化工原理实验讲义.doc

化工原理实验讲义
化工原理实验
讲义
专业:环境工程
应用化学教研室
2015.3
实验一 流体机械能转化实验
一、实验目的
1、了解流体在管内流动情况下，静压能、动能、位能之间相互转化关系，加深对伯努利方程的理解。
2、了解流体在管内流动时，流体阻力的表现形式。
二、实验原理
流动的流体具有位能、动能、静压能、它们可以相互转换。对于实际流体，
因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞，而被损失掉。所以对于实际流体任意两截面，根据能量守恒有：YTZPUjP。RPsoLsn。

上式称为伯努利方程。
三、实验装置（dA=14mm，dB=28mm，dC=dD=14mm，ZA-ZD=110mm）
实验装置与流程示意图如图1-1所示，实验测试导管的结构见图1-2所示：
图1-1 能量转换流程示意图

图1-2实验导管结构图
四、操作步骤
1. 在低位槽中加入约3/4体积的蒸馏水，关闭离心泵出口上水阀及实验测试导管出口流量调节阀和排气阀、排水阀，打开回水阀后启动离心泵。kAaQJfu。5OUxwIA。
2. 将实验管路的流量调节阀全开，逐步开大离心泵出口上水阀至高位槽溢流管有液体溢流。
3. 流体稳定后读取并记录各点数据。
4. 关小流量调节阀重复上述步骤5次。
5. 关闭离心泵出口流量调节阀后，关闭离心泵，实验结束。
五、数据记录和处理
表一、转能实验数据表
流量（l/h）

压强
mmH2O
压强
mmH2O
压强
mmH2O
压强
mmH2O
压强
mmH2O
压强
mmH2O
测试点标号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

五、结果与分析
1、观察实验中如何测得某截面上的静压头和总压头，又如何得到某截面上的动压头？
2、观察实验，对于不可压缩流体在水平不等径管路中流动，流速与管径的关系如何？
3、实验观测到A、B截面的静压头如何变化？为什么？
4、实验观测到C、D截面的静压头如何变化？为什么？
5、当出口阀全开时，计算从C到D的压头损失？
六、注意事项
1．不要将离心泵出口上水阀开得过大以免使水流冲击到高位槽外面，同时导
致高位槽液面不稳定。
2．流量调节阀开大时，应检查一下高位槽内的水面是否稳定，当水面下降时
应适当开大泵上水阀。
3．流量调节阀须缓慢地关小以免造成流量突然下降测压管中的水溢出管外。
4．注意排除实验导管内的空气泡。
5．离心泵不要空转和出口阀门全关的条件下工作。
实验二 流体阻力的测定
一、实验目的
1.学习直管摩擦系数λ的测定方法
2.掌握摩擦系数λ与雷诺数Re之间的关系
二、实验原理
流体在圆管内流动时，由于本身具有黏性及涡流的影响，会产生摩擦阻力。流体在管内流动阻力的大小与管长、管径和摩擦系数有关，它们之间存在着如下关系：fGS04ts。O6tU5gK。
(1)
对于管路的两截面有：
(2)
如果管路水平并且粗细均匀，有：
,
则（2）式化简为：
（3）
采用倒U型压差计测量压差，则有：
； （4） 其中代表压差计上方压强
将（4）代入（3）式中，则：
（5）
综合（1）和（5）式，则有：
, ；其中
三、实验装置
8号管：L=1.2m，d=0.015m；9号管：L=1.49m，d=0.010m；10号管：L=1.49m，d=0.0078mS0tYRyG。NFSGadH。

图2-1 流体综合实验装置流程图
1-水箱；2-离心泵；3-功率表；4-变频器；5-涡轮流量计；6-文丘里流量计；7-局部阻力被测阀门；8-局部阻力测量段；9-直管阻力粗糙测量管；10-直管阻力光滑测量管； XTB50eN。fW6XNxi。
11-切换阀；12-流量调节阀；13-转子流量计；14-流量调节阀

