化工原理实验讲义(2013版本)

1、化工原理实验实验讲义西南科技大学材料科学与工程学院材料基础中心实验室二一三年十二月目 录实验一、流体力学综合阻力实验A2实验二、固体流态化的流动特性实验6实验三、除尘性能实验11实验四、圆球法测固体材料导热系数13实验一、流体力学综合阻力实验A实验前介绍 双台综合阻力实验台（图1）为流体力学综合性多用途教学实验装置。为双台型，可供两组学生同时进行实验。利用本装置可进行下列实验： 1沿程阻力实验 2局部（阀门）阻力实验 3孔板流量计流量系数测定实验 4文丘里流量计流量系数测定实验 实验装置实验台的结构简图如图1所示。它主要由沿程阻力实验管路1、局部（阀门）阻力实验管路2、孔板流量计实验管路3和文

2、丘里流量计实验管路4等四路实验管所组成，并有水泵及其驱动电机5，塑料储水箱6，有机玻璃回水水箱及计量水箱7（实测流量时用）、压差显示板8（图中未示出）和一些闸门组成的实验水循环系统和压差显示系统等，双台实验装置安装在一个底架9和管道支架10上。文丘里实验管路为所有其它实验管路共用的出流通道。图1 实验台结构简图工业应用以水泥工业的预热预分解系统为例：对于预热器系统来说，系统的阻力损失直接关系到能耗问题，因此在设计时就要充分考虑到局部阻力和沿程阻力等，所以了解这两种阻力的性质、可能出现的情况、以及如何减少这类损失等知识是很有必要的。对于其他生产工艺来说都是同样的重要。在生产中经常要对系统的稳定运

3、行进行热工标定，即：测定管道内的流体速度，以检测系统是否正常稳定运行，并依此数据进行调节。这就会用到流量计和毕托管等测定流体速度，所以掌握其操作方法对科学研究和指导生产都有着重要的意义。（一）沿程阻力实验 1实验目的 （1）测定流体在等直流管中流动状态下，不同雷诺数时的沿程阻力系数，并确定它们之间的关系。 （2）了解流体在管道中流动时能量损失的测量和计算方法。 2实验方法和操作(1) 实验前的准备。 熟悉实验装置中用于沿程阻力实验的具体结构及流程。 进行沿程阻力实施管路流体循环系统的试运转，并进行系统的排气处理；关闭局部阻力实验管路和孔板流量计（及毕托管）实验管路两端进水阀门和出水阀门，开启沿

4、程阻力实验管路上两端的进水阀门（从水泵出口进水）和出水阀门；使沿程阻力实验管路和文丘里实验管路及其流体的出口和回水水箱（或计量水箱）形成沿程阻力实验系统的循环回路，然后启动水泵，用沿程阻力实验管路两端的阀门来调节流量（一般可开大进水阀门，再用出水阀门来控制和调节实验流量）。实验系统形成正常的水循环后，应仔细排除实验管路中，也包括导压胶管中存留的空气，以提高测试精度。 用玻璃温度计测出实验水温。 (2) 进行测试 调节沿程阻力实验管路的出水阀门，先选定较小的流量，使沿程阻力实验系统的相应两根测压管所显示的压差约200 mm水柱左右，以这个压差为起始测试点。并在此工况下用计量水箱和秒表测量出相应的

5、水流流量。 然后逐次适量开大出水阀门的开度，逐次测读相应的阻力压差和流量。建议实验做610个试验点，直至阻力压差达到接近最高的允许水柱高度为止。 实验数据处理 实验测试数据和计算所得结果可填入建议的表格1中。根据达西公式，即可求出沿程阻力系数： ； 相应的雷诺数Re： 。式中： 阻力试验管内径，m；（本试验管内径16mm） 试验管道测试段长度，m； 重力加速度，m/s2； 测试段的沿程水头损失h1-h2，mH2O； 实验工况下管道中流体的平均流速，m/s； 水的运动粘度，m2/s 可查表或从水的粘温曲线上求得 。表1 项测 目试结果序号流速及流量测压管指示沿程阻力系数雷诺数接水总量(m3)接水

