化工原理实验讲义

1、化工原理实验指导书 唐山学院 实验一 流体流动阻力的测定 1 实验二 离心泵特性曲线的测定 5 实验三 传热系数测定实验 7 实验四 筛板式精馏塔的操作及塔板效率测定 9 实验五 填料塔吸收实验 12 演示实验 柏努禾y方程实验 14 雷诺实验 16 实验 流体流动阻力的测定 、实验目的 1、了解流体在管道内摩擦阻力的测定方法； 2、确定摩擦系数入与雷诺数 Re的关系。 二、基本原理 由于流体具有粘性， 在管内流动时必须克服内摩擦力。当流体呈湍流流动时， 质点间不 断相互碰撞，弓I起质点间动量交换，从而产生了湍动阻力，消耗了流体能量。流体的粘性和 流体的涡流产生了流体流动的阻力。在被侧直管段的

2、两取压口之间列出柏努力方程式，可得: Pf = P hf上i 2 u 2 (m) L两侧压点间直管长度 d直管内径（m） 入一摩擦阻力系数 2d , Pf Re厂峰 U流体流速（m/s） N/m2) Pf直管阻力引起的压降 流体粘度（Pa.s ） p流体密度（kg/m3） 本实验在管壁粗糙度、管长、管径、一定的条件下用水做实验，改变水流量，测得一系 列流量下的 Pf值，将已知尺寸和所测数据代入各式，分别求出入和Re,在双对数坐标纸 上绘出入Re曲线。 三、实验装置简要说明 水泵将储水糟中的水抽出， 送入实验系统，首先经玻璃转子流量计测量流量， 然后送入 被测直管段测量流体流动的阻力，经回流管流

3、回储水槽，水循环使用。 被测直管段流体流 动阻力 P可根据其数值大小分别采用变压器或空气一水倒置 U型管来测量。 四、实验步骤 : 1、向储水槽内注蒸馏水 , 直到水满为止。 2、大流量状态下的压差测量系统 , 应先接电预热 10-15 分钟 , 观擦数字仪表的初始值并 记录后方可启动泵做实验。 3、检查导压系统内有无气泡存在 . 当流量为 0 时打开 B1、 B2 两阀门，若空气水倒置 U型管内两液柱的高度差不为 0，则说明系统内有气泡存在，需要排净气泡方可测取数据。 排气方法：将流量调至较大，排除导压管内的气泡，直至排净为止。 4、测取数据的顺序可从大流量至小流量，反之也可，一般测 152

4、0组数，建议当流量 读数小于300L/h时，用空气一水倒置 U型管测压差 P。 5、待数据测量完毕，关闭流量调节阀，切断电源。 五、使用实验设备应注意的事项： 1、调流量要慢、稳、准。 2、 利用压力传感器测大流量下 P时，应切断空气一水倒置 U型管B1、B2两阀门否则 影响测量数据。 3、在实验过程中每调节一个流量之后待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。 4、若较长时间不做验验 ，启动离心泵之前应先转动泵轴使之灵活运转，否则烧坏电机。 实验 离心泵特性曲线测定 一、实验目的 1、熟悉离心泵的操作与结构； 2、测定离心泵在一定转速下的特性曲线。 二、基本原理 在一定转速下，离心泵的压头

5、He,轴功率N及效率n均随实际流量 Qe的大小而改变。 因此泵的特性是由 H=f（Qe）,Ne=f（Qe）和n =f（Qe）三条曲线来决定。而此三条曲线是经实验测 得标绘出来。 求其相应的体积流量 Qe。 1、流量Qe的测定 通过调节阀门改变水流量的大小，采用文式流量计测得压差， Qe C0 A = 单位（m/s） 2、离心泵压头He的测定 在离心泵的吸入口和压出口之间列柏努力方程 H f（入-出） Z 旦 U! He g 2g 离心泵d入=d岀 又 H( 入-出）可忽略 P出 H （Z出Z入）P出 旦(m) g 3、离心泵轴功率的计算 泵轴功率N =电机输出功率=功率表读数X电机效率（ 功率

