1、食品工程原理實(shí)驗(yàn)講義食品工程原理實(shí)驗(yàn)講義 （2010 級(jí)適用） 預(yù)習(xí)內(nèi)容： 1.預(yù)習(xí)報(bào)告內(nèi)容： 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?實(shí)驗(yàn)原理：要在理解的基礎(chǔ)上寫，不能照抄（內(nèi)容也太多） 實(shí)驗(yàn)裝置圖（簡(jiǎn)圖） 實(shí)驗(yàn)步驟： 數(shù)據(jù)表格：要求規(guī)整，可用鉛筆 2.預(yù)習(xí)操作內(nèi)容： 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 思考題 實(shí)驗(yàn)前老師提問(wèn)，按此結(jié)合預(yù)習(xí)報(bào)告給預(yù)習(xí)成績(jī)。 化學(xué)化工學(xué)院化工教研組化學(xué)化工學(xué)院化工教研組 實(shí)驗(yàn)一 管路流體阻力實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解流體流動(dòng)阻力的測(cè)定原理及方法； 2測(cè)定流體流過(guò)直管時(shí)的摩擦阻力,并確定摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系； 3測(cè)定流體流過(guò)管件時(shí)的局部阻力,并求出阻力系數(shù)； 4了解與本實(shí)驗(yàn)有關(guān)的各種流量測(cè)量?jī)x表、壓差測(cè)量?jī)x表

2、的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝方式，掌握其測(cè)量原理、學(xué)會(huì)正 確使用。 二、實(shí)驗(yàn)原理 流體在管路中流動(dòng)時(shí)，由于粘性剪應(yīng)力和渦流的存在，不可避免地會(huì)引起壓強(qiáng)損耗。這種損耗包括流體經(jīng)過(guò)直 管的沿程阻力以及因流體運(yùn)動(dòng)方向改變或因管子大小形狀改變所引起的局部阻力。 1直管摩擦系數(shù)與雷諾數(shù) Re 的測(cè)定 直管的摩擦阻力系數(shù)是雷諾數(shù)和相對(duì)粗糙度的函數(shù)，即，對(duì)一定的相對(duì)粗糙度而言，)/(Re,df 。(Re)f 流體在一定長(zhǎng)度等直徑的水平圓管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其管路阻力引起的能量損失為： （1） f f P PP h 21 又因?yàn)槟Σ磷枇ο禂?shù)與阻力損失之間有如下關(guān)系（范寧公式） （2） 2 2 u d l h f P f 整理（1

3、） （2）兩式得 （3） 2 2 u P l d f ud Re （4） 在實(shí)驗(yàn)裝置中，直管段管長(zhǎng) l 和管徑 d 都已固定。若水溫一定，則水的密度 和粘度 也是定值。所以本實(shí)驗(yàn) 實(shí)質(zhì)上是測(cè)定直管段流體阻力引起的壓強(qiáng)降Pf與流速 u（流量 V）之間的關(guān)系。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和式（3）可計(jì)算出不同流速下的直管摩擦系數(shù) ，用式（4）計(jì)算對(duì)應(yīng)的 Re，從而整理出直管摩 擦系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系，繪出 與 Re 的關(guān)系曲線。 2局部阻力系數(shù)的測(cè)定 流體通過(guò)某一管件或閥門的阻力損失用流體在管路中的動(dòng)能系數(shù)來(lái)表示。由于管件兩側(cè)距測(cè)壓孔間的直管長(zhǎng)度 很短，引起的摩擦阻力與局部阻力相比，可以忽略不計(jì)，因此動(dòng)能系數(shù)之值

4、可應(yīng)用伯努利方程由壓差計(jì)讀數(shù)求出。 （5） 2 2 uP h f f （6） 2 2 u Pf 圖 1 局部阻力測(cè)量取壓口布置圖 局部阻力引起的壓強(qiáng)降 可用下面的方法測(cè)量：在一條各處直徑相等的直管段上，安裝待測(cè)局部阻力的閥 f P 門，在其上、下游開兩對(duì)測(cè)壓口 a-a和 b-b，見圖 3，使 abbc ； abbc 則 Pf，a b Pf，bc ； Pf，ab= Pf，bc 在 aa之間列柏努利方程式： PaPa =2Pf，a b+2Pf，ab+Pf （7） 在 bb之間列柏努利方程式： PbPb = Pf，bc+Pf，bc+Pf = Pf，a b+Pf，ab+Pf （8） 聯(lián)立式（7）和（8

5、） ，則： 2（PbPb）（PaPa） f P 為了實(shí)驗(yàn)方便，稱（PbPb）為近點(diǎn)壓差，稱（PaPa）為遠(yuǎn)點(diǎn)壓差。用差壓傳感器來(lái)測(cè)量。 三、實(shí)驗(yàn)裝置圖 圖 2 流動(dòng)阻力實(shí)驗(yàn)流程示意圖 1-水箱；2-離心泵；3、4-放水閥；5、13-緩沖罐；6-局部阻力近端測(cè)壓閥；7、15-局部阻 力遠(yuǎn)端測(cè)壓閥； 8、20-粗糙管測(cè)壓回水閥； 9、19-光滑管測(cè)壓閥；10-局部阻力管閥； 11-U 型管進(jìn)水閥；12-壓力傳感器；14-流量調(diào)節(jié)閥；15、16-水轉(zhuǎn)子流量計(jì)；17-光滑管閥； 18-粗糙管閥； 21-倒置 U 型管放空閥； 22-倒置 U 型管； 23-水箱放水閥； 24-放水閥； 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1

