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《化工原理实验》指导书

《化工原理实验》指导书

化学与材料工程系
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目 录

1.流体流动阻力测定实验……………………………………………………………1
2.离心泵性能测定实验……………………………………………………………6
3.对流给热系数测定实验……………………………………………………………9
4.洞道干燥实验…………………………………………………………………………14
5.固体流态化实验……………………………………………………………………18
6.恒压过滤常数测定实验……………………………………………………………21
7.筛板精馏塔实验…………………………………………………………………24
8.填料吸收塔实验…………………………………………………………………30
9.转盘萃取塔实验…………………………………………………………………34
10.膜分离实验………………………………………………………………………39
11.雷诺实验……………………………………………………………………………45
12.流体能量转换实验………………………………………………………………47

实验一 流体流动阻力测定实验
一、实验目的
1．掌握流体流经直管和管阀件时阻力损失的测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。
2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，将所得的λ~Re方程与公认经验关系比较。
3．测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ。
4．学会压差计和流量计的使用方法。
5．观察组成管路的各种管件、阀件，并了解其作用。
二、基本原理
流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。
1．沿程阻力
流体在水平均匀管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。即

影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量综合成准数关联式。根据因次分析，影响阻力损失的因素有，
(1)流体性质：密度ρ，粘度μ；
(2)管路的几何尺寸：管径d，管长l，管壁粗糙度ε；
(3)流动条件：流速μ。
可表示为：

组合成如下的无因次式：

令

则

式中，
——压降 Pa
hf——直管阻力损失 J/kg，
ρ——流体密度kg/m3
λ——直管摩擦系数，无因次
l——直管长度 m
d——直管内径 m
u——流体流速，由实验测定 m/s
λ——称为直管摩擦系数。滞流(层流)时，λ＝64／Re；湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度的函数，须由实验确定.
2．局部阻力
局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
(1) 当量长度法
流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号le表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时．可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为乙各种局部阻力的当量长度之和为
，则流体在管路中流动时的总阻力损失 为

(2) 阻力系数法
流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路小的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法。
即
式中，ξ——局部阻力系数，无因次；
u——在小截面管中流体的平均流速，m／s。
由于管件两侧距测压孔问的直管长度很短．引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。因此hf之值可应用柏努利方程由压差计读数求取。
三、实验装置与流程
1．实验装置

图1-1 实验装置流程图
实验装置如图1-1所示。主要部分由离心泵，不同管径、材质的管子，各种阀门或管件，转子流量计等组成。从上向下第一根为不锈钢光滑管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。第三根为不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)，用于局部阻力的测定。
倒U型压差计由左向右依次分别为：光滑管压差计、粗糙管压差计及局部阻力压差计。
本实验的介质为水，由不锈钢离心泵供给，经实验装置后的水通过地下管道流人储水箱内循环使用。
水流量用装在测试装置的转子流量计测量，直管段和管件的阻力分别用各自的倒U形压差计测量。
2．装置结构尺寸
装置结构尺寸如表1-1所示。
表1-1 装置参数
名称
材质
管内径（mm）
测试段长度（m）
装置（1）
装置（2）
光滑管
不锈钢食品管