6、表读数=电机输入功率 KW 泵的有效功率 亜(KW) 102 式中: Ne N A 0文丘里流量计喉管的横截面积 Co流量系数C0=1 P文丘里流量计的压差 Z出一Z入离心泵进出口管路的垂直距离 p出一p入离心泵进出口管路的压强 三、实验装置简要说明 送入离心泵性 分别装有真空表 用来调节水 本实验用 WB70/055 型离心泵进行实验， 用离心泵将储水槽内的水抽出， 能测定管路测量系统， 然后由压出管排至水槽。 在泵的吸入口和压出口处， 和压力表， 以测量水进口处的压力。 泵的出口管线装有文氏流量计及调节阀门， 的流量或管内压力。 四、实验方法 1 、向储水槽内注蒸馏水，直到水满为止。 2、

7、在启动离心泵之前需做如下检查： 流量调节阀门10和2,离心泵出口压力表和真空表的调节阀倒置U型管的阀门B1、 B2 均应关闭。 (2)流量测量压差变送器的平衡阀打开。 3、启动离心泵，打开阀门 10至全开。稍停片刻，待流体赶净管路内的气泡后关闭平衡 阀。打开压力表及真空表的调节阀。 1520组数据。 4、测取数据顺序可任选。切记流量从最大至流量为零应均匀取点 5、数据测量完毕，关闭压力表，真空表并把平衡阀打开。 五、使用实验设备应注意的事项 1、启动离心泵之前 ,一定要检查各处阀门。 2、流体在管路输送中不应有气存在。 3、 测量数据将流量传感器的平衡阀一定处于关闭状态,否则影响测量数据值。

8、4、离心泵不要长时间空转。 1、对现有实验条件，泵的特性曲线能否改变？ 2、管路排水口安装在水面之上和浸在水中对实验值有何影响？ 3、由实验得知，泵的流量越大，泵进口处真空度越大，为什么？ 实验三 传热系数测定实验 一、实验目的 1、通过实验掌握传热膜系数a的测定方法，并分析影响a的因素； 2、 掌握确定传热膜系数准数关联式中的系数C和指数m、n的方法; 3、通过实验提高对a关联式的理解，了解工程上强化传热的措施; 二、基本原理 对流传热的核心问题是求算传热膜系数a,当流体无相变化时对流传热准数关联式一般 形式为： Nu = C Rem Prn Grp m、n和系数Co 对强制湍流，Gr准数可

9、以忽略。Nu = C Rem Prn 本实验中，可用图解法和最小二乘法两种方法计算准数关联式中的指数 用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和Pr分别回归。为了便于掌握这 类方程的关联方法，可取 n = 0.4 （实验中流体被加热）。这样就简化成单变量方程。两边取 对数，得到直线方程： Nu Ig 孑 IgC mlg Re 在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数 m。在直线上任取一点的函数 值代入方程中得到系数C,即 C Nu 用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性。 m、 n o 而用最小二乘法回归，可以得到最佳关联结果。 应用计算机对多变量方程进行一次回归,

10、 就能同时得到C、 可以看出对方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。 雷诺准数 Re du 努塞尔特准数 Nu id 普兰特准数 Pr Cp d 换热器内管内径（m） a 1空气传热膜系数（W/m2 p空气密度（kg/m3） 入一空气的导热系数（W/m C _p空气定压比热（J/kg 实验中改变空气的流量以改变准数 C) C) C） Re之值。 由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数a值。 根据定性温度计算对应的Pr准数值。同时 进而算得Nu准数值。 因为空气传热膜系数a 1远大于蒸汽传热膜系数a 2,所以传热管内的对流传热系数a1 约等于冷热流体间的总传热系数K。则有 牛顿冷却定