6、向儲(chǔ)水槽內(nèi)注水，直到水滿為止(有條件最好用蒸餾水，以保持流體清潔) 。 2大流量狀態(tài)下的壓差測(cè)量系統(tǒng)，應(yīng)先接電預(yù)熱 1015 分鐘，調(diào)好數(shù)字表的零點(diǎn)。 3關(guān)閉泵的出口閥門，開電源、啟動(dòng)循環(huán)水泵開關(guān)。 4打開各閥門，包括測(cè)壓閥，流量調(diào)到最大，排盡管道內(nèi)空氣，以免影響 U 型管壓差計(jì)讀數(shù)。 5局部阻力測(cè)定 關(guān)閉閥門 17 和 18，測(cè)定不同開度下（全開，1/2 開，1/3 開，1/4 開等，開度不同，阻力不同）球形 閥的流量及壓降。 注意：全開時(shí)阻力小，用 U 型管壓差計(jì)測(cè)量，其余用壓力傳感器讀數(shù)。 使用差壓變送器，當(dāng)測(cè)量遠(yuǎn)點(diǎn)壓差時(shí)，要把通向近點(diǎn)壓差的閥門關(guān)閉；同樣當(dāng)近點(diǎn)壓差時(shí)，要把通向遠(yuǎn) 點(diǎn)壓差

7、的閥門關(guān)閉。 記錄水溫，如有變化，記錄初值和結(jié)束值，取平均值。 6光滑管阻力測(cè)定 將光滑管閥 17 及測(cè)壓點(diǎn) 9、19 全開，其余閥門關(guān)閉。 倒 U 管調(diào)零 該裝置兩個(gè)轉(zhuǎn)子流量計(jì)并聯(lián)連接，根據(jù)流量大小選擇不同量程的流量計(jì)測(cè)量流量。 差壓變送器與倒置 U 型管也是并聯(lián)連接，用于測(cè)量直管段的壓差，小流量時(shí)用倒置型管壓差計(jì)測(cè) 量，大流量時(shí)用差壓變送器測(cè)量。0100L/h 范圍取 10 個(gè)點(diǎn)；100700L/h 范圍取 15 個(gè)點(diǎn)，測(cè)每個(gè) 流量下的壓差。 7粗糙管阻力測(cè)定 方法同光滑管 8待數(shù)據(jù)測(cè)量完畢，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，停泵。 五、注意的事項(xiàng) 1啟動(dòng)或關(guān)閉離心泵之前，以及從光滑管阻力測(cè)量過(guò)渡到其它測(cè)量

8、之前，都必須檢查所有流量調(diào)節(jié)閥是否關(guān) 閉。 2利用壓力傳感器測(cè)量大流量下P 時(shí)，應(yīng)切斷空氣水倒置型玻璃管的閥門 18、20 否則影響測(cè)量數(shù)值。 3在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每調(diào)節(jié)一個(gè)流量之后應(yīng)待流量和直管壓降的數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后方可記錄數(shù)據(jù)。 4較長(zhǎng)時(shí)間未做實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)離心泵之前應(yīng)先盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)，否則易燒壞電機(jī)。 實(shí)驗(yàn) 1：管路流體阻力實(shí)驗(yàn) 1：關(guān)閉出口閥門，開電源、啟動(dòng)循環(huán)水泵開關(guān) 2：打開各閥門，包括測(cè)壓閥，流量調(diào)到最大，排盡管道內(nèi)空氣，以免影響 U 型管壓差計(jì)讀數(shù)。 3：分別測(cè)光滑管、粗糙管（強(qiáng)化管）的阻力數(shù)據(jù)： U 型管壓差計(jì)測(cè)量前調(diào)平方法按儀器上貼的說(shuō)明。 測(cè)定小流量范圍時(shí)（在 U 型管壓差計(jì)測(cè)量范圍內(nèi)）用

9、U 型管壓差計(jì)讀壓差（mmH2O） ，流量大時(shí)（超過(guò) U 型管壓差計(jì)測(cè)量范圍） ，記錄壓力傳感器讀數(shù)（壓差 Kpa） ，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)的流量。 每個(gè)流量穩(wěn)定 1min 再讀數(shù)，0100L/h 范圍取 10 個(gè)點(diǎn)；100700L/h 范圍取 15 個(gè)點(diǎn)。 4：測(cè)定不同開度下（全開，1/2 開，1/3 開，1/4 開，開度不同，阻力不同）球形閥的流量及壓降。注意：全開時(shí)阻 力小，用 U 型管壓差計(jì)測(cè)量，其余用壓力傳感器讀數(shù)。 記錄水溫，如有變化，記錄初值和結(jié)束值，取平均值。 六、數(shù)據(jù)記錄 表一、直管阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 第一套光滑直管內(nèi)徑 mm、管長(zhǎng) 米 t= 、= (Pa.s)、= (Kgm3) R 序

10、號(hào) Q（l/h）（KPa）（mmH2o） P（KPa） u（m/s）Re 1 2 3 21 22 表二、直管阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 第一套粗糙直管內(nèi)徑 mm、管長(zhǎng) 米 t= 、= (Pa.s)、= (Kgm3) R 序號(hào) Q（l/h）（KPa）（mmH2o） P（KPa） u（m/s）Re 1 2 3 21 22 表三、局部阻力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表 開度Q（l/h）近端壓差遠(yuǎn)端壓差u（m/s）局部阻力壓差阻力系數(shù) 全開 3/4 開 2/3 開 1/2 開 1/3 開 七、思考題 預(yù)習(xí)報(bào)告思考題：1本次實(shí)驗(yàn)在安全方面需要注意哪些問(wèn)題？ 2本實(shí)驗(yàn)涉及到哪些測(cè)量?jī)x器？如何讀數(shù)？ 實(shí)驗(yàn)報(bào)告思考題： 1本次實(shí)驗(yàn)中，使用的