1.2
粗糙管
镀锌铁管

1.2
局部阻力
闸阀

1.2
四、实验步骤及注意事项
1．打开阀1，关闭阀2；
2．打开水泵电源开关；
3．缓缓打开阀2，排管路里的空气，等流量稳定后，关闭阀2，给倒U型压差计的排气并准备做光滑管阻力测定实验。
4．倒U型压差计的排气方法：
这种压差计，内充空气，以待测液体为指示液，一般用于测量液体小压差的场合。其结构如图1-2示。
图1-2 倒U形管压差计
1－低压侧阀门；2－高压侧阀门；
3－进气阀门； 4－平衡阀门；
5－出水活栓
使用的具体步骤是：
l 排出系统和导压管内的气泡。关闭进气阀门3和平衡阀门4。打开高压侧阀门2、低压侧阀门1和出水活栓5，使高压侧水经过高压侧阀门2、倒U型差压计玻璃管、出水活栓排出。低压侧阀门直接经出水活栓排出系统。管路和倒U型差压计中的汽泡排完后，关闭高压侧阀门2和低压侧阀门1。
l 打开进气阀门3和平衡阀门4，排出倒U型差压计中的水。
关闭进气阀3和出水活栓5，打开高压侧阀门2和低压侧阀门1，让水进入倒U型差压计中，直到倒U型差压计中的水位高度平衡。关闭平衡阀门4，查看倒U型差压计中的水位是否平衡，平衡就可以继续进行实验，如不平衡则有漏气现象。
5．当装置确定后，根据和u的实验测定值，可计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节流量调节阀，可得一系列λ~Re的实验点，绘出λ～Re曲线。
6．缓缓打开出水阀门2，调节好一个流量，待水稳定后，正确测取压差和流量等有关参数。然后再改变不同流量，正确读取不同流量下的测取压差和流量等有关参数。
7．根据本装置特点，流量从1m³/h开始，每次改变1m³/h，测量实验数据并记录，测完数据后整理实验数据并输入实验数据处理是软件处理。
8．做完光滑管实验后，关闭阀5。
9．同理，分别打开阀4、阀3，给倒U型压差计排水后分别进行粗糙管及局部阻力实验。
10．实验结束后，应将装置中的水排放干净。

五、实验报告
1．根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ~Re曲线，对照化工原理教材上有关图形，即可估出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。
2．根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。
3．根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。
4．对实验结果进行分析讨论。
六、思考题
1．在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的流量调节阀?为什么?
2．如何检验测试系统内的空气已经被排除干净?
3．以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体?如何应用?
4．在不同设备上(包括不同管径)，不同水温下测定的λ~Re数据能否关联在同一条曲线上?

实验二 离心泵性能测定实验
一、实验目的
1. 了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用；
2. 掌握离心泵特性曲线测定方法。
3．了解压力传感器、涡轮流量计等的工作原理和使用方法。
二、基本原理
离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率η与泵的流量V之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。
1．扬程H的测定与计算
在泵进、出口取截面列柏努利方程：

式中：p1,p2——分别为泵进、出口的压强 N/m2 ρ——流体密度 kg/m3
u1, u2——分别为泵进、出口的流量m/s g——重力加速度 m/s2
当泵进、出口管径一样，且压力表和真空表安装在同一高度，上式简化为：

由上式可知：只要直接读出真空表和压力表上的数值，就可以计算出泵的扬程。
2．轴功率N的测量与计算
N=0.7W
式中，N—泵的轴功率，W
W—电机功率，W,由功率表读出。

3．效率η的计算
泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是单位时间内流体自泵得到的功，轴功率N是单位时间内泵从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。
泵的有效功率Ne可用下式计算：
Ne=HVρg
故
η=Ne/N=HVρg/N
4．转速改变时的换算
泵的特性曲线是在指定转速下的数据，就是说在某一特性曲线上的一切实验点，其转速都是相同的。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量的变化，多个实验点的转速将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为平均转速下的数据。换算关系如下：
流量
扬程
轴功率
效率
三、实验装置与流程
离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图如图1-1：
图1-1 实验装置流程图

四、实验步骤及注意事项
（一）实验步骤：
1．实验之前需要对离心泵进行灌泵，打开排水阀，打开灌水阀，往灌水口里灌水，灯排水口有水时，时，完成灌泵工作。
2．当一切准备就绪后，打开仪表电源，开启仪表。
3．水泵的启动：按下离心泵启动按钮，启动离心泵，这时离心泵启动按钮绿灯亮，开始进行离心泵实验。
4．改变闸阀1的开度调节流量，从12往流量小的方向做实验，每次改变2m³/h的流量，做到0 m³/h的流量时完成实验，记录每个流量下的实验数据。
5. 实验完毕，关闭泵的出口阀，按下仪表柜上的“水泵停止按钮”，停止水泵的运转。最后关闭仪表台上的电源开关和控制柜的总电源。

（二）实验注意事项：
1．启动泵前一定要对泵进行灌水。
2．注意检查各阀门的正确位置。
五、实验数据处理
使用数据处理软件进行实验数据处理。
六、实验报告
1．在同一张坐标纸上描绘一定转速下的H～V、N～V、η～V曲线
2．分析实验结果，判断泵较为适宜的工作范围。
3．分析离心泵串连或并连后，特性曲线的变化。
七、思考题
1. 试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？
2. 启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？
3. 为什么用泵的出口阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其他方法调节流量？
4. 泵启动后，出口阀如果打不开，压力表读数是否会逐渐上升？为什么？
5. 正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？为什么？
6. 试分析，用清水泵输送密度为1200Kg/ｍ的盐水（忽略密度的影响），在相同流量下你认为泵的压力是否变化？轴功率是否变化？

