化工原理实验讲义-徐

1、化工原理实验化工原理实验许昌学院化学化工学院化工教研组许昌学院化学化工学院化工教研组目目 录录流体流动阻力测定实验1离心泵性能测定5流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定7板式精馏塔的操作及其性能评定9能量转化实验 15雷诺实验 18气-汽对流传热综合实验22流量计流量的校正实验 27填料吸收塔的操作及其 Kya 的测定 34 流体流动阻力测定流体流动阻力测定一、实验目的一、实验目的 1了解流体流动阻力的测定原理及方法； 2测定流体流过直管时的摩擦阻力,并确定摩擦系数与雷诺数的关系； 3测定流体流过管件时的局部阻力,并求出阻力系数； 4了解与本实验有关的各种流量测量仪表、压差测量仪表的结构特

2、点和安装方式，掌握其测量原理、学会正确使用。二、实验原理二、实验原理流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起压强损耗。这种损耗包括流体经过直管的沿程阻力以及因流体运动方向改变或因管子大小形状改变所引起的局部阻力。1直管摩擦系数与雷诺数 Re 的测定直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数，即，对一定的)/(Re,df相对粗糙度而言，。(Re)f流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时，其管路阻力引起的能量损失为： （1）ffPPPh21又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系（范宁公式） （2）22udlhfPf整理（1） （2）两式得 （3） 22uPldf （4

3、）udRe 在实验装置中，直管段管长 l 和管径 d 都已固定。若水温一定，则水的密度 和粘度 也是定值。所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降Pf与流速u（流量 V）之间的关系。 根据实验数据和式（3）可计算出不同流速下的直管摩擦系数 ，用式（4）计算对应的 Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出 与 Re 的关系曲线。2局部阻力系数的测定流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示。由于管件两侧距测压孔间的直管长度很短，引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计，因此动能系数之值可应用伯努利方程由压差计读数求出。 （5）22uPhff （6）22uPf

4、图 1 局部阻力测量取压口布置图局部阻力引起的压强降 可用下面的方法测量：在一条各处直径相等的直管段fP上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口 a-a和 b-b，见图 3，使 abbc ； abbc则 Pf，a b Pf，bc ； Pf，ab= Pf，bc 在 aa之间列柏努利方程式： PaPa =2Pf，a b+2Pf，ab+Pf （7） 在 bb之间列柏努利方程式： PbPb = Pf，bc+Pf，bc+Pf = Pf，a b+Pf，ab+Pf （8） 联立式（7）和（8） ，则： 2（PbPb）（PaPa）fP 为了实验方便，称（PbPb）为近点压差，称（PaPa）为远点压

5、差。用差压传感器来测量。三、实验装置图三、实验装置图图 2 流动阻力实验流程示意图1-水箱；2-离心泵；3、4-放水阀；5、13-缓冲罐；6-局部阻力近端测压阀；7、15-局部阻力远端测压阀； 8、20-粗糙管测压回水阀； 9、19-光滑管测压阀；10-局部阻力管阀；11-U 型管进水阀；12-压力传感器；14-流量调节阀；15、16-水转子流量计；17-光滑管阀；18-粗糙管阀； 21-倒置 U 型管放空阀； 22-倒置 U 型管； 23-水箱放水阀； 24-放水阀；四、实验步骤四、实验步骤1向储水槽内注水，直到水满为止(有条件最好用蒸馏水，以保持流体清洁) 。2大流量状态下的压差测量系统，

6、应先接电预热 1015 分钟，调好数字表的零点。3关闭泵的出口阀门，开电源、启动循环水泵开关。4打开各阀门，包括测压阀，流量调到最大，排尽管道内空气，以免影响 U 型管压差计读数。5局部阻力测定关闭阀门 17 和 18，测定不同开度下（全开，1/2 开，1/3 开，1/4 开等，开度不同，阻力不同）球形阀的流量及压降。注意：全开时阻力小，用 U 型管压差计测量，其余用压力传感器读数。使用差压变送器，当测量远点压差时，要把通向近点压差的阀门关闭；同样当近点压差时，要把通向远点压差的阀门关闭。记录水温，如有变化，记录初值和结束值，取平均值。6光滑管阻力测定 将光滑管阀 17 及测压点 9、19 全

