化工基础实验 (2)

1、化工基础实验化工基础实验咸阳师范学院化学与化工学院咸阳师范学院化学与化工学院 应用化学教研室应用化学教研室 2022-5-9实验一实验一 流体流型实验流体流型实验 一、实验目的一、实验目的1、观察流体在管内流动的两种不同流型。、观察流体在管内流动的两种不同流型。 2、测定临界雷诺数、测定临界雷诺数Re c 。二、基本原理二、基本原理 流体流动有两种不同型态，即层流和湍流流体流动有两种不同型态，即层流和湍流流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动；线运动，且在径向无脉动；2022-5-9流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向

2、作向前流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。地向各个方向作不规则的运动。 流体流动型态可用雷诺准数（流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，）来判断， duRe当当Re2000时为层流时为层流当当Re4000时，圆管内已形成湍流时，圆管内已形成湍流Re在在2000至至4000范围内，流动处于一种过渡状态范围内，流动处于一种过渡状态2022-5-9三、实验装置及流程三、实验装置及流程 1 2 6 3 7 4 8 9 5 1红墨水储槽； 2溢流稳压槽；3实验管； 4转子流

3、量计；5循环泵； 6上水管； 7溢流回水管； 8调节阀； 9储水槽主管路为220mm硬质玻璃 2022-5-9注意：注意：实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。然后启动循环水泵。待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。水由稳待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。水槽。水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连

4、接管和细孔喷嘴，示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入试验导管。细孔玻璃注射管注入试验导管。细孔玻璃注射管(或注射针头或注射针头)位于试验导管人位于试验导管人口的轴线部位。口的轴线部位。实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避免震动。平稳，避免震动。 2022-5-9四、演示操作四、演示操作 1、层流流动型态、层流流动型态 试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，使红墨水的注人节红墨水贮瓶的下口旋塞，并

5、作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。待流动稳定后记录主体流体的流量。此流体的流速为宜。待流动稳定后记录主体流体的流量。此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。好像一根拉直的红线一样。 记录两个流量2022-5-9四、演示操作四、演示操作 3、过度流、过度流 随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。断裂成一段段的

6、红色细流。 缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。此时可观察到，玻璃导管导管内的流速也随之平稳地增大。此时可观察到，玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动2、临界雷诺数的测定记录两个流量记录两个流量2022-5-9四、演示操作四、演示操作 4、湍流流动型态、湍流流动型态 当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为体，使整个

7、体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线。 记录两个流量2022-5-9流型流型流量流量(m3/h)Re验证性验证性层流临界过渡湍流五、实验数据记录及处理五、实验数据记录及处理数据记录duRe2022-5-9实验二实验二 机械能转化实验机械能转化实验 一、实验目的一、实验目的1.观测动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情观测动、静、位压头随管径、位置、流量的变化情况，验证连续性方程和柏努利方程。况，验证连续性方程和柏努利方程。2.定量考察流体流经收缩、扩大管段时，流体流速与定量考察流体流经收缩、扩大管段时，流体流速与管径关系。管径关系。

8、3.定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系定量考察流体流经直管段时，流体阻力与流量关系4.定性观察流体流经节流件、弯头的压损情况。定性观察流体流经节流件、弯头的压损情况。 2022-5-91.连续性方程连续性方程 222111AuAu而对均质、不可压缩流体，而对均质、不可压缩流体，常数212211AuAu二、基本原理二、基本原理对圆管对圆管4/2dA222211dudu， 2.2.伯努利方程伯努利方程 以单位重量流体为基准以单位重量流体为基准feHgguzHgguz22221211p2p2fHgguzgguz22221211p2p2无外加功2022-5-9三、装置流程三、装置流程 管路内

