化工原理试验讲义

本文格式为Word版，下载可任意编辑——化工原理试验讲义试验一单相滚动阻力测定

一、试验内容

1．测定给定管路内流体滚动的直管摩擦系数λ及其与雷诺数Re之间的关系曲线；2．测定给定管路内阀门的局部阻力系数ξ。

二、试验目的

1．把握直管摩擦阻力、直管摩擦系数的测定方法及其工程意义，学会用量纲分析法规划试验；2．把握不同流量下摩擦系数与雷诺数之间的关系及其变化规律，学会用双对数坐标纸绘图；3．学习U管压差计、压差传感器测量压差、流量计测量流量的方法；4．学习局部阻力系数的测定方法。

三、试验原理

流体管路是由直管、阀门、管件（如三通、弯头、大小头等）等部件组成。实际流体具有粘性，流体在管路中滚动时，由于流体本身的内摩擦和滚动过程中产生的涡流，将导致一定的机械能损失，宏观上表现为流体滚动过程中有阻力。流体在直管中滚动时所受到的阻力称为直管阻力（或沿程阻力），它所产生的机械能损失称为直管阻力损失。流体流经各种阀门、管件等部件时，因滚动方向或滚动截面的突然改变导致的机械能损失称为局部阻力损失。

在化工过程设计中，流体滚动阻力的测定或计算，对于确定流体输送所需推动力的大小，例如泵的功率、液位或压差，选择适当的输送条件都有不可或缺的作用。

1.直管摩擦系数λ与雷诺数关系Re的测定

流体在水平的均匀管道中作稳定滚动时，被测管道两截面间的阻力损失hf表现为压强的降低，即：

hf?p1?p2??p（1-1）

??影响阻力损失的因素好多，为减少试验工作量，降低试验实施难度，可采用量纲分析法来规划试验（量纲分析法参阅有关教材）。由量纲分析法可以导出阻力损失的统一表达式（范宁公式）：

2hf??lu（1-2）

d2由式（1-1）和（1-2）：

??2d?p（1-3）

?lu2而，Re?du??（1-4）

λ是Re和相对粗粗度ε/d的函数，可表示为：?＝?Re,?对于给定的管路，λ～Re关系可以由试验测定。

2.局部阻力系数ξ的测定

局部阻力寻常用当量长度或局部阻力系数法来表示。

（1）当量长度法：流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体通过与其具有

?d?（1-5）

一致管径的若干米长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度。用符合le表示。这样就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失。而且，可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算。若管路系统中直管长度为l,各局部阻力的当量长度之和为Σle,则流体在管路中滚动时总的阻力损失Σhf为：

?l??le?u?hf????（1-6）

?d?2（2）局部阻力系数法：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：

2u2（1-7）hf????2?p四、试验设计1.方案设计

用自来水作试验介质，由试验原理知，当试验装置确定后，只要改变管路中流体的流速u（通过改变流量Q实现），测定相应的直管阻力压差△P1和局部阻力压差△P2，就能得到一系列的λ和ξ值以及相应的Re值。考虑到，λ随Re的变化趋势，要合理安排试验点，小流量宜适当多布点。2.数据测定及方法

本试验要测量和记录的数据有：流速u（或流量Q）、直管段压差和局部阻力段压差、流体温度（据此确定密度和粘度），还有直管管径和长度。

?流量由转子流量计测量；

?压差由压差变送器和倒U管压差计测量；?温度温度计测定。设计如下原始数据记录表1).直管阻力测定

2).局部阻力测定

局部阻力阀门处管内径＝

水温t=直管长度=直管内径=序号1…

Q(L/h）

△P1

(mmH2O)

(Pa)

u(m/s)

Re

λ

序号1…

Q(L/h）

△P近(Pa)

△P远(Pa)

△P2(Pa)