实验三 对流给热系数测定实验
一、实验目的
1． 观察水蒸气在换热管外壁上的冷凝现象，并判断冷凝类型；
2． 测定水在圆直管内对流给热系数；
3． 了解热电阻测温的方法，熟悉转子流量计的使用方法。
二、基本原理
在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以水，水蒸气冷凝放热以加热水，在传热过程达到稳定后，有如下关系式：
VρCP(t2－t1)＝αiAi(tw－t)m （1-1）
式中：V——被加热流体体积流量，m3/s；
Ρ——被加热流体密度，kg/m3；
CP——被加热流体平均比热，J/(kg·℃)；
αi——流体对内管内壁的对流给热系数，W/(m2·℃)；
t1、t2——被加热流体进、出口温度，℃；
Ai——内管的外壁、内壁的传热面积，m2；
(T－TW)m——水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃；
（1-2）
(tw－t)m——内壁与流体间的对数平均温度差，℃；
（1-3）
式中：T1、T2——蒸汽进、出口温度，℃；
Tw1、Tw2、tw1、tw2——外壁和内壁上进、出口温度，℃。
当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度很薄时，可认为Tw1＝tw1，Tw2＝tw2，即为所测得的该点的壁温。
由式（1-3）可得：
（1-4）
若能测得被加热流体的V、t1、t2，内管的换热面积Ai，以及水蒸气温度T，壁温Tw1、Tw2，则可通过式（1-4）算得实测的流体在管内的（平均）对流给热系数αi。
流体在直管内强制对流时的给热系数，可按下列半经验公式求得：
湍流时：
（1-5）
式中：αi—— 流体在直管内强制对流时的给热系数，W/ (m2·℃)；
 λ—— 流体的导热系数，W/(m2·℃)；
di—— 内管内径，m；
  Re—— 流体在管内的雷诺数，无因次；
  Pr—— 流体的普朗特数，无因次。
上式中，定性温度均为流体的平均温度，即tf = (t1 + t2) / 2。
过渡流时：
αi’＝φαi （1-6）
式中：  修正系数，
三、实验装置与流程
1．实验装置
实验装置如图1所示。
来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自水泵）的水进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷水经涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出装置外。

