化工原理实验讲义部分内容

1 2 3 23.51 47.92 62.51 133.94 s 1 133.94 23.51 110.43s 1 110.43 3
q q1
以

0.0291
3.795 10 s / m
1
q q1
六.原始数据记录及数据处理范例 1、原始数据 过滤器直径 d=133mm；滤液槽面积 A=0.01m2；操作压力 P=0.08Mpa；溶液波美度 2％。
3
2.计算示例 （取第 3 组数据计算） 高度法测定过滤常数：
V aΔh 0.01 ( 0.175 0.11 ) 0.0468 m 3 / m 2 2 1 A 0.785 0.133 D 2 4 V a 0.01 ( 0.124 0.11 ) q1 1 Δh1 0.01011m 3 / m 2 2 A 0.785 0.133 D2 4 q q1 0.0468 0.0101 0.0569 m 3 / m 2 q q q1 0.0468 0.0101 0.0367 m 3 / m 2
图 1 过滤床层模型 1.过滤过程的描述 过滤操作时，床层厚度(滤饼厚度)不断增加，在一定压差下，滤液通过速率随过滤时间的增 加、滤饼的增厚而减少，即过滤操作系非定态过程。但是，由于滤饼厚度的增加是比较缓慢的， 过滤操作可作为拟定态处理。定义： u
dV dq Ad d
过滤影响因素：势能差 P，滤饼厚度 L，过滤温度 T，过滤介质特性，滤饼特性，悬浮液 的特性等。 工程处理的困难：影响过程的因素多，难以用严格的流体力学方法处理。
（6）
LA
V V (1 ) p (1 ) p
（7）
1
一并代入得： u
dV P 过程推动力 dq Ad r q 过程阻力 d
；
（8）
其中： r
K ' a 2 (1 )
p
3
K' 5 ；
恒压：
dq K d 2(q qe )
qe。同时数据处理还可以用最小二乘法计算求得 K 和 qe. 2. 因为 K
2P ，所以其值与操作压力有关，只有在恒压时，其值才是常数。本实验压力控制 r
在 0.08Mpa。 3. 过滤实验要求数据测试具有连续性，故用二只秒表交替记时的正确与否及连续计量滤液是本实 验成功的关键。 4. 随着时间的增加，滤饼厚度也增加，滤液量随时间的变化逐渐减小。 2. 实验测得的线性相关系数 R=0.9956，最大误差－4.7%。
五.思考题 1.板框过滤机的优缺点是什么？ 2.板框压滤机的操作分哪几个阶段？ 3.为什么过滤开始时，滤液常常有点浑浊，而过段时间后才变清？ 4.影响过滤速率的主要因素有哪些？当你在某一恒压下所测得的 K、qe、θe 值后，若将过 滤压强提高一倍，问上述三个值将有何变化？ 5.恒压条件下过滤，过滤速度随时间如何变化？ 6.数据处理时，为什么 q（单位过滤面积获得的滤液体积）要取平均值？ 7.根据你对过滤的认识，列举化工生产过程中的过滤装置使用情况？
1 2 3 15.42 32.81 33.75 81.98 s 1 81.98 15.42 66.56 s 1 66.56 3
q q1
以

0.0367
1.813 10 s / m
1
q q1
对q q1 作图，得一直线，取 A(4.39，1.38),B(12.17，3.20)
3.3 恒压过滤实验
一.实验目的 1.掌握过滤问题的简化工程处理方法及过滤常数的测定； 2.了解过滤设备的构造和操作方法； 3.学会用重量传感器测滤液量和量高度测滤液量的方法；
二.实验基本原理 过滤（Filtration）是利用重力或人为造成的压差使悬浮液通过某种多孔性过滤介质，将悬浮 液中的固、液两相有效地加以分离的过程，其本质上是流体流过固体颗粒床层的流动。这其中固 体颗粒对流动提供了很大的阻力， 一方面使流体沿床截面的速度分布均匀， 另一方面又造成了很 大的压降，后者是工程技术人员感兴趣的。过滤过程的特点：流体通过过滤介质和滤饼空隙的流 动乃是流体经过固定床流动的一种具体情况。 因流体通过颗粒层的流动多为爬流状态， 故单位体 积床内层所具有的颗粒表面积对流动阻力有着决定性的作用。 从固定床着手， 对于复杂的真实过 程和简化了的物理模型，假设单位床层体积内表面积相等、空隙率相等，使前后模型不失真(见 图 1 所示)。这样，可以用数学方程式加以描述，最后采用实验测定模型参数的方法来检验模型 的有效性。
对q q1 作图，得一直线，取 A(8.94，6.37),B(5.35，3.87)
k
1 4.28 3.28 10 5 0.233 10 5 s / m 2 K 14.27 9.98
K=4.29× 10-5m2/s
2 qe 1000 K
qe=1000× K/2=1000× 4.29× 10-5÷ 2=0.0215m3/m2 3.数据运算表 1.高度～时间数据处理结果
7
3.4 对流给热系数测定
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.测定空气（或水）在圆直管内强制对流给热系数 i ； 3.应用线性回归分析方法，确定关联式 Nu=ARemPr0.4 中常数 A、m 的值； 4.掌握热电阻测温的方法； 5.掌握传热过程的计算，传热速率方程式、传热量、平均温差、总传热系数的计算，了解影 响传热系数的因素和强化传热途径。
k
1 3.20 1.38 10 5 0.234 10 5 s / m 2 K 12.17 4.39
K=4.27× 10-5m2/s
2 qe 4650 K
qe=4650× K/2=4650× 4.27× 10-5÷ 2=0.00993m3/m2 重量法测定过滤常数：
q
V ΔG3 / 3.962 2.971 / 1000 0.0714 m3 / m 2 2 1 A 0.785 0.133 D 2 4
0
2.过滤问题的处理方法 （1）过滤操作是非定态操作，但由于滤饼厚度变化缓慢，可视为拟定态过程。 （2）过滤操作阻力大，流体通过颗粒床层是一种极慢流动，视为爬流，阻力损失取决于颗 粒表面积。 基于以上两个方面，将过滤过程视作“流体通过固定床的压降”问题处理。这样通过对过滤 过程的深刻理解，便能应用数学模型研究过滤过程的工程问题。 3.数学模型的步骤 (1)将复杂的真实过程简化成易于用数学方程式表达的物理模型； (2)对所得的物理模型进行数学描述，即建立数学模型； (3)通过实验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数。 4.过滤问题的数学模型方法 （1）将流体通过真实的滤饼床层的复杂过程简化为流体通过一组平行管束的简单过程，后 者一组平行管束即为简化了的物理模型，并假设前后二者： a．比表面积 a 相等； b． 空隙率 相等。 （2）数学模型的建立 对平行管束而言，流体经过平行管束的阻力损失可表示为：
4
q1
V1 ΔG1 / ( 3.559 2.971 ) / 1000 0.0423m3 / m 2 2 A 0.785 0.133 D2 4
q q1 0.0714 0.0423 0.1137 m 3 / m 2 q q1 0.0714 0.0423 0.02911m 3 / m 2
2P ； r
q e 为虚拟滤液量
（9）
其中： K
对（9）式积分：
1
q q1