11、倒 U 型管和壓力傳感器有哪些相同點(diǎn)？又有何區(qū)別？ 2本次實(shí)驗(yàn)中，管路閥門、轉(zhuǎn)子流量計(jì)閥門及離心泵開關(guān)，在啟動(dòng)時(shí)三者順序如何？關(guān)閉 時(shí)三者的順序又如何？ 實(shí)驗(yàn)二 流化床干燥實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1掌握測(cè)定物料干燥速率曲線的工程意義； 2 熟悉實(shí)驗(yàn)干燥設(shè)備的流程、工作及實(shí)驗(yàn)組織方法； 3 了解影響干燥速率曲線的因素。 二、實(shí)驗(yàn)原理 干燥原理是利用加熱的方法使水分或其它溶劑從濕物料中汽化，除去固體物料中濕分的操作。干燥的目的是 使物料便于運(yùn)輸、貯藏、保質(zhì)和加工利用。本實(shí)驗(yàn)的干燥過(guò)程屬于對(duì)流干燥，干燥曲線和干燥速率曲線的關(guān)系： 含水率 C：?jiǎn)挝桓晌锪?Gc 中所帶的水分量 W 定義： C= （kg水k

12、g干） （1） c G W 含水率隨時(shí)間的變化作圖，見圖 1： 圖 1 干燥曲線圖 干燥過(guò)程分為三個(gè)階段： .物料預(yù)熱階段； .恒速干燥階段； .降速干燥階段。 干燥速率 NA 的定義表示： 單位干物料在單位時(shí)間內(nèi)所汽化的水量 即：NA= (kg水kg干s) (2) dG dW c 對(duì)(1)式求導(dǎo)得： dWGcdC (3) 所以， NA= = (4) dG dW c d dC 也就是說(shuō)，在干燥曲線圖中含水率隨時(shí)間變化曲線上的任何一點(diǎn)切線的斜率值即為干燥速率值，將這些 斜率的變化值對(duì)應(yīng)于含水率作圖即為干燥速率曲線圖，見圖 2。每隔一段時(shí)間讀取濕物料的重量，然后將濕物 料重減去干物料的重，從而就測(cè)

13、得了 C 與 的關(guān)系。 三、實(shí)驗(yàn)裝置圖 圖 2 干燥速率曲線圖 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1在實(shí)驗(yàn)操作前從加水斗加入 220300ml 水 2按下變頻器 RUN，通過(guò)旁路閥 10 調(diào)節(jié)流量至 1418m3/h 任何一恒定值。 3待加入的水充分均勻地分散在硅膠表面后，打開加熱開關(guān)。 4仔細(xì)觀察進(jìn)口溫度與床層溫度的變化，待床層溫度升至 39 ，即開始取第一個(gè)樣品，此時(shí)的時(shí)間設(shè)定為 0。 5按照原始數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔取樣，總共采集 14 組數(shù)據(jù)。 五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1加入水后待硅膠吹散后再打開加熱開關(guān)。 2開始兩個(gè)數(shù)據(jù)間隔時(shí)間較短，提前做好充分的準(zhǔn)備采樣。 實(shí)驗(yàn) 2：流化床干燥實(shí)驗(yàn) 1：打開總電源開關(guān)，按變頻器的

14、RUN 鍵，啟動(dòng)風(fēng)機(jī) 2：通過(guò)放空閥調(diào)節(jié)空氣流量，將 300ml 蒸餾水通過(guò)玻璃漏斗放入床層，待硅膠結(jié)塊吹散以后，開加熱電源開關(guān)， 此時(shí)固定空氣流量在 1418m3/h 之間一恒定值 3：待進(jìn)氣溫度升至 95，床層溫度達(dá)到 38，取第一個(gè)樣品（稱量瓶預(yù)先洗滌干燥稱好空重）稱重 4:按要求的時(shí)間間隔取樣（每個(gè)樣品 5g 左右） 注意：加水速度不能太快，以水滴快要連成線狀為宜，否則硅膠會(huì)結(jié)成一大塊很難吹散，加入水后要待硅膠全部吹 散后再開加熱電源，提前洗好稱量瓶，烘干稱重，否則開始幾個(gè)點(diǎn)間隔時(shí)間短，來(lái)不及稱空重。 六、數(shù)據(jù)記錄 七、思考題 1定干燥速度曲線的意義何在？ （1）選擇最佳工況，主要是尋

15、找最佳負(fù)荷、節(jié)能降耗，歸根結(jié)底就是多賺錢、最省錢。 （2）研究干燥速率曲線，可以據(jù)此使干燥速度控制在恒定干燥階段，防止被干燥物開裂等不希 望出現(xiàn)的情 況發(fā)生。 2分析影響干燥速率的因素有哪些？如何提高干燥速率？?jī)蓚€(gè)階段分別說(shuō)明理由。 影響干燥速率的因素及其提高干燥速率的方法 影響干燥速率的因素有：傳熱速率、外擴(kuò)散速率及內(nèi)擴(kuò)散速率。 1）加快傳熱速率。為加快傳熱速率，應(yīng)做到：提高干燥介質(zhì)溫度，如提高干燥窯中的熱氣體溫度，增加熱風(fēng)爐 等，但不能使坯體表面溫度升高太快，避免坯體開裂；增加傳熱面積，如改單面干燥為雙面干燥，分層碼坯或減 少碼坯層數(shù)，增加與熱氣體接觸面；提高對(duì)流傳熱系數(shù)。 2）提高外擴(kuò)散