ξ

3.试验装置及流程图

本试验的主要设备及仪表：离心泵、循环水箱、转子流量计、阀门、直管和管件、压差变送器、温度计、倒U管压差计。

流程示意图：

K1K5K2转子流量计差压变送器K3K4K9K11K6K7K8K13倒U管压差计K10K12水箱离心泵图1-1阻力测定试验装置流程示意图

五、试验步骤

1．检查储槽内是否有水，假使没有或水量不足，应先向水槽内注水；

2．接通电源，预热10分钟后调整好直流数字表的零点，关闭K3、K4，启动离心泵;3．直管阻力测定

（1）管路及导压管排气：关闭阀门K1、K9、K10；开启阀门K2、K11、K12；开启流量调理阀门K3（K4）至最大开度，将管路和导压管内的气泡排净；

（2）检查排气状况：关闭K3（K4），缓慢开启K13使倒U管内液柱降至倒U管中间部位时关闭K13，检查两边液柱是否水平，若不平则说明气泡没有赶净，应重复上述排气操作，直到水平为止；（3）测取试验点：调理K3（K4）到适当流量开始测取数据；测定循环水温度。操作要点如下：

?测取数据时应从小流量到大流量（或从大流量到小流量）顺序测取；

?在小流量时用倒U管压差计测取直管间压差，超过倒U管量程时才可用压差变送器测压，改

用压差变送器测压时一定要关闭K11、K12；

?每次调整流量后，都应待流量和压降数据稳定后方可记录数据；?本试验要求记录20组以上有效数据，注意在小流量时宜多布点。4．局部阻力测定

（1）管路及导压管排气：关闭阀门K2、K3、K4、K11、K12；开启阀门K1、K5、K6、K7、K8、K9、K10；适当开启K3（K4），不断调大流量将管路和导压管内的气泡排净；

（2）检查排气状况：关闭K3、K4，缓慢开启K13使倒U管内液柱降至倒U管中间部位时关闭K13，检查两边液柱是否水平，若不平则说明气泡没有赶净，应重复上述排气操作，直到水平为止；（3）测取数据：调理K1至全开（或半开）位置，调理流量至适当位置，关闭K6、K7测取远端压差，关闭K5、K8，开启K6、K7测取近端压差（本试验要求至少测取4组同一开度不同流量下的数据）；注意：本装置局部阻力压差?p2可通过下式算出：?p2?2?p近??p远。5．关闭所有阀门，关闭离心泵，切断总电源，试验终止，整理试验台。

六、数据处理及结果分析与探讨

1．将试验数据和整理结果列在数据表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程；2．在双对数坐标纸上绘出直管中??Re关系曲线；3．计算不同流量下的局部阻力系数；

4．求出本试验条件下层流区的??Re关系式，并与理论公式相比较。七．思考题

1．本试验要求得到哪些试验结果？为得到这些结果，要知道哪些物理量？直接测定哪些数据？用什么仪表？

2．为什么采用压差变送器和倒U管并联测定直管段的压差？何时用变送器？何时用倒U管？操作时要注意什么？

3．在本试验装置中，测定局部阻力时能否用压差变送器测取？为什么?4．简述本试验的操作步骤。

5．启动离心泵前为什么要首先关闭K3、K4？

6．在测定局部阻力时发现压差变送器的读数不为零，分析可能是什么原因造成的？7．本试验中可否根据流量大小均匀取点测量？8．简述本试验测定局部阻力的原理。9．本试验中为什么要测定循环水的温度？

试验二离心泵性能测定

一、试验内容

1．熟悉离心泵的结构与操作；

2．测定一定转速下，离心泵流量（Q）与扬程（H）、轴功率（N）、效率（η）之间的特性曲线。

二、试验目的

1．熟悉离心泵的结构与操作方法，了解常用的测压仪表；

2．把握离心泵特性曲线的测定方法、表示方法，加深对离心泵性能的了解。

三、试验原理

离心泵是最常见的液体输送设备。其结构和工作原理可参阅《化工原理》教材相关章节。离心泵的特性曲线是指在一定的转速下，离心泵的扬程（H）、轴功率（N）、效率（η）与流量（Q）之间的关系曲线。这一关系寻常用水通过试验测定，并以曲线表示。离心泵的特性曲线是确定泵的适合操作条件和选用泵的重要依据。1．扬程H的测定

