环境工程原理实验指导书带封面

功率相匹配，一般为 80~150L/h。 （5） 待过程稳定后，同时测量各设备单位时间的冷凝液量及各相关热电偶读数。 （6） 重复步骤(5)，直至数据重复性较好为止。 （7） 实验结束，切断加热电源，关闭冷却水阀。 （8） 实验中注意观察锅炉水位，使液面不低于其 1/2 高度。 （9） 注意系统不凝气及冷凝水的排放情况。 （10） 锅炉水位靠冷凝回水维持，应保证冷凝回水畅通。
I
实验一 传热系数的测定
1、实验目的
（1） 掌握传热系数 K、给热系数α和导热系数λ的测定方法。 （2） 比较保温管、裸管和水套管的传热速率，并进行讨论。 （3） 掌握热电偶测温原理及相关二次仪表的使用方法。
2、实验原理
根据传热基本方程、牛顿冷却定律以及圆筒壁的热传导方程，一直传热设备的结构尺寸， 只要测得传热速率 Q，以及各有关的温度，即可算出 K，α和λ。
1） 吸收速率 吸收是气、液相际传质过程，所以吸收速率可用气向内、液相内或两相间的传质速率来 表示。在连续吸收操作中，这三种传质速率表达式计算结果相同。对于低浓度气体混合物单 组分无力吸收过程，计算公式如下：
气相内传质的吸收速率： N A = ky F ( y − yi ) 液相内传质的吸收速率： N A = kx F (xi − x) 气、液两相相际传质的吸收速率： N A = ky F ( y − yi ) = kx F (xi − x) 式中： y ， yi ——气相主体和气相界面处的溶质摩尔分数；
4、实验步骤及注意事项
（1） 熟悉设备流程，检查个阀门的开关情况，排放汽包中的冷凝水。 （2） 打开锅炉紧随发，加水至液面计高度的 2/3。 （3） 将电热棒接上电源，并将调压器从 0 调至 220V，满功率加热，带有正气后，再
将加热功率调制适宜值。 （4） 打开套管换热器冷却水进口阀，调节冷却水流量为某一值，注意该值应与加热
较为典型的理论单组分气体吸附平衡理论，即在一定条件下吸附剂与吸附质接触时，吸 附质会在吸附剂上发生凝聚，与此同时，凝聚在吸附剂表面的吸附质也会向气相中逸出。当 两者的变化速率相等，吸附质在气固两相中的浓度不再随时间发生变化时，称这种状态为吸 附平衡状态。当气体和固体的性质一定时，平衡吸附量是气体压力及温度的函数。
1、实验目的
（1）了解吸附剂的吸附性能和吸附原理 （2）测定吸附等温线
2、实验原理
吸附分离操作是通过多孔固体物料与某一混合组分体系接触，有选择地使体系中的一种 或多种组分附着于固体表面，从而实现特定组分分离的操作过程。其中被吸附到固体表面的 组分称为吸附质，吸附吸附质的多孔固体称为吸附剂。吸附质附着到吸附剂表面的过程称为 吸附，而吸附质从吸附剂表面逃逸到另一相中的过程为解吸。
清华大学讲义
环境工程原理实验指导书
清华大学 2007 年 8 月
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目录
实验一 传热系数的测定 ......................................... - 1 实验二 吸收（解吸）系数的测定 ................................. - 5 实验三 吸附等温线及其影响因素 ................................ - 10 实验四 污染物降解菌的间歇培养与连续培养实验 ................... - 14 参考文献 ...................................................... - 29 -
塔性能测试冷模实验。
5、实验报告
（1） 将实验原始数据列表 （2） 在双对数坐标纸上绘图表示氧解吸时体积传质系数、传质单元高度与空塔气速的关
系。 （3） 在双对数坐标纸上绘图表示氧解吸时体积传质系数、传质单元高度与液体喷淋密度
的关系。
6、思考题
（1） 为什么氧解吸过程属液膜传质阻力控制？ （2） 用于计算吸收操作与解吸操作求理论板数的方法有何异同点？
F ——传质面积， m2 ；
Z ——填料层高度， m ； L ——水的流量， kmol / h 。
Δxm
=
(Hale Waihona Puke Baidux1
− x1*) − (x2 −
ln(
x1 x2
− −
x* x*
)
x2* )
式中： x1* ， x2* ——在设备进、出口温度下，与空气中氧呈平衡的水中氧的摩尔分数。
