化工原理实验及思考题答案
-3-1．流体流动阻力的测定
一、实验目的
1．掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法。
2．测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线。
3．测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数ξ。
4．学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法。
5．识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
二、基本原理
流体通过由直管、管件（如三通和弯头等）和阀门等组成的管路系统时，由于粘性剪应力和涡流应力的
存在，要损失一定的机械能。流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时
因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。
1．直管阻力摩擦系数λ的测定
流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：
式中：λ—直管阻力摩擦系数，无因次；
d—直管内径，m；
p ∆ —流体流经l米直管的压力降，Pa；
h —单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；
ρ—流体密度，kg/m
l—直管长度，m；
u—流体在管内流动的平均流速，m/s。
滞流(层流)时，
= λ （3）
= Re （4）
式中：Re—雷诺准数，无因次；
μ—流体粘度，kg/(m·s)。
湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。
由式（2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定
p ∆ 、u、ρ、μ等参数。l、d为装置参数（装置参数表格
中给出），ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。
例如本装置采用涡轮流量计测流量，V，m
p ∆ 可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采用差压变送器和二次仪表显示。
（1）当采用倒置U型管液柱压差计时
ρ ∆ = (6)
式中：R－水柱高度，m。
（2）当采用U型管液柱压差计时
ρ ρ ∆ & =
式中：R－液柱高度，m；
ρ－指示液密度，kg/m
根据实验装置结构参数l、d，指示液密度
ρ，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验时测定的流量V、
液柱压差计的读数R，通过式(5)、(6)或(7)、(4)和式(2)求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。
2．局部阻力系数ξ的测定
局部阻力损失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造成的机械能损失看作与某一长度为
l 的同直径的管道所产生的机械能损失相
当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号
l 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，则流体在管路中流动时
的总机械能损失∑f
-5-(2) 阻力系数法
流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内流动时平均动能的某一倍数，局部阻力
的这种计算方法，称为阻力系数法。即：
式中：ξ—局部阻力系数，无因次；
p& ∆ －局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的
压降由直管阻力实验结果求取。）
ρ—流体密度，kg/m
g—重力加速度，9.81m/s
u—流体在小截面管中的平均流速，m／s。
待测的管件和阀门由现场指定。本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。
根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度
ρ，流体温度t0(查流体物性ρ、μ)，及实验
时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式(5)、(6)或(7)、(10)求取管件或阀门的局部阻力系数ξ。
三、实验装置与流程
1．实验装置
本装置是双系统的装置（即两个相同的流阻装置做在一起），所以部分实验装置如图1所示：
-6-1－水箱；2－管道泵；3－涡轮流量计；4－进口阀；5－均压阀；6－闸阀；
7－引压阀；8－压力变送器；9－出口阀；10－排水阀；11－电气控制箱
图1 实验装置流程示意图
2.实验流程
实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压
差计等所组成的。管路部分有三段并联的长直管，分别为用于测定局部阻力系数，光滑管直管阻力系数和粗
糙管直管阻力系数。测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管件(闸阀)；光滑管直管阻力的测定同
样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。
水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用差压变送器将差压信号传递给无纸记录仪。
3．装置参数
装置参数如表1所示。
管内径（mm） 测量段长度
（cm） 管路号 管内径
局部阻力 闸阀 1A 20.0 95
光滑管 不锈钢管 1B 20.0 100
粗糙管 镀锌铁管 1C 21.0 100
-7-四、实验步骤
1．泵启动：首先对水箱进行灌水，然后关闭出口阀，打开总电源和仪表开关，启动水泵，待电机转动平
稳后，把出口阀缓缓开到最大。
2.实验管路选择：选择实验管路，把对应的进口阀打开，并在出口阀最大开度下，保持全流量流动5－
3. 排气：在计算机监控界面点击”引压室排气”按钮,则差压变送器实现排气。
4．引压：打开对应实验管路的手阀,然后在计算机监控界面点击该对应,则差压变送器检测该管路压差。
5．流量调节：手控状态,变频器输出选择100,然后开启管路出口阀，调节流量，让流量从1到4m
围内变化，建议每次实验变化0.5m
/h左右。每次改变流量，待流动达到稳定后，记下对应的压差值；
自控状态，流量控制界面设定流量值或设定变频器输出值，待流量稳定记录相关数据即可。
6．计算：装置确定时，根据P ∆ 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，因此只要调节管路流量，即可得到一系列λ～Re的实验点，从而绘出λ～Re曲线。
7．实验结束：关闭出口阀，关闭水泵和仪表电源，清理装置。
五、实验数据处理
根据上述实验测得的数据填写到下表：
实验日期： 实验人员： 学号： 温度： 装置号：
直管基本参数：光滑管径 粗糙管径 局部阻力管径
序号 流量（m3/h） 光滑管压差（KPa）粗糙管压差（KPa）局部阻力压差（KPa）
六、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曲线图，即
-8-可估算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。
七、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出口阀?为什么?
2．如何检测管路中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?
5．如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?
2．流体流型雷诺演示实验
一、实验目的
1、观察流体在管内流动的两种不同流型。
2、测定临界雷诺数Rec。
二、基本原理
流体流动有两种不同型态，即层流（或称滞流，Laminarflow）和湍流（或称紊流，Turbulentflow），这
一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直
线运动，且在径向无脉动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，
从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。
流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个由各影响变量组合而成的无因次数群，故其值不会
因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则
雷诺准数可用下式表示：
= Re （11－1）
式中：Re—雷诺准数，无因次；
d—管子内径，m；
u—流体在管内的平均流速，m／s；
ρ—流体密度，kg／m
μ—流体粘度；Pa·s。
层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Rec表示。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，
当Re≤2000时为层流；当Re&4000时，圆管内已形成湍流；当Re在范围内，流动处于一种过
渡状态，可能是层流，也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为
式（11－1）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。本实验即
是通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体的流动型态。
三、实验装置及流程
实验装置如图11－1所示。主要由玻璃试验导管、流量计、流量调节阀、低位贮水槽、循环水泵、稳压
溢流水槽等部分组成，演示主管路为 2 20& φ mm硬质玻璃。
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4&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
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图11－1流体流型演示实验
1－红墨水储槽；2－溢流稳压槽；3－实验管；4－转子流量计；
5－循环泵；6－上水管；7－溢流回水管；8－调节阀；9－储水槽
实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。待水充满稳压溢流水槽
后，开启流量计后的调节阀。水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。水
流量的大小，可由流量计和调节阀调节。
示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入试验导管。细孔玻璃注射管(或注射针
头)位于试验导管人口的轴线部位。
注意：实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避免震动。
四、演示操作
（1）层流流动型态
试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，
使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。待流动稳定后．
记录主体流体的流量。此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线
-11-（2）湍流流动型态
缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。此时可观察到，
玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，
最后断裂成一段段的红色细流。当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，
进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。
3.离心泵特性曲线测定
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.了解电动调节阀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Q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，不能用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。
1．扬程H的测定与计算
取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能衡算方程：
z Σ + + + = + + +
由于两截面间的管长较短，通常可忽略阻力项
h Σ ，速度平方差也很小故可忽略，则有
( H H H + + = 表值） （1－2）
z z H & = ，表示泵出口和进口间的位差，m；和
ρ——流体密度，kg/m
g——重力加速度m/s
-12-p1、p2——分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa；
H1、H2——分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m；
u1、u2——分别为泵进、出口的流速，m/s；
z1、z2——分别为真空表、压力表的安装高度，m。
