化工单元操作实践指导书

史经略 黄和升 生物与化学工程学院 二○一二年二月月

化工单元操作实践指导书

第一部分 化工单元操作实验

实验一：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，测定流体流经阀门时的局部阻力系数。

4．学会倒U形压差计的使用方法，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：

hfpfp1p2lu2lu2 （1-1）

d2 （1-2）

即， 2dpf式中： λ —直管阻力摩擦系数，无因次；

d —直管内径，m；

pf—流体流经l米直管的压力降，Pa；

hf—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/m3； 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，

64 （1-3） Re

1

Redu （1-4）

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pf、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。

例如本装置采用转子流量计测流量V（m3/h），且已经校核，则

uV (1-5) 2900dpf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

pfgR (1-6) 式中：R－水柱高度，m。

（2）当采用U型管液柱压差计时

pf0gR (1-7)

式中：R－液柱高度，m；

0－指示液密度，kg/m3。

根据实验装置结构参数l、d，指示液密度0，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 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le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，则流体在管路中流动时的总机械能损失

hf 为：

2

lleu2hfd2 (1-8)

(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：

u2 hf (1-9) g2故 2pfpfgu2 (1-10)

式中： —局部阻力系数，无因次；

pf －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/m3；

g —重力加速度，9.81m/s2；

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0，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(1-5)、(1-6)或(1-7)、(1-10)求取管件或阀门的局部阻力系数。

三、实验装置与流程

1． 实验装置

实验装置如图1所示：

3

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，转子流量计和倒U型压差计等所组成的。管路部分有三段并联的长直管，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。

水的流量使用转子流量计测量，管路和管件的阻力采用各自的倒U形压差计测量，流体温度由金属温度计测量。

3．装置参数

装置参数如表1所示。

表1 名称 局部阻力 光滑管 粗糙管 材质 闸阀 不锈钢管 镀锌铁管 管内径（mm） 管路号 管内径 测量段长度（cm） 100 100 100 1A 1B 1C 20.9 20.9 21.1 四、实验步骤

1．启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大。 2．对倒U型压差计进行排气和调零，使压差计两端在带压且零流量时的液位高度相等。 3．实验时先缓缓开启调节阀，调节流量，让流量从0.4到4m3/h范围内变化。每次改变流量，待流动达到稳定后，分别记下压差计左右两管的液位高度，两高度相减的绝对值即为该流量下的差压。注意正确读取不同流量下的压差和流量等有关参数。 4．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

4

实验点，从而绘出λ～Re曲线。

5．实验结束，关闭出口阀，停止水泵电机，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mmH2O 左 右 压差 粗糙管mmH2O 左 右 压差 局部阻力mmH2O 左 右 压差 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?

实验二：雷诺演示实验

5

一、实验目的

观察流体在管内流动的两种不同流型。

二、基本原理

流体流动有两种不同型态，即层流(滞流)和湍流(紊流)。流体作层流流动时，其流体质点作直线运动，且互相平行；湍流时质点紊乱，流体内部存在径向脉动，但流体的主体向同一方向流动。

雷诺准数是判断流动型态的准数，若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：

Redu （2——1）

式中，Re——雷诺准数，无因次； d——管子内径，m；

3

u——流体流速，m／s； ρ——流体密度，kg／m； μ——流体粘度；Pa·s。

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。本实验通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数下流体流型的变化，一般认为Re<2000时，流动型态为层流；Re>4000时。流动为湍流；2000三、 实验装置与流程

实验装置如图1-15所示。主要由贮水槽、玻璃试验导管、转子流量计以及移动式镜面不锈钢实验台等部分组成。

实验前，先将水充满带溢流装置的贮水槽，打开转子流量计后的调节阀，先将系统中的气泡排尽。

示踪剂采用有色墨水，它由有色墨水贮瓶．经连接软管和注射针头，注入试验导管。注射针头位于试验导管入口向里约15厘米（设计为可调）处的中心轴位置。

6

图2-1 流体流动现象演示实验装置

1．贮水槽 2. 有色墨水贮瓶3. 试验导管4. 转子流量计5. 移动式实验台

四、演示操作

1、层流

试验时，先稍开启调节阀，将流量从0慢慢增大至所需要的值。再调节有色墨水贮瓶的注射器开关，排尽管中的气泡并调节开关的大小至适宜位置，使有色墨水的注人流速与试验导管中主体流体水的流速相适应，一般略低于水的流速为宜。待流动稳定后．记录水的流量。此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的有色细流，好象一根拉直的有色直线一样。

2、湍流

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。可观察到：玻璃导管轴线上呈直线流动的有色细流，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一色。

实验三：离心泵性能特性曲线测定实验

7

一、实验目的

1）．了解离心泵结构与特性，学会离心泵的操作。 2）．测定恒定转速条件下离心泵的有效扬程(H)、轴功率(N)、以及总效率（η）与有效流量(V)之间的曲线关系。

3）．测定改变转速条件下离心泵的有效扬程(H)、轴功率(N)、以及总效率（η）与有效流量(V)之间的曲线关系。

4）．学会轴功率的两种测量方法：马达天平法和功率表法。 5）．了解压力传感器和变频器的工作原理和使用方法。 6）．学会采用变频器调节泵流量的操作方法。 7）．学会化工原理实验软件库（组态软件MCGS和VB实验数据处理软件系统）的使用。

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扬程H、轴功率N及效率η与流量V之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。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 ) 流量V的测定与计算

采用涡轮流量计测量流量，智能流量积算仪显示流量值V m3/h。

2 ) 扬程H的测定与计算

在泵进、出口取截面列柏努利方程：

22u2u1p2p1 (3—1) HZ2Z1g2gp1,p2：分别为泵进、出口的压强 N/m2 ρ：液体密度 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： Hp2p1g (3—2)

由式（1-10）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。 本实验中，还采用压力传感器来测量泵进口、出口的真空度和压力，由8路巡检仪显示真空度和压力值。

3) 轴功率N的测量与计算 轴功率可按下式计算：

N=Mω=M．2n2n9.81PL． （3—3） 6060式中，N—泵的轴功率，W

M—泵的转矩，N.m

ω—泵的旋转角速度，1/s n—泵的转速，r/min

8

P—测功臂上所加砝码的质量,Kg

L—测功臂长，m； L=0.4867m（马达天平法）；

由式（1—11）可知：要测定泵的轴功率，需要同时测定泵轴的转矩M和转速n，泵轴的转矩采用马达天平法，泵轴的转速由转速传感器数值式转速表直接读出。 4）效率η的计算