16、速率。當(dāng)干燥處于等速干燥階段時(shí)，外擴(kuò)散阻力成為左右整個(gè)干燥速率的主要矛盾，因此降低外擴(kuò) 散阻力，提高外擴(kuò)散速率，對(duì)縮短整個(gè)干燥周期影響最大。外擴(kuò)散阻力主要發(fā)生在邊界層里，因此應(yīng)做到：增大 介質(zhì)流速，減薄邊界層厚度等，提高對(duì)流傳熱系數(shù)。也可提高對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，有利于提高干燥速度。降低介質(zhì)的 水蒸汽濃度，增加傳質(zhì)面積，亦可提高干燥速度。 3）提高水分的內(nèi)擴(kuò)散速率。水分的內(nèi)擴(kuò)散速率是由濕擴(kuò)散和熱擴(kuò)散共同作用的。濕擴(kuò)散是物料中由于濕度梯度引 起的水分移動(dòng)，熱擴(kuò)散是物理中存在溫度梯度而引起的水分移動(dòng)。要提高內(nèi)擴(kuò)散速率應(yīng)做到：使熱擴(kuò)散與濕擴(kuò)散 方向一致，即設(shè)法使物料中心溫度高于表面溫度，如遠(yuǎn)紅外加熱、微波加

17、熱方式；當(dāng)熱擴(kuò)散與濕擴(kuò)散方向一致時(shí)， 強(qiáng)化傳熱，提高物料中的溫度梯度，當(dāng)兩者相反時(shí)，加強(qiáng)溫度梯度雖然擴(kuò)大了熱擴(kuò)散的阻力，但可以增強(qiáng)傳熱，物 料溫度提高，濕擴(kuò)散得以增加，故能加快干燥；減薄坯體厚度，變單面干燥為雙面干燥；降低介質(zhì)的總壓力， 有利于提高濕擴(kuò)散系數(shù)，從而提高濕擴(kuò)散速率；其他坯體性質(zhì)和形狀等方面的因素。 3為什么說(shuō)：同一個(gè)物料土干燥速率增加，則臨界含水量增大；在一定干燥條件下，物料愈厚，則臨界含水量愈 高？ 臨近含水量是干燥速度由恒速改為變速時(shí)的含水量，如果干燥速率增加會(huì)使干燥速率更早的減少，所以臨界含水量 就會(huì)增加。物料薄會(huì)使臨街含水量減少，因?yàn)楦稍锼俾矢嗟挠山缑婵刂疲鴥?nèi)部控制較

18、少所以恒速時(shí)間里干燥掉 的水分更多。 4為什么在操作中要先開鼓風(fēng)機(jī)送氣，而后再開電熱器？ 干燥過(guò)程中，如果先開電熱器，產(chǎn)生的熱量如果沒(méi)有鼓風(fēng)機(jī)吹，將會(huì)使設(shè)備燒壞。先將風(fēng)機(jī)打開，電熱器散發(fā)的熱 量便能及時(shí)地被風(fēng)帶走。鼓風(fēng)機(jī)起動(dòng)需要很大的起動(dòng)電流，如果電熱器開著，可能會(huì)造成線路過(guò)載。但如果先開鼓 風(fēng)機(jī)，起動(dòng)電流中便少了電熱器的電流量，這樣對(duì)于電路更安全。 實(shí)驗(yàn)三 連續(xù)精餾實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解板式塔的結(jié)構(gòu)及精餾流程 2理論聯(lián)系實(shí)際，掌握精餾塔的操作 二、實(shí)驗(yàn)原理 在板式精餾塔中，混合液的蒸汽逐板上升，回流液逐板下降。氣液兩相在 塔板上層層接觸實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)、傳熱過(guò)程而達(dá)到分離的目的。如果在每層塔板上

19、， 液體與其上升的蒸汽處于平衡狀態(tài)，則該塔板稱為理論板。然而在實(shí)際操作的 塔中，由于接觸時(shí)間有限，氣液兩相不可能達(dá)到平衡，即實(shí)際塔板的分離效果 達(dá)不到理論板的作用，因此精餾塔所需要的實(shí)際板數(shù)總是比理論板數(shù)要多。 1評(píng)價(jià)精餾的指標(biāo)全塔效率 對(duì)二元體系來(lái)說(shuō)，若已知?dú)庖浩胶鈹?shù)據(jù)，在全回流時(shí)，根據(jù)塔頂和塔底液 相組成可求得理論塔板數(shù)。理論塔板數(shù) NT與實(shí)際塔板數(shù) N 之比，由于全回流 下的全塔效率和部分回流下的全塔效率相差不大，在工程處理時(shí)，可以用全 回流下的全塔效率代替部分回流下的全塔效率，定義式如下： （1） N 1NT NT：全回流下的理論板數(shù)； N：精餾塔實(shí)際板數(shù)。 2維持正常精餾的設(shè)備因素和

20、操作因素 精餾塔的結(jié)構(gòu)應(yīng)能提供所需的塔板數(shù)和塔板上足夠的相 間傳遞面積。塔底加熱（產(chǎn)生上升蒸汽） 、塔頂冷凝（形成 回流）是精餾操作的主要能量消耗；回流比愈大，塔頂冷凝量愈大，塔底加熱量也必須愈大。回流比愈大，相間物質(zhì) 傳遞的推動(dòng)力也愈大。 設(shè)備因素 合理的塔板數(shù)和塔結(jié)構(gòu)為正常精餾達(dá)到指定分離任務(wù)提供了質(zhì)量保證，塔板數(shù)和塔板結(jié)構(gòu)為汽液接觸提供傳質(zhì)面積。 塔板數(shù)愈少，塔高愈矮，設(shè)備投資愈省。塔板數(shù)多少和被分離的物系性質(zhì)有關(guān)，輕重組份間揮發(fā)度愈大，塔板數(shù)愈少。反 之，塔板數(shù)愈多。塔結(jié)構(gòu)合理，操作彈性大，不易發(fā)生液沫夾帶、漏液、溢流液泛。反之，會(huì)使操作不易控制，塔頂塔底 質(zhì)量難以保證。為有效地實(shí)現(xiàn)汽

