化工原理實驗講義

1、化工原理實驗講義專業(yè):環(huán)境工程 應(yīng)用化學(xué)教研室2015.3實驗一 流體機械能轉(zhuǎn)化實驗一、實驗?zāi)康?、了解流體在管內(nèi)流動情況下，靜壓能、動能、位能之間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，加深對伯努利方程的理解。2、了解流體在管內(nèi)流動時，流體阻力的表現(xiàn)形式。二、實驗原理流動的流體具有位能、動能、靜壓能、它們可以相互轉(zhuǎn)換。對于實際流體，因為存在內(nèi)摩擦，流動過程中總有一部分機械能因摩擦和碰撞，而被損失掉。所以對于實際流體任意兩截面，根據(jù)能量守恒有：上式稱為伯努利方程。三、實驗裝置（dA=14mm，dB=28mm，dC=dD=14mm，ZA-ZD=110mm）實驗裝置與流程示意圖如圖1-1所示，實驗測試導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)見圖1-2所

2、示： 圖1-1 能量轉(zhuǎn)換流程示意圖圖1-2實驗導(dǎo)管結(jié)構(gòu)圖四、操作步驟1. 在低位槽中加入約3/4體積的蒸餾水，關(guān)閉離心泵出口上水閥及實驗測試導(dǎo)管出口流量調(diào)節(jié)閥和排氣閥、排水閥，打開回水閥后啟動離心泵。2. 將實驗管路的流量調(diào)節(jié)閥全開，逐步開大離心泵出口上水閥至高位槽溢流管有液體溢流。3. 流體穩(wěn)定后讀取并記錄各點數(shù)據(jù)。4. 關(guān)小流量調(diào)節(jié)閥重復(fù)上述步驟5次。 5. 關(guān)閉離心泵出口流量調(diào)節(jié)閥后，關(guān)閉離心泵，實驗結(jié)束。五、數(shù)據(jù)記錄和處理表一、轉(zhuǎn)能實驗數(shù)據(jù)表流量（l/h）壓強mmH2O 壓強mmH2O壓強mmH2O壓強mmH2O壓強mmH2O壓強mmH2O測試點標(biāo)號123456789101112131

3、415五、結(jié)果與分析1、觀察實驗中如何測得某截面上的靜壓頭和總壓頭，又如何得到某截面上的動壓頭？2、觀察實驗，對于不可壓縮流體在水平不等徑管路中流動，流速與管徑的關(guān)系如何？3、實驗觀測到A、B截面的靜壓頭如何變化？為什么？4、實驗觀測到C、D截面的靜壓頭如何變化？為什么？5、當(dāng)出口閥全開時，計算從C到D的壓頭損失？六、注意事項1不要將離心泵出口上水閥開得過大以免使水流沖擊到高位槽外面，同時導(dǎo)致高位槽液面不穩(wěn)定。2流量調(diào)節(jié)閥開大時，應(yīng)檢查一下高位槽內(nèi)的水面是否穩(wěn)定，當(dāng)水面下降時應(yīng)適當(dāng)開大泵上水閥。 3流量調(diào)節(jié)閥須緩慢地關(guān)小以免造成流量突然下降測壓管中的水溢出管外。 4注意排除實驗導(dǎo)管內(nèi)的空氣泡。

4、 5離心泵不要空轉(zhuǎn)和出口閥門全關(guān)的條件下工作。實驗二 流體阻力的測定一、實驗?zāi)康?.學(xué)習(xí)直管摩擦系數(shù)的測定方法2.掌握摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)Re之間的關(guān)系 二、實驗原理流體在圓管內(nèi)流動時，由于本身具有黏性及渦流的影響，會產(chǎn)生摩擦阻力。流體在管內(nèi)流動阻力的大小與管長、管徑和摩擦系數(shù)有關(guān)，它們之間存在著如下關(guān)系： (1)對于管路的兩截面有： (2)如果管路水平并且粗細(xì)均勻，有：,則（2）式化簡為： （3）采用倒U型壓差計測量壓差，則有：； （4） 其中代表壓差計上方壓強將（4）代入（3）式中，則：（5）綜合（1）和（5）式，則有： , ；其中三、實驗裝置8號管：L=1.2m，d=0.015m；9號管：L

5、=1.49m，d=0.010m；10號管：L=1.49m，d=0.0078m圖2-1 流體綜合實驗裝置流程圖1-水箱；2-離心泵；3-功率表；4-變頻器；5-渦輪流量計；6-文丘里流量計；7-局部阻力被測閥門；8-局部阻力測量段；9-直管阻力粗糙測量管；10-直管阻力光滑測量管； 11-切換閥；12-流量調(diào)節(jié)閥；13-轉(zhuǎn)子流量計；14-流量調(diào)節(jié)閥圖2-2 倒U型壓差計四、實驗步驟1. 打開電源總開關(guān)，啟動泵前要檢查各閥門的開關(guān)，尤其閥門12和閥門14應(yīng)關(guān)閉，以防止轉(zhuǎn)子流量被損壞。2. 針對某一測試對象選擇對應(yīng)的流向?qū)ㄩy，逆時針全開。3. 在進(jìn)行阻力測定之前，應(yīng)檢查導(dǎo)壓系統(tǒng)內(nèi)有無氣泡存在。 當(dāng)