由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度差，就可计算出泵的扬程。
2．轴功率N的测量与计算
（W） （1－3）
其中，N电为电功率表显示值，k代表电机传动效率，可取 95 . 0 ＝ k 。
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是单位时间内流体经过泵时所获得的实
际功，轴功率N是单位时间内泵轴从电机得到的功，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：
g HQ Ne ρ = （1－4）
故泵效率为 % 100 & =
η （1－5）
4．转速改变时的换算
泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。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Q的变化，多个实验点的转速n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
某一定转速n&下（可取离心泵的额定转速2900rpm）的数据。换算关系如下：
= ' （1－6）
= & （1－7）
= & （1－8）
三、实验装置与流程
本实验装置为双系统（即相同的两套装置做在一起），所以离心泵特性曲线测定装置部分流程图如下：
1－水箱；2－泵进口管；3－进口压力表；4－离心泵；5－出口压力表；6－涡沦流量计；
7－电器控制箱；8－闸阀；9－水箱放空阀；10保塔接头；11—温度计；
图1实验装置流程示意图
四、实验步骤及注意事项
（一）实验步骤：
1.清洗水箱，并加装实验用水。给离心泵灌水，排出泵内气体。
2.检查电源和信号线是否与控制柜连接正确，检查各阀门开度和仪表自检情况，试开状态下检查电机和
离心泵是否正常运转。
3.实验时，逐渐打开调节阀以增大流量，待各仪表读数显示稳定后，读取相应数据。（离心泵特性实验
部分，主要获取实验参数为：流量Q、泵进口压力p1、泵出口压力p2、电机功率N电、泵转速n，及
流体温度t和两测压点间高度差H0。）
4.测取10组左右数据后，可以停泵，同时记录下设备的相关数据（如离心泵型号，额定流量、扬程和
功率等）。
（二）注意事项：
1.一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。同时注意定期对泵进行保养，防止
叶轮被固体颗粒损坏。
2.泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部位。
-14-五、数据处理
（1）记录实验原始数据如下表1：
实验日期： 实验人员： 学号： 装置号：
离心泵型号＝ ，额定流量＝ ，额定扬程＝ ，额定功率＝
泵进出口测压点高度差H0= ，流体温度t＝
泵进口压力p1
泵出口压力p2
电机功率N电
（2）根据原理部分的公式，按比例定律校合转速后，计算各流量下的泵扬程、轴功率和效率，如表2：
六、实验报告
1．分别绘制一定转速下的H～Q、N～Q、η～Q曲线
2．分析实验结果，判断泵最为适宜的工作范围。
-15-七、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，在相同流量下你认为泵的压力是否变化？轴功率
是否变化？
4.固体流态化实验
一．实验目的
1.观察聚式和散式流态化的实验现象。 2.学会流体通过颗粒层时流动特性的测量方法。
3.测定临界流化速度，并作出流化曲线图。
-16-二．基本原理
流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触而转变成类似于流体状态的操作。近年来，这种技术发展很快，
许多工业部门在处理粉粒状物料的输送、混合、涂层、换热、干燥、吸附、煅烧和气－固反应等过程中，
都广泛地应用了流态化技术。
1.固体流态化过程的基本概念
如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现三种不同的阶段，如图12－1所示。
（a）固定床 （b）流化床 （c）气力输送
图12－1流态化过程的几个阶段
固定床阶段如果流体通过颗粒床层的表观速度（即空床速度）u较低，使颗粒空隙中流体的真实速
度u1小于颗粒的沉降速度ut，则颗粒基本上保持静止不动，颗粒称为固定床。如图12－1（a）。
流化床阶段当流体的表观速度u加大到某一数值时，真实速度u1比颗粒的沉降速度ut大了，此时
床层内较小的颗粒将松动或“浮起”，颗粒层高度也有明显增大。但随着床层的膨胀，床内空隙率ε也增
大，而u1＝u/ε,所以，真实速度u1随后又下降，直至降到沉降速度ut为止。也就是说，在一定的表观速
度下，颗粒床层膨胀到一定程度后将不再膨胀，此时颗粒悬浮于流体中，床层有一个明显的上界面，与
沸腾水的表面相似，这种床层称为流化床。如图12－1（b）。
因为流化床的空袭率随流体表观速度增大而变大，因此，能够维持流化床状态的表观速度可以有一个较
宽的范围。实际流化床操作的流体速度原则上要大于起始流化速度,又要小于带出速度，而这两个临界速
度一般均由实验测出。
颗粒输送阶段如果继续提高流体的表观速度u，使真实速度u1大于颗粒的沉降速度ut，则颗粒将被
气流带走，此时床层上界面消失，这种状态称为气力输送。如图12－1（c）。
2．固体流态化的分类
流态化按其性状的不同，可以分成两类，即散式流态化和聚式流态化。
-17-散式流态化一般发生在液－固系统。此种床层从开始膨胀直到气力输送，床内颗粒的扰动程度是平缓地
加大的，床层的上界面较为清晰。
聚式流态化一般发生在气－固系统，这也是目前工业上应用较多的流化床形式。从起始流态化开始，床
层的波动逐渐加剧，但其膨胀程度却不大。因为气体与固体的密度差别很大，气流要将固体颗粒推起来
比较困难，所以只有小部分气体在颗粒间通过，大部分气体则汇成气泡穿过床层，而气泡穿过床层时造
成床层波动，它们在上升过程中逐渐长大和互相合并，到达床层顶部则破裂而将该处的颗粒溅散，使得
床层上界面起伏不定。床层内的颗粒则很少分散开来各自运动，而多是聚结成团地运动，成团地被气泡
推起或挤开。
图12－2聚式流态化
聚式流化床中有以下两种不正常现象：
腾涌现象如果床层高度与直径的比值过大，气速过高时，就容易产生气泡的相互聚合，而成为大气
泡，在气泡直径长大到与床径相等时，就将床层分成几段，床内物料以活塞推进的方式向上运动，在达
到上部后气泡破裂，部分颗粒又重新回落，这即是腾涌，又称节涌。腾涌严重地降低床层的稳定性，使
气－固之间的接触状况恶化，并使床层受到冲击，发生震动，损坏内部构件，加剧颗粒的磨损与带出。
沟流现象在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良，可在床内局部地方形成沟流。
此时，大量气体经过局部地区的通道上升，而床层的其余部分仍处于固定床阶段而未被流化（死床）。显
然，当发生沟流现象时，气体不能与全部颗粒良好接触，将使工艺过程严重恶化。
3．流化床压降与流速关系
床层一旦流化，全部颗粒处于悬浮状态。现取床层为控制体，并忽略流体与容器壁面间的摩擦力，对控
制体作力的衡算，则
pA m g mg ∆ = + （12－1）
-18-式中，p ∆－床层的压力差，N/m
A－空床截面积，m
m－床层颗粒的总质量，kg；
m－床层内流体的质量，kg。
= & （12－2）
式中，L－床层高度，m；
ρ－流体密度，kg/m
ρ －固体颗粒的密度，kg/m
将式（12－2）代入（12－1），并引用广义压力概念，整理得
∆Γ = ∆ & = & （12－3）
由于流化床中颗粒总量保持不变，故广义压差∆Γ恒定不变，与流体速度无关，在图12－3中可用一水
平线表示，如BC段所示。注意，图中BC段略向上倾斜是由于流体与器壁及分布板间的摩擦阻力随流
速增大而造成的。又由流体的机械能衡算方程可知，∆Γ数值上等于流体通过床层的阻力损失。
图12－3流化床压力降与气速关系
图中AB段为固定床阶段，由于流体在此阶段流速较低，通常处于层流状态，广义压差与表观速度的一
-19-次方成正比，因此该段为斜率等于1的直线。图中A’B段表示从流化床回复到固定床时的广义压差变化
关系，由于颗粒由上升流体中落下所形成的床层较人工装填的疏松一些，因而广义压差也小一些，故A’B
线段处在AB线段的下方。
图中CD段向下倾斜，表示此时由于某些颗粒开始为上升流体所带走，床内颗粒量减少，平衡颗粒重力
所需的压力自然不断下降，直至颗粒全部被带走。
根据流化床恒定压差的特点，在流化床操作时可以通过测量床层广义压差来判断床层流化的优劣。如果
床内出现腾涌，广义压差将有大幅度的起伏波动；若床内发生沟流，则广义压差较正常时为低。
三．实验装置和流程
该实验设备是由水、气两个系统组成的，其流程如图12-4所示。两个系统各有一透明二维床，床底部为
多孔板均布器，床层内的固体颗粒为石英砂。
图12-4固体流态化装置流程图
采用空气系统做实验时，空气由风机供给，经过流量调节阀、转子流量计、气体分布器进入分布板，空
气流经二维后由床层顶部排出。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。
采用水系统实验时，用泵输送的水经过流量调节阀、转子流量计、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。
四．实验步骤
1.检查装置中各个开关及仪表是否处于备用状态。
2.用木棒轻敲床层，目的使固体颗粒填充较紧密，然后测定静床高度。
3.启动风机或泵，由小到大改变进气量（注意，不要把床层内的固体颗粒带出！），记录压差计和流量计
读数变化。观察床层高度变化及临界流化状态时的现象。
-20-4.由大到小改变气（或液）量，重复步骤3，注意操作要平稳细致。
5. 关闭电源，测量静床高度，比较两次静床高度的变化。
6. 实验中需注意，在临界流化点前必须保证有六组以上数据，且在临界流化点附近应
多测几组数据。
五．实验报告
1.在双对数坐标纸上作出 ~u ∆Γ 曲线，并找出临界流化速度。
2.对实验中观察到的现象，运用气（液）体与颗粒运动的规律加以解释。
六．思考题
1.实际流化时，由压差计测得的广义压差为什么会波动？
2.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？
3.流化床底部流体分布板的作用是什么？
5.空气－蒸汽对流给热系数测定
一、实验目的
1、了解间壁式传热元件，掌握给热系数测定的实验方法。
2、掌握热电阻测温的方法，观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象。
3、学会给热系数测定的实验数据处理方法，了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。
二、基本原理
在工业生产过程中，大量情况下，冷、热流体系通过固体壁面（传热元件）进行热量交
换，称为间壁式换热。 如图(4－1)所示，间壁式传热过程由热流体
对固体壁面的对流传 热，
固体壁面的热传导和固 体壁面对冷流体的对流传热所组成。
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&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
图4－1间壁式传热过程示意图
-21-达到传热稳定时，有
t t A T T A
t t c m T T c m Q
1 2 2 2 2 1 1 1
α α （4－1）
式中：Q －传热量，J/s；
m1 －热流体的质量流率，kg/s；
cp1 －热流体的比热，J/(kg·℃)；
T1 －热流体的进口温度，℃；
T2 －热流体的出口温度，℃；
m2 －冷流体的质量流率，kg/s；
cp2 －冷流体的比热，J/(kg·℃)；
t1 －冷流体的进口温度，℃；
t2 －冷流体的出口温度，℃；
α1 －热流体与固体壁面的对流传热系数，W/(m
·℃)；
A1 －热流体侧的对流传热面积，m
T T& －热流体与固体壁面的对数平均温差，℃；
α2 －冷流体与固体壁面的对流传热系数，W/(m
·℃)；
A2 －冷流体侧的对流传热面积，m
t t & －固体壁面与冷流体的对数平均温差，℃；
K －以传热面积A为基准的总给热系数，W/(m
·℃)；
t ∆ －冷热流体的对数平均温差，℃；
热流体与固体壁面的对数平均温差可由式（4—2）计算，
= & （4－2）
式中：TW1 －热流体进口处热流体侧的壁面温度，℃；
TW2 －热流体出口处热流体侧的壁面温度，℃。
固体壁面与冷流体的对数平均温差可由式（4—3）计算，
= & （4－3）
式中：tW1 －冷流体进口处冷流体侧的壁面温度，℃；
tW2 －冷流体出口处冷流体侧的壁面温度，℃。
热、冷流体间的对数平均温差可由式（4—4）计算，
= ∆ （4－4）
当在套管式间壁换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以冷空气或水进行对流传热系数测定实验时，
则由式（4－1）得内管内壁面与冷空气或水的对流传热系数，
α （4－5）
实验中测定紫铜管的壁温tw1、tw2；冷空气或水的进出口温度t1、t2；实验用紫铜管的长度l、内径d2，
π = ；和冷流体的质量流量，即可计算α2。
然而，直接测量固体壁面的温度，尤其管内壁的温度，实验技术难度大，而且所测得的数据准确性差，
带来较大的实验误差。因此，通过测量相对较易测定的冷热流体温度来间接推算流体与固体壁面间的对流给
热系数就成为人们广泛采用的一种实验研究手段。
由式（4－1）得，
-23-实验测定
T T t t 、 、 、 、并查取 ( )
下冷流体对应的
c 、换热面积A，即可由上式计
算得总给热系数K。
下面通过两种方法来求对流给热系数。
1．近似法求算对流给热系数
以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为，
+ + + + = （4－7）
式中：d1－换热管外径，m；
d2 －换热管内径，m；
dm－换热管的对数平均直径，m；
b －换热管的壁厚，m；
λ －换热管材料的导热系数，W/(m· ℃)；
R －换热管外侧的污垢热阻， W K m&
R －换热管内侧的污垢热阻， W K m&
用本装置进行实验时，管内冷流体与管壁间的对流给热系数约为几十到几百 K m W .