21、液兩相之間的傳質(zhì)，為了使傳質(zhì)具有最大的推動(dòng)力，設(shè)計(jì)良好的塔結(jié)構(gòu)能使操作時(shí)的板式 精餾塔（如圖 2 所示）應(yīng)同時(shí)具有以下兩方面流動(dòng)特征： 圖 2 正常操作時(shí)的氣液接觸狀況 汽液兩相總體逆流； 汽液兩相在板上錯(cuò)流。 塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理和操作不當(dāng)時(shí)會(huì)發(fā)生以下三種不正常現(xiàn)象： (i)嚴(yán)重的液沫夾帶現(xiàn)象 由于開孔率太小，而加熱量過(guò)大，導(dǎo)致汽速過(guò)大，塔板上的一部分液體 被上升汽流帶至上層塔板，這種現(xiàn)象稱為液沫夾帶。液沫夾帶是一種與液體 主流方向相反的流動(dòng)，屬返混現(xiàn)象，使板效率降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生夾帶液 泛，破壞塔的正常操作（見圖 3 所示） 。這種現(xiàn)象可通過(guò)顯示，由于： 釜 P 板壓降 （2） 釜 P 釜

22、P 此時(shí)板壓降急劇上升，表現(xiàn)讀數(shù)超出正常范圍的上限。 釜 P (ii)嚴(yán)重的漏液現(xiàn)象 由于開孔率太大，加上加熱量太小，導(dǎo)致汽速過(guò)小，部分液體從塔板開孔處直接 漏下，這種現(xiàn)象稱為漏液。漏液造成液體與氣體在板上無(wú)法錯(cuò)流接觸，傳質(zhì)推動(dòng)力 降低。嚴(yán)重的漏液，將使塔板上不能積液而無(wú)法正常操作，上升的蒸汽直接從降液 管里走，板壓降幾乎為 0，見圖 4 所示。此時(shí)。 釜 P 釜 P 綜上所述現(xiàn)象都與塔釜加熱量直接有關(guān)。塔釜加熱量愈 大，汽液負(fù)荷愈大，表現(xiàn)為操作壓力也愈大。過(guò)大， 釜 P 釜 P 液沫夾帶將發(fā)生，過(guò)小，漏液將出現(xiàn)。若液沫夾帶量和 釜 P 漏液量各超過(guò) 10%，被稱為嚴(yán)重的不正常現(xiàn)象。所以正常

23、的精餾塔，操作壓力應(yīng)有合適的范圍即操作壓力區(qū)間。 釜 P (iii)溢流液泛 由于降液管通過(guò)能力的限制，當(dāng)氣液負(fù)荷增大，降液管通道截面積太小，或塔內(nèi)某塔板的 降液管有堵塞現(xiàn)象時(shí)降液管內(nèi)清液層高度增加，當(dāng)降液管液面升至堰板上緣時(shí)（見圖 5 所示） ， 降液管內(nèi)的液體流量為其極限通過(guò)能力，若液體流量超過(guò)此極限值，板上開始積液，最終會(huì)使 全塔充滿液體，引起溢流液泛，破壞塔的正常操作。 操作因素 適宜回流比的確定 回流比是精餾的核心因素。在設(shè)計(jì)時(shí)，存在著一個(gè)最小回流比，低于該回流比即使塔板數(shù)再多，也達(dá)不到分離要 求。 在精餾塔的設(shè)計(jì)時(shí)存在一個(gè)經(jīng)濟(jì)上合理的回流比，使設(shè)備費(fèi)用和能耗得到兼顧。在精餾塔操作時(shí)

24、，存在一個(gè)回流 比的允許操作范圍。處理量恒定時(shí)，若汽液負(fù)荷（回流比）超出塔的通量極限時(shí)，會(huì)發(fā)生一系列不正常的操作現(xiàn)象， 同樣會(huì)使塔頂產(chǎn)品不合格。加熱量過(guò)大，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的霧沫夾帶和液泛；加熱量過(guò)小，會(huì)發(fā)生漏液，液層過(guò)薄，塔板 效率降低。 物料平衡 圖 5 溢流液泛示意圖 圖 3 過(guò)量的液沫夾帶現(xiàn)象 圖 4 塔內(nèi)漏液示意圖 F=D+W （3） Fxf=DxD+WxW （4） (i)總物料的平衡：F=D+W 若 FD+W，塔釜液位將會(huì)上升，從而發(fā)生淹塔；若 FD+W，塔釜液位將會(huì)下降，從而發(fā)生干塔。調(diào)節(jié)塔釜排放 閥開度，可以維持塔釜液位恒定，實(shí)現(xiàn)總物料的平衡。 (ii) 輕組分的物料平衡：Fxf=D

25、xD+WxW 在回流比 R 一定的條件下，若 FxfDxD+WxW，塔內(nèi)輕組分大量累積，即表現(xiàn)為每塊塔板上液體中的輕組分增 加，塔頂能達(dá)到指定溫度和濃度，此時(shí)塔內(nèi)各板的溫度所對(duì)應(yīng)塔板的溫度分布曲線如圖 6 所示，但塔釜質(zhì)量不合格， 表明加料速度過(guò)大或塔釜加熱量不夠；若 FxfDxD+WxW，塔內(nèi)輕組分大量流失，此時(shí)各板上液體中的重組分增加， 塔內(nèi)溫度分布曲線如圖 7 所示，這時(shí)塔頂質(zhì)量不合格，塔底質(zhì)量合格。表示塔頂采出率過(guò)大，應(yīng)減小或停止出料， 增加進(jìn)料和塔釜出料。 圖6 FxfDxD+WxW時(shí)溫度分布曲線 圖 7 FxfDxD+WxW時(shí)溫度分布曲線圖 靈敏點(diǎn)溫度 T靈 （1）靈敏板溫度是指一

