《环境工程学实验》教学大纲

课程编号：09030073

课程名称：环境工程学实验（Experiment of Environmental Engineering）

学时学分：36/1学分    

开课对象：环境科学专业

课程类型：必修课（环境科学专业）

先修课程：无

 

一、实验课程目的与任务

环境工程是一门综合性的实用技术和应用学科，是环境科学研究和环境保护的基础。它不止限于得到环境工程学方面的理论，更重要的是通过实验操作使学生能掌握环境工程的治理技术基本原理和基本技能；从而达到培养学生分析问题解决问题的能力、实验技能和动手能力，树立勇于开拓的创新意识，为今后从事环境治理工作打下基础。

《环境工程学实验》与《环境工程学》配套开设。针对环境工程教学要求和本系现有基本实验条件，设计了一些实验，也利用东方仿真控制技术有限公司制作的软件让学生在电脑上作模拟实验以弥补设备的不足。本实验内容有自由沉降实验、曝气充氧实验、过滤实验、气浮实验、活性污泥实验和旋风除尘器性能实验。通过实验使学生对所学理论有进一步理解，并培养认真实验、观察记录、分析数据及设计实验的能力，同时培养学生面对问题勤于思考及团队合作的意识。

二、实验教学内容

本实验教学内容包括自由沉降实验、曝气充氧实验、过滤实验、气浮实验、活性污泥实验、旋风除尘器性能实验。具体实验内容及学时分配如下：

表1   实验内容及学时分配

三、作业与考核方式

1、作业要求：每个实验结束后，撰写实验报告，实验报告包括实验目的、实验原理、材料与仪器、实验步骤、实验结果、分析讨论等。

 2、考试方式

学生成绩由平时作业（70%）、期末（30%）构成。

平时作业是本学期各实验的平均成绩，每个实验的成绩包括实验过程和实验报告的撰写。期末考试以本学期实验问题小结评定。

总体考核学生掌握基本技能、实验效果、运用所学知识分析问题、解决问题的能力。

四、课程教材及参考书

1、教材

《环境工程》——水处理实验和大气处理实验仿真系统操作手册

 选用原因：东方仿真控制技术有限公司开发的东方仿真环境工程实用软件是一套适用于高等院校环境工程实验的仿真系统。软件的操作手册结构严密、实验原理叙述详细、内容可操作性强，符合本科教学的要求。本软件产品的特色在于提供了相关教学内容的多媒体课件，用于学生自学，以及数据处理模块，对实验操作的结果，可以利用计算机自动计算、处理、作图并打印出来，同时具备自我评定模块，有助于学生对实验结果的正确理解和把握，而且有助于提高学生的学习兴趣，符合现代高等教育的理念。

2、主要参考书

（1）章非娟、徐竞成，《环境工程实验》，高等教育出版社，2006；

五、其他说明

受到实验软件本身的限制，大气处理实验中的另一个实验“碱性溶液吸收二氧化硫”的实验数据很难采集，因此可以依据课时情况机动安排此实验。本课程实验由于不具备实验条件，不得以采用计算机仿真技术软件模拟试验，但是，与实际操作有一定差距，希望早日解决实验设备问题，使学生更好地完成实验要求。

第二篇：实验7 干燥实验(修改)

实验7      干燥实验

(Ⅰ)  箱式干燥器

一、实验目的

1.     了解气流常压干燥设备的基本流程和工作原理；

2.   掌握物料干燥速率曲线的物理意义及测定方法；

3.   了解操作条件改变对不同干燥阶段所产生的影响.

二、实验任务

1.   测定物料(纸板或其他)在恒定干燥工况下的干燥速率曲线及传质系数kH；

2.   研究风速对物料干燥速率曲线的影响；

3.   研究气流温度对物料干燥速率曲线的影响.

三、基本原理

干燥操作是采用某种方式将热量传给湿物料，使湿物料中的水分汽化分离的操作。干燥操作同时伴有传热和传质，其过程比较复杂。目前仍依靠实验测定物料的干燥速率曲线，并作为干燥器设计的依据。

物料在恒定干燥条件下的干燥过程分为三个阶段(如图3.12所示)。物料在预热(Ⅰ)，其表面的温度很快接近于热空气的湿球温度t_w。随后，进入恒速阶段(Ⅱ)。此时物料表面温度t_w维持不变，干燥速率不变。降速阶段(Ⅲ)，物料表面已无液态水存在，由于物料内部的扩散速速率小于物料表面水分的汽化速率，干燥速率会逐渐降低，直至达到平衡含水量时，干燥速率降至零为止。Ⅱ和Ⅲ交点处物料的含水量称为临界含水量(以Xe表示)，通常在预热阶段所需干燥时间可以忽略。

1. 干燥速率曲线

干燥速率是指单位时间从被干燥物料的单位汽化表面积上所汽化的水分量。它可以表示为：

　　　　　　　　　　　　　　　                　　　　　　(7-1)

式中： N_A— 干燥速率,㎏/(m2·s)；

A— 被干燥物料的汽化表面积,m2；

τ— 干燥时间,s；

W— 从干燥物料中汽化的水分量,㎏.

