：Re、Nu 时 Cp、 值根据 2出进 t查出， 需根据温度、压力进行校正。求 Re 时：)273(60/29.112 出进表 tPTPa求 时：)273(609.1212 进表（ tPaTP（2）用图解法求出 Nu=BRen 中的 n 及 B，即在双对数坐标纸上以 Nu 为纵坐标，Re 为横坐标，作出一条直线，该直线的斜率即为 n，截距即为 B。 （斜率应用
29、尺量） 。由于传热经验公式 Nu=0.023Re0.8Pr0.4 中空气的准数 Pr 可查出，由此可根据 B 标出系数，求出 B/ Pr0.4 与 0.023 比较，同时校核 n 是否为 0.8 。蒸气加热空气传热系数的测定实验原理 基本原理与一同。本实验装置是在套管换热器中，内管通空气，环隙通水蒸汽。水蒸汽冷凝放出的热量使空气加热（内管的管壁为传热间隙） ，在传热达到热平衡后，有如下关系式：VCp(t 出 -t 进 )= 内 A 内 tm 内= VCp(t 出 -t 进 )/ A 内 tm22式中：V 空气体积流量V 空 =0.001233R/P(R 为孔板流量计的压力差) 为空气的密度（k
30、g/m3）此处的 要根据进、出口的温度及压力进行换算，换算分式为： )273(609.1212 进表（ tPaTPCp 空气的平均比热，由定性温度出进 t之值查出。tm内管壁与空气的对数平均温度差（） 进出 进进出 tTtwmln其中：t 出为空气出换热器的温度（） ；t 进为空气进换热器的温度（） ；Tw 为内管的壁温（） 。以上三个温度均用热电偶测量，由 Vj_36 型电位计求算。当热电偶自由端为 0热电偶热端的温度用 Ett 曲线图查出或由下式求算：t=85249018.4Et657.15-4-5 tA 内内管内表面积（m2）A 内由换热管长 L=1.224m 和管径 d=18mm 求算
31、。同时可求出相应的 Pr、Nu 准数，此处 需校正。其校正公式为：)273(60/29.112 出进表 tPTPa23 内内 dNu ， CpPr 流体在圆直管内作强制湍流时给热关系式为： 4.08.23.reuPR（公式当 Re100000， 0.7Pr120 L/d60 时适用 ）实验设备(如图 3.10) 实验装置是用两根套管换热器组成，其中一根内管是光滑管，另一根内管是螺旋槽管（详见附图） 。空气由风机送，经圆形喷嘴孔板流量计，风量调节阀，再经套管换热器排向大气。图 3.10 传热( 蒸汽加热)实验装置图操作步骤：1作好热电测温的准备工作（电位计调零） ；2打开蒸汽阀 11，通入蒸汽。
32、并打开排气阀 12，不断排除不凝性气体，当有水蒸汽喷出时即关闭。调节阀 11，使蒸汽压力稳定在 0.5 公斤（力）/厘米 2。3启动风机 1，调节阀 3，使风量由小到大变化，在流量变化的整个可测幅度内读出 6 个数据，每次在传热稳定后测出下表中的有关数据。 4实验结束，关闭蒸汽、风机，拉下电闸并检查仪表是否完好。24实验报告（1）根据所测数据，进行整理，在双对数坐标纸上以 Nu 为纵坐标，以 Re 为横坐标，作出 NuRe 图线；（2）从所作图（直）线，找出neuBRN关系式并与给热关联式相比较；（3）将光滑管与螺旋管的结果进行对比分析，提出实验结论。进口空气温度 出口空气温度壁温 空气流量序
33、号mv mv mv 孔板压差mmH2O流量 （m3/s）空气压力mmHg蒸汽压力25试验八 板式精馏塔的操作及塔板效率实验实验目的1了解筛板式精馏塔的结构；2 熟悉筛板式精馏塔的操作方法；3 测定全回流时的总塔板效率。基本原理在板式精馏塔中，混合液的蒸汽逐板上升，回流液逐板下降，气液两相在塔板上接触以实现传质，以达到分离的目的。如果在每层塔板上，离开塔板的液体组成与蒸汽组成处于平衡状态，则该塔板称为理论板。然而在实际操作的塔中，由于接触时间有限，气液两相不可能达到平衡，即实际塔板达不到一块理论板的分离效果，因此精馏塔所需要的实际板数总比理论板数多。对二元物系，全回流时，根据塔顶、塔底气液组成可