图1传热系数测定装置流程图
1-可移动框架 2-中间储水箱 3-液位控制浮球阀 4-涡轮流量计 5-水箱排水阀6 6-阀5 7-进水口 8-水泵 9-脚轮 10-冷凝水排放口 11-冷凝水排水阀4 12-蒸汽进汽口 13-冷凝水调节阀2 14-蒸汽调节阀3 15-冷流体出口温度 16-蒸汽压力表 17-壁面右端温度 18-排不宁性气体阀门 19-蒸汽右端温度 20-冷流体流量调节阀1 21-壁面左端温度 22-蒸汽左端温度 23-排不宁性气体阀门 24-冷流体进口温度 25-换热外套管 26-换热紫铜管27-可视视窗
2．仪表箱面板图如2所示：
图2 仪表箱面板图
1-仪表电源开关 2-变频器电源开关 3-水泵电源切换开关 4-指示灯 5-流量控制手自动切换开关就及手动控制旋钮 6-智能巡检仪7-液晶无纸记录仪 8-智能流量控制仪 9-总电源指示灯 10-控制柜总电源开关
智能流量控制仪接收液晶无知记录仪变送的流量信号，计算输出控制信号控制变频器，控制电机电源频率，从而控制液体流量；液晶无纸记录仪从1通道分别接收涡轮流量计信号，对液体流量进行智能积算显示并变送输出；智能巡检仪：1～6号通道分别为冷流体进口温度、冷流体出口温度、壁面左端温度、壁面右端温度、蒸汽左端温度、蒸汽右端温度。
2．设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：直径φ20×1.5mm，长度L=1000mm
（2）外套玻璃管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm
（3）压力表规格：0～0.1MPa
四、实验步骤与注意事项
（一）实验步骤
1．打开总电源开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。
2．打开电脑，运行“传热系数实验软件.MCG”软件，输入“班级”、“姓名”、“学号”及“装置号”（只有一台装置时为1），单击“确定”按钮，选择“传热系数测定实验”进入实验界面。
3．打开仪表台上的水泵电源开关，让水泵工作，同时打开冷流体入口阀门，让套管换热器里充有一定量的水。
4．打开冷凝水出口阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。
5．在做实验前，应打开冷凝水排水阀4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，可进行实验。
6．刚开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽进口阀3的阀门大小开度，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，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
7．当一切准备好后，调节蒸汽进口阀3的开度，把蒸汽压力调到0.01Mpa，并保持蒸汽压力不变。 （可通过调节排不宁性气体阀以及蒸汽进口阀3配合来实现。）
8．流量调节：
（1）手动调节1：可通过调节管路的进口阀1手动调节冷水流量，改变冷流体的流量到一定值，等稳定后在实验软件界面上单击“采集数据”按钮，实验软件会自动记录实验数值；改变不同流量，采集不同流量下的实验数值。
手动调节2：将“手自动切换开关”切换到手动位置，可通过调节手动调节旋钮，改变水泵电源频率，从而改变冷流体的流量到一定值，等稳定后在实验软件界面上单击“采集数据”按钮，实验软件会自动记录实验数值；改变不同流量，采集不同流量下的实验数值。
（2）自动调节：将“手自动切换开关”切换到自动位置，可通过自动调节仪表，改变水泵电源频率，调节冷水流量，改变冷流体的流量到一定值，等稳定后在实验软件界面上单击“采集数据”按钮，实验软件会自动记录实验数值；改变不同流量，采集不同流量下的实验数值。
9．记录3到8组实验数据，完成实验，关闭蒸汽进口阀与冷流体进口阀，关闭仪表电源和水泵的电源。
10．关闭蒸汽发生器。
11．打开实验数据处理软件“对流给热系数测定实验”文件夹，运行“对流给热系数测定实验”，打开该组实验数据，进行实验数据分析处理。
（二）注意事项
1．先打开排冷凝水的阀，注意只开一定的开度，开的太大会让换热桶里的蒸汽跑掉，关的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力集聚而产生玻璃管炸裂。
2．一定要在套管换热器内管输以一定量的冷流体后，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，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
3．操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa（表压）以下，否则可能造成玻璃管爆裂和填料损坏。
4.确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意惰气的排空和压力表读数的调整。
五、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．蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？
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？
4．实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？为什么？