11、律：Q = a iA tm A 传热面积（m2）（内管内表面积） tm管内外流体的平均温差（C） tm t 2 t 1 In t2 其中： ti= T-ti , t2= T-t2 T蒸汽侧的温度，可近似用传热管的外壁面平均温度 T w (C)表示 Tw= 8.5+21.26 X E E 热电偶测得的热电势（mv ）C 传热量Q可由下式求得：Q= w _p C (t2-t1)/3600 =V p _ p (t2-t1) /3600 w 空气质量流量（kg/h） V 空气体积流量（m3/h） t1,t2 空气进出口温度（C） 实验条件下的空气流量V （m3/h）需按下式计算: VV- 1273 t

12、i V 空气入口温度下的体积流量（m3/h） t 空气进出口平均温度（C） 其中V可按下式计算 Vt121.68 P孔板两端压差（KPa） t1 进口温度下的空气密度（kg/m3） 强化传热被学术界称为第二代传热技术, 它能减小初设计的传热面积, 以减小换热器的 体积和重量； 提高现有换热器的换热能力； 使换热器能在较低温差下工作； 并且能够减少换 热器的阻力以减少换热器的动力消耗,更有效的利用能源和资金。强化换热的方法有多种, 本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。在近壁区域, 流体一面 由于螺旋线圈的作用而发生旋转, 一面还周期性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动, 因而可

13、以 使传热强化。 Nu 的比。 强化传热时，Nu o = B Rem,其中B、m的值因螺旋丝尺寸不同而不同。同样可用线性回 归方法确定B和m的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化 比的概念作为评判准则，即强化管的努塞尔特准数Nu。与普通管的努塞尔特准数 显然，强化比Nu o / Nu 1,而且它的值越大，强化效果越好。 三、实验装置简要说明 本实验采用列管式换热器,热空气走管程,冷水走壳程。 传热管参数 传热面积 0.4m2 不锈钢孔板流量计的孔径比m = 17mm / 44mm 0.39 空气进、出口测量段的温度ti、t2采用电阻温度计测量，在显示仪表上直接读数。换

14、 在数字式毫伏计上显示数值 E。 热管的外壁面平均温度 Tw 采用铜康铜热电偶测量, 空气用电加热器加热出口温度控制在 160C。 四、实验方法及步骤 1 、实验前的准备,检查工作。 打开冷水开关调制一定流量。 检查空气流量旁路调节阀是否全开。 检查普通管支路各控制阀是否已打开。 接通电源总闸,启动电加热器开关,开始加热。 2、实验开始。 Ti （C）比较稳 提前启动鼓风机，约加热十分钟后，保证实验开始时空气入口温度 定。 调节空气流量旁路阀的开度，使流量计读数为所需的空气流量值 稳定58分钟左右读取ti,t2,TiT2值以及流体流量。 （注意：第一个数据点必须稳定足够的时间） 重复与共做 5

15、6个空气流量值。 最小最大流量值一定要做。 整个实验过程中，加热电压可以保持不变，也可随空气流量的变化做适当的调节。 4、 测定56组实验数据。 实验结束。 关闭加热开关。 过5分钟后关闭鼓风机,并将旁路阀全开。 切断总电源。 五、实验注意事项 1、实验装置仪表柜上的拉门学生不得随便打开，以防触电。 2、注意要先开鼓风机再开加热器，关闭时先关加热器后关鼓风机电源。 3、注意不要接触加热管以免烫伤。 实验四 筛板式精馏塔的操作及塔板效率的测定 一、实验目的 1、了解筛板式精馏塔的结构 2、熟悉筛板式精馏塔的操作方法 3、测定全回流的总塔板效率 二、基本原理 1、精馏操作是分离工程中最基本最重要的

16、单元之一。在板式精馏 塔中，混合液在塔板上传质、传热，气相逐板上升，液相逐板下降，层层接触，多次部分气 化，部分冷凝，在塔顶得到较纯的轻组分，塔釜得到较纯的重组分，从而实现分离，实验物 料是乙醇一水系统。 Nt。 精馏塔塔板数的计算利用图解的方法最简便，对于二元物系，若已知其气液平衡数据， 则根据流出液的组成 Xd,料液组成XF,残液组成XW及回流比R,很容易求出理论板数 本实验采用全回流状态下，通过测定塔顶，塔釜组成，确定出理论塔板数，计算出全 Nt Np 100% 塔效率: 式中：n全塔效率 Nt理论塔板数（块） Np实际塔板数（块） NP=7 三、实验简要说明装置 实验装置了为一小型筛板