；而管外为蒸汽冷
凝，冷凝给热系数
α可达~ K m W . 10
左右，因此冷凝传热热阻
可忽略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因
此换热管外侧的污垢热阻
也可忽略。实验中的传热元件材料采用紫铜，导热系数为383.8 K m W & ，
壁厚为2.5mm，因此换热管壁的导热热阻
可忽略。若换热管内侧的污垢热阻
R 也忽略不计，则由式（4
α （4－8）
-24-由此可见，被忽略的传热热阻与冷流体侧对流传热热阻相比越小，此法所得的准确性就越高。
2．传热准数式求算对流给热系数
对于流体在圆形直管内作强制湍流对流传热时，若符合如下范围内：Re=1.0&10
,Pr＝0.7～
120，管长与管内径之比l/d≥60,则传热准数经验式为，
Pr Re 023 . 0 Nu= （4－9）
式中：Nu－努塞尔数，
Nu ，无因次；
Re－雷诺数，
Re ，无因次；
Pr－普兰特数，
Pr ，无因次；
当流体被加热时n＝0.4，流体被冷却时n＝0.3；
α －流体与固体壁面的对流传热系数，W/(m
·℃)；
d －换热管内径，m；
λ －流体的导热系数，W/(m· ℃)；
u －流体在管内流动的平均速度，m/s；
ρ －流体的密度，kg/m
& －流体的粘度，Pa·s；
cp －流体的比热，J/(kg·℃)。
对于水或空气在管内强制对流被加热时，可将式（4－9）改写为，
& & & ⎟
m & ⎟
= （4－13）
+ + + = （4－14）
则式（4－7）可写为，
C mX Y + = （4－15）
当测定管内不同流量下的对流给热系数时，由式（4－14）计算所得的C值为一常数。管内径d2一定时，
m也为常数。因此，实验时测定不同流量所对应的
T T t t 、 、 、 ，由式（4－4）、（4－6）、（4－12）、（4－
13）求取一系列X、Y值，再在X～Y图上作图或将所得的X、Y值回归成一直线，该直线的斜率即为m。
任一冷流体流量下的给热系数α2可用下式求得，
α （4－16）
3．冷流体质量流量的测定
（1）若用转子流量计测定冷空气的流量，还须用下式换算得到实际的流量，
( ) ρ ρ ρ
V V （4－17）
式中：V' —实际被测流体的体积流量，m
ρ' —实际被测流体的密度，kg/m
；均可取 ( )
下对应水或空气的密度，见冷
流体物性与温度的关系式；
V—标定用流体的体积流量，m
ρ —标定用流体的密度，kg/m
；对水ρ＝1000kg/m
；对空气ρ＝1.205kg/m
ρf —转子材料密度，单位kg/m
于是 ρ& & =V m
（2）若用孔板流量计测冷流体的流量，则，
m V ρ = (4－19)
-26-式中，V为冷流体进口处流量计读数，ρ为冷流体进口温度下对应的密度。
4．冷流体物性与温度的关系式
在0～100℃之间，冷流体的物性与温度的关系有如下拟合公式。
（1）空气的密度与温度的关系式：
10 4.5 10 1.2916 t t ρ
（2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下
C＝1005 J/(kg·℃),
70℃以上
C＝1009 J/(kg·℃)。
（3）空气的导热系数与温度的关系式：
2 10 8 10 0.0244 t t λ
= & & + & +
（4）空气的黏度与温度的关系式：
( 2 10 5 10 1.7169 10 t t &
= & & + & + & ）
三、实验装置与流程
1．实验装置
实验装置如图4-1所示
1－旋涡式气泵；2－排气阀；3－孔板流量计；4－冷流体进气阀；5－冷流体进口温度；
6－冷流体出口温度； 7－冷流体进口侧蒸汽温度； 8－冷流体出口侧蒸汽温度；
9－冷凝水出口阀；10－压力表；11－蒸汽进口阀；12－冷凝水排水口；13－紫铜管；
-27-14－蒸汽进口；15－冷流体出口；16－换热器；17－电气控制箱
图4-1 空气-水蒸气换热流程图
来自蒸汽发生器的水蒸气进入不锈钢套管换热器环隙，与来自风机的空气在套管换热器内进行热交换，
冷凝水经疏水器排入地沟。冷空气经孔板流量计或转子流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后排出
2．设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：直径φ21&2.5mm，长度L=1000mm
（2）外套不锈钢管规格：直径φ100&5mm，长度L=1000mm
（4）铂热电阻及无纸记录仪温度显示
（5）全自动蒸汽发生器及蒸汽压力表
四、实验步骤与注意事项
（一）实验步骤
1、 打开控制面板上的总电源开关，打开仪表电源开关，使仪表通电预热，观察仪表显示是否正常。
2、 在蒸汽发生器中灌装清水至水箱的球体中部，开启发生器电源，使水处于加热状态。到达符合条
件的蒸汽压力后，系统会自动处于保温状态。
3、 打开控制面板上的风机电源开关，让风机工作，同时打开冷流体进口阀，让套管换热器里充有一
定量的空气。
4、 打开冷凝水出口阀，排出上次实验余留的冷凝水，在整个实验过程中也保持一定开度。注意开度
适中，开度太大会使换热器中的蒸汽跑掉，开度太小会使换热不锈钢管里的蒸汽压力过大而导致
不锈钢管炸裂。
5、 在通水蒸汽前，也应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，方可进行
下一步实验。
6、 开始通入蒸汽时，要仔细调节蒸汽阀的开度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐充满系统中，使系
统由“冷态”转变为“热态”，不得少于10分钟，防止不锈钢管换热器因突然受热、受压而爆裂。
7、 上述准备工作结束，系统也处于“热态”后，调节蒸汽进口阀，使蒸汽进口压力维持在
0.01MPa，可通过调节蒸汽发生器出口阀及蒸汽进口阀开度来实现。
8、 自动调节冷空气进口流量时，可通过仪表调节风机转速频率来改变冷流体的流量到一定值，在每
-28-个流量条件下，均须待热交换过程稳定后方可记录实验数值，一般每个流量下至少应使热交换过
程保持15分钟方为视为稳定；改变流量，记录不同流量下的实验数值。
9、 记录6～8组实验数据，可结束实验。先关闭蒸汽发生器，关闭蒸汽进口阀，关闭仪表电源，待
系统逐渐冷却后关闭风机电源，待冷凝水流尽，关闭冷凝水出口阀，关闭总电源。
10、打开实验软件，输入实验数据，进行后续处理。
（二）注意事项
1、先打开排冷凝水的阀1，注意只开一定的开度，开的太大会使换热器里的蒸汽跑掉，开的太小会使
换热不锈钢管里的蒸汽压力增大而使不锈钢管炸裂。
2、一定要在套管换热器内管输以一定量的空气后，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，要仔细调节蒸汽进口阀的开度，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，以防止不锈钢管因突然受热、受压而爆裂。
4、操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.02MPa（表压）以下，否则可能造成不锈钢管爆裂和填料损坏。
5、确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意蒸汽量的调节和压力表读数的调整。
五、实验数据处理
1．打开数据处理软件，在教师界面左上“设置”的下拉菜单中输入装置参数管长、管内径以及转子流
量计的转子密度。（在本套装置中，管长为1m，管内径为16mm，转子流量计的转子密度为ρf ＝
7.9 10 / kg m & ）。
2．数字型装置可以实现数据直接倒入实验数据软件，可以表格形式得到本实验所要的最终处理结果，
点“显示曲线”，则可得到实验结果的曲线对比图和拟合公式。
3. 数据输入错误，或明显不符合实验情况，程序会有警告对话框跳出。每次修改数据后，都应点击“保
存数据”，再按2步中次序，点击“显示结果”和“显示曲线”。
4. 记录软件处理结果，并可作为手算处理的对照。结束，点“退出程序”。
六、实验报告
1、冷流体给热系数的实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。
2、冷流体给热系数的准数式：
Re A Nu/Pr = ，由实验数据作图拟合曲线方程，确定
式中常数A及m。
-29-3、以( )
Nu/Pr ln 为纵坐标，( ) Re ln 为横坐标，将两种方法处理实验数据的结果标绘在
图上，并与教材中的经验式
Re . Nu/Pr = 比较。
七、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、在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？它们分别表示什么位置的密
度，应在什么条件下进行计算。
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？如果采用不同压强的蒸汽
进行实验，对α关联式有何影响？
6.连续精馏实验
一、实验目的
1. 熟悉精馏装置的流程及筛板精馏塔的结构。
2. 熟悉精馏塔的操作方法，通过操作掌握影响精馏操作的各因素之间的关系。
3. 掌握测定筛板精馏塔的全塔效率的方法。
二、实验内容
对15～25%(v)的乙醇—正丙醇溶液进行分离，掌握连续精馏装置的开车和停车操作程序和调节方法，并
在不同操作工况下测定精馏塔的理论塔板数和全塔板效率。
三、实验原理
1．精馏塔的操作
精馏塔的性能与操作有关，实验中应严格维持物料平衡，正确选择回流比和塔釜加热量（塔的蒸气速度）。
（1）根据进料量及组成、产品的分离要求，维持物料平衡
a．总物料衡算
在精馏塔的操作中，物料的总进料量应恒等于总出料量，即