泵的效率η为泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是流体单位时间内自泵得到的功，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 （3—4） 故 η=Ne/N=HVρg/N （3—5） 5) 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：

nnn2扬程HH()n  （3—6）

n3轴功率NN()nVHgVHg效率NN流量VV 此外，本实验装置安装了变频器，以改变离心泵的转速，实现测定变转速时离心泵的性

能特性曲线的目的，转速改变后的换算关系也满足比例定律（1-14）。本实验装置还设计了采用变频器来手动或自动控制调节泵流量的实验训练。全部实验能实现计算机数据在线采集和自动控制。

三、实验装置流程图

离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图如下

9

图3-1 离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图

四、实验步骤及注意事项

1．实验步骤：

1）仪表上电：打开总电源开关，打开仪表电源开关；打开三相空气开关，把离心泵电

源转换开关旋到直接位置，即为由电源直接启动，这时离心泵停止按钮灯亮。 2) 打开离心泵出口阀门，打开离心泵灌水阀，对水泵进行灌水，注意在打开灌水阀时

要慢慢打开，不要开的太大，否则会损坏真空表的。灌好水后关闭泵的出口阀与灌水阀门。

3) 实验软件的开启：打开“离心泵性能特性曲线测定实验.MCG”组态软件，出现提示

输入工程密码对话框，输入密码1121后，进入组态环境，按“F5”键进入软件运行环境。按提示输入班级、姓名、学号、装置号后按“确定”进入“离心泵性能特性测定实验软件”界面，点击“恒定转速下的离心泵性能特性曲线测定”按钮，进入实验界面。

4) 当一切准备就绪后，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。启动离心泵后把出水阀开到最大，开始进行离心泵实验。 5) 流量调节：（1）手动调节：通过泵出口闸阀调节流量；（2）自动调节：通过图1-3

10

6)

7)

8) 9)

所示仪控柜面板中流量自动调节表与变频器来调节流量，以实现流量的手自动控制。

手动调节实验方法：调节出口闸阀开度，使阀门全开。等流量稳定时，在马达天平上添加砝码使平衡臂与准星对准读取砝码重量p。在仪表台上读出电机转速n，流量v，水温t，真空表读数p1和出口压力表读数p2并记录；关小阀门减小流量，重复以上操作，测得另一流量下对应的各个数据，一般重复8~9个点为宜。

实验完毕，按下仪表台上的水泵停止按钮，停止水泵的运转。关闭水泵出口阀。单击“退出实验”。回到“离心泵性能特性测定实验软件”界面，再单击“退出实验”按钮退出实验系统。

如果要改变离心泵的转速，测定另一转速下的性能特性曲线，则可以用变频器来调节离心泵的转速，步骤同前步骤2-9。 关闭以前打开的所有设备电源。

2．注意事项

1、实验开始时，灌泵用的进水阀门开度要小，以防进水压力过大损坏真空表。

2、在正常启动离心泵后，必须把进水管路上的闸阀全开，然后打开出口阀调节流量。切记进水管路上的闸阀要全开，以防发生汽蚀而损坏泵。

五、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。

六、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？

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？

3实验四：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；

11

4）．了解操作压力对过滤速率的影响； 5）． 学会化工原理实验软件库（VB实验数据处理软件系统）的使用。

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。在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截流下来，从而实现固液分离，因此，过滤操作本质上是流体通过固体颗粒床层的流动，所不同的是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进行而不断增加，故在恒压过滤操作中，其过滤速率不断降低。

影响过滤速度的主要因素除压强差△p，滤饼厚度L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，故难以用流体力学的方法处理。

比较过滤过程与流体经过固定床的流动可知：过滤速度即为流体通过固定床的表现速度u。同时，流体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动属于低雷诺数范围，因此，可利用流体通过固定床压降的简化模型，寻求滤液量与时间的关系，运用层流时泊唆叶公式不难推导出过滤速度计算式：

13p (4—1) u．Ka2(1)2L

式中，u——过滤速度，m/s； K---康采尼常数，层流时，K=5.0; ε---床层的空隙率，m/m； a---颗粒的比表面积，m2/m； △p---过滤的压强差，Pa； μ---滤液的粘度，Pa.s； L---床层厚度，m。

由此可导出过滤基本方程式为

333dVA2p1s (4—2) drv(VVe)式中，V---滤液体积，m；

τ---过滤时间，s； A---过滤面积，m2;

S—滤饼压缩性指数，无因次。一般情况下S=0~1，对不可压缩滤饼S=0; r---滤饼比阻，1/m,r=5.0a(1)/;

23223r---单位压差下的比阻，1/m2,r=rps;

12

v---滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次; Ve---虚拟滤液体积，m。

恒压过滤时，令k=1/rv,K2kp(1s),q=V/A,qeVe/A对式(1—16)积分可得

3(qqe)2K(e) (4—3))

式中，q---单位过滤面积的滤液体积，

3m3/m2；

2qe----单位过滤面积的虚拟滤液体积，m/m；

τe----虚拟过滤时间，s；

K—滤饼常数，由物料特性及过滤压差所决定，m/s。

K，qe，τe三者总称为过滤常数。利用恒压过滤方程进行计算时，必须首先需要知道K，qe，

2τe，它们只有通过实验才能确定。

对式（1—17）微分可得

2(qqe)dqKd （4—4）

d22qqedqKK .该式表明以

d为纵坐标，以q为横坐标作图可得一直线，直dqd替代，把式（1qdq线斜率为2/K，截距为2 qe /K。在实验测定中，为便于计算，可用—18）改写成

22qqe （4—5） qKK在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔△τi(i=1 、2 、3······)及对应的滤

液体积△Vi(i=1 、2 、3······)，也可采用计算机软件自动采集一系列时间间隔△τi(i=1 、2 、3······)及对应的滤液体积△Vi(i=1 、2 、3······)，由此算出一系列△τi，△qi，qi在直角坐标系中绘制

~q的函数关系，得一直线。有直线的斜率便可求出K和qe，再根q据eqe/K，求出e。

2

13

改变实验所用的过滤压差△p，可测得不同的K值，由K的定义式两边取对数得

lgK(1s)lg(P)lg(2k) (4—6)

在实验压差范围内，若k为常数，则lgK~lg(△P)的关系在直角坐标上应是一条直线，直线的斜率为（1-s）,可得滤饼压缩性指数s，由截矩可得物料特性常数k。

三、实验装置流程图

本实验装置有空压机、配料槽、压力储槽、板框过滤机和压力定值调节阀等组成。其实

验流程如下。CaCO3的悬浮液在配料桶内配置一定浓度后利用位差送入压力储槽中，用压缩空气加以搅拌使CaCO3不致沉降，同时利用压缩空气的压力将料浆送入板框过滤机过滤，滤液流入量筒计量。