图2-2 倒U型压差计
四、实验步骤
1. 打开电源总开关，启动泵前要检查各阀门的开关，尤其阀门12和阀门14应关闭，以防止转子流量被损坏。
2. 针对某一测试对象选择对应的流向导通阀，逆时针全开。
3. 在进行阻力测定之前，应检查导压系统内有无气泡存在。
当流量为零时，打开A，A’两阀门，若空气-水倒置U型管内两液柱的高度差不为零，则说明系统内有气泡存在，需赶净气泡方可测试数据。EvXETe1。AVl1suj。
赶气泡的方法：将流量调至较大，打开阀门A，A’和C，C’，打开压力平衡罐的排气阀，使水完全充满管路，排出导压管内的气泡，将流量关为零，关闭A，A’，缓慢打开阀门D，通过打开B，B’让倒置U型管内的水流出再关D，判断倒置U型管内两液柱的高度差是否为零，若不为零，重复上述操作直至排净为止。CMSVlLg。XyLRvqS。
4. 调节阀门14测取数据，顺序可从大流量至小流量，反之也可，由13号转子流量计记录流量，通过倒U管测量h1,h2,管9和10各测量8组数据LZ2suqb。ZxdC8PM。
5. 待数据测量完毕，关闭流量调节阀，相关阀门，泵，切断电源。
五、数据记录和处理
水温：
实验
序号
h1(cm)
h2(cm)
qv(L•h-1)
R(cm)
Re
λ

以其中一组数据为例，写出v、Re、λ的具体计算过程
六、思考题
1、在圆直管内及导压管内可否存有积存的空气？如有，会有何影响？
2、讨论λ与Re的关系（坐标上画出关系图）？
七、注意事项
1. 启动离心泵之前，必须检查所有流量调节阀是否关闭。
2. 调节流量计阀门要缓慢，调节后应等待流量和直管压降的数据稳定后，方可记录数据。
3. 在计算时，要统一为国际单位制进行计算。
实验2-2 文氏流量计校正系数的测定
一、实验目的
1.了解文氏流量计的构造、工作原理和主要特点
2.测定文氏流量计校正系数Co
二、实验原理
文氏流量计流量计算式为：

因为
综合可以得到：

从而得到校正系数
其中 式中代表涡轮流量计的频率Hz，实验时Hz小于120
代表涡轮流量计的仪表常数，77.842（s/l）
式中代表喉管截面积，0.0195m
三．实验装置同上
四、操作步骤
1.打开电源总开关，仪表预热10分钟，启动泵前检查各阀门的开关，尤其阀门12和阀门14应关闭，以防止转子流量被损坏；eWAR7Aa。IZ0TnH5。
2.将管道内的空气排出，打开文氏流量计的测压口阀门；
3.调节阀门12测取数据，共测定10组数据，数据包括：Hz，△p；
4.待数据测量完毕，关闭流量调节阀，相关阀门，泵，切断电源。
五、数据记录和处理
实验序号
Hz
△P（kPa）
Q(l·s-1)
C0
C0 平均值

以其中一组数据为例，写出qv, Co的具体计算过程
实验三 离心泵特征曲线测定
一、实验目的
1.了解离心泵的构造及送液原理。
2.掌握离心泵特征曲线的测定方法、表示方法，加深对离心泵性能的了解。
二、实验原理
离心泵是最常见的液体输送设备。对于一定型号的泵在一定的转速下，离心泵的扬程He，轴功率N，及效率η均随流量qv的改变而改变。通常通过实验测出qv-He，qv-N，qv-η关系，并用曲线表示，称为特征曲线。下面介绍具体的测定方法。Ch2g67i。eEllmOE。
（1）He的测定
在泵的吸入口和压出口之间列柏努利方程：
(1)
由于进出口管路粗细均匀，有：
又因为所选的两截面和泵体接近，Hf值可以忽略
所以（1）式可以化简为：

式中，为泵进出口测压点间的距离
（）为泵进出口测压点间的压强差
（2）N轴的测定

为电动机的输入功率；为电机效率，60%
（3）η的测定
，
（4）qv流量
，为自动调节阀开度Hz;为仪表常数，77.902(次/升)
电机频率45Hz
三、实验装置
图3-1 实验装置流程示意图
四、操作步骤
1. 打开电源总开关，设备调于计算机采集自控操作；
2. 将泵的入口调节阀全部打开；
3. 打开计算机，进入离心泵计算机数据采集和过程控制软件，按照软件提示进行操作；
4. 点击离心泵特征曲线自动控制后，计算机自动调节流量，并记录原始数据；
5. 实验完毕后，点击结束当前实验，回到主菜单。
五、数据记录和处理
1. 跟据计算机自动采集数据表，在坐标纸上画出离心泵特征曲线图。
序号
流量
出口压力
入口真空
功率表
扬程
轴功率
效率