26、個(gè)正常操作的精餾塔當(dāng)受到某一外界因素的干擾（如 R，xf，采出率等發(fā)生波動(dòng)時(shí)） ， 全塔各板的組成將發(fā)生變動(dòng)，全塔的溫度分布也將發(fā)生相應(yīng)的變化，其中有一些板的溫度對(duì)外界干擾因 素的反映最靈敏，故稱它們?yōu)殪`敏板。 （2）按塔頂和塔釜溫度進(jìn)行操作控制的不可靠性 不可靠性來(lái)源于二個(gè)原因：一是溫度與組成雖然有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，但溫度變化較小，儀表難以準(zhǔn)確顯示， 特別是高純度分離時(shí)；另一是過(guò)程的遲后性，當(dāng)溫度達(dá)到指定溫度后由于過(guò)程的慣性，溫度在一定時(shí)間 內(nèi)還會(huì)繼續(xù)變化，造成出料不合格。 （3）塔內(nèi)溫度劇變的區(qū)域 塔內(nèi)沿塔高溫度的變化如圖 7 所示。顯然，在塔的頂部和底部附近的塔段內(nèi)溫度變化較小，中部溫度變

27、化較大。因此，在精餾段和提餾段適當(dāng)?shù)奈恢酶髟O(shè)置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，在操作變動(dòng)時(shí)，該點(diǎn)的溫度會(huì)呈現(xiàn)較 靈敏的反應(yīng)，因而稱為靈敏點(diǎn)溫度。 （4）按靈敏點(diǎn)溫度進(jìn)行操作控制 操作一段時(shí)間后能得知當(dāng)靈敏點(diǎn)溫度處于何值時(shí)塔頂產(chǎn)品和塔底產(chǎn)品能確保合格。以后即按該靈敏點(diǎn)溫 度進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)精餾段靈敏點(diǎn)溫度上升達(dá)到規(guī)定值后即減小出料量，反之，則加大出料量。 因此能用測(cè)量溫度的方法預(yù)示塔內(nèi)組成尤其是塔頂餾 出液組成的變化。圖 6 和圖 7 是物料不平衡時(shí)，全塔溫度 分布的變化情況；圖 8 是分離能力不夠時(shí)，全塔溫度分布 的變化情況，此時(shí)塔頂和塔底的產(chǎn)品質(zhì)量均不合格。從比 較圖 7 和圖 8 可以看出，采出率增加和回流

28、比減小時(shí)，靈 敏板的溫度均上升，但前者溫度上升是突躍式的，而后者 則是緩慢式的，據(jù)此可判斷產(chǎn)品不合格的原因，并作相應(yīng) 的調(diào)整。 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 采用乙醇水物系，全回流操作測(cè)全塔效率 根據(jù)，在一定加熱量下，全回流操作 穩(wěn)定后塔頂塔底同 N 1NT 時(shí)取樣分析，得 xD、xW，用作圖法求理論板數(shù)。 部分回流時(shí)回流比的估算 操作回流比的估算有二種方法： (i)通過(guò)如圖所示，作一切線交縱坐標(biāo)，截距為，即可求 1R x min D 得 Rmin，由 R=(1.22)Rmin，初估操作回流比 1R x min D (ii)根據(jù)現(xiàn)有塔設(shè)備操作摸索回流比，方法如下： （1）選擇加料速度為 46l/h，

29、根據(jù)物料衡算塔頂出料流量及調(diào)至適當(dāng)值，塔釜暫時(shí)不出料。 （2）將加熱電壓關(guān)小，觀察塔節(jié)視鏡內(nèi)的氣液 接觸狀況，當(dāng)開始出現(xiàn)漏液時(shí)，記錄讀數(shù)，此時(shí)作為操作壓力下限，對(duì)應(yīng)的加熱電壓即為最小加熱量， 釜 P 釜 P 讀取的回流比即為操作回流比下限。 （3）將加熱電壓開大，觀察塔節(jié)視鏡內(nèi)的氣液接觸狀況，當(dāng)開始出現(xiàn)液泛時(shí)，記錄讀數(shù)，此時(shí)作 釜 P 釜 P 為操作壓力上限，對(duì)應(yīng)的加熱電壓即為最大加熱量，讀取的回流比即為操作回流比上限。 （4）在漏液點(diǎn)和液泛點(diǎn)之間選擇一合適的塔釜加熱量。 部分回流時(shí)，塔頂塔底質(zhì)量同時(shí)合格 D 的估算 根據(jù)輕組份物料衡算，得 D 的大小，應(yīng)考慮全回流時(shí)塔底輕組分的含量。 實(shí)驗(yàn)流

30、程設(shè)計(jì) 需要 1 個(gè)帶再沸器和冷凝器的篩板精餾塔。 需要 3 個(gè)溫度計(jì)，以測(cè)定、。 釜 T 靈 T 釜 T 需要 1 個(gè)塔釜壓力表，以確定操作壓力。 釜 P 圖 2 物料不平衡時(shí)溫度分布曲線 圖 8.分離能力不夠時(shí)溫度分布曲線圖 XD 需要 1 個(gè)加料泵，供連續(xù)精餾之用。 需要 3 個(gè)流量計(jì)，以計(jì)量回流量、塔頂出料量、加料量。 將以上儀表和主要塔設(shè)備配上貯槽、閥門、管件等組建如下實(shí)驗(yàn)裝置圖。 實(shí)驗(yàn)塔性能評(píng)定時(shí)的操作要點(diǎn) （1）最大分離能力全回流操作 在塔釜內(nèi)置入 1030v%的乙醇水溶液，釜位近液位計(jì)處，開啟加熱電源使電壓為 220 V，打開塔頂冷凝器 3 2 進(jìn)水閥。塔釜加熱，塔頂冷凝，不加