图4—1恒压过滤常数测定实验装置流程图

1 、配料槽 2 、压力料槽 3 、板框压滤机 4 、压力表 5 、安全阀 6 、压力变送器 7 、压力定值调节阀

板框过滤机的结构尺寸如下：框厚度25mm，每个框过滤面积0.024m2，框数2个。 空气压缩机规格型号为：2VS—0.08/7,风量0.08m3/min,最大气压为0.7MPa。

四、实验步骤及注意事项 1.实验步骤

1) 配制含CaCO3 8%~13%(wt.%)的水悬浮液;

14

2) 熟悉实验装置流程; 3) 开启空气压缩机;

4) 正确装好滤板、滤框及滤布。滤布使用前先用水浸湿。滤布要绑紧，不能起绉（用

丝杆压紧时，千万不要把手压伤，先慢慢转动手轮使滤框合上，然后再压紧）； 5) 打开阀（3）、（2）、（4），将压缩空气通入配料槽，使CaCO3悬浮液搅拌均匀； 6) 关闭阀（2），打开压力料槽排气阀（12），打开阀（6），使料浆由配料桶流入压力

料槽至1/2～2/3处，关闭阀（6）； 7) 打开阀（5），，打开阀（7）、阀(10)，开始做低压过滤实验； 8) 每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时刻作为开始时刻，每次ΔV取为800ml左右，

记录相应的过滤时间Δτ。要熟练双秒表轮流读数的方法。量筒交替接液时不要流失滤液。等量筒内滤液静止后读出ΔV值和记录Δτ值。测量8～10个读数即可停止实验。关闭阀（7）、阀(10)，打开阀（11），重复上述操作做中等压力过滤实验。关闭阀（9）、阀(11)打开阀（8）重复上述操作做高压力过滤实验。 9) 实验完毕关闭阀（8），打开阀（6）、（4），将压力料槽剩余的悬浮液压回配料桶，

关闭阀（4），（6）。 10) 打开排气阀（12），卸除压力料槽内的压力。然后卸下滤饼，清洗滤布、滤框及滤

板。

11) 关闭空气压缩机电源，关闭24VDC电源，关闭仪表电源及总电源开关。 2.注意事项

滤饼、滤液要全部回收到配料桶 。

五、实验报告

1、 由恒压过滤实验数据求过滤常数K，qe，τe

2、比较几种压差下的K，qe，τe值，讨论压差变化对以上参数数值的影响。 3、在直角坐标纸上绘制lgK~lg(p)关系曲线，求出S 及k 4、写出完整的过滤方程式，弄清其中各个参数的符号及意义。

六、思考题

1、 通过实验你认为过滤的一维模型是否适用？

2、当操作压强增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同样的过滤液，其过滤时间是否缩短了一半？

3、影响过滤速率的主要因素有哪些？

4、滤浆浓度和操作压强对过滤常数K值有何影响？

5、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？ 6、若要做滤饼洗涤，管线应怎样安排？需增加什么设备？

15

实验五：膜分离实验

一.实验目的

1．了解膜的结构和影响膜分离效果的因素，包括膜材质、压力和流量等。 2．了解膜分离的主要工艺参数，掌握膜组件性能的表征方法。 3．掌握膜分离流程，比较各膜分离过程的异同。

二.基本原理

膜分离是以对组分具有选择性透过功能的膜为分离介质，通过在膜两侧施加（或存在）一种或多种推动力，使原料中的某组分选择性地优先透过膜，从而达到混合物的分离，并实现产物的提取、浓缩、纯化等目的的一种新型分离过程。其推动力可以为压力差（也称跨膜压差）、浓度差、电位差、温度差等。膜分离过程有多种，不同的过程所采用的膜及施加的推动力不同，通常称进料液流侧为膜上游、透过液流侧为膜下游。

微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）与反渗透（RO）都是以压力差为推动力的膜分离过程，当膜两侧施加一定的压差时，可使一部分溶剂及小于膜孔径的组分透过膜，而微粒、大分子、盐等被膜截留下来，从而达到分离的目的。

四个过程的主要区别在于被分离物粒子或分子的大小和所采用膜的结构与性能。微滤膜的孔径范围为0.05～10μm，所施加的压力差为0.015～0.2MPa；超滤分离的组分是大分子或直径不大于0.1μm的微粒，其压差范围约为0.1～0.5MPa；反渗透常被用于截留溶液中的盐或其他小分子物质，所施加的压差与溶液中溶质的相对分子质量及浓度有关，通常的压差在2MPa左右，也有高达10MPa的；介于反渗透与超滤之间的为纳滤过程，膜的脱盐率及操作压力通常比反渗透低，一般用于分离溶液中相对分子质量为几百至几千的物质。

2.1微滤与超滤

微滤过程中，被膜所截留的通常是颗粒性杂质，可将沉积在膜表明上的颗粒层视为滤饼层，则其实质与常规过滤过程近似。本实验中，以含颗粒的混浊液或悬浮液，经压差推动通过微滤膜组件，改变不同的料液流量，观察透过液测清液情况。

对于超滤，筛分理论被广泛用来分析其分离机理。该理论认为，膜表面具有无数个微孔，这些实际存在的不同孔径的孔眼像筛子一样，截留住分子直径大于孔径的溶质和颗粒，从而达到分离的目的。应当指出的是，在有些情况下，孔径大小是物料分离的决定因数；但对另一些情况，膜材料表面的化学特性却起到了决定性的截留作用。如有些膜的孔径既比溶剂分子大，又比溶质分子大，本不应具有截留功能，但令人意外的是，它却仍具有明显的分离效果。由此可见，膜的孔径大小和膜表面的化学性质将分别起着不同的截留作用。

2.2反渗透与纳滤

反渗透是一种依靠外界压力使溶剂从高浓度侧向低浓度侧渗透的膜分离过程，其基本机理为Sourirajan在Gibbs吸附方程基础上提出的优先吸附－毛细孔流动机理，而后又按此机理发展为定量的表面力－孔流动模型（详见教材）。

纳滤过程界于超滤和反渗透两者之间，其截留的粒子相对分子量通常在几百到几千之间。

2.3膜性能的表征

一般而言，膜组件的性能可用截留率（R）、透过液通量（J）和溶质浓缩倍数（N）来表示。

R

c0－cP100％c0 （5—1）

16

式中， R－截流率；

c0－原料液的浓度，kmol/m3； cP－透过液的浓度，kmol/m3。

对于不同溶质成分，在膜的正常工作压力和工作温度下，截留率不尽相同，因此这也是工业上选择膜组件的基本参数之一。

J

2

式中， J －透过液通量，L/(mh)

VPStLmh2 (5—2)