6、时间(s)体积流量(m3/s)平均流速(m/s)(m) (m)沿程损失(m)12345678910注 d= m； L= m ； 水温： 。可根据测算得到的和值，在双对数坐标纸上标绘出两者的关系点和关系曲线，并可与教材上的曲线相比较，作出分折和讨论。（二）局部阻力实验l. 实验目的 掌握用实验方法测定阀门管件在流体流经管路时的局部阻力系数。2. 实验方法和操作 实验方法和操作与上述沿程阻力实验基本相同，只是换用带有四个测压口的局部阻力实验管路系统测出阀门（球阀）的局部阻力损失，然后计算出阀门的局部阻力系数。阀门局部阻力试验管路如图2所示。测试时，为了消除沿程阻力的影响，先测出hhh1和hhh2

7、两个E（净）来，再用计算的方法求得只是阀门局部所引起的阻力损失：图2 阀门局部阻力试验管路3. 试验数据处理试验测试数据和计算结果可填入建议的表格2中。表2 项 测 目试阀 结门 果开度流量及流速测压管水头(m)局部水头损失(m)局部阻力系数备注接水体积(m3)接水时间(s)体积流量(m3/s)平均流速(m/s)hhhh全开12330°12345°123阀门局部的阻力系数可由下式求得： 式中 重力加速度，m/s2； 局部水头损失，m； 管路中流体的平均流速，m/s。在不同的球阀开度(全开、30º、45º)下，测得相应的局部水头损失，从而可以获得相应的局部

8、阻力系数。4. 思考题1.沿程阻力损失的大小与哪些因素有关？2.分析发生局部阻力损失的主要部位在哪里？工程中怎样减小局部阻力损失？16实验二、固体流态化的流动特性实验在化学工业中，经常有流体流经固体颗粒的操作，诸如过滤、吸附、浸取、离子交换以及气固、液固和气液固反应等。凡涉及这类流固系统的操作，按其中固体颗粒的运动状态，一般将设备分为固定床、移动床和流化床三大类。近年来，流化床设备得到愈来愈广泛的应用。 固体流态化过程又按其特性分为密相流化和稀相流化。密相流化床又分为散式流化床和聚式流化床。一般情况下，气固系统的密相流化床属于聚式流化床，而液固系统的密相流化床成于散式流化床。一、实验目的1通过

9、实验观察固定床向流化床转变的过程，以及聚式流化床和散式流化床流动特性的差异；2实验测定流化曲线和临界流化速度，并实验验证固定床压降和流化床临界流化速度的计算公式。3通过本实验希望能初步掌握流化床流动特性的实验研究方法，加深对流体流经固体颗粒层的流动规律和固体流态化原理的理解。二、实验原理1、固体流态化现象：为便于学习，以气-固系统为例，设有一圆形容器，在容器下部装有一块气体分布板，在分布板上面堆积一层固体颗粒（即床层），当气体自下而上通过这样一个固体颗粒床层时，随着气体流速的变化会出现不同的现象，如图1所示。 图1 固体流态化现象（不同流速时床层的变化） 图2 临界流化速度的实测法当流速较低时

10、，固体颗粒静止不动，颗粒之间仍保持接触，床层空隙率及高度都不变流体只在颗粒间的缝隙中通过，这种床称为固定床（如图1 a）。继续增大流速，当气体流过固体颗粒产生的摩擦力（即曳力）与固体颗粒的浮力之和等于颗粒自身重力时，颗粒开始松动，颗粒位置也稍加调整，床层略有膨胀，但颗粒还不能自由运动，仍处于接触状态，这种床称为切始或临界流化床（图1 b）。当流速高于初始流化的流速时，颗粒全部悬浮在向上流动的气流中，即进入流化状态，气体以鼓泡方式通过床层。随着流速的增加，固体颗粒在床层中的运动也愈加激烈，这时气-固系统具有类似于液体的特性，随容器形状而变，宋层高度也增高，但有明显的分界面（图1c），这时床层称为