因为氧在水中的溶解度极小，其解吸量也极小，故空气中氧的组成经解吸他后变化极小，
（注：本实验由清华大学化工系供稿）
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实验二 吸收（解吸）系数的测定
1、实验目的
（1） 了解吸收（解吸）操作的基本流程和操作方法。 （2） 了解传质系数的测定方法。 （3） 测定空塔气速与液体流量对传质系数的影响。
2、实验原理
吸收式工业上常用的操作，常用于气体混合物的分离。在吸收操作中，气体混合物和吸 收剂分别从塔底和塔顶进入塔内，气、液两相在塔内实现逆流接触是气体混合物中的溶质较 完全地溶解在吸收剂中，于是塔顶获得较纯的惰性组分，从塔底得到溶质和吸收剂组成的溶 液（通称富液）。当溶质有回收价值或吸收剂价格较高时，把富液送入再生装置进行解析， 得到溶质或再生的吸收剂（通称贫液），吸收即返回吸收塔循环使用。
5、实验报告
（1） 将原始实验数据列成表格。 （2） 根据实验结果计算 K、α和λ，与经验数据比较并分析讨论。
6、思考题
（1） 观察并比较三根传热管的传热速率，说明原因。 （2） 在测定传热系数 K 时，按实验流程，用管内冷凝液测定传热速率与用管外冷
却水测定传热速率哪种方法更准确？为什么？如果改变流程，使蒸汽走环隙，
本实验计算填料解吸塔的体积传质系数 Kxa （ kmol /(m3 ⋅ h) ）的公式如下：
Kxa
=N V Δxm
=
L(x1 − x2 ) ZF Δxm
= L/F
Z
/
ln(
x1 x2
− −
x* x*
)
式中： N ——传质速率， kmol / h ；
x1 ， x2 ——进、出设备的水中氧的摩尔分数；
V ——传质体积， m3 ；
80 mm 溶氧塔（内装φ 10×10 不锈钢扁环填料）。实验装置及流程见图 2-19。
流程说明：自来水由高位槽 1 经流量计进入氧吸收塔 3 的塔底，由氧气瓶 4 来的纯氧经 氧气流量计也从该塔塔底进入，氧气和水在塔内并流而上，吸收了氧后的富氧水进入塔顶富 氧水槽。再经转子流量计进入氧解吸塔 2 的塔顶。空气由罗茨鼓风机 5 经流量计至氧解吸塔 底部自下而上与富氧水逆流接触。氧解吸塔 2 的顶部和底部均有液相水的取样口，可用溶氧 仪分析水的氧含量。
x ， xi ——液相主体和液相界面处的溶质摩尔分数； x* ， y* ——与 y 和 x 呈平衡的液相和气相摩尔分数； kx ， Kx ——以液相摩尔分数差为推动力的液相分传质系数和总传质系数； ky ， K y ——以气相摩尔分数差为推动力的气相分传质系数和总传质系数； F ——传质面积， m2 。
（1） 测定汽-水套管的传热系数 K（W /(m2 ⋅ °C) ）： K= Q AΔtm
式中： A ——传热面积， m2 ； Δtm ——冷、热流体的平均温度，℃； Q ——传热速率，W 。 Q = W汽r
式中：W汽 ——冷凝液流量， kg / s ； r ——冷凝液汽化潜热， J / kg 。
（2） 测定裸管的自然对流给热系数α（W /(m2 ⋅ °C) ）： α= Q A(tw − t f )
1- 水高位槽；2-氧解吸塔；3-氧吸收塔；4-氧气瓶；5-罗茨鼓风机 图 1 氧解吸实验 -7-
4、实验步骤及注意事项
（1） 制备富氧水 1） 先将自来水阀门打开，让高位槽 1 充满自来水，打开进入氧吸收塔 3 的进水阀门， 让水充满氧吸收塔顶高位槽。 2） 开氧气瓶出口阀（逆时针），然后慢慢开氧气表上的低压隔膜阀（顺时针）至表上
（1） 各设备结构尺寸如下：
1） 汽-水套管：内管为Φ16 × 1.5 紫铜管； 套管为Φ34× 3 不锈钢管；
管长 L=0.6m。
2） 裸管：传热管为Φ16 × 1.5 紫铜管
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管长 L=0.67m。
3） 保温管：内管为Φ16× 1.5 紫铜管； 外管为Φ60× 5 有机玻璃管；
管长 L=0.63m。 （2） 过滤加热功率：0~6kW （3） 冷却水流量：0~160L/h （4） 温度测量采用铜-康铜热电偶，二次仪表采用 DS 系列智能数字显示控制仪。
读数为 p = 0.01MPa 。
3） 开氧气流量计至某读数，该读数由进入解吸塔的富氧水浓度控制。建议富氧水浓度
控制在 18~28 mg / L 。