7、开，其余阀门关闭。 倒 U 管调零 该装置两个转子流量计并联连接，根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。 差压变送器与倒置 U 型管也是并联连接，用于测量直管段的压差，小流量时用倒置型管压差计测量，大流量时用差压变送器测量。0100L/h 范围取 10 个点；100700L/h 范围取 15 个点，测每个流量下的压差。7粗糙管阻力测定 方法同光滑管 8待数据测量完毕，关闭流量调节阀，停泵。五、注意的事项五、注意的事项1启动或关闭离心泵之前，以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前，都必须检查所有流量调节阀是否关闭。2利用压力传感器测量大流量下P 时，应切断空气水倒置型玻璃管的阀门18、20

8、否则影响测量数值。 3在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。4较长时间未做实验，启动离心泵之前应先盘轴转动，否则易烧坏电机。六、数据记录六、数据记录表一、直管阻力实验数据表第一套光滑直管内径 mm、管长 米 t= 、= (Pa.s)、= (Kgm3)R序号Q（l/h）（KPa）（mmH2o）P（KPa）u（m/s）Re1232122表二、直管阻力实验数据表第一套粗糙直管内径 mm、管长 米 t= 、= (Pa.s)、= (Kgm3)R序号Q（l/h）（KPa）（mmH2o）P（KPa）u（m/s）Re1232122表三、局部阻力实验数据表开度Q（l/h）近

9、端压差远端压差u（m/s）局部阻力压差阻力系数 全开3/4 开2/3 开1/2 开1/3 开七、思考题七、思考题 预习报告思考题：预习报告思考题：1本次实验在安全方面需要注意哪些问题？2本实验涉及到哪些测量仪器？如何读数？ 实验报告思考题：实验报告思考题： 1本次实验中，使用的倒 U 型管和压力传感器有哪些相同点？又有何区别？ 2本次实验中，管路阀门、转子流量计阀门及离心泵开关，在启动时三者顺序如何？关闭时三者的顺序又如何？ 离心泵性能测定离心泵性能测定一、实验目的一、实验目的1了解离心泵的构造与特性，掌握离心泵的操作方法；2测定并绘制离心泵在恒定转速下的特性曲线。二、实验原理二、实验原理离心

10、泵的压头 H、轴功率 N 及效率 与流量 Q 之间的对应关系，若以曲线HQ、NQ、Q 表示，则称为离心泵的特性曲线，可由实验测定。实验时，在泵出口阀全关至全开的范围内，调节其开度，测得一组流量及对应的压头、轴功率和效率，即可测定并绘制离心泵的特性曲线。泵的扬程 He 有下式计算：fhgppguuhHe12212202而泵的有效功率 Ne 与泵效率 的计算式为：NeQHe g；Ne/N测定时，流量 Q 可用涡轮流量计或孔板流量计来计量。轴功率 N 可用马达天平式测功器或功率来表测量。同样，固定离心泵出口阀开度，改变泵的频率从而改变泵的转速，测得一组流量及对应的压头、轴功率和效率，即可测定并绘制管

11、路的特性曲线。三、实验装置图三、实验装置图 图 1 离心泵性能测定实验流程示意图1-离心泵；2-水箱;3-进水阀；4-入口真空表；5-出口压力表； 6-智能流量调节阀；7-涡轮流量计；8-温度计；9-放水阀；水泵 1 将水槽 2 内的水输送到实验系统，用流量调节阀 6 调节流量，流体经涡轮流量计 7 计量后，流回储水槽。四、操作步骤四、操作步骤1熟悉实验装置及仪器仪表等设备，做好启动泵前的准备工作；将泵盘车数转，关闭泵出口阀。2全开泵进口阀，待泵内灌满水后启动离心泵，并逐渐打开离心泵出口阀以调节流量。在操作过程稳定条件下，在流量为零和最大值之间，进行 20 次测定。在每次测定流量时，应同时记录