11、流化床。当流速高到某一极限值时，流化床分界面消失，颗粒分散悬浮在气流中，被气流所带走，这种状态称为气流输送或稀相输送床（图1-1 d）。2、临界流化速度的实测法临界流化速度是颗粒层由固定床转变为流化床时流体的速度，也是流化操作的最低速度，故也称最小流化速度。确定临界流化速度的最好办法就是实验测定方法。用增加流速法使床层自固定床缓慢地进入流化床，同时记录相应的流体流速和床层压降，在双对数坐标上标绘各点（如图2），然后将固定床区和流化床区的点分别划线，得到两条直线的交点即是临界流化点，其横坐标的值即为临界流化速度Umf。图中的Ubf为起始流化速度，此时床层中已有部分颗粒开始被流化，Utf为完全流化

12、速度，此时床层中所有颗粒全部进入流化状态。对于颗粒分布较窄的床层，三者非常接近，很难区分。3、两个参数介绍膨胀比：流化床的床高与静床层的高度之比。称为膨胀比，即流化数：流化床实际采用的流化速度与临界流化速度之比称为流化数，即三、实验装置本实验装置采用气固和液固系统两套设备并列。设备主体均采用圆柱形的自由床。内部分别填充球粒状硅胶和玻璃微珠。分布器采用筛网和填满玻璃球的圆柱休。柱顶装有过滤网，以阻止固体颗粒带出设备外。床层上均有测压口与压差计相接。 图3 液固系统流程图 图4 气固系统流程图1高位稳压水槽；2水调节阀；3孔板流量计； 1放空阀；2空气调节阀；3孔板流量计；3´倒置U形差

13、计；4U形压差计；5滤网； 4孔板流量计的压差计；5压差计；6滤网；6床体；7固体颗粒层；8分布器 7床体；8固体颗粒层；9分布器液固系统的流程如图3所示。水自循环水泵或高位稳压水槽，经调节阀和孔板流量计；由设备底部进入。水进入设备后，经过分布器分布均匀，由下而上通过颗粒层，最后经顶部滤网排入循环水泵。水流量由调节阀调节，并由孔板流量计的压差计显示读数。气固系统的流程如图4所示。空气自风机经调节阀和孔板流量计，由设备底部进入。空气进入设备后，经分布器分布均匀，由下而上通过颗粒层，最后经顶部滤网排空。空气流量由调节阀和放空阀联合调节，并由孔板流量计的压差计显示读数。四、实验方法 本实验可分两步进

14、行：第一步，观察并比较液固系统流化床和气固系统流化床的流动状况；第二步，实验测定空气或水通过固体颗粒层的特性曲线。 在实验开始前，先按流程图检查各阀门开闭情况，将水调节阀和空气调节阀全部关闭，空气放空阀完全打开。然后，再启动循环水泵和风机。 待循环水泵和风机运转正常后，先徐徐开启水调节阀，使水流量缓慢增大，观察床层的变化过程；然后再徐徐开启空气调节阀和关小放空阀，联合调节改变空气流量，观察床层的变化过程。 完成第一步实验操作后，先关闭水调节阀，再停泵，继续进行第二步实验操作。若测定不同空气流速下，床层的压力降和床层高度，实验可在流量由小到大，再由大到小反复进行。实验完毕，先打开放空阀，后关闭调

15、节阀，再停机。 实验过程中应特别注意下列事项： （1）循环水泵和风机的启动和关机必须严格遵守上述操作步骤。无论是开机、停机或调节流量，必须缓慢地开启或关闭阀门，并同时注视压差计中液柱变化情况，严防压差计中指示液冲入设备。 （2）当流量调节至接近临界点时，阀门调节更需精心细微，注意床层的变化。 （3）实验完毕，必须将设备内的水排放干净，切莫将杂物混入循环水中，以防堵塞分布器和滤网。五、实验结果整理1记录实验设备和操作的基本参数 （1）设备参数 柱体内径： 50 mm 静床层高度： 待测 mm 分布器形式： 堆积玻璃珠 （2）固体颗粒基本参数 固体种类： 颗粒形状： 球形硅胶 玻璃微珠 平均粒径：

16、 0.35 mm 1.5 mm 颗粒密度： 924 kg·m-3 1937 kg·m-3 堆积密度： 475 kg·m-3 1160 kg·m-3 空隙率（）：0.486 0.401 （3）流体物性数据 流体种类： 空气 水 温 度： 密 度： kg·m-3 kg·m-3 粘 度： Pa·s Pa·s（4）孔板流量计参数空气孔板流量计参数：孔径d0=0.003m 孔流系数C0=0.6025水孔板流量计参数：孔径d0=0.007m 孔流系数C0=0.61 2将测得的实验数据和观察到的现象，参考下表做详细记录：实 验