（2） 解吸操作 1） 开罗茨鼓风机（注意罗茨鼓风机启动时的注意事项）。 2） 先开进风的转子流量计，然后通入富氧水，进行解吸操作。
（3） 记录数据 待过程稳定后，记下流量、温度，并取样测定解吸塔出入口水中氧的浓度。 （4） 自拟实验方案，测定液体流量及空塔气速对传质系数的影响。 （5） 水中氧浓度测定采用德国 WTW 公司制造的溶氧仪，具体型号、规格见实验 15 填料
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冷却水走管内，用哪种方法更准确？ （3） 汽包上装有不凝汽排放口和冷凝液排放口，注意两口的安装位置特点并分析其
作用。
（4） 若将汽-水套管的冷却水出口、入口调换，则调换前后 Δtm 值是否相同？
（5） 在间壁两侧流体的对流给热系数α相差较大时，壁温接近哪测温度？欲提高 K 值，应从哪侧入手？
其原理和计算方法与吸收相类似。只是传质速率方程中的气相推动力要从吸收时的（ y − y* ）
改为解吸时的（ y* − y ）。液相推动力要从吸收时的（ x* − x ）改为解吸时的（ x − x* ）。
2） 吸收系数和传质单元高度 吸收系数或传质单元高度时反应吸收过程传质动力学特性的参数，是吸收塔设计计算的 必需数据。其数值大小主要受物系的性质、操作条件和传质设备结构型式及参数等三方面影 响。由于影响因素复杂，至今尚无通用的计算方法，一般都是通过实验测定。
（3） 将本实验的氧解吸过程画在 y − x 图上（示意表示平衡线与操作线关系）。
（4） 氧气瓶开启时应注意什么？停止使用时应如何操作？
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（5） 试归纳传质过程强化的基本思路和措施。
（6） 为什么引入体积传质系数 Kxa ？它的物理意义是什么？
（注：本实验由清华大学化工系供稿）
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实验三 吸附等温线及其影响因素
图 1 传热实验
工艺流程如下：锅炉内加热产生的水蒸气送入汽包，然后在三根并联的紫铜管内同时冷 凝，冷凝液有计量管或量筒收集，以测冷凝液速率。三根紫铜管外情况不同：一根管外用珍 珠岩保温；另一根是裸管；还有一根为一套管式换热器，管外是来自高位槽的冷却水。可定 性观察到三个设备冷凝速率的差异，并测定 K、α和λ。
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对于难溶溶质的吸收过程，称为液膜控制，常用液相摩尔分数差和液相传质系数表达的 吸收速率式。
对于易溶气体的吸收过程，称为气膜控制，常用气相摩尔分数差和气相传质系数表达的 吸收速率式。
本实验为一解吸过程，将空气与富氧水接触，因富氧水中养的浓度高于同空气处于平衡 的水中的氧浓度。富氧水中的氧向空气中扩散。解吸是吸收的逆过程，传质方向与吸收相反。
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可以认为出、入口气体中氧浓度近似相等，即 x1* = x2* 。
解吸和吸收操作常常联合使用，吸收了溶质的富液经过解吸而再生，恢复其吸收能力循 环使用。如果解吸效果不好，吸收剂中所吸收了的溶质解吸不干净，将会直接影响吸收效果， 所以说解吸操作时吸收操作的重要环节。
3、实验装置与流程 本实验主要装置为以内径 φ 102 的填料解吸塔（内装压延孔板波纹填料）和一内径为
式中： tw ， t f ——壁温和空气温度，℃。 （3） 测定保温材料的导热系数λ（W /(m ⋅°C) ）：
λ = Qb Am (Tw − tw )
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式中： Tw ， tw ——保温层两侧的温度，℃； b ——保温层的厚度， m ； Am ——保温层内外壁的平均面积， m2 。
3、实验装置与流程
该装置主体设备为“三根管”：汽-水套管、裸管和保温管。这“三根管”与锅炉、汽包、 高位槽、智能数字显示控制仪等组成整个测试系统，见图 1。
1-调压器；2-电热棒；3-锅炉；4-放液阀；5-液面计；6-加水阀；7-计量管；8-汽液分离器；9-保温管； 10-汽包；11-裸管；12-放汽阀；13-汽水套管；14-高位槽；15-流量计；热电偶埋放位置 a~p