9、径为管路内径为30mm；节流件：前端面内径节流件：前端面内径30mm，变截面处内径，变截面处内径15mm，后端面处内径，后端面处内径30mm。直管阻力段：测量段长度为直管阻力段：测量段长度为600mm。 2022-5-9四、演示操作四、演示操作 1.先在下水槽中加满清水，保持管路排水阀、出口阀关闭状先在下水槽中加满清水，保持管路排水阀、出口阀关闭状态，通过循环泵将水打入上水槽中，使整个管路中充满流体，态，通过循环泵将水打入上水槽中，使整个管路中充满流体，并保持上水槽液位一定高度，可观察流体静止状态时各管段高并保持上水槽液位一定高度，可观察流体静止状态时各管段高度。度。2.通过出口阀调节管内流量

10、，注意保持上水槽液位高度稳定通过出口阀调节管内流量，注意保持上水槽液位高度稳定（即保证整个系统处于稳定流动状态），并尽可能使转子流量（即保证整个系统处于稳定流动状态），并尽可能使转子流量计读数在刻度线上。观察记录各单管压力计读数和流量值。计读数在刻度线上。观察记录各单管压力计读数和流量值。3.改变流量，观察各单管压力计读数随流量的变化情况。注改变流量，观察各单管压力计读数随流量的变化情况。注意每改变一个流量，需给予系统一定的稳流时间，方可读取数意每改变一个流量，需给予系统一定的稳流时间，方可读取数据。据。2022-5-94.结束实验，关闭循环泵，全开出口阀排尽系统内流体，之结束实验，关闭循环泵

11、，全开出口阀排尽系统内流体，之后打开排水阀排空管内沉积段流体。后打开排水阀排空管内沉积段流体。注意：（注意：（1）若不是长期使用该装置，对下水槽内液体也应）若不是长期使用该装置，对下水槽内液体也应作排空处理，防止沉积尘土，否则可能堵塞测速管。作排空处理，防止沉积尘土，否则可能堵塞测速管。（2）每次实验开始前，也需先清洗整个管路系统，即先使）每次实验开始前，也需先清洗整个管路系统，即先使管内流体流动数分钟，检查阀门、管段有无堵塞或漏水情况。管内流体流动数分钟，检查阀门、管段有无堵塞或漏水情况。2022-5-9五、数据记录及分析五、数据记录及分析 原始数据记录表原始数据记录表 流量流量m3/hH1

12、 mmH2 mm H3 mm H4 mmH5 mm400600800100012002022-5-9数据分析数据分析 在管路充满流体且静止状态下，可观察到六根标竿高度在管路充满流体且静止状态下，可观察到六根标竿高度一致，读数也与上水槽液位相同，说明管内各处能量相等，一致，读数也与上水槽液位相同，说明管内各处能量相等，验证了流体静力学方程。验证了流体静力学方程。（此步操作也可供流动操作前的预检查，即重新标定标尺高（此步操作也可供流动操作前的预检查，即重新标定标尺高度一致或检查地势平稳情况）度一致或检查地势平稳情况） 在使管内流体流动后，可发现在使管内流体流动后，可发现H1比比H0低了，说明管路阻

13、力低了，说明管路阻力对流动的影响。纵向比较，可发现流量越大，对流动的影响。纵向比较，可发现流量越大，H0和和H1的差值的差值越大，说明流动阻力与流量有关。越大，说明流动阻力与流量有关。（进一步可分析出，与流速的平方成正比。）（进一步可分析出，与流速的平方成正比。） 2022-5-9数据分析数据分析 高度差随流量增大而变大，可分析出局部阻力随流速变大而增大高度差随流量增大而变大，可分析出局部阻力随流速变大而增大 对于对于H1和和H2之间之间gugPgugP22222211222211dudu以验证连续性方程。以验证连续性方程。 H1和和H3间间节流件的阻力损失节流件的阻力损失3-113ppfHg

14、g3-131fHHH2022-5-9 H3和和H4落差为弯头损失落差为弯头损失H4和和H5落差为直管阻力损失落差为直管阻力损失434433ppfHgzgz5-454ppfHgg22fl uHdg以为纵坐标，Re为横坐标，做出关系曲线H6和和H5guHc22与平均流速比较2022-5-9流量流量m3/hH机械能机械能1H机械能机械能2Re4400600800100012003-1fH211du222du2022-5-9三、空气三、空气-蒸汽对流给热系数的测定蒸汽对流给热系数的测定1.了解换热器的基本结构与操作原理；了解换热器的基本结构与操作原理；2.学习传热系数学习传热系数K与对流传热系数与对流