m3/h
Pa
Pa
Kw
m
Kw
%
2. 以第四组为例，写出qv, He, N轴，η的具体计算过程
六、思考题
1. 如何选用离心泵？
2. 随着泵出口流量调节阀开度增大，泵的流量增加时，入口真空度及出口压力如何变化？并分析原因。
七、注意事项
1. 实验前应检查水槽水位、流量调节阀关闭到零位，泵入口调节阀全部打开；
2. 由于本次实验计算机自动控制与采集，关闭计算机后，所有数据不予保留。
实验四 传热实验
一、实验目的
1、通过对空气-水蒸气简单套管换热器的实验研究，掌握对流传热系数αi的测定方法，加深对其概念和影响因素的理解。并应用线形回归分析方法，确定关联式NOsC3MF。OdQd840。
中常数A、m的值。
2、通过对管程内部插有螺旋圈的空气-水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其准数关联式中常数B、m的值，了解强化传热的基本理论和基本方式。SbC8Hqs。KS2Xzt3。
二、实验原理
1、对流传热系数αi的测定
对流传热系数αi可以根据牛顿冷却定律，用实验来测定，即
①
式中：-管内流体对流传热系数，[]
-管内传热速率，[W]
-管内换热面积，[m2]
-管内流体空气与管内壁面的平均温差，[℃]
平均温差由下式确定：
②
式中：-冷流体空气的入口、出口温度，[℃]
-壁面平均温度，[℃]
管内换热面积
③
式中 -传热管内径，[m]，d光=20mm，d粗=50mm
-传热管测量段的实际长度，[m]，L=1m
由热量衡算式 ④
其中质量流量由下式求得
⑤
式中：-冷流体在套管内的平均体积流量，[m3/h]
-冷流体的定压比热，[]
-冷流体的密度，[kg/m3]
和可根据定性温度查得，为冷流体进出口平均温度。
2、对流传热系数准数关联式的实验确定
流体在管内作强制湍流时，处于被加热状态，准数关联式的形式为
⑥
其中，，
物性数据、、、可根据定性温度查得。经过计算可知，对于管内被加热的空气，普朗特准数变化不大，可认为是常数，则关联式的形式简化为CVYvj6I。WPh9BkH。
⑦
这样通过实验确定不同流量下的与，然后用线性回归方法确定A和m的值。
三、实验装置

图6-1空气-水蒸气传热综合实验装置
1、 普通套管换热器；2、内插有螺旋线圈的强化套管换热器；3、蓄水罐；
4、旋涡气泵；5、旁路调节阀；6、孔板流量计；7、8、空气支路控制阀：9、10、蒸汽支路控制阀；11、12、蒸汽放空口； 13蒸汽上升主管路；14、加水阀：15-加热罐；16-加热器；17-放液阀：T57CknJ。63J72vi。
五、实验方法及步骤
1、实验前的准备,检查工作.
(1) 向电加热釜内加水，液位计到端线处以上为宜。
(2) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。
(3) 检查水蒸气管及空气支路各控制阀是否已打开，保证蒸汽和空气管线的畅通。
2、实验开始.
(1) 启动计算机并按照操作说明进行操作。
(2) 合上电源总开关, 打开加热电源开关（设备），设定加热电压160V(电脑)，直至有水蒸气冒出，在整个实验过程中始终保持换热器出口处有水蒸气。QIAgESg。AAVGGMw。
(3) 计算机数据采集实验
(a).蒸汽冒出10min后，启动风机（电脑），用旁路调节阀来调节流量（孔板读数0.44-2Kpa之间），待操作稳定后计算机分别对空气流量，空气进出口温度，水蒸气进出口温度进行采集。测5组流量，每组间隔10min。光滑管测5组、粗糙管测5组。fm8PhDm。87IYBVI。
(b).在改变流量稳定后分别测量空气的流量，空气进出口的温度，水蒸气温度，继续进行实验。
(c).计算机对所有的实验数据进行计算和整理，得出实验结果。
关闭加热（电脑），无蒸汽冒出后关闭风机（电脑）。
六、数据处理与分析
根据计算机显示的结果，以其中一组数据为例写出具体计算过程。
七、思考题
1、实验装置中的两组套管换热器，哪套对流传热系数大？为什么？（注意要在空气流量相同的前提下比较）
2、传热管内壁温度、外壁温度和壁面平均温度认为近似相等，为什么？
八、注意事项：
1、 实验前将加热器内的水加到指定的位置,防止电热器干烧损坏电器。
2、 刚刚开始加热时,加热电压在(160V)左右。
3、计算机数据采集和过程控制实验时应严格按照计算机使用规程操作计算机。采集数据和控制实验时要注意观察实验现象。fo0pJyQ。fxyx6Um。
4、测量管后有蒸汽排出10分钟，可启动鼓风机，保证实验开始时空气入口温度比较稳定。
5.原始数据记录空气进口出口温度、壁温、流量。
实验七 筛板塔全塔效率的测定
一、实验目的
1.了解板式塔的基本构造，精馏设备流程及各个部分的作用。
2.测定全塔效率。
二、实验原理
二元体系为乙醇与正丙醇
全塔效率，其中为全回流测定板数，=9块