VP－透过液的体积，L；

S －膜面积，m2； t －分离时间，h。 其中，QVpt，即透过液的体积流量，在把透过液作为产品侧的某些膜分离过程中（如

污水净化、海水淡化等），该值用来表征膜组件的工作能力。一般膜组件出厂，均有纯水通

量这个参数，即用日常自来水（显然钙离子、镁离子等成为溶质成分）通过膜组件而得出的透过液通量。

N式中， N—溶质浓缩倍数；

cR (5—3) cPcR－浓缩液的浓度，kmol/m3；

cP－透过液的浓度，kmol/m3。

该值比较了浓缩液和透过液的分离程度，在某些以获取浓缩液为产品的膜分离过程中（如大分子提纯、生物酶浓缩等），是重要的表征参数。

截留率（R）、透过液通量（J）和溶质浓缩倍数（N）与总流量(Q)有关，实验者需在不同的流量下，测定原料中初始溶质浓度、透过液中溶质浓度、浓缩液中溶质浓度、透过液体积和实验时间（即透过液体积流量Q），膜面积由实际设备确定。最后在坐标图上绘制截留率～流量(R～Q)、透过液通量～流量（J～Q）和溶质浓缩倍数～流量（N～Q）的关系曲线。

三.实验装置与流程

本实验装置均为科研用膜，属超低压条件下使用，透过液通量和最大工作压力均低于工业现场实际使用情况，实验中不可将膜组件在超压状态下工作。主要工艺参数如表1-1。

膜组件 膜材料 膜面积/m2 最大工作压力/Mpa 0.4 0.7 纳滤（NF） 芳香聚纤胺 0.4 0.7 反渗透(RO) 芳香聚纤胺 表1-1膜分离装置主要工艺参数 纳滤和反渗透均可分离分子量为100级别的离子，故取0.5％浓度的硫酸钠水溶液为料液，浓度分析采用电导率仪，即分别取各样品测取电导率值，然后比较相对数值即可（也可根据实验前做得的浓度－电导率值标准曲线获取浓度值）。

17

图5-1膜分离流程示意图

四．实验步骤

1.用清水清洗管路，通电检测高低压泵，温度、压力仪表自检。

2.在配料槽中配置实验所需料液，打开低压泵，则料液经预过滤器进入预过滤液槽。

3.低压预过滤5－10min，开启高压泵，分别打开清液、浓液转子流量计开度，实验过程中可分别取样。

4.若采用大流量物料（与实验量产有关），可在底部料槽中配好相应浓度料液。

5.实验结束，可在配料槽中配置消毒液（常用1％甲醛，根据物料特性）打入各膜芯中。 6.对于不同膜分离过程实验，可采用安装不同膜组件实现。 注意事项

1． 整个单元操作结束后，先用清水洗完管路，之后在保护液储槽中配置0.5-1％浓度的甲醛溶液，用泵打入膜组件中，使膜组件浸泡在保护液中。

2. 对于长期使用的膜组件，其吸附杂质较多，或者浓差极化明显，则膜分离性能显著下降。对于预滤和微滤组件 ，采取更换新内芯的手段；对于超滤、纳滤和反渗透组件，若采取针对性溶液浸泡后膜组件仍无法回复分离性能（如基本的截留率显著下降），则表明膜组件使用寿命已到尽头，需更换新内芯。

附 膜组件工作性能与系统要求

本装置中的所有膜组件均为科研用膜（工业上膜组件的使用寿命因分离物系不同而受影响），为使其能较长时间的保持正常分离性能，请注意其正常工作压力、工作温度，并选取合适浓度的物料，并作好保养工作。 （1）系统要求

最高工作温度：50℃

18

正常工作温度：5－45℃

正常工作压力：纳滤、反渗透进口压力 0.6MPa 最大工作压力：纳滤、反渗透进口压力 0.7MPa （2）膜组件性能

预滤组件：滤芯材料为聚丙稀混纤，孔径5μm 纳滤组件：

膜材料：芳香聚纤胺 膜组件形式：卷式

2

有效膜面积：0.4 m

纯水通量（0.6MPa，25℃）：6-8 L/h 脱盐率：Na2SO4, >50% 原料液溶质浓度: <2%

反渗透组件：

膜材料：芳香聚纤胺 膜组件形式：卷式

2

有效膜面积：0.4 m

纯水通量（0.6MPa，25℃）：8-16 L/h 脱盐率：Na2SO4, >80% 原料液溶质浓度: <2%

（3）维修与保养

1.实验前请仔细阅读“实验指导书”和系统流程，特别要注意各种膜组件的正常工作压力与温度。

2.新装置首次使用前，先用清水进料10－20分钟，洗去膜组件内的保护剂（为一些表

面活性剂或高分子物质，对膜组件孔径定型用）。

3.实验原料液必须经过5μm微孔膜预过滤（即本实验装置中的预过滤器）,防止硬颗

粒混入而划破膜组件。

4．使用不同料液实验时，必须对膜组件及相关管路进行彻底清洗，为保证膜本身吸附

颗粒的除去，必要时可进行反清洗。

5.暂时不使用时，须保持膜组件湿润状态（因为膜组件干燥后，又失去了定型的保护

剂，孔径可能发生变化，从而影响分离性能），可通过膜组件进出口阀门，将一定量清水或消毒液封在膜组件内。

6.较长时间不用时，要防止系统生菌，可以加入少量防腐剂，例如甲醛、双氧水等（浓度均不高于0.5％）。在下次使用前，则必须将这些保护液冲洗干净，才能进行料液实验

实验六：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。

19

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(6－1)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。



T

TW tW 达到传热稳定时，有 t 图6－1间壁式传热过程示意图 Qm1cp1T1T2m2cp2t2t11A1TTWM2A2tWtm KAtm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，℃；

21 － 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，m2；

TTWm－ 热流体与固体壁面的对数平均温差，℃；

2 － 冷流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ∙℃)；

20

6－1） （

A2 － 冷流体侧的对流传热面积，m2；

tWtm － 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 / (m2 ∙℃)； tm－ 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，

TTT2TW2 （6－2）

TTWm1W1TTW1ln1T2TW2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，

tttttWtmW11W22 （6－3）

ttlnW11tW2t2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，

Tt2T2t1 （6－4） tm1Tt2ln1T2t1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，

2m2cp2t2t1A2tWtM （6－5）

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，A2d2l；和冷流体的质量流量，即可计算2。

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，

Km2cp2t2t1Atm （6－6）

实验测定m2、t1、t2、T1、T2、并查取t平均即可由上式计算得总给热系数K。

1t1t2下冷流体对应的cp2、换热面积A，2

21

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2

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，

bddd11RS22RS122 （6－7） K2dmd11d1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；

 － 换热管材料的导热系数，W / (m ∙ ℃)；

RS1－ 换热管外侧的污垢热阻，m2KW；

RS2－ 换热管内侧的污垢热阻，m2KW。

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Wm2.K；而管外为蒸汽冷凝，冷凝给热系数1可达10Wm.K左右，因此冷凝传热热阻