实验四 洞道干燥实验
一、实验目的
1．熟悉常压洞道式（厢式）干燥器的构造和操作；
2．测定在恒定干燥条件（即热空气温度、湿度、流速不变、物料与气流的接触方式不变）下的湿物料干燥曲线和干燥速率曲线；
3．测定该物料的临界湿含量X0；
4．掌握有关测量和控制仪器的使用方法。
二、基本原理
当湿物料与干燥介质相接触时，物料表面的水分开始气化，并向周围介质传递。根据干燥过程中不同期间的特点，干燥过程可分为两个阶段。
第一个阶段为恒速干燥阶段。在过程开始时，由于整个物料的湿含量较大，其内部的水分能迅速地达到物料表面。因此，干燥速率为物料表面上水分的气化速率所控制，故此阶段亦称为表面气化控制阶段。在此阶段，干燥介质传给物料的热量全部用于水分的气化，物料表面的温度维持恒定（等于热空气湿球温度），物料表面处的水蒸汽分压也维持恒定，故干燥速率恒定不变。
第二个阶段为降速干燥阶段，当物料被干燥达到临界湿含量后，便进入降速干燥阶段。此时，物料中所含水分较少，水分自物料内部向表面传递的速率低于物料表面水分的气化速率，干燥速率为水分在物料内部的传递速率所控制。故此阶段亦称为内部迁移控制阶段。随着物料湿含量逐渐减少，物料内部水分的迁移速率也逐渐减少，故干燥速率不断下降。
恒速段的干燥速率和临界含水量的影响因素主要有：固体物料的种类和性质；固体物料层的厚度或颗粒大小；空气的温度、湿度和流速；空气与固体物料间的相对运动方式。
恒速段的干燥速率和临界含水量是干燥过程研究和干燥器设计的重要数据。本实验在恒定干燥条件下对帆布物料进行干燥，测定干燥曲线和干燥速率曲线，目的是掌握恒速段干燥速率和临界含水量的测定方法及其影响因素。
⒈ 干燥速率的测定
（1-1）
式中：—干燥速率，kg /（m2·h）；
—干燥面积，m2，（实验室现场提供）；
—时间间隔，h；
—时间间隔内干燥气化的水分量，kg。
⒉ 物料干基含水量
（1-2）
式中：—物料干基含水量，kg水/ kg绝干物料；
—固体湿物料的量，kg；
—绝干物料量，kg。
⒊ 恒速干燥阶段，物料表面与空气之间对流传热系数的测定
（1-3）
（1-4）
式中：—恒速干燥阶段物料表面与空气之间的对流传热系数，W/（m2·℃）；
—恒速干燥阶段的干燥速率，kg/（m2·s）；
—干燥器内空气的湿球温度，℃；
—干燥器内空气的干球温度，℃；
—℃下水的气化热，J/ kg。
⒋ 干燥器内空气实际体积流量的计算
由节流式流量计的流量公式和理想气体的状态方程式可推导出：
（1-5）
式中：—干燥器内空气实际流量，m3/ s；
—流量计处空气的温度，℃；
—常压下t0℃时空气的流量，m3/ s；
—干燥器内空气的温度，℃。
（1-6）
（1-7）
式中：C0—流量计流量系数，C0=0.67
A0—节流孔开孔面积，m2；
d0—节流孔开孔直径， d0=0.050 m；
ΔP—节流孔上下游两侧压力差，Pa；
ρ—孔板流量计处时空气的密度，kg/m3。
三、实验装置
1．装置流程
空气用风机送入电加热器，经加热的空气流入干燥室，加热干燥室中的湿毛毡后，经排出管道排入大气中。随着干燥过程的进行，物料失去的水分量由称重传感器和智能数显仪表记录下来。实验装置如图1所示。

图1 干燥装置流程图
1-风机 2-可移动实验框架 3-旁路阀 4-气路管道 5-差压传感器 6-不锈钢孔板流量计 7-电加热管 8-风 量均布器 9-支杆 10、11-干球、湿球温度传感器 12-可视门 13-精密称重传感器14-蝶阀3 15-蝶阀2 16-蝶阀1 17-总电源空气开关 18-仪表电源开关 19-风机电源开关 20-电加热管停止按钮 21-干球温度手自动切换开关及手动调节旋钮 22-干球温度自动调节仪 23-指示灯 24-电加热管启动按钮 25-加热管电压指示 26-智能多路液晶显示仪
2．仪表面板图如图2：