6、流量為零時，打開A，A兩閥門，若空氣-水倒置U型管內(nèi)兩液柱的高度差不為零，則說明系統(tǒng)內(nèi)有氣泡存在，需趕凈氣泡方可測試數(shù)據(jù)。趕氣泡的方法：將流量調(diào)至較大，打開閥門A，A和C，C，打開壓力平衡罐的排氣閥，使水完全充滿管路，排出導(dǎo)壓管內(nèi)的氣泡，將流量關(guān)為零，關(guān)閉A，A，緩慢打開閥門D，通過打開B，B讓倒置U型管內(nèi)的水流出再關(guān)D，判斷倒置U型管內(nèi)兩液柱的高度差是否為零，若不為零，重復(fù)上述操作直至排凈為止。4. 調(diào)節(jié)閥門14測取數(shù)據(jù)，順序可從大流量至小流量，反之也可，由13號轉(zhuǎn)子流量計記錄流量，通過倒U管測量h1,h2,管9和10各測量8組數(shù)據(jù)5. 待數(shù)據(jù)測量完畢，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，相關(guān)閥門，泵，切斷電源

7、。五、數(shù)據(jù)記錄和處理 水溫：實驗序號h1(cm)h2(cm)qv(Lh-1)R(cm)Re以其中一組數(shù)據(jù)為例，寫出v、Re、的具體計算過程六、思考題1、在圓直管內(nèi)及導(dǎo)壓管內(nèi)可否存有積存的空氣？如有，會有何影響？2、討論與Re的關(guān)系（坐標(biāo)上畫出關(guān)系圖）？七、注意事項1. 啟動離心泵之前，必須檢查所有流量調(diào)節(jié)閥是否關(guān)閉。2. 調(diào)節(jié)流量計閥門要緩慢，調(diào)節(jié)后應(yīng)等待流量和直管壓降的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，方可記錄數(shù)據(jù)。3. 在計算時，要統(tǒng)一為國際單位制進(jìn)行計算。實驗2-2 文氏流量計校正系數(shù)的測定一、實驗?zāi)康?.了解文氏流量計的構(gòu)造、工作原理和主要特點2.測定文氏流量計校正系數(shù)Co二、實驗原理文氏流量計流量計算式為

8、：因為綜合可以得到：從而得到校正系數(shù) 其中 式中代表渦輪流量計的頻率Hz，實驗時Hz小于120 代表渦輪流量計的儀表常數(shù)，77.842（s/l） 式中代表喉管截面積，0.0195m三實驗裝置同上四、操作步驟1.打開電源總開關(guān)，儀表預(yù)熱10分鐘，啟動泵前檢查各閥門的開關(guān)，尤其閥門12和閥門14應(yīng)關(guān)閉，以防止轉(zhuǎn)子流量被損壞；2.將管道內(nèi)的空氣排出，打開文氏流量計的測壓口閥門；3.調(diào)節(jié)閥門12測取數(shù)據(jù)，共測定10組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括：Hz，p；4.待數(shù)據(jù)測量完畢，關(guān)閉流量調(diào)節(jié)閥，相關(guān)閥門，泵，切斷電源。五、數(shù)據(jù)記錄和處理實驗序號HzP（kPa）Q(l·s-1)C0C0 平均值以其中一組數(shù)據(jù)為例

9、，寫出qv, Co的具體計算過程實驗三 離心泵特征曲線測定一、實驗?zāi)康?.了解離心泵的構(gòu)造及送液原理。2.掌握離心泵特征曲線的測定方法、表示方法，加深對離心泵性能的了解。 二、實驗原理離心泵是最常見的液體輸送設(shè)備。對于一定型號的泵在一定的轉(zhuǎn)速下，離心泵的揚程He，軸功率N，及效率均隨流量qv的改變而改變。通常通過實驗測出qv-He，qv-N，qv-關(guān)系，并用曲線表示，稱為特征曲線。下面介紹具體的測定方法。（1）He的測定在泵的吸入口和壓出口之間列柏努利方程： (1)由于進(jìn)出口管路粗細(xì)均勻，有：又因為所選的兩截面和泵體接近，Hf值可以忽略所以（1）式可以化簡為：式中，為泵進(jìn)出口測壓點間的距離（）