42d2可忽1d1略，同时蒸汽冷凝较为清洁，因此换热管外侧的污垢热阻RS1d2也可忽略。实验中的传热d1元件材料采用紫铜，导热系数为383.8WmK，壁厚为2.5mm，因此换热管壁的导热热阻

bd2可忽略。若换热管内侧的污垢热阻RS2也忽略不计，则由式（6－7）得， dm2K （6－8）

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2

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=1.0×104～1.2×105,Pr＝0.7～120，管长与管内径之比l/d≥60,则传热准数经验式为， Nu0.023Re0.8Prn （6－9）

d式中：Nu－努塞尔数，Nu，无因次；



22

Re－雷诺数，Redu，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；

cp － 流体与固体壁面的对流传热系数，W / (m2 ∙℃)；

d － 换热管内径，m；

 － 流体的导热系数，W / (m ∙ ℃)； u － 流体在管内流动的平均速度，m / s；  － 流体的密度，kg / m3；  － 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（6－9）改写为，

120.023410.8211.8d2 （6－10） 0.4m2Pr220.81.8d2 （6－11）

0.81令， m0.023421 X （6－12） m2Pr20.420.81 （6－13） Kbddd CRS22RS122 （6－14）

dmd11d1 Y则式（4－7）可写为，

YmXC （6－15）

当测定管内不同流量下的对流给热系数时，由式（6－14）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t1、t2、T1、T2，由式（6－4）、（6－6）、（6－12）、（6－13）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2可用下式求得，

22Pr20.4mm22 （6－16） 0.83． 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，

23

fVV （6－17） f式中： V ' — 实际被测流体的体积流量，m3 / s；

ρ' — 实际被测流体的密度，kg / m3；均可取t平均气的密度，见冷流体物性与温度的关系式；

1t1t2下对应水或空2V — 标定用流体的体积流量，m3 / s；

ρ — 标定用流体的密度，kg / m3；对水ρ = 1000 kg / m3；对空气ρ = 1.205 kg / m3； ρf — 转子材料密度，kg / m3。

于是 m2V (6－18)

（2）若用孔板流量计测冷流体的流量，则，

m2V (6－19)

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5t24.5103t1.2916 （2）空气的比热与温度的关系式：60℃以下Cp＝1005 J / (kg ∙℃),

70℃以上Cp＝1009 J / (kg ∙℃)。 （3）空气的导热系数与温度的关系式： 210t810t0.0244 （4）空气的黏度与温度的关系式：(210t510t1.7169）10

6235825三、实验装置与流程

1．实验装置

实验装置如图4-1所示。

24

图6-2 水蒸气～空气换热流程图

来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器环隙，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），热交换后排出装置外。

2．设备与仪表规格

（1）紫铜管规格：直径φ21×2.5mm，长度L=1000mm （2）外套玻璃管规格：直径φ100×5mm，长度L=1000mm （4）铂热电阻及智能温度显示仪 （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，观察温度

巡检仪显示是否正常。

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，同时打开阀4，让套管换热器里

充有一定量的空气。

4、 打开冷凝水出口阀1，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，开度太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力过大而导致玻璃管炸裂。 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

25

汽进口阀门3，打开装置下面的排冷凝水阀门2，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2，方可进行下一步实验。

6、 开始通入蒸汽时，要仔细调节阀3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，防止玻璃管因突然受热、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3，使蒸汽进口压

力维持在0. 01MPa，可通过调节蒸汽发生器出口球阀及闸阀3开度来实现。 8、 手动调节冷空气进口流量时，可通过调节空气的进口阀4，改变冷流体的流量到

一定值，在每个流量条件下，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3，

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，

开的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力增大而使玻璃管炸裂。

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，要仔细调节阀3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。

4、 操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.05MPa（表压）以下，否则可能造成玻璃管爆

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． 双击打开数据处理软件“HeatExperiment.exe”，在界面左上“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7.9103kg/m3。）

2． 在界面右侧选择冷流体类型和流量计类型，在“数据组数”中输入本次实验作得的总数据组数，并点新建实验，可得数据记录表格一张。在原始数据框中输入完各值后，点“数据计算”，再点“显示结果”，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“修改数据”，再按2步中次序，点击“数据计算”、“显示结果”和“显示曲线”。

26

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：Nu/Pr定

式中常数A及m。 3、以lnNu/Pr0.4ARem，由实验数据作图拟合曲线方程，确

0.4为纵坐标，lnRe为横坐标，将两种方法处理实验数据的结果标绘在

0.4图上，并与教材中的经验式Nu/Pr0.023Re0.8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？

实验七：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ET

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

ETNT1 （7－1） NP式中，NT－完成一定分离任务所需的理论塔板数，包括蒸馏釜；

NP－完成一定分离任务所需的实际塔板数，本装置NP＝10。

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

27

况对塔分离能力的影响。对于塔内所需理论塔板数NT，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EM

单板效率又称莫弗里板效率，如图7－1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 yn xn1 板前后的组成变化值之比。 yn1 xn xn1 图7－1 塔板气液流向示意

按气相组成变化表示的单板效率为

EMVynyn1 （7－2） *ynyn1按液相组成变化表示的单板效率为 EMLxn1xn （7－3） *xn1xn式中，yn、yn1－离开第n、n+1块塔板的气相组成，摩尔分数；

xn1、xn－离开第n-1、n块塔板的液相组成，摩尔分数；

*－与xn成平衡的气相组成，摩尔分数； yn* xn－与yn成平衡的液相组成，摩尔分数。

3． 图解法求理论塔板数NT

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：

yn1xRxnD （7－4） R1R1式中， yn1－精馏段第n+1块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数；

28

xn－精馏段第n块塔板下流的液体组成，摩尔分数；

xD－塔顶馏出液的液体组成，摩尔分数； R －泡点回流下的回流比。 提馏段的操作线方程为：

WxL' ym1'xm'W （7－5）

LWLW式中，ym1－提馏段第m+1块塔板上升的蒸汽组成，摩尔分数；

xm－提馏段第m块塔板下流的液体组成，摩尔分数；

xW－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： yqq1xxFq1 其中，

q1cpF(tStF)r F式中，q－进料热状况参数；

rF－进料液组成下的汽化潜热，kJ/kmol； tS－进料液的泡点温度，℃；

tF－进料液温度，℃；

cpF－进料液在平均温度(tStF)/2下的比热容，kJ/（kmol℃）

； xF－进料液组成，摩尔分数。

回流比R的确定： RLD （7－8） 式中，L －回流液量，kmol/s；

29

（7－6）7－7）

（D －馏出液量，kmol/s。

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tR、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7－2塔顶回流示意图