17、塔， 共有七层筛板， 板上开有 2 毫米筛孔 8 个，塔径 D0=50mm ， 板间距L=100mm,堰高h=10mm,塔体部分上中下各装有一玻璃段，用以观察塔板上气泡接触 情况和回流情况。塔底有一加热釜，装有液位计、测压接管、加料接管和釜液取样口，塔顶 有一蛇管式冷凝器，冷却水走管内，蒸汽在管外冷凝，冷凝液可由塔顶全部回流，也可以由 塔顶取样管将冷凝液 （馏出液） 全部放出。 另外，加热釜装有 2KW 电炉丝， 用 TDGC1/0.5 型调压器控制点加热量， 亦即塔内上升蒸汽量。 塔顶和釜底的温度用铂电阻温度指示仪记录。 四、实验方法及注意事项 1、首先熟悉精馏塔设备的结构和流程，并了解各部

18、分的作用，然后检查加热釜中料液 量是否适当，釜中液面必须浸没电加热器（约为液面计高2/3 左右），釜内料液组成以含酒 精 15% 20%（质量分率）的水溶液为宜。 2、接通总电源，打开仪表柜上的电源和加热开关，用调压器逐渐加大电压。电流大小 由安培表指示，正常操作可控制在3 4 安培。注意观察塔顶、塔釜的温度变化和第一块塔 板的情况，当见到有上升蒸汽时，打开冷却水，冷却水量可由转子流量计观察，大约60l/h， 其用量能将全部酒精蒸汽冷却下来即可， 不必将水阀全部打开以造成浪费， 但也要注意勿因 冷却水过少而使蒸汽从塔顶喷出。 2030 C之间。因为比重天平测锤上的 7090 C,为了防止损坏测

19、锤，所以要降 表上只有2030之间的曲线，所以温度又不可降到20C以 接净液滴后再拿开取样瓶，避免滴在塔釜上。 3、 当各层塔板上汽液鼓泡正常是，操作稳定， 塔顶、塔釜温度恒定不变 1 5分钟后取样。 由塔顶取样管和塔底取样口用锥型瓶接取适量试样，取样前应先取少量式样冲洗锥型瓶一、 二次。取样后用塞子将锥型瓶塞严，并使其冷却到 温度计最大刻度为 30 C，而取出样品温度一般为 温；另外酒精组分与比重对照 下。注意，一定要夹紧取样管， 将取好的样到入特制量筒中，装满为宜。然后根据液体比重 4、用比重天平测出比重。 天平测定比重的方法， 分别测出塔顶、 塔底试样的比重。 并由酒精组分比重对照表查得

20、酒精 重量百分比浓度。测完的样品分别倒回原锥型瓶中。 5、加大电流至 4 安培以上可以见到液泛现象。此时塔内压力明显增大。观察后，将电 流减小到 0。 6、关掉电源，一切恢复原来状态，待塔内没有回流时将冷却水关闭。 实验五 填料塔吸收实验 实验目的 1、 2、 3、 4、 了解加压常压填料塔吸收装置的基本结构及流程； 掌握总体积传质系数的测定方法； 测定填料塔的流体力学性能； 了解气体空塔速度和液体喷淋密度对总体积传质系数的影响； CO气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验 CO组分。一般将配置的 10%内，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理。又CO在水中 CQ气体的吸收过程属于液膜控制过程。