其中相对挥发度=2.0781
为塔釜样品液相组成
为塔顶样品液相组成
其中和可通过折光率测定：
对于30℃以下，质量分率与折光率之间的关系可按下面的回归式计算：

摩尔分率
其中=46，=60
三、实验装置

图7-1 计算机数据采集和过程控制精馏实验装置
精馏塔为筛板塔，全塔共有9块塔板由紫铜板制成，塔高1.5米，塔身用
内径为50mm的不绣钢管制成，每段为10厘米，焊上法兰后，用螺栓连在一起，并垫上聚四氟乙烯垫防漏，塔身的第二段和第九段是用耐热玻璃制成的，以便于观察塔内的操作情况。除了这两段玻璃塔段外，其余的塔段都用玻璃棉保温。降液管是由外径为8毫米的铜管制成。筛板的直径为54毫米，筛孔的直径为2毫米。7ygIVm7。yLDqTk8。
塔中装有铂电阻温度计用来测量塔内汽相温度。
塔顶的全凝器为风式换热器，塔釜用电炉丝加热，塔的外部也用保温棉保温。
混合液体由高位槽经蠕动泵计量后进入塔内。塔釜的液面由液位计和放大器计量再由液位仪表显示。塔底产品经过由液位控制平衡管流出。回流比调节阀用来控制回流比，馏出液储罐接收馏出液。GWpOCUP。414oeQK。
四、操作步骤
(一) 实验前准备工作.检查工作：
1. 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℃)。检查取样用的注射器和擦镜头纸是否准备好。zGLNlN0。98uKax7。
2. 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。
3. 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),然后倒入高位瓶.[或由指导教师事前做好这一步]。IODXeDn。PNxx5Ew。
4. 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 (冷液面在塔釜总高2／3处), 而后关闭流量计阀门。iYB72RD。rcpViuK。
（二）实验操作
1.打开电源开关，再打开塔釜加热开关
2.打开计算机，进入精馏塔计算机数据采集和过程控制软件
3.向计算机输入加热电压
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。vcaIgi5。NrM881W。
5.检查数据合理后，按照计算机要求退出控制程序并关机，关闭塔釜加热开关，及电源总开关，实验完毕，将测定数据填入表中R9CfqM3。rBpJeIe。
五、数据记录和处理

塔顶溶液
塔釜溶液

1

2

计算结果 =，η=？
要求对，，，η进行具体的计算
六、注意事项
1. 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。
2. 本实验设备加热功率由电位器来调解,固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。c8HT7E3。45cMHX5。
3. 开车时先开冷却水,再向塔釜供热；停车时则反之。
4. 测浓度用折光仪.读取折光指数,一定要同时记其测量温度,并按给定的折光指数─质量百分浓度─测量温度关系（见表一）测定有关数据, (折光仪和恒温水浴由用户自购,使用方法见其说明书 )。hZyOFeV。JGq02V0。
5. 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, 在做实验前应将前一次实验时留存在塔釜和塔顶，塔底产品接收器内的料液均倒回原料液瓶中。 vOz8dTL。HgDyqQK。
6．实验时，应按照操作规程完成实验，爱护计算机。
七、附录
表 1 温度─折光指数─液相组成之间的关系