为了便于处理实验数据,式(7-1)可改写为:

                                                            (7-2)

式(7-2)中的湿物料质量差可由相邻两次质量差得到：

                                                       (7-3)

与之对应的物料干基含水量为X_m：

                                                         (7-4)

其中:

                 

式中：G_c—绝干物料质量。

在直角坐标纸上描出U－X_m曲线。

2. 传质系数

因干燥过程既是传热过程也是一个传质过程，则干燥速率可表示为：

                        (7-5)

式中：α— 空气与湿物料表面的对流传热膜系数,kW/(m²·℃)；

t —  空气温度,℃；

 t_W —湿物料表面的温度(即空气的湿球温度),℃；

 r_W —t_W时水的汽化潜热,kJ/㎏；

 K_H — 传质系数,㎏/(m²·s·Δx)；

H — 空气湿度,㎏水/㎏干空气；

 H_W— t_W时空气的饱和湿度,㎏水/㎏干空气.

因在恒定干燥条件下空气的温度、湿度以及空气与物料的接触方式均保持不变，故随空气条件而定的α和K_H亦保持恒定

         α=0.0143L^0.8                                             (7-6)

其中: L=Vsρ/F  (对于静止物料,空气流动方向平行于物料表面时,L=0.70～8.5㎏/(m²·s).

式中: L—空气的质量流速,㎏/(m²·s)；

V_s—流经孔板的空气体积流量,m³/s；

ρ—流经孔板的空气密度,㎏/m³；

F—干燥室的流通截面积,㎡.

3. 干燥速率曲线

干燥速率也可以以干基物料为基础，用单位质量干物料在单位时间内所汽化的水量表示。它可以表示为：

　　　　　　　　　　　　　　　                　　　　　　(7-7)

式中： — 干燥速率,㎏/(kg·s)；

Gc— 绝干物料，kg；

τ— 干燥时间,s；

W— 从干燥物料中汽化的水分量,㎏.

又因为：

                                                            (7-8)

所以

                           (7-9)

实验过程中，只要测得物料含水率X与时间之间的关系，即可根据曲线的斜率得到一系列不同时间对应的干燥速率。

物料的含水率X采用烘干称重法测量：

取一定量的试样置于试样瓶中，称其重量，记为W₁，则：

式子中：W₀—瓶重，g;

—湿物料（或样品）重，g。

将试样瓶置于烘箱中，在120℃下烘干20min，再将试样瓶取出称重，并记为W₂，则

所以：    

样品中水分的含量为：

样品的干基含水率为：

四、装置与流程

（1）洞道干燥设备及流程

干燥实验可采用干燥器在恒定干燥条件下干燥块状物料，其流程见图3.13。

图3.13 干燥实验设备流程图

1—风机；2—可控电加热器；3—干燥室；4—试样；5—托架；6—热电偶温度计；

7—涡轮流量计；8—干球温度计；9—湿球温度计；10—电子天平；11—室后温度计；

12—风机出口端片式阀； 13—蝶阀；14—风机进口端片式阀

空气由风机1送入孔板流量计6，电加热器4进入干燥器3，然后返回风机循环使用。电加热器由晶体管继电器控制，可使空气的温度恒定。干燥室前方装有干湿球温度计，干燥室后方也装有玻璃温度计，用以测量干燥室内的空气状况。空气流量由蝶阀2调节，任何时候此阀都不能全关，否则热电器会因超热而损坏。由空气进口端的片式阀8控制系统吸入的空气量，出口端的片式阀9用以调节系统向外排出的废气量。

    （2）流化床干燥设备及流程

干燥实验可采用流化床干燥器在恒定干燥条件下干燥变色硅胶，其流程见图3.14。

图 3.14 流化床干燥实验装置流程

1—气体流量计; 2—电加热器; 3—空气进口温度计 4—旁通阀; 5—取样器; 6—旋风分离器;