21、因此，本实验主要测定 二、基本原理 气体吸收是典型的传质过程之一。由于 选择CQ2作为溶质组分是最为适宜的。本实验采用水吸收空气中的 原料气中的CQ浓度控制在 的溶解度很小，所以此体系 a 和 Hdlo 1、计算公式 填料层高度 x1 dx X2 Hol Nol (11) 式中: -液体通过塔截面的摩尔流量，kmol / (m 2 s); X为推动力的液相总体积传质系数，kmol / (m 3 s); 传质单元高度，m; OL 传质单元数，无因次。 令：吸收因数A=L/mG OL (1 2) 1y1 mx2 Nol ln(1 A)2 A 1 Ay1 mx1 (1 3) 2、测定方法 (1) 空

22、气流量和水流量的测定 本实验采用转子流量计测得空气和水的流量, 式换算成空气和水的摩尔流量。 (2) 测定塔顶和塔底气相组成 y1和y2; (3) 平衡关系。 本实验的平衡关系可写成 并根据实验条件(温度和压力)和有关公 y = mx (1 4) 式中：m E 相平衡常数，m=E/P; 亨利系数，E= f(t) , Pa,根据液相温度测定值由附录查得; P总压，Pa,取压力表指示值。 对清水而言，X2=0,由全塔物料衡算 G(yi y2) L(xi X2) 可得Xi。 三、实验装置与流程 1、装置流程 本实验装置流程如图1 1所示：水经转子流量计后送入填料塔塔顶再经喷淋头喷淋在 填料顶层。由风

23、机输送来的空气和由钢瓶输送来的二氧化碳气体混合后，一起进入气体混合 稳压罐，然后经转子流量计计量后进入塔底，与水在塔内进行逆流接触，进行质量交换，由 塔顶出来的尾气放空， 由于本实验为低浓度气体的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程 可看成是等温吸收过程。 2、主要设备 (1) 吸收塔：高效填料塔，塔径100mm塔内装有金属丝网板波纹规整填料，填料层总 高度1800mm塔顶有液体初始分布器，塔中部有液体再分布器，塔底部有栅板式填料支承 装置。填料塔底部有液封装置，以避免气体泄漏。 (2) 填料规格和特性： 23 金属丝网板波纹填料：型号 JWB-700Y,填料尺寸为0 100 X 50mm比表

24、面积700m/m。 (3) 转子流量计: 介质 条件 最大流量 最小刻度 标定介质 标定条件 空气 4m3/h 40m 3/h 0.1 m3/h 空气 20 C 1.0133 X 105Pa CO 160 L/h 10 L/h 空气 20 C 1.0133 X 105Pa 水 1000L/h 20 L/h 水 20 C 1.0133 X 105Pa (4) (5) (6) (7) 旋涡气泵：XGB-11型，风量090ni/h，风压14kPa； 二氧化碳钢瓶； 气相色谱仪 色谱工作站：上海天美 四、实验步骤与注意事项 1、填料塔的流体力学性能测定 1 ）实验步骤 （1）熟悉实验流程； （2）装置

25、上电，仪表电源上电，打开风机电源开关； 2、4、 6要关 （3） 测定干塔填料塔的压降，即在进水阀1关闭时，打开进气阀2并调节流量从 6、8、10n3/h、至最大，分别读取对应流量下的压降值，注意塔底液位调节阀 闭，否气体会走短路，尾气放空阀4全开； 200、 （4）测定一定喷淋量时填料塔的压降，即打开进水阀，设定一定的水流量值，如 400、600、800l/h时，在对应的某水流量下， 调节气体的流量， 从2、4、6、8、10卅巾、 至最大 （液泛），分别读取对应流量下的压降值，注意塔底液位调节阀6要调节液封高度, 以免气体走短路，尾气放空阀4全开。 2）注意事项 （1）固定好操作点后，应随时

26、注意微调水、空气流量调节阀以保持各量不变。 2、填料塔的吸收传质性能测定 熟悉实验流程和弄清气相色谱仪及其配套仪器结构、 原理、使用方法及其注意事项; 1 ）实验步骤 （1） (2) (3) 同上步骤（2）； 开启进水总阀，使水的流量达到4001/h左右。让水进入填料塔润湿填料。 塔底液封控制：仔细调节阀门6的开度，使塔底液位缓慢地在一段区间内变化，以 （4） 免塔底液封过高溢满或过低而泄气。 逆时针为关），使其压力稳定在 0.2Mpa左右; （6） 稳定在 （7） （8） （5）打开CQ钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀（注意减压阀的开关方向与普通阀门 的开关方向相反，顺时针为开， 仔细调节空