0
0.05052
0.09985
0.1974
0.2950
0.3977
0.4970
0.5990
25℃
1.3827
1.3815
1.3797
1.3770
1.3750
1.3730
1.3705
1.3680
30℃
1.3809
1.3796
1.3784
1.3759
1.3755
1.3712
1.3690
1.3668
35℃
1.3790
1.3775
1.3762
1.3740
1.3719
1.3692
1.3670
1.3650
(续表2)

0.6445
0.7101
0.7983
0.8442
0.9064
0.9509
1.000
25℃
1.3607
1.3658
1.3640
1.3628
1.3618
1.3606
1.3589
30℃
1.3657
1.3640
1.3620
1.3607
1.3593
1.3584
1.3574
35℃
1.3634
1.3620
1.3600
1.3590
1.3573
1.3653
1.3551
实验六 管式反应器停留时间的测定
一、 实验目的
1、测定管式反应器中停留时间分布。
2、通过轴向扩散模型来定量返混程度，加深对返混的认识和理解。
二、实验原理
在连续流动的反应器内，不同停留时间的物料之间的混合称为返混。返混程度的大小，一般很难直接测定，通常是利用物料停留时间分布的测定来研究。47TuTLL。EXBhFcx。
停留时间分布的测定方法有脉冲法、阶跃法等，常用的是脉冲法。当系统达到稳定后，在系统的入口处瞬间注入一定量的示踪物料，同时开始在出口流体中检测示踪物料的浓度变化。本实验中用水作为连续流动的物料，以饱和KCI作示踪剂，在反应器出口处检测溶液电导值。在一定范围内，KCI浓度与电导值成正比，所以可用电导值来表达物料的停留时间变化。M2onOBd。bESGklX。
停留时间分布密度函数E(t)在概率论中有两个特征值，平均停留时间（数学期望）和方差。若采用无因次方差，则有X4LtyN3。wKd95xD。

在测定了一个系统的停留时间分布后，评价其返混程度则需要反应器模型来描述，这里我们采用的是轴向混合模型。bVr7CGe。HQeh1wW。

式中Pe称为Peclet准数，反映了返混程度。
当时，对流传递速率较之扩散传递速率要慢得多，此属于全混流情况。反之，当时，这就变为活塞流情况。由此可见，越大，返混程度越小。也就是轴向扩散模型的模型参数。BXJ2YPg。L0bMqqy。
三、 实验装置

管式反应器停留时间测定装置
1-水箱；2-离心泵；3-流量调节阀；4-流量计；5-流体温度测点；6-示踪剂进口；7-放空阀8-填料；9-反应管；10-电导电极Y4WDzs6。hKxe2j4。
四、 实验方法
1、 准备工作
（1） 配好饱和KCL液体待用。
（2） 连接好入水管线，打开自来水阀门，使水箱充满水。
（3） 检查电极导线连接是否正确。
2、 操作
（1） 打开总电源开关，启动水泵，慢慢打开进水转子流量计的阀门(注意!初次通水必须排净管路中的所有气泡，特别是死角处。 水流量调大在填料可以流化但不会被冲出时为易)HQ85dNx。l2saSly。
（2） 开启计算机电源，进入应用程序。
（3） 启动离心泵，将水流量调节在2升/分，将2mL准备好饱和KCL液体通过示踪剂进口注入。
（4） 按下开始实验键，看显示图上显示KCL液体随水在反应器中的停留分布情况。实验所需时间可以根据图形变换而定，及图象由最高点恢复到与出始点向近20秒后即可结束实验。（注：此时的操作一定要快，在注射器将饱和KCL液体注入后，立即按开始实验键，但不要先开始实验再注入饱和KCL液体，这样有可能程序会有计算上的误差）LoaVD3i。MkkHrxf。
（5） 待测试结束，按下“结束”按钮后，按下“保存数据”按钮保存数据文件。3、停车
（1） 实验完毕，将反应器的进水发全开，连续进清水冲洗管路。反复三、四次。
（2）关闭各水阀门。电源开关，打开放空阀，将水排空。
（3）退出实验程序，关闭计算机。
五、 思考题
什么返混？返混的实质是什么？