2q 1 ( q q1 ) e K K
2q 1 ，截距为 e 。 K K
（10）
用
1
q q1
对 q q1 作图，直线的斜率为
三.实验装置图
2
四.实验步骤 1.按实验要求，配置一定浓度的轻质碳酸钙悬浮液，测定其悬浮液体密度，记录相应数据后 将其倒入料液桶，安装好过滤器，过滤器次序：由下至上为，底座、滤板、滤布、滤框、分布 板、盖板，随后对撬方式拧紧四个螺栓。 2.排尽计量桶中原有液体，清洗干净，保持外表面干净后在计量桶中倒入一定量的清水，使 滤液计量桶中有读数，记下高度 h0 或 G0，以便确定测量基准。关闭压力调节阀、洗涤水阀，全 开物料循环阀、压力表阀，启动泵，物料循环搅拌均匀。 3.物料循环 5 分钟后，通过压力调节阀开度调节压力为 0.03Mpa，同时打开过滤器放气阀， 进行排气。另一人两手各执一只秒表，在有第一滴滤液滴出时（或重量传感器显示仪读数开始 上升时） ，迅速启动一个秒表，待操作压力显示恒定时，再双手同时摁下二只秒表，这时一个秒 表走，另一个秒表停，并记下摁秒表时对应的滤液高度（或重量） ，这时所得的数据为恒压开始 操作的时间 τ1 和 h1（或 g1） ，经处理后可得 q1。 4.在恒压的条件下，每上升 1cm，交替启动、停止二只秒表，记时计量，至滤液每上升 1cm 时，时间超过 100 秒时，实验结束。 5.实验结束时，打开放气阀，先给过滤器泄压，然后再拆卸过滤器。滤饼回收。 6.用重量传感器测滤液量时，实验方法和步骤同上。 7.如果是计算机在线监测与数据处理，完成上述 1、2 步骤后，见到第一滴滤液流出时按下 鼠标“开始”即可。
二.实验基本原理 传热（Heat Transfer）是因存在温差而发生的热能的转移。传热是一种复杂现象。从本质上 来说，只要一个介质内或者两个介质之间存在温度差，就一定会发生传热。我们把不同类型的 传热过程称为传热模式。 物体的传热过程分为三种基本传热模式， 即: 热传导、 热对流和热辐射。 热传导，指在物质在无相对位移的情况下，物休内部具有不同温度、或者不同温度的物体 直接接触时所发生 热传导的热能传递现象。 固体中的热传导是源于晶格振动形式的原子活动。 非导体中，能量传输只依靠晶格波（声子）进行；在导体中，除了晶格波还有自由电子的平移 运动。对流传热，又称热对流，是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位 移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。对流传热可分为强迫对流和自然对流。强迫对 流，是由于外界作用推动下产生的流体循环流动。自然对流是由于温度不同密度梯度变化，重 力作用引起低温高密度流体自上而下流动，高温密度流体自下而上流动。热辐射，是一种物体 用电磁辐射的形式把热能向外散发的传热方式。它不依赖任何外界条件而进行，是在真空中最 为有效的传热方式。不管物质处在何种状态（固态、气态、液态或者玻璃态） ，只要物质有温度 （所有物质都有温度） ，就会以电磁波（也就是光子）的形式向外辐射能量。这种能量的发射是 由于组成物质的原子或分子中电子排列位置的改变所造成的。 实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如煮开水过程中，火焰对炉壁的传热，就是辐 射、对流和传导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便，人们在传 热研究中把三种传热方式分解开来，然后再加以综合。 1.对流传热工艺原理 对流传热系数 i 可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定。因为 i << o ，所以传热管内的 对流传热系数 i 热冷流体间的总传热系数 K Qi / t m si （W/m2· ℃）