31、料，不出產(chǎn)品。待塔內(nèi)建立起穩(wěn)定的濃度分布后， （回流流量計(jì)浮子浮起來(lái)達(dá) 10min 之久后） ，同時(shí)取樣分析塔頂 xD與塔釜 xW。由該二組成可作圖得到該塔的理論板數(shù)并與實(shí)際板數(shù)相除得到 全塔效率。 （2）最大的處理能力液泛點(diǎn) 全回流條件下，加大塔釜的加熱量，塔內(nèi)上升蒸汽量和下降液體量將隨之增大，塔板上液層厚度和塔釜壓力也 相應(yīng)增大，當(dāng)塔釜壓力急劇上升時(shí)即出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，讀取該時(shí)刻的回流量和加熱電流量，即為該塔操作的上限 液泛點(diǎn)。 （3）最小的處理能力漏液點(diǎn) 全回流條件下，逐次減小塔釜加熱量，測(cè)定塔效率，塔效率劇降時(shí)，讀取該時(shí)刻的回流量和加熱電流量，即為 該塔操作的下限漏液點(diǎn)。 （4）部分回流時(shí)

32、，將加料流量計(jì)開至 4 L/h，按照上述提及的回流比確定方法操作。 （5）若發(fā)生急劇上升，應(yīng)采取 D=0，F(xiàn)，W的措施。 靈 T 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象討論與分析 三、實(shí)驗(yàn)裝置圖三、實(shí)驗(yàn)裝置圖 1. 全回流操作時(shí)，精餾塔不加料也不出料，因此在 yx 圖上，精餾段與提餾段操作線都與對(duì)角線重合。可 以看出：全回流的特點(diǎn)是兩板之間任一截面上，上升蒸汽的組成與下降液體組成相等。所以，可以通過(guò)作 圖法求得全回流理論板數(shù) NT，求得塔效率。 實(shí)際 N NT1 2. 正常操作的板式精餾塔應(yīng)滿足氣液兩相總體逆流，氣液兩相在板上錯(cuò)流。在部分回流操作時(shí)，稍有不當(dāng)， 比全回流更易產(chǎn)生不正常現(xiàn)象。釜壓過(guò)高易產(chǎn)生液沫夾帶或液泛；釜壓

33、過(guò)低則會(huì)產(chǎn)生漏液。漏夜最易發(fā)生 的地方是塔頂和加料板處。 3為了達(dá)到指定分離任務(wù)，回流比的控制相當(dāng)重要。若回流量 L 增加，塔頂出料量 D 不變，這意味著塔釜 加熱量增加，塔頂冷卻量也增加，所以這是以能耗為代價(jià)的。本實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)靈敏板溫度超出正常范圍時(shí)這意 味著塔頂 xD不合格，T靈急劇上升，應(yīng)采用 D=0，F(xiàn)；T靈緩慢上升應(yīng)增加塔釜加熱量和塔頂冷W 卻量，而不是減小塔頂出料來(lái)提高回流比。因?yàn)楹笳叩牟僮鲿?huì)破壞物料平衡。 4 部分回流時(shí)，由于加料狀況為冷加料，入塔后將會(huì)影響精餾段上升的蒸汽量，因此需微微提高加熱電壓， 使精餾段仍然維持原來(lái)的上升蒸汽量。 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.實(shí)驗(yàn)原料為工業(yè)中常用的食用酒

34、精，本實(shí)驗(yàn)選取食用酒精 20% (重量)左右的水溶液為原料。 2.熟悉精餾塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)和流程，并了解各部分的作用，檢查加熱釜中料液量是否適當(dāng)。釜中液面必須浸沒(méi)電熱 器(約為液面計(jì)高度的 2/3 左右)。 3.用液體比重天平準(zhǔn)確稱取原料液的比重，并檢查溫度計(jì)、壓力計(jì)、電流、電壓表的指針是否歸零。 4.接通電源，開啟加熱開關(guān)。然后調(diào)節(jié)調(diào)壓器，逐慚加大功率，正常操作下電流控制在 34A。 5.觀察塔頂，塔釜的溫度變化和塔頂?shù)谝粔K板的情況，當(dāng)上升蒸汽開始回流時(shí)，打開塔頂冷凝水閥，控制冷卻水 量在 80L/h 以下，并開塔頂考克以排除不凝性氣體，保持塔處于全回流狀態(tài)下操作。 6.當(dāng)塔板上氣液鼓泡正常，操

35、作穩(wěn)定，且待塔頂、塔釜溫度恒定不變，即可開始取樣。 7.由塔頂取樣管和釜底取樣考克用錐瓶接取適量試樣。取樣前應(yīng)先取少量試樣沖洗一、二次。取樣后用塞子將錐 瓶塞嚴(yán)，并使其冷卻到約 20 ，用比重天平測(cè)取比重，并由酒精組分比重對(duì)照表查得酒精重量百分濃度。 8.取樣后，可加大加熱電流到 5 A 左右，可以觀察到液泛現(xiàn)象，此時(shí)塔內(nèi)壓力明顯增加。觀察記錄后，將加熱電 流逐漸減小到零。 9.切斷電源，等塔內(nèi)沒(méi)有回流時(shí)關(guān)閉冷卻水閥門。清理現(xiàn)場(chǎng)。 五、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 1. 當(dāng)釜液沸騰后要注意控制加熱量。 2.由于開車前塔內(nèi)存有較多的不凝性氣體空氣，開車后要利用上升的蒸汽將其排出塔外，因此開車后要注意 開啟塔頂?shù)?/p>