F=W＋D (1)
当总物料不平衡时，最终将导致破坏精馏塔的正常操作，如进料量大于出料量，将引起淹塔；而出料量
大于进料量时，将引起塔釜干料。
b．各个组分的物料衡算
在满足总物料平衡的条件下，还应满足各个组成的物料平衡，即
FxFi=DxDi＋WxWi （2）
由上两式联立求解可知，当进料量F，进料组成xFi，以及产品的分离要求xDi，xWi一定的情况下，必须
严格保证馏出液D和釜液W的采出率为：
= & 1 （4）
由上可知，如果塔顶采出率D/F过大，即使精馏塔有足够的分离能力，在塔顶也得不到规定的合格产品。
（2）选择适宜的回流比，保证精馏塔的分离能力
回流比的大小对精馏塔的尺寸有很大影响，但对已有的精馏塔而言，塔径和塔板数已定，回流比的改变
主要影响产品的浓度、产量、塔效率及塔釜需要的加热量等。在塔板数一定的情况下，正常的精馏操作过程
要有足够的回流比，才能保证一定的分离效果，获得合格产品。一般应根据设计的回流比严格控制回流量和
馏出液量。
（1）维持正常的气液负荷量，避免发生以下不正常的操作状况：
塔内气相靠压差自下而上逐板流动，液相靠重力自上而下通过降液管而逐板流动。显然，液体是自低压
空间流至高压空间，因此，塔板正常工作时，降液管中的液面必须有足够的高度，才能克服塔板两侧的压降
而向下流动。若气液两相之一的流量增大，使降液管内流体不能顺利下流，管内液体必然积累。当管内液体
增高到越过溢流堰顶部时，两板间液体相连，该层塔板产生积液，并依次上升，最终是全塔充满液体，这种
现象称为液泛，亦称淹塔。此时全塔操作被破坏，操作时应避免液泛发生。
当回流液量一定时，塔釜加热量过大使上升蒸气量增加，气体穿过板上液层时造成两板间压降增大，使
降液管内液体不能下流而造成液泛；当塔釜加热量一定时，进料量或回流量过大，降液管的截面不足以使液
体通过，管内液面升高，也会发生液泛现象。因此操作时应随时调节塔釜加热量和进料量及回流量匹配。
b．雾沫夹带
上升气流穿过塔板上液层时，将板上液体带入上层塔板的现象成称为雾沫夹带。过量的雾沫夹带造成液
相在塔板间的反混，进而导致塔板效率严重下降。
影响雾沫夹带量的因素主要是上升气速和塔板间距。气速增加，雾沫夹带量增大；塔板间距增大，可使
雾沫夹带量减小。
在筛板精馏塔内，气液两相在塔板上应呈错流接触。但当气速较小时，部分液体会从筛孔处直接漏下，
从而影响气液在塔板上的充分接触，使塔板效率下降。严重的漏液会使塔板上不能积液而无法正常操作。
（1）全塔效率
全塔效率是筛板精馏塔分离性能的综合度量，它综合了塔板结构、物理性质、操作变量等诸因素对塔分
离能力的影响。对于二元物系，如已知其气液平衡数据（x—y图），则根据精馏塔的进料组成xF、进料温度
tF（进料热状态）、塔顶馏出液组成xD、塔底釜液组成xW及操作回流比R，即可用图解法求出理论塔板数NP，
再由求得的理论塔板数NP与实验设备的实际塔板数NT相比，即可得到该塔的全塔效率（或总板效率）E。
= &100% （5）
-31-式中 NT——理论塔板数； NP——实际塔板数。
在本实验中，精馏塔的全塔板效率是在全回流和部分回流的状态下测定的。全回流时回流比R为无穷大，
在x—y图上操作线与对角线相重合，操作线方程为yn+1=xn。
四、精馏实验装置及流程
图1精馏实验流程示意图
1-原料罐进料口;2-原料罐;3-进料泵回流阀;4-进料泵;5-电加热器;6-釜料放空阀;7-塔釜产品罐放空阀;8-釜产品
储罐;9-塔釜;10-流量计;11-顶产品罐放空阀;12-顶产品;13-塔板；
14-塔身；15-降液管;16-塔顶取样口;17-观察段;18-线圈;19-冷凝器20-塔釜取样口。
表1精馏塔的主要技术数据
降液管 材质
塔体 Φ57&3.5
筛板1.8 Φ8&1.5 紫铜
塔釜 Φ100&2 390 不锈钢
Φ57&3.5 300 不锈钢
塔釜 Φ57&3.5 300 不锈钢
转子流量计
原料预热器
填料分馏柱
馏出液受器
单管压力计
-32-冷凝器
进料、回流和产品流量分别经过不同的转子流量计计量，塔釜、塔顶和回流口温度通过铜电阻将电信号
传送给数字测温仪表，随时显示不同部位的温度，塔釜压力采用微压差计监控。
本实验取样分析方法有：
（1）色谱分析法；
（2）液体比重分析法；
（3）折光系数分析法。
五、实验方法及步骤
⒈实验前准备工作，检查工作
⑴将与阿贝折光仪配套的超级恒温水浴(用户自备)调整运行到所需的温度，并记下这个温度(例如30℃)。
⑵检查实验装置上的各个旋塞、阀门均应处于关闭状态；电流、电压表及电位器位置均应为零。
⑶配制一定浓度(质量浓度20％左右)的乙醇─正丙醇混合液(总容量6000毫升左右),然后倒入原料罐。
（或由指导教师事前做好这一步）。
⑷打开进料转子流量计的阀门，向精馏釜内加料到指定的高度(料液在塔釜总高2／3处)，而后关闭流
量计阀门。
⑸检查取样用的注射器和擦镜头纸是否准备好。
⒉实验操作
⑴全回流操作
①打开塔顶冷凝器的冷却水，冷却水量要足够大(约8升／分)。
②记下室温值，接上电源闸，按下装置上总电源开关。
③用调解电位器使加热电压为90V左右，待塔板上建立液层时,可适当加大电压(如110伏)，使塔内维持
正常操作。
④等各块塔板上鼓泡均匀后，保持加热釜电压不变，在全回流情况下稳定20分钟左右,期间仔细观察全
塔传质情况，待操作稳定后分别在塔顶、塔釜取样口用注射器同时取样，用阿贝折射仪分析样品浓度。
⑵部分回流操作
①打开塔釜冷却水，冷却水流量以保证釜馏液温度接近常温为准。
②调节进料转子流量计阀，以1.5-2.0L／h的流量向塔内加料；用回流比控制器调节回流比R＝4；馏出
液收集在塔顶容量管中。
③塔釜产品经冷却后由溢流管流出，收集在容器内。
④等操作稳定后，观察板上传质状况，记下加热电压、电流、塔顶温度等有关数据，整个操作中维持进
料流量计读数不变，用注射器取下塔顶、塔釜和进料三处样品，用折光仪分析，并记录进原料液的温度(室温)。
⒊实验结束
⑴检查数据合理后，停止加料并将将加热电压调为零，关闭回流比调节器开关。
⑵根据物系的t-x-y 关系，确定部分回流下进料的泡点温度。
⑶停止加热后10分钟，关闭冷却水，一切复原。
六、使用本实验设备应注意事项
-33-⒈本实验过程中要特别注意安全，实验所用物系是易燃物品，操作过程中避免洒落以免发生危险。
⒉本实验设备加热功率由电位器来调解，因此在加热时应注意加热千万别过快，以免发生爆沸(过冷沸
腾)，使釜液从塔顶冲出，若遇此现象应立即断电，重新加料到指定冷液面,再缓慢升电压，重新操作。升温和
正常操作中釜的电功率不能过大。
⒊开车时先开冷却水，再向塔釜供热；停车时则反之。
⒋用折光仪测浓度时，除了读取折光指数，还要记录其测量温度，并按给定的折光指数─质量百分浓度
─测量温度关系(见表2)确定质量分率(折光仪使用方法见其说明书)。
⒌为便于对全回流和部分回流的实验结果(塔顶产品和质量)进行比较，应尽量使两组实验的加热电压及
所用料液浓度相同或相近。连续开出实验时，应将前一次实验时留存在塔釜和塔顶的料液倒回原料液瓶中。
七、实验数据计算过程及结果
⒈实验数据表
表1 精馏实验数据表
实验装置：实际塔板数：10 物系：乙醇-正丙醇 折光仪分析温度：30℃
全回流：R=∞ 部分回流：R=4 进料量：
进料温度： ℃ 泡点温度： ℃
塔顶组成 塔釜组成 塔顶组成 塔釜组成 进料组成
⒉全回流下理论板数和总板效率
⑴塔顶、塔釜的质量分率和摩尔分率：
塔顶样品折光指数D
质量分率W＝58..61325
塔顶样品的摩尔分率 =
塔釜样品折光指数D
质量分率Ｗ＝58..61325
⑵理论板数和总板效率（见图2）
在平衡线和操作线之间图解理论板。
全塔效率η = =
-34-图2 全回流理论板数的图解法
⒊部分回流（R=4）下的理论板数和总板效率
⑴塔顶、塔釜、进料的质量分率和摩尔分率
塔顶样品折光指数D
n ＝ ；质量分率 D
W= ；摩尔分率 D
塔釜样品折光指数D
n ＝ ；质量分率 W
W= ；摩尔分率W
进料样品折光指数D
n ＝ ；质量分率 F
W= ；摩尔分率 F
⑵进料热状况q
t ＝ ℃ 在F
X ＝ 下泡点温度
t = ℃
平均温度 =
t 下的比热
Cp = （kJ/kg.℃）（
=111.96J/mol.K）
t 下的比热 2
Cp= （kJ/kg.℃）（
=141.00J/mol.K）
t 下的汽化潜热1
r = （kJ/kg）(沸点气化热38.74kJ/mol)
t 下的汽化潜热2
r = （kJ/kg）(沸点气化热41.76kJ/mol)
混合液体比热 m
P F B P F A
c x M c x M & & & + & & = （kJ/kmol·℃）
-35-混合液体汽化潜热m
) 1 ( r x M r x M
& & & + & & = （kJ/kmol）
⑶理论板数和总板效率
在平衡线和精馏段操作线、提馏段操作线之间图解理论板板数。
全塔效率η = =
图3 部分回流理论板数的图解法
八、思考题
1．其它条件不变，只改变回流比对塔的性能有何影响？
2．查取进料液的汽化潜热时定性温度如何取？
3．进料状态对精馏塔操作有何影响？确定q线需测定哪几个量？
4．全回流操作在生产中有何实际意义？
5．本实验中，进料状况为冷态进料，当进料量太大时，为什么会出现精馏段干板，甚至出现塔顶既无
回流也无出料的现象？应如何调节？
-36-九、附录
1.乙醇～正丙醇混合液的t-x-y 关系图
表1 乙醇～正丙醇混合液的t-x-y 关系
（x表示液相中乙醇摩尔分率，y表示气相中乙醇摩尔分率）
t 97.60 93.85 92.66 91.60 88.32 86.25 84.98 84.13 83.06 80.50
x 0 0.126 0.188 0.210 0.358 0.461 0.546 0.600 0.663 0.884 1.0
y 0 0.240 0.318 0.349 0.550 0.650 0.711 0.760 0.799 0.914 1.0