对第一块板作物料、热量衡算：

V1L1V2L （7－9） V1II1V2VIV1L1L2 L I （7－10） L对式（8－9）、式（8－10）整理、化简后，近似可得：

L1L[1即实际回流比：

cp(t1LtR)r] （7－11）

L1 （7－12） Dcp(t1LtR)L[1]r  （7－13） DR1式中，V1、V2－离开第1、2块板的气相摩尔流量，kmol/s； L1－塔内实际液流量，kmol/s；

30

IV1、IV2、IL1、IL－指对应V1、V2、L1、L下的焓值，kJ/kmol；

r－回流液组成下的汽化潜热，kJ/kmol；

cp－回流液在t1L与tR平均温度下的平均比热容，kJ/（kmol℃）。

（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7－3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7－3 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7－4，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。

31

图7－4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＝2mm，塔节76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。

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。

32

惰性气体出口 冷却水进 冷却水出 10 9 11 8 t 12 7 13 6 14 xD 5 15 t 16 4 t 17 18 3 xW 19 2 22 20 21 1 xF 图7－5筛板塔精馏过程示意图 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（其余均以t表示）； 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－盘管换热器； 17－塔釜出料流量计； 18－进料流量计； 19－进料泵； 20－产品、残液储槽； 21－料槽液位计；22－料液取样口。

四．实验步骤与注意事项

本实验的主要操作步骤如下： 1．全回流

（1） 配制浓度10%~20%(体积百分比)的料液加入釜中，至釜容积的2/3处。

33

（2） 检查各阀门位置，启动电加热管电源，使塔釜温度缓慢上升（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和料液进料管

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坏。

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？

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。

实验八：液——液萃取实验

34

一、实验目的

1．了解转盘塔设备的结构和特点； 2．掌握转盘塔的操作；

3．掌握传质单元高度的测定方法；

二、． 实验原理

液液萃取，也称溶剂萃取，又称抽提。它是分离和提纯物质的重要单元操作之一。在液态混合物(第一液相)中加入与其不完全混溶的流体为溶剂，造成第二液相，利用溶液(第一液相)中各组份在两液相之间不同的分配关系；按相际传递过程把各组份分离开来。在液液系统中，两相间的密度差较小，界面张力也不大，所以从过程进行的流体力学条件看，在液液相的接触过程中，能用于强化过程的惯性力不大、同时已分散的两相分层自力也不高。为了提高液液相传质设备的效率，常常从外界补给能量，如搅拌、脉动、振动等。

转盘塔则属于搅拌一类。为使两相逆流和两相分离，需要一定的分层段，以保证有足够的保留时间，让分散的液相凝聚，实现两相的分离。

与精馏和吸收过程类似，由于过程的复杂性，过程也被分解为理论级和级效率，或者传质单元数和传质单元高度，对于转盘萃取塔、振动萃取塔这类微分接触萃取塔的传质过程，一般采用传质单元数和传质单元高度来表征塔的传质特性。

传质单元数NOE表示过程分离的难易的程度。对于稀溶液，近似用下式表示：

NOEX1X2dXln（（X1—X*）/（X2—X*）） (8-1)

XX*式中：NOE——萃取相总传质单元数

X——萃取相的溶质浓度，(以摩尔分率表示，下同)

X*——与相应萃余相浓度成平衡的萃取相（水）的溶质浓度

X1X2——分别表示萃取相进塔和出塔的浓度

萃取相的传质单元高度用HOE表示，见下式：

HOEHNOE (8-2)

式中： HOE——以萃余相为基准的传质单元高度

由塔高H和所测定的传质单元数NOE，从(2)式可求得传质单元高度HOE。传质单元高度HOE表示设备传质性能的优劣。HOE越大、设备效率越低。影响萃取设备传质性能的优劣HOE因素很多，主要有设备结构因素、两相物性因素、操作因素以及外加能量的形式和大小。

三、实验装置和流程

1．实验装置概述

本实验装置为转盘式萃取塔。转盘式萃取塔是一种效率比较高的液-液萃取设备。本实验的转盘塔塔身由玻璃制成，转轴、转盘、固定盘由不锈钢制成。转盘塔上下两端各有一段澄清段，使每一相在澄清段有一定的停留时间，以便两液相的分离。在萃取区，一组转盘固

35

定在中心转轴上，沿塔壁则固定着一组固定盘，转轴由在塔顶的调速电机驱动，两液相被转盘强制性混合。转盘塔具有以下几个特点：1)结构简单、造价低廉、维修方便、操作稳定；2)处理能力大、分离效率高；3)操作弹性大。

2．实验流程

实验流程见图1。在本实验中将含有苯甲酸的煤油从高处通过油转子流量计进入转盘塔底部，由于两相的密度差，煤油从底部住上运动到塔顶，经澄清段分层后从塔顶油相出口排出。从水箱的底部流出的水经转子流量计进入转盘塔上部，在重力的作用下，水从塔的上部住下运动到塔底，经下部的澄清段后从塔底水相出口排出。在塔中，水和煤油在转盘搅拌下被强制混合，煤油中的苯甲酸被萃取到水相中。

图1 液－液萃取实验流程图

四、实验内容及实验步骤

36

1．实验内容

本实验用水萃取煤油中的苯甲酸，选用萃取剂(水)与料液(煤油)之比为4：1，以煤油为分散相，水为连续相，进行逆相连续萃取过程操作。同时测定进塔、出塔煤油中苯甲酸的浓度以及出塔水中苯甲酸的浓度。由此推算出该塔的传质单元高度。

2．实验步骤

1) 将一定量的苯甲酸溶于煤油中（约0.03mol/L）并搅拌混匀，使煤油中各部分苯甲酸的

浓度相等，并测定其浓度。

2) 开启煤油泵，将煤油送入高位槽。开启水泵将水送入水高位槽；调节转子流量计将水相

流量调节为20L／H，油相流量调节为5L／H，转轴转数调节到500转／分左右。 3) 待进出口流量及转数稳定后，每隔半小时进行取样分折，直到出口水中苯甲酸浓度趋于

稳定为止。

4) 在出水口用温度计测定体系温度。

5) 在体系温度下，按校正后的流量比，取相同的进塔煤油和出塔水体积比。在烧杯中长时

间搅拌，测定出苯甲酸在水中的平衡浓度。

6) 实验完毕，关闭电源，将高位槽和塔中的煤油和水放尽。 7) 整理所记录的实验数据，进行处理。

3．苯甲酸的浓度分析方法

本实验分析方法采用化学酸碱滴定法。用配制的氢氧化钠滴定水和油中的苯甲酸。用酚酞作指示剂，在滴定的过程中，当溶液恰好变为粉红色且不再褪色时即到达滴定终点。

分析试剂：氢氧化钠(分析纯) 指示剂：酚酞

五、实验数据记录

体系温度： (0C) 萃取相： 萃余相： 塔高： 70 (cm) 水油体积流量比： 氢氧化钠浓度 XNaOH = (mol/ml)