12、流量计、温度、真空计、压力表、功率测定器示值。3固定出口阀的开度，改变泵的频率，在 0 和 50HZ 间进行 20 次测定。4数据取全后，先关闭泵出口阀，再停泵。五、实验注意事项五、实验注意事项1该装置电路采用五线三相制配电，实验设备应良好地接地。2使用变频调速器时要注意 FWD 指示灯亮，切忌按 FWD REV 键 REV 指示灯亮，电机反转。3开关离心泵前要管出口阀门。启动离心泵前，关闭压力表和真空表的开关 以免损坏压强表。六、数据记录六、数据记录表一、离心泵性能测定实验数据记录 水温度 液体密度 = kg/m 泵进出口高度= 米入口压力 P1 出口压力 P2电机功率流量 Q压头 H 泵轴

13、功率 N序号(MPa)(MPa)(kw)(m3/h)(m)（w）(%)123。 。 。20表二、管路特性曲线测定实验数据记录电机频率入口压力 P1 出口压力 P2流量 Q压头 H序号Hz(MPa)(MPa)(m3/h)(m)123。 。 。20七、思考题七、思考题1离心泵开启前，为什么要先灌水排气？2启动泵前，为什么要先关闭出口阀，待启动后再逐渐开大？而停泵时也要先关闭出口阀。3离心泵的特性曲线是否与连结的管路系统有关？4离心泵的流量可由泵出口阀调节，为什么？流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定一、实验目的一、实验目的1掌握测定物料干燥速率曲线的工程

14、意义；2熟悉实验干燥设备的流程、工作及实验组织方法；3了解影响干燥速率曲线的因素。二、实验原理二、实验原理干燥原理是利用加热的方法使水分或其它溶剂从湿物料中汽化，除去固体物料中湿分的操作。干燥的目的是使物料便于运输、贮藏、保质和加工利用。本实验的干燥过程属于对流干燥，干燥曲线和干燥速率曲线的关系：含水率 C：单位干物料 Gc 中所带的水分量 W定义： C= （kg水kg干） （1）cGW含水率随时间的变化作图，见图 1：图 1 干燥曲线图干燥过程分为三个阶段：.物料预热阶段；.恒速干燥阶段；.降速干燥阶段。 干燥速率 NA 的定义表示：单位干物料在单位时间内所汽化的水量 即：NA= (kg水k

15、g干s) (2) dGdWc对(1)式求导得： dWGcdC (3) 所以， NA= = (4)dGdWcddC也就是说，在干燥曲线图中含水率随时间变化曲线上的任何一点切线的斜率值即为干燥速率值，将这些斜率的变化值对应于含水率作图即为干燥速率曲线图，见图 2。每隔一段时间读取湿物料的重量，然后将湿物料重减去干物料的重，从而就测得了 C 与 的关系。三、实验装置图三、实验装置图图 2 干燥速率曲线图四、实验步骤四、实验步骤1在实验操作前从加水斗加入 220300ml 水2按下变频器 RUN，通过旁路阀 10 调节流量至 1418m3/h 任何一恒定值。3待加入的水充分均匀地分散在硅胶表面后，打开

16、加热开关。4仔细观察进口温度与床层温度的变化，待床层温度升至 39 ，即开始取第一个样品，此时的时间设定为 0。5按照原始数据的时间间隔取样，总共采集 14 组数据。五、实验注意事项五、实验注意事项 1加入水后待硅胶吹散后再打开加热开关。2开始两个数据间隔时间较短，提前做好充分的准备采样。六、数据记录六、数据记录七、思考题七、思考题1定干燥速度曲线的意义何在？2分析影响干燥速率的因素有哪些？如何提高干燥速率？两个阶段分别说明理由。3为什么说：同一个物料土干燥速率增加，则临界含水量增大；在一定干燥条件下，物料愈厚，则临界含水量愈高？ 4为什么在操作中要先开鼓风机送气，而后再开电热器？板式精馏塔的

17、操作及其性能评定板式精馏塔的操作及其性能评定一、实验目的一、实验目的1了解板式塔的结构及精馏流程2理论联系实际，掌握精馏塔的操作二、实验原理二、实验原理在板式精馏塔中，混合液的蒸汽逐板上升，回流液逐板下降。气液两相在塔板上层层接触实现传质、传热过程而达到分离的目的。如果在每层塔板上，液体与其上升的蒸汽处于平衡状态，则该塔板称为理论板。然而在实际操作的塔中，由于接触时间有限，气液两相不可能达到平衡，即实际塔板的分离效果达不到理论板的作用，因此精馏塔所需要的实际板数总是比理论板数要多。1评价精馏的指标评价精馏的指标全塔效率全塔效率 对二元体系来说，若已知气液平衡数据，在全回流时，根据塔顶和塔底液相