乙醇沸点：78.3℃；正丙醇沸点：97.2℃。
2. 温度─折光指数─液相组成之间的关系
表2 温度─折光指数─液相组成之间的关系
253 35℃
0 1.9 1.3790
-37-0.0 1.0
1.000 1.4 1.3551
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：
Ｗ＝58..61325
其中Ｗ为乙醇的质量分率，
n 为折光仪读数(折光指数)。
由质量分率求摩尔分率 A
X ：乙醇分子量 A
M＝46；正丙醇分子量 B
7.填料塔吸收传质系数的测定
一、实验目的
1．了解填料塔吸收装置的基本结构及流程；
2．掌握总体积传质系数的测定方法；
5．了解气相色谱仪和六通阀的使用方法。
二、基本原理
气体吸收是典型的传质过程之一。由于CO2气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验常选择CO2作为
溶质组分。本实验采用水吸收空气中的CO2组分。一般CO2在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的CO2
气体通入空气中混合以提高空气中的CO2浓度，水中的CO2含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度
-38-来处理，并且此体系CO2气体的解吸过程属于液膜控制。因此，本实验主要测定Kxa和HOL。
i. 计算公式
填料层高度Z为
式中： L 液体通过塔截面的摩尔流量，kmol/(m
Kxa 以△X为推动力的液相总体积传质系数，kmol/(m
HOL 液相总传质单元高度，m；
NOL 液相总传质单元数，无因次。
令：吸收因数A=L/mG
] ) 1 ln[(
ii. 测定方法
（1）空气流量和水流量的测定
本实验采用转子流量计测得空气和水的流量，并根据实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和
水的摩尔流量。
（2）测定填料层高度Z和塔径D；
（3）测定塔顶和塔底气相组成y1和y2；
（4）平衡关系。
本实验的平衡关系可写成
y=mx & & &
式中：m 相平衡常数，m=E/P；
E 亨利系数，E＝f(t)，Pa，根据液相温度由附录查得；
P 总压，Pa，取1atm。
对清水而言，x2=0,由全塔物料衡算
x x L y y G & = & 可得x1 。
三、实验装置
1〕装置流程
-39-1、2、13－球阀；3－气体流量调节阀；4－液体流量调节阀；5－孔板流量计；6－涡轮流量计；7
－喷淋头；8、11－填料层；9－液体再分布器；10－塔底；11－支撑板；12－压差计；14－气压表；
15－二氧化碳转子流量计；16－气体混合罐
图5-1 吸收装置流程图
本实验装置流程：由自来水源来的水送入填料塔塔顶经喷头喷淋在填料顶层。由风机送来的空气和由二
氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后，一起进入气体中间贮罐，然后再直接进入塔底，与水在塔内进行逆流接触，
进行质量和热量的交换，由塔顶出来的尾气放空，由于本实验为低浓度气体的吸收，所以热量交换可略，整
个实验过程看成是等温操作。
2〕主要设备
（1）吸收塔：高效填料塔，塔径100mm，塔内装有金属丝网波纹规整填料或θ环散装填料，填料层总
高度2000mm.。塔顶有液体初始分布器，塔中部有液体再分布器，塔底部有栅板式填料支承装置。填料塔底
部有液封装置，以避免气体泄漏。
（2）填料规格和特性：金属丝网波纹规整填料：型号JWB—700Y，规格φ100&100mm，比表面积
（3）转子流量计：
常用流量 最小刻度 标定介质 标定条件
/h 空气 20&#3&10
CO2 60L/h 10L/h 空气 20&#3&10
水 600L/h 20L/h 水 20&#3&10
（4）空气风机：型号：旋涡式气泵 （5）二氧化碳钢瓶； （6）气相色谱仪分析。
-40-四、实验步骤与注意事项
1．实验步骤
&（1）熟悉实验流程及弄清气相色谱仪及其配套仪器结构、原理、使用方法及其注意事项；
&（2）打开混合罐底部排空阀，排放掉空气混合贮罐中的冷凝水；
&（3）打开仪表电源开关及风机电源开关，进行仪表自检；
&（4）开启进水阀门，让水进入填料塔润湿填料，仔细调节液体转子流量计，使其流量稳定在某一实验值。
（塔底液封控制：仔细调节阀门2的开度，使塔底液位缓慢地在一段区间内变化，以免塔底液封过高溢满或
过低而泄气）；
&（5）启动风机，打开CO2钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀；
&（6）仔细调节风机出口阀门的开度（并调节CO2调节转子流量计的流量，使其稳定在某一值；）
&（7）待塔中的压力靠近某一实验值时，仔细调节尾气放空阀14的开度，直至塔中压力稳定在实验值；
&（8）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数及通过温度、压差计、压力表上读取各温度、压力、塔顶塔底
压差读数，通过六通阀在线进样，利用气相色谱仪分析出塔顶、塔底气相组成；
&（9）实验完毕，关闭CO2钢瓶和转子流量计、水转子流量计、风机出口阀门，再关闭进水阀门，及风机电
源开关，（实验完成后我们一般先停止水的流量再停止气体的流量，这样做的目的是为了防止液体从进气口倒
压破坏管路及仪器）清理实验仪器和实验场地。
2）注意事项
&（1）固定好操作点后，应随时注意调整以保持各量不变。
&（2）在填料塔操作条件改变后，需要有较长的稳定时间，一定要等到稳定以后方能读取有关数据。
五、实验报告
1)将原始数据列表。
2）在双对数坐标纸上绘图表示二氧化碳解吸时体积传质系数、传质单元高度与气体流量的关系。
3）列出实验结果与计算示例。
六、思考题
1．本实验中，为什么塔底要有液封？液封高度如何计算？ 2．测定Kxa有什么工程意义？
3．为什么二氧化碳吸收过程属于液膜控制？
4．当气体温度和液体温度不同时，应用什么温度计算亨利系数？
-41-填料吸收塔实验装置仪表参数
(安徽建筑学院)
无纸记录仪 C1000 (仪表一)
单位 m³/h 类型: Fr 滤波: 0.0S 量程0～1444m³/h 流量Y
流量模式Q=fρ/k K=240 ρ=1 量程0～6
输入CH2 单位 ℃ 类型:Pt100 滤波 :0.0S 量程0～100℃ 流量N
通讯 通讯地址 006
波特率: 9600
无纸记录仪C1000 (仪表二)
单位 m³/h 类型4-20mA 滤波 0.0S 量程0～40m³/h 流量Y
K ΔPρ Q = 流 量 模 式
K=44 ρ=1.21 量程0～10
输入CH2 单位℃ 类型Pt100 滤波 0.0S 量程0～100℃ 流量N
通讯 通讯地址 007 波特率 : 9600
8.液& 液转盘萃取
一、实验目的
1.了解转盘萃取塔的基本结构、操作方法及萃取的工艺流程。
2.观察转盘转速变化时，萃取塔内轻、重两相流动状况，了解萃取操作的主要影响因素，研究萃取操作
条件对萃取过程的影响。
3.掌握每米萃取高度的传质单元数
N 、传质单元高度
H 和萃取率η的实验测法。
-42-二、基本原理
萃取是分离和提纯物质的重要单元操作之一，是利用混合物中各个组分在外加溶剂中的溶解度的差异而
实现组分分离的单元操作。使用转盘塔进行液－液萃取操作时，两种液体在塔内作逆流流动，其中一相液体
作为分散相，以液滴形式通过另一种连续相液体，两种液相的浓度则在设备内作微分式的连续变化，并依靠
密度差在塔的两端实现两液相间的分离。当轻相作为分散相时，相界面出现在塔的上端；反之，当重相作为
分散相时，则相界面出现在塔的下端。
1.传质单元法的计算
计算微分逆流萃取塔的塔高时，主要是采取传质单元法。即以传质单元数和传质单元高度来表征，传质
单元数表示过程分离程度的难易，传质单元高度表示设备传质性能的好坏。
N H H & = （6-1）
式中，H－萃取塔的有效接触高度，m；
H －以萃余相为基准的总传质单元高度，m；
N －以萃余相为基准的总传质单元数，无因次。
N 计算式为
x －原料液的组成，kgA/kgS；
x －萃余相的组成，kgA/kgS；
x －塔内某截面处萃余相的组成，kgA/kgS；
* x －塔内某截面处与萃取相平衡时的萃余相组成，kgA/kgS。
当萃余相浓度较低时，平衡曲线可近似为过原点的直线，操作线也简化为直线处理，如图6－1所示。
图6－1萃取平均推动力计算示意图
则积分式（6－2）得
x ∆ 为传质过程的平均推动力，在操作线、平衡线作直线近似的条件下为
( / ) ( *) ( 0)
( *) ( / )
∆ = =
式中，k－分配系数，例如对于本实验的煤油苯甲酸相－水相，k＝2.26；
y －萃取相的组成，kgA/kgS。
y ，分别在实验中通过取样滴定分析而得，
y 也可通过如下的物料衡算而得
x R y E S x F
& + & = & + &
式中，F－原料液流量，kg/h；
S－萃取剂流量，kg/h；
E－萃取相流量，kg/h；
-44-R－萃余相流量，kg/h。
对稀溶液的萃取过程，因为 , F R S E = = ，所以有
本实验中，取F/S＝1/1（质量流量比），则式（6－6）简化为
y x x = & （6－7）
2.萃取率的计算
萃取率η为被萃取剂萃取的组分A的量与原料液中组分A的量之比
对稀溶液的萃取过程，因为F R = ，所以有
3.组成浓度的测定
对于煤油苯甲酸相－水相体系，采用酸碱中和滴定的方法测定进料液组成
x 、萃余液组成
x 和萃取液
y ，即苯甲酸的质量分率，具体步骤如下：
(1)用移液管量取待测样品25ml，加1－2滴溴百里酚兰指示剂；
(2)用KOH-CH
OH溶液滴定至终点，则所测浓度为
& ∆ &
x （6-10）
式中, N－KOH-CH
OH溶液的当量浓度，N/ml；