在泵的吸入口（测压点）和压出口（测压点）之间列柏努利方程：

2p2u2p1u12z1???H?z2???Hf,1?2（2-1）

?g2g?g2g由于两测压点之间距离很短，流体滚动的摩擦阻力Hf,1?2可以忽略，则

2p2?p1u2?u12H?(z2?z1)?（2-2）??g2g式中：（z2-z1）—两测压点间的垂直距离，m;

p1、p2—分别为泵入口、出口处的绝对压强，Pa；u1、u2—分别为泵入口管、出口管内流体流速，m/s。2．轴功率N的测定

目前，直接测定离心泵的轴功率较困难，寻常采用测定电机输入功率的方法间接测定。电机输入

功率可由功率表直接测得，由于泵由电机直接带动，传动效率可视为1，所以电动机的输出功率等于泵的轴功率，即：

泵的轴功率N＝电动机的输出功率＝电动机的输入功率×电动机的效率（2-3）3．效率η的测定

根据定义，离心泵的效率为泵的有效功率Ne与轴功率N之比，即?泵?而，Ne＝HQ?g，则?泵?Ne（2-4）NHQ?g（2-5）N

工程上有意义的是测定离心泵的总效率（包括电机效率和传动效率）。若试验测得电机输入功率N电机，则

?总＝Ne（2-6）N电机在不同流量Q下测定上述变量H、N及η与Q的关系，并描绘在同一坐标纸上，即为该泵某一转速下的特性曲线。

四、试验设计1.方案设计

用自来水作试验物料，测定离心泵在一定转速下，不同流量时的进、出口压力和电机效率，即可计算出离心泵相应的扬程、功率和效率；试验布点时，要考虑导泵的效率随流量的变化趋势，小流量时可取点疏些，大流量时取点密些。2.数据测定及方法

本试验需要测定和记录的数据有：离心泵的进、出口压力p1、p2，电机功率N温t，以及进、出口管内径d1、d2。

?p1、p2可分别由真空表和压力表测定；?N电机由功率表测定；?Q由转子流量计测定。设计如下原始数据记录表：

3.试验装置及流程图

本试验主要设备：离心泵、循环水箱、转子流量计、压力表、真空表、流量调理阀门、功率表。

试验流程示意图（图2-1）：

五、试验步骤

1．检查储槽内是否有水，假使没有或水量不足，应先向水槽内注水；

2．给离心泵灌水，开启阀门K1、K3（K2）、K5向系统灌水，待排气咀K5位置没有气体只有水连续流出时即可关闭K5；依次关闭阀门K1、K2、K3；

3.接通电源，启动泵，启动泵前注意以下事项：?检查泵出口阀（流量调理阀）K2、K3是否

水箱底阀离心泵K5K1K2K3K4电机

，流量Q，水

离心泵型号：转速：电机效率：水温：两取压口垂直高度差：入口管内径：出口管内径：

序号1…

流量计读数(m3/h)压强表读数(MPa)真空表读数(MPa)

功率表读数(W)

功率表OFFON压力表真空表图2-1离心泵性能测定试验流程示意图关闭；

?为了保护压力表启动泵前应关闭表前开关K4，读数时开启之；

?为保护功率表，启动泵前应开启分流开关，即将绿色按钮ON按下，待泵运行正常后测取数据时

则必需关闭之，即将红色按钮OFF按下。

4．测取试验数据：依照流量从零到最大（或从最大到零）的顺序测取20组以上数据（每组数据包括流量、真空表读数、压力表读数、功率表读数四项内容）。注意：

?测取数据前应先确定本装置的最大流量（将阀门开到最大），然后在可测范围内合理布点；?试验中，流量为零时的相关数据必需测定。5．用温度计测取循环水温度；

6．关闭所有阀门，关闭离心泵，整理试验台。

六、数据处理及结果分析与探讨

1．将试验数据和计算结果列在数据表格中，并以其中一组数据进行计算举例。

2．在适合的坐标系上标绘离心泵的特性曲线，并在图上标出离心泵的各种性能（泵的型号和转速等）。

七、思考题

1．本试验要求得到哪些试验结果？为得到这些结果，要知道哪些物理量？直接测定哪些数据？用什么仪表？

2．随着泵出口流量的增加，入口真空度及出口压力将如何变化？并分析原因。3．离心泵的流量为什么可以通过出口阀来调理？4．在离心泵的吸入口处为什么要安装底阀？5．简述本试验的操作步骤。6．为什么要进行灌泵，如何操作?