图1 干燥装置流程图
1-仪表电源开关 2-变频器电源开关3-风机电源切换 4-加热管停止按钮 5-加热管启动按钮 6-指示灯 7-加热管手自动转换开关及调节旋钮 8-风量手自动转换开关及调节旋钮 9-智能干球温度自动控制仪 10－液晶无纸记录仪 11-智能风量自动控制仪 12-电压指示仪 13-总电源指示灯14-总电源开关
（1）智能多路液晶显示仪的1~3通道分别为：空气流量、湿球温度、称重重量。
（2）风机电源切换开关：为3位开关，当开关打到左边位置时为直接电源给风机供电；当开关打到中间位置时为停止位置；当开关打到右边位置时为变频器输出电源给风机供电。相应上面的指示灯指示的是直接风机供电时的风机电源指示。
（3）风量控制：可通过仪表实现自动控制及调节旋钮实现手动风量控制，但风量不得低于50m3/h，否则会因为风量过小而使烧坏加热管。控制方法是：1）手动控制时，将风量手自动切换开关打到手动位置，通过调节手动旋钮即可对变频器输出控制，从而控制风机风量；2）自动控制时，将手自动切换开关打到自动位置，这时可通过仪表对变频器输出控制，从而也实现了对从而控制风机风量。
2．主要设备及仪器
（1）鼓风机：MY250W,250W
（2）电加热器：4.5KW
（3）干燥室：180mm×180mm×1250mm
（4）干燥物料：湿毛毡
（5）称重传感器：YZ108A型，0～300g。
四、实验步骤与注意事项
（一）实验步骤
1．打开仪表控制柜上的仪表电源开关，开启仪表。
2．打开仪表控制柜上的风机电源开关，开启风机，这时加热管停止按钮灯亮。
3．按下加热管启动按钮，启动加热管电源，刚开始加热时，打开加热管电源开关，可通过仪表实现自动控制及调节旋钮实现手动控制干球温度。其方法是：（1）手动控制时，将手自动切换开关打到手动位置，通过调节手动旋钮即可对加热管电压实现控制，从而控制干球温度；（2）自动控制时，将手自动切换开关打到自动位置，这时可通过仪表对加热管的电压进行控制，从而也实现了对干球温度的控制。干燥室温度（干球温度）要求恒定在70℃。
4．将毛毡加入一定量的水并使其润湿均匀，注意水量不能过多或过少。
5．当干燥室温度恒定在70℃时, 一定在老师的指导下或由老师将湿毛毡十分小心地悬挂于称重传感器下的托盘上。放置毛毡时应特别注意不能用力下拉，因称重传感器是非常精密的仪器，且其测量上限仅为300克，稍微的力均会完全损坏称重传感器导致不能再使用。
6．记录时间和毛毡和剩余水的重量，即为重量显示仪的读数，每分钟记录一次数据；每两分钟记录一次干球温度和湿球温度。
7．待毛毡恒重时，即为实验终了时，按下停止按钮，停止加热，注意保护称重传感器，一定在老师的指导下或由老师非常小心地取下毛毡。
8．等20分钟后，当干球温度降到30度左右时关闭风机电源、关闭仪表电源，清理实验设备。
（二）注意事项
1．必须先开风机，后开加热器，否则加热管可能会被烧坏。但目前该问题已从电路上解决。
2．特别注意传感器是非常精密的仪器，且其负荷量仅为300克，放取毛毡时必须十分小心，一定要在老师的指导或由老师轻拿轻放，绝对不能下拉或用力上提，否则会完全损坏称重传感器导致不能再使用。
五、思考题
1．毛毡含水是什么性质的水分？
2．实验过程中干、湿球温度计是否变化？为什么？
3．恒定干燥条件是指什么？
实验五 固体流态化实验
一、实验目的
1．观察聚式和散式流化现象；
2．掌握流体通过颗粒床层流动特性的测量方法；
3．测定床层的堆积密度和空隙率；
4．测定流化曲线（Dp~u曲线）和临界流化速度。
二、基本原理
1） 固体流态化过程的基本概念
将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似于流体的某些表观性质，这种流固接触状态称为固体流态化。而当流体通过颗粒床层时，随着流体速度的增加，床层中颗粒由静止不动趋向于松动。床层体积膨胀，流速继续增大至某一数值后，床层内固体颗粒上下翻滚，此状态的床层称为“流化床”。
床层高度L、床层压强降Δp对流化床表现流速u的变化关系如图3-9（a）、（b）所示。图中b点是固定床与流化床的分界点，也称临界点，这时的表观流速称为临界流速或称最小流化速度以umf表示。