15、传热系数的测定方法；的测定方法；3.学习如何运用实验的方法求出描述过程规律的经验公学习如何运用实验的方法求出描述过程规律的经验公 式，检验通用的传热膜系数准数方程；式，检验通用的传热膜系数准数方程；4.了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。一、实验目的一、实验目的2022-5-9二、基本原理二、基本原理在传热过程达到稳定后，有如下关系式：=qm,hCp,h ( T1 T2) = qm,cCp,c ( T2 T1) m11)(WTTAmWT)(TA22=KATmmpccmTATTcK12q对流给热系数的求法1. 通过近似法得空气在管内的对流传热系数通过近

16、似法得空气在管内的对流传热系数22022-5-9n8 . 0PrRe023. 0Nu K211212122211ddddRdbdRKSmS以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为以管内壁面积为基准的总给热系数与对流给热系数间的关系为mpccmTATTcK12q2.传热准数式求算对流给热系数传热准数式求算对流给热系数8 . 0224 . 0228 . 128 . 02Pr14023. 011md4 . 08 . 0)023. 0cdudp（8 . 15Re1061f2022-5-9冷流体流量的测定冷流体流量的测定 若用转子流量计测定冷空气的流量，用下式换算得到实际的若用转子流量计测

17、定冷空气的流量，用下式换算得到实际的流量，流量， ffVV冷流体物性与温度的关系式冷流体物性与温度的关系式空气的密度与温度的关系式：空气的密度与温度的关系式： 5 23104.5 101.2916tt空气的比热与温度的关系式：空气的比热与温度的关系式： pC100560以下 J / (kg ), pC100970以上 J / (kg )。 空气的导热系数与温度的关系式：空气的导热系数与温度的关系式： 8 252 108 100.0244tt 空气的黏度与温度的关系式：空气的黏度与温度的关系式： 6 235( 2 105 101.716910tt ）2022-5-9三、实验装置与流程三、实验装置

18、与流程紫管规规：直径紫管规规：直径212.5mm，长度，长度L=1000mm 外外玻璃管规规：直径外外玻璃管规规：直径1005mm，长度，长度L=1000mm 2022-5-91.打开风机电源开关的绿色按钮，启动风机，风机开始工作为打开风机电源开关的绿色按钮，启动风机，风机开始工作为换热器提供空气。换热器提供空气。2.调节空气流量调节阀至微开。这时换热器的管程中就有空气调节空气流量调节阀至微开。这时换热器的管程中就有空气流动了。流动了。3.蒸汽发生器的开关在蒸汽发生器的右侧。打开针形阀，这时蒸汽发生器的开关在蒸汽发生器的右侧。打开针形阀，这时蒸汽发生器就开始向换热器的壳程中供汽。控制蒸汽压力在

19、蒸汽发生器就开始向换热器的壳程中供汽。控制蒸汽压力在0.01MPa4.打开放汽阀放出不凝气体使在换热器壳程中的蒸汽流动通畅。打开放汽阀放出不凝气体使在换热器壳程中的蒸汽流动通畅。四、实验步骤四、实验步骤2022-5-95.读取转子流量计读数。经过换算可得冷却空气的流量。读取转子流量计读数。经过换算可得冷却空气的流量。6.读取各处温度显示数值，蒸汽进出口及空气进出口的温读取各处温度显示数值，蒸汽进出口及空气进出口的温度需要记录。度需要记录。7.改变空气流量调节阀开度，重复以上步骤，读取改变空气流量调节阀开度，重复以上步骤，读取8-10组组数据。数据。 注意事项注意事项1.先打开排冷凝水的阀先打开