进料油中苯甲酸的浓度X油进= (mol/ml) 平衡液中苯甲酸的浓度X = (mol/ml) 项目 操作参数 流量（L/H） 时间（分转 速 钟） （转/分） 出塔水中50ml溶液耗用氢氧化钠溶液体积出塔50ml耗用化钠油中物料衡溶液算相对氢氧误差 溶液

37

序号 1 2 3 4 5 6 V水 V油 v1（ml） 体积v（ 2ml） 六、实验数据处理

l、各相浓度的计算：

苯甲酸在出塔水中的浓度： X2＝v1XNaoH/50 苯甲酸在进塔水中的浓度： X1近似取为零 苯甲酸在平衡液中的浓度： X*＝ 苯甲酸在进塔油中的浓度： X油进＝

苯甲酸在出塔油中的浓度： X3=v2XNaOH/50

2、物料衡算：

水相苯甲酸的量： V水X2X1 油相苯甲酸的量： V油X油进X3 物料衡算相对误差：

V油（X油进X3）V水（X2X1）100%

V油（X油进X3）3、传质单元数及传质高度的计算：

X1dxNOEln（（X1—X*）/（X2—X*））

X2XX*HOE=H/NOE

七、．思考题

1．在本实验中水相是轻相还是重相，是分散相还是连续相？ 2．转速和油水流量比对萃取过程有何影响？

38

3．在本实验中分散相的液滴在塔内如何运动？ 4．传质单元数与哪些因素有关？

8．注意事项

1．实验中应注意全塔的物料平衡，进出塔苯甲酸误差应小于5％。

2．由于流量计读数是在20C下用水标定，所以油相流量计读数需要校正。 3．在实验过程中如转轴发生异常响动，应立即切断电源，查找原因。 4．如遇流量开不大，应查对应管路中是否有气泡，并设法排除。

010. 实验过程中常用到的仪器

移液管：3根 10ml 碱式滴定管 1根 50ml 容量瓶 1个 500ml 吸耳球 1个 烧杯 3个

锥形瓶 2个100ml 磁力搅拌器 转子 分液漏斗

实验九：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。

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

39

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

UGdXdW (9－1) C

AdAd式中，U－干燥速率，又称干燥通量，kg/（m2s）；

A－干燥表面积，m2； W－汽化的湿分量，kg；

 －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

GGc （9－2） Gc计算出每一时刻的瞬间含水率X，然后将X对干燥时间作图，如图9－1，即为干燥

X曲线。

图9－1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

dX，再由式（9－1）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d9－2所示。

40

图9－2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9－1、9－2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9－1、9－2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9－2中，BC段为水平线。

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。

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9－2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

41

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9-3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）。

图9-3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：BYF7122,370W； （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；d=80mm （5）称重传感器：CZ500型，0～500g。

42

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500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500克，放取毛毡时必须十分小心，绝对不能下压，

以免损坏称重传感器。

（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。

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？如何判断实验已经结束？ 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？

● 流体流量输入：通道：CH1；单位：m3/h；信号类型：Fr；量程：0～涡轮流量计频率上限（由涡轮的序号可以查到，假设您没有具体的涡轮流量计

43

的说明书，您可以设置1300）； ● 流量：Y；

● 流量模型：Q=fρ/K，ρ=1，Q=涡轮的最大流量（由涡轮的序号可以查到，假设您没有具体的涡轮流量计的说明书，您可以设置1300），K由Q=fρ/K计算所得；量程：涡轮的最大流量（根据您所说的您的涡轮流量计是0.00～6.00 m3/h）；

44

第二部分 化工仿真

实训一 液位控制系统单元仿真培训系统

一、工艺流程说明

1、工艺说明

本流程为液位控制系统，通过对三个罐的液位及压力的调节，使学员掌握简单回路及复杂回路的控制及相互关系。

缓冲罐V101仅一股来料，8Kg/cm2压力的液体通过调节产供阀FIC101向罐V101充液,此罐压力由调节阀PIC101分程控制,缓冲罐压力高于分程点（5.0Kg/cm2）时，PV101B自动打开泄压，压力低于分程点时，PV101B自动关闭，PV101A自动打开给罐充压，使V101压力控制在5Kg/cm2。缓冲罐V101液位调节器LIC101和流量调节阀FIC102串级调节，一般液位正常控制在50%左右，自V101底抽出液体通过泵P101A或P101B(备用泵)打入罐V102,该泵出口压力一般控制在9Kg/cm2，FIC102流量正常控制在20000Kg/hr。

罐V102有两股来料，一股为V101通过FIC102与LIC101串级调节后来的流量；另一股为8Kg/cm2压力的液体通过调节阀LIC102进入罐V102,一般V102液位控制在50%左右,V102底液抽出通过调节阀FIC103进入V103,正常工况时FIC103的流量控制在30000 kg/hr。

罐V103也有两股进料，一股来自于V102的底抽出量，另一股为8kg/cm2压力的液体通过FIC103与FI103比值调节进入V103,比值系数为2:1，V103底液体通过LIC103调节阀输出，正常时罐V103液位控制在50%左右。

2、本单元控制回路说明

本单元主要包括：单回路控制系统、分程控制系统、比值控制系统、串级控制系统。

45

2.1、单回路控制回路

单回路控制回路又称单回路反馈控制。由于在所有反馈控制中，单回路反馈控制是最基本、结构做简单的一种，因此，它又被称之为简单控制。

单回路反馈控制由四个基本环节组成，即被控对象（简称对象）或被控过程（简称过程）、测量变送装置、控制器和控制阀。

所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数的调整，使得系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。

本单元的单回路控制有：FIC101，LIC102，LIC103。 2.2、分程控制回路

通常是一台控制器的输出只控制一只控制阀。然而分程控制系统却不然，在这种控制回路中，一台控制器的输出可以同时控制两只甚至两只以上的控制阀，控制器的输出信号被分割成若干个信号的范围段，而由每一段信号去控制一只控制阀。

本单元的分程控制回路有：PIC101分程控制冲压阀PV101A和泄压阀PV101B。如下图

100% PV101A PV101B 阀

.3、比值控制系统

在化工、炼油及其他工业生产过程中，工艺上常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。

实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统。

位开0 度 0 50% PIC101.OP 100%

46

比值控制系统可分为：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，变比值控制系统，串级和比值控制组合的系统等。

FFIC104:为一比值调节器。根据FIC1103的流量，按一定的比例，相适应比例调整FI103的流量。

对于比值调节系统，首先是要明确那种物料是主物料，而另一种物料按主物料来配比。在本单元中，FIC1425（以C2为主的烃原料）为主物料，而FIC1427（H2）的量是随主物料（C2为主的烃原料）的量的变化而改变。