7—硅胶颗粒; 8—床层温度计; 9—风机; 10—流量调节阀; 11—空气出口温度计; 12—加水斗

空气由罗茨鼓风机提供，经转子流量计计量和电加热预热后，进入流化干燥器，废气上升至干燥器顶部的旋风除尘器后放空。空气的流速和温度分别由阀门和自耦变压器调节。

四、操作步骤

（1）洞道干燥操作步骤

(1)处理试样。量取试样尺寸(长、宽、高)，并记录绝干物料质量，将试样加水15g左右，让水分均匀扩散至整个试样，然后称取湿试样重量。

(2)检查天平是否灵活，并调整使之平衡。往湿球温度计内加水，开动风机送风，调节阀门，使倾斜式压力计示值R在30mm以上。

(3)调节热空气状况为恒定干燥条件。接通加热器组合开关进行加热，电加热器由电功率为1kW的几组热元件组成，一组元件由电接点温度计通过晶体管继电器控制，另外两组元件通过组合开关由手动控制。启动时三组元件都供电，待达到预定温度时，酌情关去一组或两组元件。控制恰当时，晶体管继电器时而合上时而断开(红、绿灯交替亮)。

(4)测取数据。先测定干燥箱内物料架的质量，待干燥条件恒定后，将湿物料放入器内支架上，加砝码使天平接近平衡，但砝码应稍轻，待水分汽化至天平指针平衡时，启动第一个秒表计时，同时记录试样的重量；然后减去1g砝码，待水分再干燥至天平指针于平衡位置时，停第一个秒表，同时开动第二个秒表；以后再减等量砝码，如此往复进行直至试样接近平衡水分为止，通常至少应取10组以上数据。

（2）流化干燥操作步骤

1.    全开旁通阀，然后启动风机。

2.   缓慢调节风量使床中颗粒层处于良好的流化状态。

3.   由加水器注入适量的水，注意水流速度不宜过大，取样器应保持拉出状态。

4.   给容器坩锅编号，并称量容器重量(包括容器盖)。

5.   通电预热空气至所需温度，并使之维持恒定。

6.   空气流量和温度恒定时，每隔5分钟记录床层温度一次，并取样分析固体物料的含水量，干燥到一定时候(如取样5个点后)改为10分钟取样一次。

7.   固体物料取样时只要把取样器推入，随即拉出，并用取样盒收集物料。

8.   将物料倒入容器并加盖，称重后取下盖子，放入120℃左右的烘箱中烘干(约需1小时)。取出时也须加盖，在干燥器内冷却后，再次称重。

9.   实验进行到物料温度升高，即硅胶变蓝时停止。

10.  实验停止步骤：调节变压器使电加热器的电流、电压为零，再切断电源，待气体温度下降后，全开旁路阀关闭气体进口阀，停止送风，停罗茨鼓风机。

五、实验记录与数据处理

（1）洞道干燥数据记录及处理

表7-1 干燥实验数据记录及处理表

试样绝干质量Gc:               g

试样尺寸:     ㎜               试样初始质量:     g

干燥室前温度:    ℃            湿球温度:      ℃

空气流量计指示差压:            Pa(mmH₂O)

 

（2）流化干燥数据记录及处理

表7-2  流化干燥实验数据记录表

气流量:       m³/h         加热电压:        V

空气温度:     ℃           加热电流:        A

 

 

六、实验报告

1.   根据实验结果绘出U~X曲线，注明干燥时的条件；

2.   计算传质系数k_H；

3.   绘出干燥曲线（θ ~ τ，X ~ τ）及干燥速率曲线（~ X）。

4.   说明气流温度（或气流速度、物料）不同时，干燥速率曲线有何变化。

七、思考题

1.   在70~80℃的空气流中干燥，经过相当长的时间，能否得到绝干物料？为什么？通常要获得绝干物料采用什么办法？

2.   测定干燥速率曲线有何意义？它对于设计干燥器及指导生产有些什么帮助？

3.   使用废气循环对干燥作业有什么好处？干燥热敏性物料或易变形、开裂的物料为什么多使用废气循环？怎样调节新鲜空气和废气的比例？

4.   为什么在操作过程中要先开鼓风机送风后再开电加热器？

5.   如何提高干燥速率？就两个阶段分别说明理由。

6.   在等速阶段和降速阶段中分别除去的是什么性质的水分？

7.   如果改变气流温度(或改变气流速率、物料厚度)，干燥速率曲线有何变化？

8.   为什么说同一物料如干燥速率增加，则临界含水量增大？在一定干燥速率下物料越薄，则临界含水量越小？

9.   何谓恒定干燥条件？恒定干燥条件下的干燥速率有何规律？

10.  流化干燥器为何能强化干燥？

11.  如何由干燥速率曲线分析物料的含水性质？