34、求出理论塔板数。理论塔板数与实际塔板数之比即为塔的总板效率 E 。数学表达式为： NEt实验装置实验装置为一小型筛板塔，共有七层塔板，板上开有 m2筛孔 12 个，塔径为 m57，板间距m68。塔底有一加热釜，装有液位计、温度计、U 型管压差计、加料接管和釜液取样考克。塔顶为一蛇管式冷凝器。冷凝液可全部回流，也可由塔顶取样管放出。另外，加热釜装有 2 千瓦电炉丝，可由调压器控制加热量（如图 8.1） 。实验方法1先检查加热釜中的料液量是否适当（应为液面计的 32高左右） 。釜内料液组成以含 20%（重量%）左右的酒精水溶液为宜。2接通电源，慢慢旋转调压器把手，使电流由小到大，电流大小由安培表指
35、示，正常操作可控制在 34 安培。注意观察塔顶、塔釜的温度变化和塔顶第一块塔板的情况，当上升蒸汽开始回流时，打开冷却水阀，其用量能将酒精蒸汽全部冷凝下来即可。但要注意勿要因冷却水过少而使蒸汽从塔顶喷出。当塔顶气液鼓泡正常，操作稳定，且待塔顶、塔釜温度恒定不变后，即可开始取样。3分别由塔顶取样管和釜底取样考克用锥型瓶接取适当试样，取样前应先取少量试样将锥型瓶冲26洗一、二遍。取样后用塞子将锥型瓶塞严，防止其中酒精挥发，并使之冷却，用比重天平称出比重，并由酒精组成比重表查得酒精重量百分浓度。数据处理根据实验所得数据计算精馏塔在一定空塔气速下的总板效率。表一 实验数据记录表温度 塔顶样品 塔底样品塔
36、顶， 塔釜，塔内压强， OmH2比重 摩尔% 重量% 比重 摩尔% 重量%总板效率 E=附：比重天平实验过程中液体的比重是利用液体比重天平来测量的，这里简单介绍它的原理和使用方法。比重天平有一个有标准体积和标准重量的测锤，事先可在上调至平衡。当它浸没于液体中时，由于受到浮力而使横梁失去平衡。此时可在横梁的 V 型槽里放置相当重量的骑码，使横梁恢复平衡，从而可求出液体比重，比重天平结构如图 3.11 所示。1-平衡调节器； 2-横粱；3- 托架；4- 重心调节器；5-玛瑙刀架； 6-支柱紧定螺钉；7-玻璃量筒；8- 测锤27图 3.11 比重天平使用方法：先将测锤（8）和玻璃量筒用纯水或酒精洗净
37、。再将支柱紧固螺钉（9）旋松，将托架（3）上到适当高度。横梁（2）置于托梁的玛瑙刀架（5）上。用等重砝码挂于横梁右端的小钩上。调整水平调节器（1）上的小螺钉松开，然后略微转动平衡调节器直至平衡为止。将等重砝码取下，换上测锤，然后将待测液体倒入玻璃量筒(7)内，使测锤浸入待测液体中央。由于液体浮力使横梁失去平衡，在横梁 V 型刻度槽与小钩上加放各种使之平衡，在横梁上骑码的总和即为所测液体的比重的值。 表二 比重天平读数方法放在小钩上与 V 型槽砝码重 1 克 100 毫克 10 毫克 1 毫克V 型槽上第 1 位代表的数 0.1 0.01 0.001 0.0001V 型槽上第 9 位代表的数 0.9 0.09 0.009 0.0009V 型槽上第 8 位代表的数 0.8 0.08 0.008 0.0008表三 乙醇水（101Kpa）的平衡数据 液相 0 1 4 8 14 18 20 25乙醇摩尔%气相 0 11.0 27.3 39.2 48.2 51.3 52.5 55.1液相 35 40 50 60 70 80 85 89.4乙醇摩尔%气相 59.5 61.4 65.7 69.8 75.5 82 85.5 89.428图 8.1 筛板式精馏塔示意图