2.4、串级控制系统

如果系统中不止采用一个控制器，而且控制器间相互串联，一个控制器的输出作为另一个控制器的给定值，这样的系统称为串级控制系统。 串级控制系统的特点：

(1)能迅速地克服进入副回路的扰动。 (2)改善主控制器的被控对象特征。

(3)有利于克服副回路内执行机构等的非线性。

在本单元中罐V101的液位是由液位调节器LIC101和流量调节器FIC102串级控制。

2.5、设备一览

V-101：缓冲罐 V-102：恒压中间罐 V-103：恒压产品罐

P101A：缓冲罐V-101底抽出泵 P101B：缓冲罐V-101底抽出备用泵

二、装置的操作规程

1、冷态开车规程

本操作规程仅供参考，详细操作以评分系统为准。

47

装置的开工状态为V-102和V-103两罐已充压完毕，保压在2.0kg/cm2，缓冲罐V-101压力为常压状态，所有可操作阀均处于关闭状态。

1.1、缓冲罐V-101充压及液位建立

(1)确认事项

V-101压力为常压。 (2)V-101充压及建立液位

①在现场图上,打开V-101进料调节器FIC101的前后手阀V1和V2,开度在100%。 ②在DCS图上，打开调节阀FIC101,阀位一般在30%左右开度,给缓冲罐V101充液。 ③待V101见液位后再启动压力调节阀PIC101,阀位先开至20%充压。 ④待压力达5kg/cm2左右时,PIC101投自动。

1.2、中间罐V-102液位建立

(1)确认事项

①V-101液位达40%以上。 ②V-101压力达5.0kg/cm2左右。 (2)V-102建立液位

①在现场图上，打开泵P101A的前手阀V5为100%。 ②启动泵P101A。

③当泵出口压力达10kg/cm2时,打开泵P101A的后手阀V7为100%。 ④打开流量调节器FIC102前后手阀V9及V10为100%。

⑤打开出口调节阀FIC102,手动调节FV102开度,使泵出口压力控制在 9.0kg/cm2左右。

⑥打开液位调节阀LV102至50%开度。

⑦V-101进料流量调整器FIC101投自动，设定值为20000.0kg/hr。 ⑧操作平稳后调节阀FIC102投入自动控制并与LIC101串级调节V101液位。 ⑨V-102液位达50%左右,LIC102投自动，设定值为50%。

1.3、产品罐V-103建立液位

48

(1)确认事项

V-102液位达50%左右。 (2)V-103建立液位

①在现场图上，打开流量调节器FIC103的前后手阀V13及V14。 ②在DCS图上，打开FIC103及FFIC104,阀位开度均为50%。 ③当V103液位达50%时,打开液位调节阀LIC103开度为50%。 ④LIC103调节平稳后投自动，设定值为50%。

2、正常操作规程

正常工况下的工艺参数。

(1)FIC101投自动，设定值为20000.0kg/hr。 (2)PIC101投自动（分程控制），设定值为5.0kg/cm2。 (3)LIC101投自动，设定值为50%。 (4)FIC102投串级(与LIC101串级)。 (5)FIC103投自动，设定值为30000.0kg/hr。

(6)FFIC104投串级(与FIC103比值控制)，比值系统为常数2.0。 (7)LIC102投自动，设定值为50%。 (8)LIC103投自动，设定值为50%。

(9)泵P101A(或P101B)出口压力PI101正常值为9.0kg/cm2。 (10)V-102外进料流量FI101正常值为10000.0kg/hr。 (11)V-103产品输出量FI102的流量正常值为45000.0kg/hr。

3、停车操作规程

本操作规程仅供参考，详细操作以评分系统为准。

3.1、正常停车

49

(1)关进料线

①将调节阀FIC101改为手动操作，关闭FIC101，再关闭现场手阀V1及V2。 ②将调节阀LIC102改为手动操作，关闭LIC102，使V-102外进料流量FI101为0.0kg/hr。

③将调节阀FFIC104改为手动操作，关闭FFIC104。 (2)将调节器改手动控制

①将调节器LIC101改手动调节，FIC102解除串级改手动控制。 ②手动调节FIC102，维持泵P101A出口压力，使V-101液位缓慢降低。 ③将调节器FIC103改手动调节，维持V-102液位缓慢降低。 ④将调节器LIC103改手动调节，维持V-103液位缓慢降低。 (3)V-101泄压及排放

①罐V101液位下降至10%时,先关出口阀FV102,停泵P101A,再关入口阀V5。 ②打开排凝阀V4，关FIC102手阀V9及V10。

③罐V-101液位降到0.0时,PIC101置手动调节,打开PV101为100%放空。 (4)当罐V-102液位为0.0时,关调节阀FIC103及现场前后手阀V13及V14。 (5)当罐V-103液位为0.0时,关调节阀LIC103。

3.2、紧急停车

紧急停车操作规程同正常停车操作规程。

三、事故设置一览

下列事故处理操作仅供参考，详细操作以评分系统为准。

1、泵P101A坏

原因：运行泵P101A停。

现象：画面泵P101A显示为开,但泵出口压力急剧下降。

处理：先关小出口调节阀开度,启动备用泵P101B,调节出口压力,压力达9.0atm(表)时,关泵P101A,完成切换。

50

处理方法：(1)关小P101A泵出口阀V7。 (2)打开P101B泵入口阀V6。 (3)启动备用泵P101B。 (4)打开P101B泵出口阀V8。

(5)待PI101压力达9.0atm时，关V7阀。 (6)关闭P101A泵。

(7)关闭P101A泵入口阀V5。

2、调节阀FIC102阀卡

原因：FIC102调节阀卡20%开度不动作。 现象：罐V101液位急剧上升,FIC102流量减小。

处理：打开付线阀V11,待流量正常后,关调节阀前后手阀。 处理方法：(1)调节FIC102旁路阀V11开度。

(2)待FIC102流量正常后，关闭FIC102前后手阀V9和V10。 (3)关闭调节阀FIC102。

附：思考题

标准答案请自行查阅相关资料，本公司不予提供。

1、通过本单元，理解什麽是“过程动态平衡”，掌握通过仪表画面了解液位发生变化的原因和如何解决的方法。

2、请问在调节器FIC103和FFIC104组成的比值控制回路中，哪一个是主动量？为什么？并指出这种比值调节属于开环，还是闭环控制回路？

3、本仿真培训单元包括有串级、比值、分程三种复杂调节系统，你能说出它们的特点吗？它们与简单控制系统的差别是什么？

4、在开/停车时，为什么要特别注意维持流经调节阀FV103和FFV104的液体流量比值为2？ 5、请简述开/停车的注意事项有哪些？

51

实训二

52