27、气流量阀 1201/h ； 仔细调节尾气放空阀 4的开度，直至塔中压力稳定在实验值; 2至4m/h，并调节阀3来调节转子流量计的流量，使CQ流量 待塔稳定后，读取各流量计的读数及通过温度数显表、压力表读取各温度、压力， 通过六通阀在线进样，利用气相色谱仪分析出塔顶、塔底气相组成； （9）增大水流量值至 600l/h、800l/h，重复步骤（6）（7）（8），测定水流量增大对传质的影响。 （10）实验完毕，关闭 CO钢瓶总阀，再关闭风机电源开关、关闭仪表电源开关，清理实 验仪器和实验场地。 2）注意事项 （ 1）固定好操作点后，应随时注意微调各流量调节阀以保持各量不变。 （ 2）在填料塔操作条件

28、改变后，需要有一段的稳定时间，一定要等到稳定以后方能读取 有关数据。 （ 3）吸收取样时尾气放空阀 4 不能全开，否则尾气取样可能失败。 （ 4）六通阀阀杆要么置于取样要么置于放空，不能置于中间，否则会导致色谱钨丝烧坏 的严重事故。 五、 注意事项 1） 2） 首先开启冷水开关。 检查二氧化碳系统是否漏气。 演示实验 柏努利方程实验 实验目的 1 、通过实测静止和流动的流体中各项压头及其相互转换，验证流体静力学原理和柏努 力方程。 2、通过实测流速的变化和与之相应的压头损失的变化，确定两者之间的关系。 二、基本原理 流动的流体具有三种机械能：位能、动能和静压能，这三种能量可以互相转换。在没有

29、摩擦损失且不输入外功的情况下，流体在稳定流动中流过的各截面上的机械能总和是相等 的。在有摩擦而没有外功输入时，任意两截面间机械能的差即为摩擦损失。 机械能可用测压管中液柱的高度来表示。 取任意两测试点，列出能量衡算式： 2 U2 P2, hf 2 Z1, Z2两测试点距基准面的高度。 _ U12 P1 _ Z1g Z2g 2 U1, U2 两点的流速 水温可认为不变。对于水平测试管, hf 两点的阻力损失 Zl=Z2，则 2 Ui 2 Pi 2 U2 2 P2 hf 若 U1=U2,则 P2Pl 在不考虑阻力损失的情况下，即2 在静止状态下，即 Ui= U2= 0时，pi = P2。 hf =

30、0 时，若 U1M U2 , pip2； 三、实验装置及仪器 装置：一个液面高度保持不变的水箱， 不同的测试点由胶管连接。水的流量由出口阀门调节, 与管径不均匀的玻璃实验管连接，实验管上取有 出口阀关闭时流体静止。 仪器：（1）水箱（3） （2）玻璃实验管（长 100cm）（4） 温度计 050 C 连通式压差计 四、实验步骤 1、给水箱注水，且保持一定的液面咼度。 2、打开出口阀，打开连通式压差计上的排气夹，排除系统内空气。 3、关闭出口阀，使系统内的流体静止，观察连通式压差计各测压管中的液面高度及 水箱中的液面高度。 4、打开出口阀，从小到大调节流量，观察连通式压差计各测压管中的液面变化。 5、关闭出口阀，恢复静止状态。 五、实验注意事项 必须将测试管中存在的气体排净。 演示实验二雷诺实验 、实验目的 1、建立对层流（湍流）和湍流两种流动类型的直观感性认识。 2、观测雷诺数与流体流动类型的相互关系。 3、观察层流中流体质点的速度分布。 二、基本原理 流体的流动类型与雷诺数的关系。雷诺（ Rey no Ids）用实验方法研究流体流动时，发现 影响流动类型的