(a) (b)
图1 流化床的L、△P对流化床表观速度u的变化关系
对于气固系统，气体和粒子密度相差大或粒子大时气体流动速度必然比较高，在这 种情况下流态化是不平稳的，流体通过床层时主要是呈大气泡形态，由于这些气泡上升和破裂，床层界面波动不定，更看不到清晰的上界面，这种气固系统的流态化称为“聚式流态化”。
对于液固系统，液体和粒子密度相差不大或粒子小、液体流动速度低的情况下，各粒子的运动以相对比较一致的路程通过床层而形成比较平稳的流动，且有相当稳定的上界面，由于固体颗粒均匀地分散在液体中，通常称这种流化状态为“散式流态化”。
2） 床层的静态特性
床层的静态特性是研究动态特征和规律的基础，其主要特征（如密度和床层空隙率）的定义和测法如下：
(1)  堆积密度和静床密度ρb=M/V（气固体系）可由床层中的颗粒质量和体积算出，它与床层的堆积松紧程度有关，要求测算出最松和最紧两种极限状况 下的数值。
(2)  静床空隙率ε=1-（ρb/ρs）
3） 床层的动态特征和规律
(1)    固定床阶段
床高基本保持不变，但接近临界点时有所膨胀。床层压降可用欧根（Ergun）公式表示。
(1—29)
式中，右边第一项为粘性阻力，第二项为空隙收缩放大而导致的局部阻力。欧根采用的系数=150,=1.75。
数据处理时，要求根据所测数据确定，值并和欧根系数比较，将欧根公式改成
（1—30）
以、u分别为纵、横坐标作图，从而求得，
〔2〕流化床阶段
流化床阶段的压降可由下式表示：
(1—31)
数据处理时要求将计算值绘在曲线图上对比讨论。
(3) 临界流化速度
可通过实验测定，目前有许多计算的经验公式。当颗粒雷诺数<5时，可用李伐公式计算：
（1—32）
式中，—颗粒平均直径
μ —流体粘度，Ns/
三、实验装置与流程
1．实验装置
该实验设备是由水、气两个系统组成，其流程如图所示。两个系统有一个透明二维床。床底部的分布板是玻璃（或铜）颗粒烧结而成的，床层内的固体颗粒是石英砂（或玻璃球）。
用空气系统作实验时，空气由风机供给，经过流量调节阀、转子流量计（或孔板流量计）、再经气体分布器进入分布板，空气流经二维床中颗粒石英砂 （或玻璃球）后从床层顶部排出。通过调节空气流量，可以进行不同流动状态下的实验测定。设备中装有压差计指示床层压降，标尺用于测量床层高度的变化。
用水系统作实验时，用泵输送的水经水调节阀、转子流量计、再经液体分布器送至分布板，水经二维床层后从床层上部溢流至下水槽。
颗粒特性及设备参数列于表1-1中。

图2 固体流态化实验装置流程图

表1-1装置的颗粒特性及设备参数表
截面积A
mm2
粒径
mm
粒重W
g
球形度
φs
颗粒密度
ρS kg/m2
188×30
0.70
1000
1.0
2490

四、实验步骤及注意事项
1．熟悉实验装置流程；
2．检查装置中各个开关及仪表是否处于备用状态；
3．用木棒轻敲床层,测定静床高度。
4．启动风机；
5．由小到大改变气(或液)量(注意:不要把床层内固体颗粒带出!),记录各压差计及流量计读数，注意观察床层高度变化及临界流化状态时的现象，记录温度。
6．再由大到小改变气（或液）量，重复步骤（5），操作应平稳细致，并记录数据。
7．关闭电源，测量静床高度，比较两次静床高度的变化。
8．在临界流化点之前必须保证有六点以上数据，且在临界流化点附近应多测几个点。
五、思考题
1．从观察到的现象，判断属于何种流化？
2．实际流化时，p为什么会波动？
3．由小到大改变流量与由大到小改变流量测定的流化曲线是否重合，为什么？
4．流体分布板的作用是什么？
实验六 恒压过滤常数测定实验
一、实验目的
1. 熟悉板框压滤机的构造和操作方法；
2. 通过恒压过滤实验,验证过滤基本原理；
3. 学会测定过滤常数K、qe、τe及压缩性指数S的方法；
4. 了解操作压力对过滤速率的影响。
二、基本原理
过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液的操作。在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固液分离。过滤操作中，随着过滤过程的进行，固体颗粒层的厚度不断增加，故在恒压过滤操作中，过滤速率不断降低。
影响过滤速率的主要因素除压强差、滤饼厚度外，还有滤饼和悬浮液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等，在低雷诺数范围内，过滤速率计算式为：
(1)
u：过滤速度，m/s K’：康采尼常数，层流时，K’＝5.0
ε：床层空隙率，m3/m3 μ：滤液粘度，Pas
a：颗粒的比表面积，m2/m3 △p：过滤的压强差，Pa
L：床层厚度，m
由此可以导出过滤基本方程式：
(2)
V：过滤体积，m3 τ：过滤时间，s
A：过滤面积，m2 Ve：虚拟滤液体积，m3
r：滤饼比阻，1/m2，r=5.0a2(1-ε)2/ε3 r’：单位压强下的比阻，1/m2，r= r’△ps
v：滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次
S：滤饼压缩性指数，无因次，一般S＝0～1，对不可压缩滤饼，S＝0
恒压过滤时，令k=1/μr’v，K=2k△p1-s，q=V/A，qe=Ve/A，对(2)式积分得：
(q+qe)2=K(τ+τe) (3)
K、q、qe三者