18、组成可求得理论塔板数。理论塔板数NT与实际塔板数 N 之比，由于全回流下的全塔效率和部分回流下的全塔效率相差不大，在工程处理时，可以用全回流下的全塔效率代替部分回流下的全塔效率，定义式如下： （1）N1NTNT：全回流下的理论板数；N：精馏塔实际板数。2维持正常精馏的设备因素和操作因素维持正常精馏的设备因素和操作因素精馏塔的结构应能提供所需的塔板数和塔板上足够的相间传递面积。塔底加热（产生上升蒸汽） 、塔顶冷凝（形成图 2 正常操作时的气液接触状况回流）是精馏操作的主要能量消耗；回流比愈大，塔顶冷凝量愈大，塔底加热量也必须愈大。回流比愈大，相间物质传递的推动力也愈大。设备因素设备因素合理的塔板

19、数和塔结构为正常精馏达到指定分离任务提供了质量保证，塔板数和塔板结构为汽液接触提供传质面积。塔板数愈少，塔高愈矮，设备投资愈省。塔板数多少和被分离的物系性质有关，轻重组份间挥发度愈大，塔板数愈少。反之，塔板数愈多。塔结构合理，操作弹性大，不易发生液沫夹带、漏液、溢流液泛。反之，会使操作不易控制，塔顶塔底质量难以保证。为有效地实现汽液两相之间的传质，为了使传质具有最大的推动力，设计良好的塔结构能使操作时的板式精馏塔（如图 2 所示）应同时具有以下两方面流动特征：汽液两相总体逆流；汽液两相在板上错流。塔结构设计不合理和操作不当时会发生以下三种不正常现象：(i)严重的液沫夹带现象由于开孔率太小，而加

20、热量过大，导致汽速过大，塔板上的一部分液体被上升汽流带至上层塔板，这种现象称为液沫夹带。液沫夹带是一种与液体主流方向相反的流动，属返混现象，使板效率降低，严重时还会发生夹带液泛，破坏塔的正常操作（见图 3 所示） 。这种现象可通过显示，由于：釜P板压降 （2）釜P釜P此时板压降急剧上升，表现读数超出正常范釜P围的上限。(ii)严重的漏液现象由于开孔率太大，加上加热量太小，导致汽速过小，部分液体从塔板开孔处直接漏下，这种现象称为漏液。漏液造成液体与气体在板上无法错流接触，传质推动力降低。严重的漏液，将使塔板上不能积液而无法正常操作，上升的蒸汽直接从降液管里走，板压降几乎为 0，见图 4 所示。此

21、时。釜P釜P综上所述现象都与塔釜加热量直接有关。塔釜加热量愈大，汽液负荷愈大，表现为操作压力也愈大。过大，釜P釜P液沫夹带将发生，过小，漏液将出现。若液沫夹带量和釜P漏液量各超过 10%，被称为严重的不正常现象。所以正常的精馏塔，操作压力应有合适的范围即操作压力区间。釜P图 5 溢流液泛示意图图 3 过量的液沫夹带现象图 4 塔内漏液示意图(iii)溢流液泛由于降液管通过能力的限制，当气液负荷增大，降液管通道截面积太小，或塔内某塔板的降液管有堵塞现象时降液管内清液层高度增加，当降液管液面升至堰板上缘时（见图 5 所示） ，降液管内的液体流量为其极限通过能力，若液体流量超过此极限值，板上开始积液，最终会使全塔充满液体，引起溢流液泛，破坏塔的正常操作。 操作因素操作因素适宜回流比的确定回流比是精馏的核心因素。在设计时，存在着一个最小回流比，低于该回流比即使塔板数再多，也达不到分离要求。在精馏塔的设计时存在一个经济上合理的回流比，使设备费用和能耗得到兼顾。在精馏塔操作时，存在一个回流比的允许操作范围。处理量恒定时，若汽液负荷（回流比）超出塔的通量极限时，会发生一系列不正常的操作现象，同样会使塔顶产品不合格。加热量过