36、排氣考克。 3隨時(shí)注意釜內(nèi)的壓強(qiáng)、溫度等操作參數(shù)的變化情況，隨時(shí)加以調(diào)節(jié)控制。 4取樣必須在操作穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行，要做到同時(shí)取樣，取樣數(shù)量要能保證比重計(jì)能夠浮起。 5操作中要維持進(jìn)料量、出料量基本平衡；調(diào)節(jié)釜底殘液出料量，維持釜內(nèi)液面不變。 六、數(shù)據(jù)記錄 % D x%vxW 靈 TPaP100/ 釜 F L/hD L/hW L/hR% F x 全回流 部分回流 七、思考題 1. 影響精餾塔操作穩(wěn)定的因素是哪些? 影響精餾塔操作穩(wěn)定的因素有：(1)回流比的影響；(2)進(jìn)料狀態(tài)的影響；(3)進(jìn)料量大小的影響；(4)進(jìn)料組成變化 的影響；(5)進(jìn)料溫度變化的影響；(6)塔頂冷劑量大小的影響；(7)塔頂采出

37、量大小的影響；(8)塔底采出量大小的影 響，9 操作壓力。 2. 如何判別塔的操作已達(dá)穩(wěn)定? 操作已達(dá)穩(wěn)定的條件：靈敏板溫度基本不變，塔釜液液面基本保持恒定。 3.精餾塔越高是否產(chǎn)量越大? 4.回流液溫度變化對(duì)塔的操作有何影響? 5.精餾塔在操作過(guò)程中，由于塔頂采出率太大而造成產(chǎn)品不合格，恢復(fù)正常的最快、最有效的方法是什么？ 6.食品工業(yè)中那些產(chǎn)品可以應(yīng)用精餾技術(shù)？ 附件： 表 1：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下乙醇水平衡數(shù)據(jù) 液相乙醇摩爾百分?jǐn)?shù)汽相乙醇摩爾百分?jǐn)?shù)液相乙醇摩爾百分?jǐn)?shù)汽相乙醇摩爾百分?jǐn)?shù) 0.00.045.063.5 1.011.050.065.7 2.017.555.067.8 4.027.360

38、.069.8 6.034.065.072.5 8.039.270.075.5 10.043.075.078.5 14.048.280.082.0 18.051.385.485.5 20.052.289.089.4 25.055.90.089.8 30.057.595.094.2 35.059.5100.0100.0 40.061.4 附件 2：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下乙醇水的容積、重量與比重?fù)Q算表 容積%重量%比 重容積%重量%比 重容積%重量%比 重 00.000.998233125.460.961006254.090.90462 10.790.996753226.320.959726355.110.9

39、0231 21.590.995293327.180.958396456.130.8999 32.380.993853428.040.957046557.150.89764 43.180.992443528.910.955366658.190.89526 53.980.991063629.780.954196759.230.89286 64.780.989743730.650.952716860.270.89044 75.590.988453831.530.951196962.310.88799 86.400.987193932.410.949647061.330.88551 97.200.98

40、5964033.300.988067163.460.88302 108.010.984764134.190.946447264.540.88051 118.830.983564235.990.944797365.630.87796 129.3640.982394335.990.943087466.720.87538 1310.460.981234436.890.941347567.830.87277 1411.270.980094537.800.939567668.940.87015 雷諾實(shí)驗(yàn)（演示）雷諾實(shí)驗(yàn)（演示） 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.觀察水流的層流和紊流的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。 2.學(xué)習(xí)測(cè)量圓管中雷諾數(shù)

41、的方法。 3.點(diǎn)繪沿程水頭損失與雷諾數(shù)的關(guān)系，求出下臨界雷諾數(shù)。 f h e R 4.通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析層流和紊流兩種流動(dòng)型態(tài)下沿程水頭損失隨流速或雷諾數(shù)的變化規(guī)律。 二、實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)際流體中存在著兩種不同的流動(dòng)型態(tài)，即層流和紊流。1885 年，雷諾（Reynolds）曾用實(shí)驗(yàn)揭示了實(shí)際液 體運(yùn)動(dòng)中層流和紊流的不同本質(zhì)。層流的特點(diǎn)是當(dāng)流速較小時(shí)流體的質(zhì)點(diǎn)互不混摻成線狀運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象不呈脈動(dòng) 現(xiàn)象。紊流的特點(diǎn)是液體中的質(zhì)點(diǎn)互相混摻，其運(yùn)動(dòng)軌跡曲折混亂，運(yùn)動(dòng)要素發(fā)生脈動(dòng)現(xiàn)象。介于之間的是層流向 紊流的過(guò)渡流動(dòng)狀態(tài)，稱為層流向紊流的過(guò)渡。 雷諾實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了層流與紊流的沿程水頭損失規(guī)律也不同。層流是沿程水頭

42、損失與流速的一次方程比例，紊 流時(shí)沿程水頭損失與流速的次方成比例，如圖 1 所示。n 用公式表示為 （1） n f kvh 式中，為沿程水頭損失；為流速；為指數(shù)；為比例系數(shù)。層流時(shí)，紊流時(shí)。 f hvnk0 . 1n0 . 275 . 1 n 由此可見，要確定水頭損失必須先確定流動(dòng)型態(tài)。 如圖 2 所示，若在管道的兩個(gè)斷面 1-1 和 2-2 上各安裝一根測(cè)壓管，可測(cè)量出斷面 1-1 至斷面 2-2 間的水頭損 失。 vkvk 過(guò)渡段 A B C D 層流區(qū)紊流區(qū) lgv lghf hf 圖 1 圖 2 由能量方程得： f h g vp Z g vp Z 22 2 222 2 2 111 1 式中，取，則 21 vv 21 （2） )()( 2 2 1 1 p Z p Zhf 由上式可以看出，1-1 斷面和 2-2 斷面兩根測(cè)壓管的水頭差即為沿程水頭損失。 流動(dòng)型態(tài)的判別