17、序 号123 456789空气流量/mmH2O/m3·s-1空气空塔速度/m·s-1床层压降/ mmH2O床层高度/mm膨胀比流化数实 验 现 象气固系统的流量计算公式：液固系统的流量计算公式： 注：以上两个公式中的R取m为计算单位，得到的流量单位为：m3/s。3在双对数坐标纸上标绘关系曲线，并求出临界流化速度。将实验测定值与计算值进行比较，算出相对误差。临界流化速度的计算公式：（气固系统）： m/s（液固系统）： m/s4在双对数坐标纸上标绘固定床阶段的的关系曲线。将实验测定曲线与由计算值标绘的曲线进行对照比较。六、思考与讨论1、床层底部的玻璃珠作用是什么？2、分别列举关

18、于固定床、流化床和输送床的工业应用的事例。实验三、除尘性能实验一、实验目的1掌握除尘器性能测定的基本方法；2了解除尘器运行工况对其效率和阻力的影响。二、实验内容1测定或调定除尘器的处理风量；2测定除尘器阻力与负荷的关系（即不同入口风速时的阻力变化规律）；3测定除尘器效率与负荷的关系（即不同入口风速时的除尘效率变化规律）。三、实验装置实验采用的主要仪器：（1）毕托管（2）U型压力计（3）电子秤（精度0.01克）（4）秒表（5）含尘浓度采样仪。四、实验方法（1）风量的测定：风量的测定采用毕托管测量，其原理是利用毕托管U型管压力计测出风管断面的流速，从而确定风量。即：式中：风量，m3/s；测量断面面

19、积，m2；测量断面空气平均流速，m/s。由于气流速度在风管断面上的分布是不均匀的，因此在同一断面上必须进行多点测量，然后求出该断面的平均流速V。毕托管所测量的断面为48.5mm的圆形断面，故可划分为两环，U型管压力计测量出压差值，相应的空气流速：式中：U型管压力计压差值（mm）（2）小旋风除尘器阻力：式中：小旋风除尘器进出口空气的全压差（Pa）；沿程阻力，即静压孔3与4的静压差×1.3（Pa）；局部阻力，（Pa）。由于小旋风器进出口管段的管径相等，故动压相等，所以式中：小旋风除尘器进出口空气的静压值，即用微压计测得的静压孔2和4的静压值。于是：（3）小旋风除尘器效率的测定除尘器效率测

20、定可采用重量浓度法或称重法，即按下式 或 式中：除尘器进口处平均含尘浓度，mg/m3；除尘器出口处平均含尘浓度，mg/m3。喂入除尘器的物料量，g；除尘器收集到物料量，g。由于除尘器的效率与粉尘的粒度、比重以及除尘器的运行工况有很大关系，因此在给出除尘器效率时，应同时说明除尘器处理的粉尘的分散度、比重和运行工况，或者直接测出除尘器的分级效率。五、测定结果整理1、将测定得到的各种数据按下表整理，求出除尘器的风量，阻力，并根据所得结果，对该除尘器进行评价。除尘器性能测定记录表项目工况断面面积F(m2)毕托管压差值h(mm)断面平均风速(m/s)静压孔2和4的静压差值Pj(Pa)静压孔3和4的静压差

21、值×1.3Pj(Pa)局部阻力(Pa)旋风除尘器阻力(Pa)12345备注备注：1）端面面积 (m2) ；为毕托管的直径=48.5mm；2）由毕托管的压差值计算流速： （m/s）3）流量L的计算式： （m3 / s）4）局部阻力： （Pa）； 其中5）旋风除尘器阻力：2、除尘器的分离效率：任意选定一个风量、一个喂料速度，进行分离效率的测定实验。六、思考题1影响旋风除尘器阻力的因素有哪些？结合工业生产举例说明。2影响旋风除尘器分离效率的因素有哪些？结合工业生产举例说明。实验四、圆球法测固体材料导热系数一、实验目的1加深对稳定导热过程基本理论的理解，建立维度与坐标选择的关系。2掌握用球壁