V ∆ －滴定用去的KOH-CH
OH溶液体积量，ml。
此外，苯甲酸的分子量为122g/mol，煤油密度为0.8g/ml，样品量为25ml。
(3)萃取相组成
y 也可按式（6－7）计算得到。
-45-三、实验装置与流程
1－轻相槽；2－萃余相（回收槽）；3－电机搅拌系统；4－电机控制箱；5－萃取塔；
6－水流量计；7－重相槽；8－水泵；9－煤油流量计；10－煤油泵；11－萃取相出口
图6－2 转盘萃取实验装置图
本装置操作时应先在塔内灌满连续相——水，然后开启分散相——煤油（含有饱和苯甲酸），待分散相在
塔顶凝聚一定厚度的液层后，通过连续相的&管闸阀调节两相的界面于一定高度，对于本装置采用的实验物
料体系，凝聚是在塔的上端中进行（塔的下端也设有凝聚段）。本装置外加能量的输入，可通过直流调速器来
调节中心轴的转速。
四、实验步骤
1．将煤油配制成含苯甲酸的混合物（配制成饱和或近饱和），然后把它灌入轻相槽内。注意：勿直接在
槽内配置饱和溶液，防止固体颗粒堵塞煤油输送泵的入口。
2．接通水管，将水灌入重相槽内，用磁力泵将它送入萃取塔内。注意：磁力泵切不可空载运行。
3．通过调节转速来控制外加能量的大小，在操作时转速逐步加大，中间会跨越一个临界转速（共振点），
一般实验转速可取500转。
4．水在萃取塔内搅拌流动，并连续运行5min后，开启分散相——煤油管路，调节两相的体积流量一般
在20～40L/h范围内，根据实验要求将两相的质量流量比调为1:1。注：在进行数据计算时，对煤油
转子流量计测得的数据要校正，即煤油的实际流量应为 测 校 V V
= ，其中测 V 为煤油流量计上
的显示值。
-46-5．待分散相在塔顶凝聚一定厚度的液层后，再通过连续相出口管路中Π形管上的阀门开度来调节两相
界面高度，操作中应维持上集液板中两相界面的恒定。
6．通过改变转速来分别测取效率η或H
OR从而判断外加能量对萃取过程的影响。
7.取样分析。采用酸碱中和滴定的方法测定进料液组成
x 、萃余液组成
x 和萃取液组成
y ，即苯甲
酸的质量分率，具体步骤如下：
(1)用移液管量取待测样品25ml，加1－2滴溴百里酚兰指示剂；
(2)用KOH-CH
OH溶液滴定至终点，则所测浓度为
& ∆ &
式中, N－KOH-CH
OH溶液的当量浓度，N/ml；
V ∆ －滴定用去的KOH-CH
OH溶液体积量，ml。
此外，苯甲酸的分子量为122g/mol，煤油密度为0.8g/ml，样品量为25ml。
(3)萃取相组成
y 也可按式（6－7）计算得到。
五、实验报告
1．测定不同转速下的萃取效率，传质单元高度。
2．以煤油为分散相，水为连续相，进行萃取过程的操作。
实验数据纪录：氢氧化钾的当量浓度N
KOH ＝ N/ml
-47-六、转盘萃取实验装置分析配套的仪器及药品
1.萃取分析方法：
所需仪器：
碱式滴定管，50ml，一支；
滴定管夹子和支架，一付；
移液管，25ml，一支；
三角烧杯，100ml，若干个；
烧杯，200ml，若干个；
分析天平，0.1mg，一台；
烘箱，一台；
电炉，一个；
指示剂瓶及滴管，二套；
量筒，50mL，一个；
洗尔球一个；
胶头滴管若干；
所需试剂：
无水乙醇： 分析纯；
甲 醇： 分析醇；
氢氧化钾： 分析纯；
酚 酞： 分析纯；
溴百里酚蓝：分析纯；
邻苯二甲酸氢钾：基准物；
酚酞指示剂配制：浓度为0.1%的90%乙醇溶液；
溴百里酚蓝指示剂配制：浓度为0.1%的20%乙醇溶液；
（1）首先配置0.01mol/L的KOH甲醇标准溶液
称取0.28g的KOH溶于500ml的甲醇中。
（2）KOH标准溶液标定
用分析天平准确称取约0.05g上述邻苯二甲酸氢钾基准物，加20ml新煮沸过的去离子水，使之完全
溶解，加2滴酚酞指示液，用待定的0.01mol/L的KOH甲醇标准溶液滴定至终点（由无色变红色，即达
-48-终点），记录KOH甲醇标准溶液消耗的体积，计算其实际浓度：
) ( 22 . 204
N －KOH标准溶液的当量浓度，mol/L；
V ——KOH标准溶液消耗的体积，ml；
W ——邻苯二甲酸氢钾质量，g；
204.22——邻苯二甲酸氢钾相对分子量。
（3）原料液、萃余液中苯甲酸浓度分析
用移液管精确吸取原料液或萃余液25ml，置于100ml三角烧杯中，加2滴溴百里酚蓝指示液，溶液
应呈黄色，用KOH甲醇标准溶液滴定至终点（溶液颜色由黄色变蓝色，即达终点），记录KOH甲醇标
准溶液消耗的体积数，计算原料液或萃余液的浓度：
1000 0 . 1 25
) ( 12 . 122
质量百分率 &
式中：x——被测液中苯甲酸的质量百分率；
122.12——苯甲酸的相对分子量；
N －—KOH标准溶液的当量浓度，mol/L；
V ——KOH标准溶液滴定消耗的体积，ml；
25——被测液的体积，ml；
1.0——水的密度，g/ml。
七、思考题
1．请分析比较萃取实验装置与吸收、精馏实验装置的异同点？
2．说说本萃取实验装置的转盘转速是如何调节和测量的？从实验结果分析转盘转速变化对萃取传质系数
与萃取率的影响。
3．测定原料液、萃取相、萃余相的组成可用哪些方法？采用中和滴定法时，标准碱为什么选用KOH－
CH3OH溶液，而不选用KOH－H2O溶液？
9.干燥特性曲线测定实验
一、实验目的
1.了解洞道式干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法。
2.学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法。
-49-3.掌握根据实验干燥曲线求取干燥速率曲线以及恒速阶段干燥速率、临界含水量、平
衡含水量的实验分析方法。
4.实验研究干燥条件对于干燥过程特性的影响。
二、基本原理
在设计干燥器的尺寸或确定干燥器的生产能力时，被干燥物料在给定干燥条件下的干燥速率、临界湿含
量和平衡湿含量等干燥特性数据是最基本的技术依据参数。由于实际生产中的被干燥物料的性质千变万化，
因此对于大多数具体的被干燥物料而言，其干燥特性数据常常需要通过实验测定。
按干燥过程中空气状态参数是否变化，可将干燥过程分为恒定干燥条件操作和非恒定干燥条件操作两大
类。若用大量空气干燥少量物料，则可以认为湿空气在干燥过程中温度、湿度均不变，再加上气流速度、与
物料的接触方式不变，则称这种操作为恒定干燥条件下的干燥操作。
1.干燥速率的定义
干燥速率的定义为单位干燥面积（提供湿分汽化的面积）、单位时间内所除去的湿分质量。即
Ad Ad τ τ
= = & (10－1)
式中，U－干燥速率，又称干燥通量，kg/（m
A－干燥表面积，m
； W－汽化的湿分量，kg；
τ －干燥时间，s； Gc－绝干物料的质量，kg；
X－物料湿含量，kg湿分/kg干物料，负号表示X随干燥时间的增加而减少。
2.干燥速率的测定方法
将湿物料试样置于恒定空气流中进行干燥实验，随着干燥时间的延长，水分不断汽化，湿物料质量减少。
若记录物料不同时间下质量G，直到物料质量不变为止，也就是物料在该条件下达到干燥极限为止，此时留
在物料中的水分就是平衡水分X
。再将物料烘干后称重得到绝干物料重Gc，则物料中瞬间含水率X为
= （10－2）
计算出每一时刻的瞬间含水率X，然后将X对干燥时间τ作图，如图10－1，即为干燥曲线。
-50-图10－1恒定干燥条件下的干燥曲线
上述干燥曲线还可以变换得到干燥速率曲线。由已测得的干燥曲线求出不同X下的斜率
，再由式（10
－1）计算得到干燥速率U，将U对X作图，就是干燥速率曲线，如图10－2所示。
图10－2恒定干燥条件下的干燥速率曲线
3.干燥过程分析
预热段见图10－1、10－2中的AB段或AB’段。物料在预热段中，含水率略有下降，温度则升至湿球
温度tW,干燥速率可能呈上升趋势变化，也可能呈下降趋势变化。预热段经历的时间很短，通常在干燥计算中
忽略不计，有些干燥过程甚至没有预热段。本实验中也没有预热段。
恒速干燥阶段见图10－1、10－2中的BC段。该段物料水分不断汽化，含水率不断下降。但由于这一
阶段去除的是物料表面附着的非结合水分，水分去除的机理与纯水的相同，故在恒定干燥条件下，物料表面
始终保持为湿球温度tW，传质推动力保持不变，因而干燥速率也不变。于是，在图10－2中，BC段为水平
只要物料表面保持足够湿润，物料的干燥过程中总有恒速阶段。而该段的干燥速率大小取决于物料表面
水分的汽化速率，亦即决定于物料外部的空气干燥条件，故该阶段又称为表面汽化控制阶段。
-51-降速干燥阶段随着干燥过程的进行，物料内部水分移动到表面的速度赶不上表面水分的气化速率，物
料表面局部出现“干区”，尽管这时物料其余表面的平衡蒸汽压仍与纯水的饱和蒸汽压相同、传质推动力也仍
为湿度差，但以物料全部外表面计算的干燥速率因“干区”的出现而降低，此时物料中的的含水率称为临界
含水率，用Xc表示，对应图10－2中的C点，称为临界点。过C点以后，干燥速率逐渐降低至D点，C至
D阶段称为降速第一阶段。
干燥到点D时，物料全部表面都成为干区，汽化面逐渐向物料内部移动，汽化所需的热量必须通过已被
干燥的固体层才能传递到汽化面；从物料中汽化的水分也必须通过这层干燥层才能传递到空气主流中。干燥
速率因热、质传递的途径加长而下降。此外，在点D以后，物料中的非结合水分已被除尽。接下去所汽化的
是各种形式的结合水，因而，平衡蒸汽压将逐渐下降，传质推动力减小，干燥速率也随之较快降低，直至到
达点E时，速率降为零。这一阶段称为降速第二阶段。
降速阶段干燥速率曲线的形状随物料内部的结构而异，不一定都呈现前面所述的曲线CDE形状。对于某
些多孔性物料，可能降速两个阶段的界限不是很明显，曲线好像只有CD段；对于某些无孔性吸水物料，汽
化只在表面进行，干燥速率取决于固体内部水分的扩散速率，故降速阶段只有类似DE段的曲线。
与恒速阶段相比，降速阶段从物料中除去的水分量相对少许多，但所需的干燥时间却长得多。总之，降
速阶段的干燥速率取决与物料本身结构、形状和尺寸，而与干燥介质状况关系不大，故降速阶段又称物料内