7.为什么在启动离心泵前要关闭出口阀，待离心泵转速正常后再逐渐开启出口阀？8．离心泵启动前，为什么要将分流开关开启？起什么作用？9．为什么离心泵进口管段的直径一般比出口管段的直径大？

试验三气－汽对流传热试验

一、试验内容

1.测定不同空气流速下套管换热器管内对流传热系数?i；

2.对?i的试验数据进行线性回归，求取关联式Nu?ARemPr0.4中常数A、m的值。

二、试验目的

1.通过对空气－水蒸汽简单套管换热器的试验研究，把握对流传热系数的测定方法，加深对其概念

和影响因素的理解；

2.通过试验加深对控制热阻概念的理解；

3.把握孔板流量计测流量的基本原理和气体流量的校正方法。

三、试验原理

套管式换热器是化工生产中常用的传热设备，由于此种换热器结构简单，所以在传热试验种广泛使用。对流传热系数是研究传热过程及换热器性能的一个重要参数。1．管内对流传热系数?i的确定

本试验用蒸汽加热空气，在套管换热器中，冷流体空气在管内作强制对流滚动，热流体水蒸气在管外滚动。冷热流体呈逆流接触，是典型的带有控制热阻的传热过程，管内传热是该过程的控制步骤，故?i?Ki，则

??K?Qi（3-1）

iiS?timQi?Wccpc(t2?t1)?Vc?ccpc(t2?t1)（3-2）Si??dil（3-3）?tm??t1??t2t2?t1（3-4）?ln?t1?t2ln(T?t1)(T?t2)式中：?i——换热器管内侧流体对流传热系数,[W/(m2·℃)]；K——总传热系数，[W/(m2·℃)]；Qi——管内传热速率，[W]；Si——换热器管内侧表面积，[m2]；?tm——对数平均温度，[℃]；

t1、t2T——分别为空气进、出口温度，[℃]；T——水蒸气温度，本试验近似取98℃。

2．对流传热系数准数关联式的试验确定

影响对流传热系数的因素好多：流体的滚动状态，引起滚动的原因，流体的性质，传热面的形状大小和位置。用量纲分析法，可将对流传热系数准数表示如下：

Nu＝f（Re，Pr，Gr）（3-5）

式中：Nu——努塞尔数，表示对流传热膜系数的特征数，反映对流使传热系数增大的倍数；

Re——雷诺数，表示滚动类型的特征数；

Pr——普朗特数，表示物性的特征数，反映物性对传热过程的影响；Gr——格拉斯霍夫数，表示自然对流的特征数。

本试验是测定空气在圆形直管内作强制对流时的准数关联式，故自然对流的影响可以忽略，Gr为常数，那么式（3-5）可表示为：

Nu?f'?Re,Pr??ARemPrn（3-6）

由于空气被加热，n取0.4，则，

Nu?ARemPr0.4（3-7）

进一步变形得到，

?Nu?ln?0.4??lnA?mlnRe（3-8）?Pr?其中Nu??idi,?iRei?uidi?i?i,Pri?cpi?i?i，物性数据?i,?i,?i,cpi可根据定性温度查得，ui可

由流量算出。在双对数坐标系中式（3-8）可以表示为一条直线。根据其斜率和截距，即可确定A和m的值。

四、试验设计1.方案设计

在简单套管换热器中，用水蒸气加热空气，水蒸气走管外，空气走管内，逆流接触。测定不同空气流量下的空气进、出口温度的变化，即可计算出管内对流传热系数，进而确定A和m值。2.数据测定及方法

本试验需要测取和记录的数据有：空气流量Vc，空气进、出口温度t1、t2，空气的密度和热容，套管长度，内径以及水蒸气温度等。

?Vc通过孔板流量计测出。孔板流量计作为非标设计，故需对之进行校正。出厂时一般按标态

下的空气进行标定，给出流量V与压差计读数△R的关系。本装置V20＝66.3?R，然后需根据流量计处温度（即空气入口处温度t1）进一步校正得到试验条件下的空气实际流量，即