22、导热仪测定绝热材料热导率的方法和技能。3确定材料热导率与温度的关系。4学会根据材料的热导率判断其导热能力并进行导热计算。二、实验原理导热系数是表征物质导热能力的物性参数。一般地，不同材料的导热系数相差很大，其中金属的导热系数在2.3417.6W·m-1·K-1范围内，建筑材料的导热系数在0.162.2W·m-1·K-1之间，液体的导热系数波动于0.0930.7W·m-l·K-1之间，而气体的导热系数则最小，在0.00580.58W·m-1·K-1范围内。即使是同一种材料，其导热系数还随温度、压强、湿度、物质结构和密

23、度等因素而变化。各种材料的导热系数数据均可从有关资料或手册中查到，但由于具体条件如温度、结构、湿度和压强等条件的不同，这些数据往往与实际使用情况有出入，需进行修正。导热系数低于0.22W·m-1·K-1的一些固体材料称为绝热材料，由于它们具有多孔结构，传热过程是固体和孔隙的复杂传热过程，其机理复杂。为了工程计算的方便，常常把整个过程当作单纯的导热过程处理。 圆球法测定固体材料的导热系数是以同心球壁稳定导热规律作为基础。在球坐标中，考虑到温度仅随半径而变，故是一维稳定温度场导热。实验时，在直径为和的两个同心圆球的圆壳之间均匀地填充被测材料(可为粉状、粒状或纤维状)，在内球中则

24、装有球形电炉加热器。当加热时间足够长时，球壁导热仪将达到热稳定状态，内外壁面温度分别恒为和。根据这种状态，可以推导出导热系数的计算公式。根据傅立叶定理，经过物体的热流量有如下的关系： （3-6）式中，单位时间内通过球面的热流量，W ； 绝热材料在平均温度tm=(t1 +t2)/2时的热导率，W·m-1·K； 温度梯度，K·m-1； 球面面积，m2。对(1)式进行分离变量，并根据上述条件取定积分得： （3-7）其中，、：分别为内球外半径和外球内半径。积分得 （3-8）其中，为球形电炉提供的热量。只要测出该热量，即可计算出所测隔热材料的热导率。事实上，由于给出的是隔热

25、材料在平均温度时的热导率。因此，在实验中只要保持温度场稳定（采用恒温水浴），测出球径和，热量以及内外球面温度即可计算出平均温度下隔热材料的导热系数。改变和，则可得到导热系数与温度的关系曲线。三、主要仪器与试剂1球壁导热仪：实验装置如图3.4所示。主要部件是两个铜制同心球壳l、2，球壳之间均匀填充被测隔热材料，内壳中装有电热丝绕成的球形电炉加热器3。2热电偶测温系统：铜-康铜热电偶三支（测外壳壁温度），镍铬-镍铝热电偶三支（测内壳壁温度)；均焊接在壳壁上。通过转换开关将热电偶信号传递到电位差计，由电位差计检测出内外壁温度。 1-内球壳；2-外球壳；3-电加热器；4-热电偶热端；5-转换开关；6-

26、热电偶冷端；7-电位差计；8-调压器；9-电压表；10-电流表；11-绝热材料图3.4 球壁导热仪实验装置3电加热系统：外界电源通过稳压器后输出稳压电源，经调压器供给球形电炉加热器一个恒定的功率。用电流表和电压表分别测量通过加热器的电流和电压。四、实验步骤1将被测绝热材料放置在烘箱中干燥，然后均匀地装入球壳的夹层之中。2按图3.4安装仪器仪表并连接导线，注意确保球体严格同心。检查连线无误后通电，使测试仪温度达到稳定状态（约34h）。 3用温度计测出热电偶冷端的温度。4每间隔510min测定一组温度数据。读数应保证对应点的温度不随时间变化（实验中以电位差计显示变化小于0.02mV为准），温度达到稳定状态时再记录。分别将内外球面的测定值取平均值，进行内外球面温度的查表计算，求出热导率。5测定并绘制绝热材料的导热系数和量度之间的关系。6关闭电源，结束实验。五、数据记录及处理1测定数据记录将有关原始数据和测定结果记入表3.1中。表3.1 测定数据记录被测材料名称冷端温