20、排冷凝水的阀1，注意只开一定的开度，开的太，注意只开一定的开度，开的太大会使换热器里的蒸汽跑掉，开的太小会使换热玻璃管大会使换热器里的蒸汽跑掉，开的太小会使换热玻璃管里的蒸汽压力增大而使玻璃管炸裂。里的蒸汽压力增大而使玻璃管炸裂。2022-5-92.一定要在外管换热器内管输以一定量的空气后，方可开启一定要在外管换热器内管输以一定量的空气后，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入外管换热器中。方可把蒸汽通入外管换热器中。3.刚开始通入蒸汽时，要仔细调节阀刚开始通入蒸汽时，要仔细调节阀3的开度，让蒸汽徐徐流的开

21、度，让蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由入换热器中，逐渐加热，由“冷态冷态”转变为转变为“热态热态”，不得，不得少于少于10分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。4.操作过程中，蒸汽压力一般控制在操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.05MPa（表压）以下，（表压）以下，否则可能造成玻璃管爆裂和填料损坏。否则可能造成玻璃管爆裂和填料损坏。(本实验控制在本实验控制在0.01MPa)5.确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意蒸汽确定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意蒸汽量的调节和压力表读数的调整。量的调节和压力表读数的调整。2022-5-9

22、次数次数qvT1T2T1T2120.028.8 72.6105.2 104.8234五、数据记录及处理五、数据记录及处理原始数据记录2022-5-91. 通过近似法得空气在管内的对流传热系数通过近似法得空气在管内的对流传热系数2mpccmTATTcK122qffVV(1)空气的密度与温度的关系式：=10-5t2-4.510-3t+1.2916 =10-550.72-4.510-350.7+1.2916=1.0892 kg/m3定性温度=(t1+t2)2=(28.8+72.6)2=50.7hmqc/210892. 1205. 1203vsmqqVcc/0064. 036003m2022-5-9（

23、2）空气的比热与温度的关系式：60以下 J / (kg ), 70以上 J / (kg ) 取Cp=1005 J/(kg)10051009(3) 热、冷流体间的对数平均温差tm的计算 tm=(105.2-72.6)-(104.828.8)/ln(105.2-72.6)/(104.8-28.8)=51.27(4)总给热系数K的计算mpccmTATTcK122q27.51016. 014. 38 .286 .7210050064. 0Cm 2/w37.1092022-5-91234T平均qvcqmccpcTmK2022-5-92.传热准数式求算对流给热系数传热准数式求算对流给热系数4 . 08 .

24、 0)023. 0cdudp（24dquvcsm /03.29016. 0414. 336002132定性温度=(t1+t2)2=(28.8+72.6)2=50.7空气的导热系数与温度的关系式： =-210-8t2+810-5t+0.0244 =-210-850.7+810-550.7+0.0244=0.0284 W/(mK)空气的黏度与温度的关系式：=(-210-6t2+510-3t+1.7169)10-5=(-210-650.7+510-350.7+1.7169)10-5=1.96525902E-05 Pas2022-5-9Re=du/=0.01627.64511.0892(1.9710-

25、5)=24513.6Pr=Cp/=10051.9710-50.0284=0.6953 Nu=0.0023Re0.8Pr0.4=0.002324513.60.80.69530.4=64.59 Nu=d/ 所以理论=Nu/d=64.591.9710-50.016=114.661234uReprNu2022-5-9六、思考题六、思考题 1、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响、实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?2、在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的、在计算空气质量流量时所用到的密度值与求雷诺数时的密度值是否一致？密度值是否一致？3、实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如、实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？何及时排走冷凝水？2022-5-9四、筛板塔精馏实验四、筛板塔精馏实验一、实验目的一、实验目的1.了解筛板精馏塔及其附属设备的基本结构，掌握精馏过程了解筛板精馏塔及其附属设备的基本结构，掌握精馏过程的基本操作方法。的基本操作方法。2.学会判断系统达到稳定的方法，掌握测定塔顶、塔釜溶液学会判断系统达到稳定的方法，掌握