V＝V20??20273.15?t?（3-9）?t273.15?t11式中：t——为定性温度，t?t1?t2。2?t1、t2由温度计测得，?c、cpc根据定性温度查得。设计如下原始数据记录表

测量段管长：内径：

3.试验流程图

温度计2排气咀温度计1序号R(mmH2O)1…序号1…

△tm(℃)

V20(m3/h)

Q(KW)

V(m3/h)

t1(℃)Nu

t2(℃)Nu/Pr0.4

t(℃)Re

αi(KW/m2·℃)

准数关联式：Nu＝

K1U管压差计孔板流量计K3液位计锅炉K2旋涡气泵图3-3对流传热试验装置流程示意图

五、试验步骤

1．观测锅炉旁侧液位计，检查锅炉内的水量是否充足，若不足应开启K1向炉内补充适量蒸馏水；2．接通电源总闸，启动电加热器开关，设定加热电压（控制在120～150V左右），开始加热；3．加热约十分钟后，将旁路阀门K3完全开启，启动旋涡气泵，然后缓慢关小K3并注意观测U管压差计液位变化，直至满量程为止，以此确定空气流量变化范围；

4．水沸腾后水蒸气进入套管换热器外管，蒸汽排出口有稳定蒸汽排出后，可以开始测取试验点；5．调理旁路阀门K3到所需的流量值，依照流量升序（或降序）依次测取5～8个点，每个试验点要稳定10分钟后，读取空气的进、出口温度值，U管压差计读数；本卷须知：

1)本试验需要测定5～8组以上不同流量下的相关数据，取点时为了使这些数据点在双对数坐标上

尽可能均匀分布，应在做试验前在双对数坐标上粗略选点（均匀分布），然后换算为流量值，将流量值换算为U管压差计读数R后供做试验时参考；2)U管压差计测量范围内空气的最小和最大流量点务必要做；3)试验过程中应注意锅炉液位是否在规定范围内。

6．关闭加热器开关，待蒸汽放空口没有蒸汽逸出后将旁路阀K3全开，关闭漩涡气泵，关闭总电源。

六、数据处理及结果分析与探讨

1．整理原始记录数据，进行数据处理并列表（表格包括换热量、对流传热系数、各准数以及重要的中间计算结果），并以其中一组数据为例写出计算过程；2．在双对数坐标系中绘制直线ln3．对试验结果进行分析探讨。

七、思考题

1．本试验中，空气的流量是通过什么方式调理的？与离心泵调理流量的方式有何不同？

2．本试验要求得到哪些试验结果？为得到这些结果，要知道哪些物理量？直接测定哪些数据？用什么仪表？

3．套管换热器的外管为什么要放掉一部分蒸汽？

4．在启动风机时，若旁路阀没有开启，将有可能出现什么事故，为什么？5．简述本试验的操作步骤。

6．表达控制热阻的概念，解释本试验中为什么?i?Ki。7．简单表达孔板流量计测流量的基本原理。

Nu?lnA?mlnRe，并算出A与m的值；0.4Pr试验四精馏试验

一、试验内容

1．在全回流操作条件下，测定板式精馏塔的全塔理论塔板数及总板效率。

二、试验目的

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，观测精馏塔工作时塔板上的水力状况；2．学会在全回流操作条件下测定精馏塔板效率的方法；

3．学会识别精馏塔内出现的几种操作状态，并分析这些操作状态对塔性能的影响。

三、试验原理1.精馏过程原理

精馏是利用液体混合物中格组分的挥发度不同使之分开的单元操作。精馏过程是在精馏塔内完成的，在塔内，混合物通过屡屡液体的部分汽化和蒸汽的部分冷凝，易挥发组分在气相不断提浓，并在塔顶馏出；难挥发组分在液相不断提浓，并在塔底采出，从而达到分开的目的。

精馏的必要条件是建立气—液两相的逆流接触。2.板式塔的塔板效率（1）单板效率

E＝yn?yn?1（4-1）?yn?yn?1式中：yn、yn?1——分别为第n块板和第（n+1）块板上升的平均气相摩尔分率；

?yn——与第n块板流下的液相成平衡的平均气相摩尔分率。

塔板效率表征塔板上气－液接触传质和提浓的充分程度，即接近平衡的程度。在分开体系组分一定，塔板结构确定的条件下，取决于气液两相滚动状况。因而，试验中要注意控制加热速度。（2）总板效率