部迁移控制阶段。
三、实验装置
1．装置流程
本装置流程如图10-3所示。空气由鼓风机送入电加热器，经加热后流入干燥室，加热干燥室料盘中的湿
物料后，经排出管道通入大气中。随着干燥过程的进行，物料失去的水分量由称重传感器转化为电信号，并
由智能数显仪表记录下来（或通过固定间隔时间，读取该时刻的湿物料重量）。
-52-图10-3干燥装置流程图
1－风机；2－管道；3－进风口；4－加热器；5－厢式干燥器；6－气流均布器；
7－称重传感器；8－湿毛毡； 9－玻璃视镜门；10，11，12－蝶阀
2．主要设备及仪器
（1）鼓风机：BYFW； （2）电加热器：额定功率4.5KW；
（3）干燥室：180mm&180mm&1250mm； （4）干燥物料：湿毛毡或湿砂；
（5）称重传感器：CZ1000型，0～1000g。
四、实验步骤与注意事项
1．实验步骤
（1）放置托盘，开启总电源，开启风机电源。
（2）打开仪表电源开关，加热器通电加热，旋转加热按钮至适当加热电压（根据实验室温和实验讲解时
间长短）。在U型湿漏斗中加入一定水量，并关注干球温度，干燥室温度（干球温度）要求达到恒
定温度（例如70℃）。
（3）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。
（4）当干燥室温度恒定在70℃时,将湿毛毡十分小心地放置于称重传感器上。放置毛毡时应特别注意
不能用力下压，因称重传感器的测量上限仅为1000克，用力过大容易损坏称重传感器。
（5）记录时间和脱水量，每分钟记录一次重量数据；每两分钟记录一次干球温度和湿球温度。
（6）待毛毡恒重时，即为实验终了时，关闭仪表电源，注意保护称重传感器，非常小心地取下毛毡。
（7）关闭风机，切断总电源，清理实验设备。
2.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。
（2）特别注意传感器的负荷量仅为1000克，放取毛毡时必须十分小心，绝对不能下压，以免损坏称重
（3）实验过程中，不要拍打、碰扣装置面板，以免引起料盘晃动，影响结果。
五、实验报告
1.绘制干燥曲线（失水量~时间关系曲线）； 2.根据干燥曲线作干燥速率曲线；
3.读取物料的临界湿含量； 4.对实验结果进行分析讨论。
-53-六、思考题
1. 什么是恒定干燥条件？本实验装置中采用了哪些措施来保持干燥过程在恒定干燥条件下进行？
2. 控制恒速干燥阶段速率的因素是什么？控制降速干燥阶段干燥速率的因素又是什么？
3.为什么要先启动风机，再启动加热器？实验过程中干、湿球温度计是否变化？为什么？如何判断实验已
4.若加大热空气流量，干燥速率曲线有何变化？恒速干燥速率、临界湿含量又如何变化？为什么？
10伯努利方程实验
一.实验目的
伯努利方程是水力学三大基本方程之一，反映了水流在流动时，位能、压能、动能之间的关系。
1．了解总水头线和测压管水头线在局部阻力和沿程阻力处的变化规律；
2．了解总水头线在不同管径段的下降坡度，即水力坡度J的变化规律；
3．了解总水头线沿程下降和测压管水头线升降都有可能的原理；
4．用实例流量计算流速水头去核对测压板上两线的正确性；
不同管径流速水头的变化规律
二.设备简图
本实验台由高位水箱、供水箱、水泵、测压板、有机玻璃管道、铁架、量筒等部件组成，可直观地演示
水流在不同管径、不同高程的管路中流动时，上述三种能量之间的复杂变化关系。
-54-三.实验原理
过水断面的能量由位能、压能、动能三部分组成。水流在不同管径、不同高程的管路中流动时，三种能
量不断地相互转化，在实验管道各断面设置测压管及测速管，即可演示出三种能量沿程变化的实际情况。
测压管中水位显示的是位能和压能之和，即伯努利方程中之前两项：
，测速管中水位显示的是位
能、压能和动能之和。即伯努利方程中三项之和：
将测压管中的水位连成一线，称为测压管水头线，反映势能沿程的变化；将测速管中的水位连成一线，
称为总水头线，反映总能量沿程的变化，两线的距离即为流速水头 g v 2 /
本实验台在有机玻璃实验管道的关键部位处，设置测压管及测速管，适当的调节流量就可把总水头线和
测压管水头线绘制于测压板上。
注：计算所的流速水头值是采用断面平均流速求得，而实测流速水头值是根据断面最大速度得出，显然
实测值大于计算值，两者相差约为1.3倍。
四.实验步骤
1．开动水泵，将供水箱内之水箱至高位水箱；
2．高位水箱开始溢流后，调节实验管道阀门，使测压管，测速管中水位和测压板上红、黄两线一致；
3．实验过程中，始终保持微小溢流；
4．如水位和红黄两线不符，有两种可能：一是连接橡皮管中有气泡，可不断用手挤捏橡皮管，使气泡排
出；二是测速管测头上挂有杂物，可转动测头使水流将杂物冲掉。
五.报告要求
实验报告是实验后要完成的一份书面材料。实验报告的内容一般包括实验名称、班级、实验人姓名、实
验时间、实验目的、实验步骤、实验数据记录及处理、结论与讨论等多项内容。实验报告一律用流体力学实
验报告用纸书写。
1.什么是速度水头，位置水头，压力水头？速度水头、测压管水头和总水头什么关系？
2.总水头线和测压管水头线在局部阻力和沿程阻力处有怎样的变化？为什么？
-55-11.筛板塔精馏过程实验
一．实验目的
1．了解筛板精馏塔及其附属设备的基本结构，掌握精馏过程的基本操作方法。
2．学会判断系统达到稳定的方法，掌握测定塔顶、塔釜溶液浓度的实验方法。
3．学习测定精馏塔全塔效率和单板效率的实验方法，研究回流比对精馏塔分离效率的影响。
二．基本原理
1．全塔效率
全塔效率又称总板效率，是指达到指定分离效果所需理论板数与实际板数的比值，即
= （8－1）
N－完成一定分离任务所需的理论塔板数，包括蒸馏釜；
N－完成一定分离任务所需的实际塔板数，本装置
全塔效率简单地反映了整个塔内塔板的平均效率，说明了塔板结构、物性系数、操作状况对塔分离能力
的影响。对于塔内所需理论塔板数
N，可由已知的双组分物系平衡关系，以及实验中测得的塔顶、塔釜出液
的组成，回流比R和热状况q等，用图解法求得。
2．单板效率
单板效率又称莫弗里板效率，如图8－1所示，是指气相
或液相经过一层实际塔板前后的组成变化值与经过一层理论塔
板前后的组成变化值之比。
图8－1塔板气液流向示意
按气相组成变化表示的单板效率为
按液相组成变化表示的单板效率为
－离开第n、n+1块塔板的气相组成，摩尔分数；
x－离开第n-1、n块塔板的液相组成，摩尔分数；
x成平衡的气相组成，摩尔分数；
y成平衡的液相组成，摩尔分数。
3．图解法求理论塔板数
图解法又称麦卡勃－蒂列（McCabe－Thiele）法，简称M－T法，其原理与逐板计算法
完全相同，只是将逐板计算过程在y－x图上直观地表示出来。
精馏段的操作线方程为：
-57-式中，
－精馏段第n+1块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数；
x－精馏段第n块塔板下流的液体组成，摩尔分数；
x －塔顶溜出液的液体组成，摩尔分数；
R －泡点回流下的回流比。
提馏段的操作线方程为：
－提馏段第m+1块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数；
x －提馏段第m块塔板下流的液体组成，摩尔分数；
x －塔底釜液的液体组成，摩尔分数；
L－提馏段内下流的液体量，kmol/s；
W－釜液流量，kmol/s。
加料线（q线）方程可表示为：
= + （8－7）
式中，q－进料热状况参数；
r －进料液组成下的汽化潜热，kJ/kmol；
t －进料液的泡点温度，℃；
t －进料液温度，℃；
c －进料液在平均温度( )
t t & /2下的比热容，kJ/（kmol℃）；
x －进料液组成，摩尔分数。
回流比R的确定：
= （8－8）
式中，L －回流液量，kmol/s；
D－馏出液量，kmol/s。
-58-式（8－8）只适用于泡点下回流时的情况，而实际操作时为了保证上升气流能完全冷凝，冷却水量一般
都比较大，回流液温度往往低于泡点温度，即冷液回流。
如图8－2所示，从全凝器出来的温度为
t 、流量为L的液体回流进入塔顶第一块板，由于回流温度低
于第一块塔板上的液相温度，离开第一块塔板的一部分上升蒸汽将被冷凝成液体，这样，塔内的实际流量将
大于塔外回流量。
图8－2塔顶回流示意图
对第一块板作物料、热量衡算：
V L V L + = + （8－9）
1 1 1 1 2 2 V L V L
VI LI V I LI + = + （8－10）
对式（8－9）、式（8－10）整理、化简后，近似可得：
≈ + （8－11）
即实际回流比：
= （8－12）
= （8－13）
V－离开第1、2块板的气相摩尔流量，kmol/s；
L－塔内实际液流量，kmol/s；
I －指对应
L、L下的焓值，kJ/kmol；
r－回流液组成下的汽化潜热，kJ/kmol；
c －回流液在
t 平均温度下的平均比热容，kJ/（kmol℃）。
-59-（1）全回流操作
在精馏全回流操作时，操作线在y－x图上为对角线，如图8－3所示，根据塔顶、塔釜
的组成在操作线和平衡线间作梯级，即可得到理论塔板数。
图8－3全回流时理论板数的确定
（2）部分回流操作
部分回流操作时，如图8－4，图解法的主要步骤为：
A. 根据物系和操作压力在y－x图上作出相平衡曲线，并画出对角线作为辅助线；
B. 在x轴上定出x＝xD、xF、xW三点，依次通过这三点作垂线分别交对角线于点a、f、b；
C. 在y轴上定出yC＝xD/(R+1)的点c，连接a、c作出精馏段操作线；
D. 由进料热状况求出q线的斜率q/（q-1），过点f作出q线交精馏段操作线于点d；
E. 连接点d、b作出提馏段操作线；
F. 从点a开始在平衡线和精馏段操作线之间画阶梯，当梯级跨过点d时，就改在平衡线和提馏段操作
线之间画阶梯，直至梯级跨过点b为止；
G. 所画的总阶梯数就是全塔所需的理论踏板数（包含再沸器），跨过点d的那块板就是加料板，其上的
阶梯数为精馏段的理论塔板数。