实际操作时，各板效率是不同的，总板效率实际上代表全塔中各单板效率的平均值，为简便起见，常以达到同样分开效果所需的理论板数Nth（全回流下的理论板数，包括塔釜的贡献）与实际板数Np之比定义为总板效率，或全塔效率：

Eto?Nth?1（4-2）Np3.理论板数的图解求法

对于二元物系（乙醇－正丙醇），由已知气－液平衡数据，作y－x相图，根据精馏塔的原料液组成，进料热状况，操作回流比及塔顶馏出液组成和塔底釜液组成，画出操作线，在两者间画阶梯，求得该塔的理论板数Nth。

在全回流操作条件下，y－x图上的对角线即为操作线，根据试验得到塔顶、塔底液的摩尔分率xD和xW，在平衡线和操作线两者间作阶梯，求得理论板数。

四、试验设计1.方案设计

利用乙醇－正丙醇二元物系，在精馏塔内进行全回流操作，取塔顶、塔底样品用阿贝折光仪分析其组成，然后用作图法求得理论板数，进而得到总板效率。2.数据测定及方法

本试验需要测定和记录的数据有：塔顶浓度xD、塔底浓度xW，实际塔板数。

?xD、xW可以利用阿贝折光仪测得在一定温度下的折射率nD，然后根据质量分数与折射率之间

的关系求得质量分数，进而换算的摩尔分数。原始数据记录表及需要提供的数据与关系式：（1）乙醇－正丙醇相平衡数据

（2）下面分别给出25℃、30℃和35℃下乙醇的质量分率（WA）与折射率（nD）关系式：25℃WA＝60.03178－43.43356nD（4-3）

30℃WA＝58.79037－42.58019nD（4-4）35℃WA＝58.46762－42.40607nD（4-5）

（3）乙醇摩尔分率xD计算：（乙醇、正丙醇分子量MA、MB分别为46、60）

T97.6093.8592.6691.6088.3286.2584.9884.1383.0680.5078.38xy000.1260.1880.2100.3580.4510.5460.6000.6630.8840.2400.3180.3490.5500.6500.7110.7600.7990.9141.01.0WAxA?原始数据记录表：

3.试验装置及流程图

WAMA?MA?1?WA?（4-6）

MB折光仪温度：实际塔板数Np：序号12

加热电压(V)

加热电流(A)

塔顶温度(℃)

nD

塔顶浓度WA

xD

nD

塔底浓度WA

xW

本试验所需设备及仪表：精馏塔、取样器、注射器、阿贝折光仪、超级恒温水浴流程图（图4-1）：（实际塔板数为7块）五、试验步骤1．准备工作：

（1）调整与阿贝折光仪配套的超级恒温水浴温度，此工作试验老师已经做好，温度以阿贝折光仪上温度计指示值为准（30℃）；

（2）检查塔釜中是否有足够的乙醇/正丙醇混合液，假使不足可开启加料阀K1补充部分料液，料液量以塔釜总容积的2/3为宜；

（3）检查取样器和镜头纸是否准备好；（4）取样器不能用水洗涤，可用待取样润洗。

2．全回流操作

（1）首先开启塔顶冷却水，接通加热电源，设定加热电压（50V左右）进行加热。当塔顶有回流液体后，可适当加大加热电压至75V左右，注意观测塔内的汽液接触状况，使塔内维持正常的操作状态。（2）适当调整加热电压（可调到80V左右）进行试验，当塔顶温度保持恒定5分钟后，可以记录并取样分析；注意塔顶、塔底样必需同时取放在取样瓶内，然后用阿贝折光仪分析；

（3）再适当调整加热电压（可调到110V左右），重复（2），测取其次组数据。

3．检查数据合理后，中止加热，待塔釜温度冷却至室温后关闭冷却水，整理试验台，试验终止。注意：本试验的分析后所剩样品可倒回高位槽，不可随处倒撒。

六、报告内容

1．用作图法求出全回流操作条件下的总板效率。（必需使用坐