-60-图8－4部分回流时理论板数的确定
三.实验装置和流程
本实验装置的主体设备是筛板精馏塔，配套的有加料系统、回流系统、产品出料管路、残液出料管路、
进料泵和一些测量、控制仪表。
筛板塔主要结构参数：塔内径D＝68mm，厚度δ＝2mm，塔节Φ76&4，塔板数N＝10块，板间距HT＝100mm。
加料位置由下向上起数第3块和第5块。降液管采用弓形，齿形堰，堰长56mm，堰高7.3mm，齿深4.6mm，
齿数9个。降液管底隙4.5mm。筛孔直径d0＝1.5mm，正三角形排列，孔间距t＝5mm，开孔数为74个。塔
釜为内电加热式，加热功率2.5kW，有效容积为10L。塔顶冷凝器、塔釜换热器均为盘管式。单板取样为自
下而上第1块和第10块，斜向上为液相取样口，水平管为气相取样口。
本实验料液为乙醇水溶液，釜内液体由电加热器产生蒸汽逐板上升，经与各板上的液体传质后，进入盘
管式换热器壳程，冷凝成液体后再从集液器流出，一部分作为回流液从塔顶流入塔内，另一部分作为产品馏
出，进入产品贮罐；残液经釜液转子流量计流入釜液贮罐。精馏过程如图8－5所示。
-61-1－塔釜排液口；2－电加热器；3－塔釜；4－塔釜液位计；5－塔板；6－温度计；7－窥视节；8－冷却水流量计；
9－盘管冷凝器；10－塔顶平衡管；11－回流液流量计；12－塔顶出料流量计；13－产品取样口；14－进料管路；
15－塔釜平衡管；16－盘管加热器；17－塔釜出料流量计；18－进料流量计；19进料泵；20－产品储槽；
21－残液储槽；22－料液取样口；23－冷却水进口；24－惰性气体出口；25－冷却水出口
图8-5 筛板塔精馏塔实验装置图
四．实验步骤与注意事项
本实验的主要操作步骤如下：
（1）配制浓度10%~20%(体积百分比)的料液加入贮罐中，打开进料管路上的阀门，由进料泵将料液打
入塔釜，至釜容积的2/3处（由塔釜液位计可观察）。
（2）关闭塔身进料管路上的阀门，启动电加热管电源，调节加热电压至适中未知，使塔釜温度缓慢上
-62-升（因塔中部玻璃部分较为脆弱，若加热过快玻璃极易碎裂，使整个精馏塔报废，故升温过程应
尽可能缓慢）。
（3）打开塔顶冷凝器的冷却水，调节合适冷凝量，并关闭塔顶出料管路，使整塔处于全回流状态。
（4）当塔顶温度、回流量和塔釜温度稳定后，分别取塔顶浓度XD和塔釜浓度XW，送色谱分析仪分析。
2．部分回流
（1）在储料罐中配制一定浓度的乙醇水溶液（约10~20%）。
（2）待塔全回流操作稳定时，打开进料阀，调节进料量至适当的流量。
（3）控制塔顶回流和出料两转子流量计，调节回流比R(R=1~4)。
（4）当塔顶、塔内温度读数稳定后即可取样。
3．取样与分析
（1）进料、塔顶、塔釜从各相应的取样阀放出。
（2）塔板取样用注射器从所测定的塔板中缓缓抽出，取1ml左右注入事先洗净烘干的针剂瓶中，并给
该瓶盖标号以免出错，各个样品尽可能同时取样。
（3）将样品进行色谱分析。
4．注意事项
（1）塔顶放空阀一定要打开，否则容易因塔内压力过大导致危险。
（2）料液一定要加到设定液位2/3处方可打开加热管电源，否则塔釜液位过低会使电加热丝露出干烧致
五．实验报告
1．将塔顶、塔底温度和组成，以及各流量计读数等原始数据列表。
2．按全回流和部分回流分别用图解法计算理论板数。
3．计算全塔效率和单板效率。
4.分析并讨论实验过程中观察到的现象。
六．思考题
1.测定全回流和部分回流总板效率与单板效率时各需测几个参数？取样位置在何处？
2．全回流时测得板式塔上第n、n-1层液相组成后，如何求得xn
，部分回流时，又如何求xn
3．在全回流时，测得板式塔上第n、n-1层液相组成后，能否求出第n层塔板上的以气相组成变化表示
的单板效率？
-63-4．查取进料液的汽化潜热时定性温度取何值？
5．若测得单板效率超过100%，作何解释？
6．试分析实验结果成功或失败的原因，提出改进意见。
思考题解集（反应工程实验）
单项流动阻力测定
（1）启动离心泵前，为什么必须关闭泵的出口阀门？
答：由离心泵特性曲线知，流量为零时，轴功率最小，电动机负荷最小，不会过载烧毁线圈。
（2）作离心泵特性曲线测定时，先要把泵体灌满水以防止气缚现象发生，而阻力实验对泵
灌水却无要求，为什么？
答：阻力实验水箱中的水位远高于离心泵，由于静压强较大使水泵泵体始终充满水，所以不需
（3）流量为零时，U形管两支管液位水平吗？为什么？
答：水平，当u=0时柏努利方程就变成流体静力学基本方程：
2 1 2 1 2 2 1 1
, , Z Z p p g p Z g P Z = = + = + 时 当 ρ ρ
（4）怎样排除管路系统中的空气？如何检验系统内的空气已经被排除干净？
答：启动离心泵用大流量水循环把残留在系统内的空气带走。关闭出口阀后，打开U形管顶部
的阀门，利用空气压强使U形管两支管水往下降，当两支管液柱水平，证明系统中空气已
被排除干净。
（5）为什么本实验数据须在双对数坐标纸上标绘？
答：因为对数可以把乘、除变成加、减，用对数坐标既可以把大数变成小数，又可以把小数扩
大取值范围，使坐标点更为集中清晰，作出来的图一目了然。
（6）你在本实验中掌握了哪些测试流量、压强的方法？它们各有什么特点？
答：测流量用转子流量计、测压强用U形管压差计，差压变送器。转子流量计，随流量的大小，
转子可以上、下浮动。U形管压差计结构简单，使用方便、经济。差压变送器，将压差转
换成直流电流，直流电流由毫安表读得，再由已知的压差~电流回归式算出相应的压差，可
测大流量下的压强差。
（7）读转子流量计时应注意什么？为什么？
答：读时，眼睛平视转子最大端面处的流量刻度。如果仰视或俯视，则刻度不准，流量就全有
（8）两个转子能同时开启吗？为什么？
-64-答：不能同时开启。因为大流量会把U形管压差计中的指示液冲走。
（9）开启阀门要逆时针旋转、关闭阀门要顺时针旋转，为什么工厂操作会形成这种习惯？
答：顺时针旋转方便顺手，工厂遇到紧急情况时，要在最短的时间，迅速关闭阀门，久而久之
就形成习惯。当然阀门制造商也满足客户的要求，阀门制做成顺关逆开。
（10）使用直流数字电压表时应注意些什么？
答：使用前先通电预热15分钟，另外，调好零点（旧设备），新设备，不需要调零点。如果有
波动，取平均值。
（11）假设将本实验中的工作介质水换为理想流体，各测压点的压强有何变化？为什么？
答：压强相等，理想流体u=0，磨擦阻力F=0，没有能量消耗，当然不存在压强差。
g u g p Z g u g P Z + + = + + ρ ρ
2 又∵z
2（水平管） ∴P
（12）离心泵送液能力，为什么可以通过出口阀调节改变？往复泵的送液能力是否也可采用
同样的调节方法？为什么？
答：离心泵送液能力可以通过调节出口阀开度来改变管路特性曲线，从而使工作点改变。往复
泵是正往移泵流量与扬程无关。若把出口堵死，泵内压强会急剧升高，造成泵体，管路和电机
（13）本实验用水为工作介质做出的λ－Re曲线，对其它流体能否使用？为什么？
答：能用，因为雷诺准数是一个无因次数群，它允许d、u、ρ、变化。
（14）本实验是测定等径水平直管的流动阻力，若将水平管改为流体自下而上流动的垂直管，
从测量两取压点间压差的倒置U型管读数R到ΔP
f的计算过程和公式是否与水平管完
全相同？为什么？
答：过程一样，公式（通式）相同，R值的计算结果不同。
通式： gz gR p p
ρ ρ ρ + & = & ) (
水平放置：z=0 gR p p
ρ ρ & = &
垂直放置：z=L（管长） gL gR p p
ρ ρ ρ + & = & ) (
（15）测试时为什么要取同一时刻下的瞬时数据？
答：流体流动时，由于诸种原因，各参数的值是波动的，为了减少误差，应取瞬时值、即同时
（16）作λ－Re图时，依点画线用什么工具？点在线的一侧还是两侧？怎样提高做图的精
确度？做图最忌讳什么？
答：用曲线板或曲线尺画曲线，直尺画直线。点应在线的两侧，以离线的距离最近为原则。最
忌讳徒手描。
（17）实验结果讨论中，应讨论什么？
-65-答：（1）讨论异常现象发生的原因；（2）你做出来的结果（包括整理后的数据、画的图等）与
讲义中理论值产生误差的原因。（3）本实验应如何改进。
（18）影响流动型态的因素有哪些？用Re判断流动型态的意义何在？
答：影响流动类型的因素有：内因：流动密度ρ、粘度&；外因：管径d、流速u,即 & ρ du R
用它判断流动类型，什么样的流体、什么样的管子，流速等均适用，这样，就把复杂问题
简单化了，规律化了，易学、易用易于推广。
（19）直管摩擦阻力的来源是什么？
答：来源于流体的粘性 y u A F ∆ ∆ =& 流体在流动时的内摩擦，是流体阻力的内因或依据。其外因
或内部条件可表示为：内摩擦力F与两流体层的速度差Δ&成正比；与两层之间的垂直距
离Δy成反比；与两层间的接触面积A与成正比。
（20）影响直管阻力的因素是什么？如何影响？
答：根据 d lu h
λ = 直管助力与管长l、管经d、速度u、磨擦系数λ有关系。它与λ、l、u
成正比，与d成反比。
离心泵特性曲线的测定
⑴为什么启动离心泵前要向泵内注水？如果注水排气后泵仍启动不起来，你认为可能是什
答：为了防止打不上水、即气缚现象发生。如果注水排完空气后还启动不起来。①可能是泵入
口处的止逆阀坏了，水从管子又漏回水箱。②电机坏了，无法正常工作。
⑵为什么离心泵启动时要关闭出口阀门？
答：防止电机过载。因为电动机的输出功率等于泵的轴功率N。根据离心泵特性曲线，当Q=0
时N最小，电动机输出功率也最小，不易被烧坏。
⑶离心泵特性曲线测定过程中 0 = Q 点不可丢，为什么？
答：Q=0点是始点，它反映了初始状态，所以不可丢。丢了，做出来的图就有缺憾。
⑷启动离心泵时，为什么先要按下功率表分流开关绿色按钮？
答：为了保护功率表。
⑸为什么调节离心泵的出口阀门可调节其流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其它方
法调节泵的流量？
答：调节出口}