10、為泵進(jìn)出口測壓點間的壓強差（2）N軸的測定為電動機的輸入功率；為電機效率，60%（3）的測定，（4）qv流量，為自動調(diào)節(jié)閥開度Hz;為儀表常數(shù)，77.902(次/升)電機頻率45Hz三、實驗裝置圖3-1 實驗裝置流程示意圖四、操作步驟1. 打開電源總開關(guān)，設(shè)備調(diào)于計算機采集自控操作；2. 將泵的入口調(diào)節(jié)閥全部打開；3. 打開計算機，進(jìn)入離心泵計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制軟件，按照軟件提示進(jìn)行操作；4. 點擊離心泵特征曲線自動控制后，計算機自動調(diào)節(jié)流量，并記錄原始數(shù)據(jù)；5. 實驗完畢后，點擊結(jié)束當(dāng)前實驗，回到主菜單。五、數(shù)據(jù)記錄和處理1. 跟據(jù)計算機自動采集數(shù)據(jù)表，在坐標(biāo)紙上畫出離心泵特征曲線圖。序

11、號流量出口壓力入口真空功率表揚程軸功率效率m3/hPaPaKwmKw%2. 以第四組為例，寫出qv, He, N軸，的具體計算過程六、思考題1. 如何選用離心泵？2. 隨著泵出口流量調(diào)節(jié)閥開度增大，泵的流量增加時，入口真空度及出口壓力如何變化？并分析原因。七、注意事項1. 實驗前應(yīng)檢查水槽水位、流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閉到零位，泵入口調(diào)節(jié)閥全部打開；2. 由于本次實驗計算機自動控制與采集，關(guān)閉計算機后，所有數(shù)據(jù)不予保留。實驗四 傳熱實驗一、實驗?zāi)康?、通過對空氣-水蒸氣簡單套管換熱器的實驗研究，掌握對流傳熱系數(shù)i的測定方法，加深對其概念和影響因素的理解。并應(yīng)用線形回歸分析方法，確定關(guān)聯(lián)式中常數(shù)A、m的值。

12、2、通過對管程內(nèi)部插有螺旋圈的空氣-水蒸氣強化套管換熱器的實驗研究，測定其準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式中常數(shù)B、m的值，了解強化傳熱的基本理論和基本方式。二、實驗原理1、對流傳熱系數(shù)i的測定對流傳熱系數(shù)i可以根據(jù)牛頓冷卻定律，用實驗來測定，即 式中：-管內(nèi)流體對流傳熱系數(shù)， -管內(nèi)傳熱速率，W -管內(nèi)換熱面積，m2 -管內(nèi)流體空氣與管內(nèi)壁面的平均溫差，平均溫差由下式確定：式中：-冷流體空氣的入口、出口溫度， -壁面平均溫度，管內(nèi)換熱面積 式中 -傳熱管內(nèi)徑，m，d光=20mm，d粗=50mm -傳熱管測量段的實際長度，m，L=1m由熱量衡算式 其中質(zhì)量流量由下式求得 式中：-冷流體在套管內(nèi)的平均體積流量，m3/

13、h -冷流體的定壓比熱， -冷流體的密度，kg/m3 和可根據(jù)定性溫度查得，為冷流體進(jìn)出口平均溫度。2、對流傳熱系數(shù)準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的實驗確定流體在管內(nèi)作強制湍流時，處于被加熱狀態(tài)，準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式的形式為 其中，物性數(shù)據(jù)、可根據(jù)定性溫度查得。經(jīng)過計算可知，對于管內(nèi)被加熱的空氣，普朗特準(zhǔn)數(shù)變化不大，可認(rèn)為是常數(shù)，則關(guān)聯(lián)式的形式簡化為 這樣通過實驗確定不同流量下的與，然后用線性回歸方法確定A和m的值。三、實驗裝置圖6-1空氣-水蒸氣傳熱綜合實驗裝置1、 普通套管換熱器；2、內(nèi)插有螺旋線圈的強化套管換熱器；3、蓄水罐；4、旋渦氣泵；5、旁路調(diào)節(jié)閥；6、孔板流量計；7、8、空氣支路控制閥：9、10、蒸汽支路控制

14、閥；11、12、蒸汽放空口； 13蒸汽上升主管路；14、加水閥：15-加熱罐；16-加熱器；17-放液閥：五、實驗方法及步驟1、實驗前的準(zhǔn)備,檢查工作. (1) 向電加熱釜內(nèi)加水，液位計到端線處以上為宜。 (2) 檢查空氣流量旁路調(diào)節(jié)閥是否全開。(3) 檢查水蒸氣管及空氣支路各控制閥是否已打開，保證蒸汽和空氣管線的暢通。2、實驗開始. (1) 啟動計算機并按照操作說明進(jìn)行操作。 (2) 合上電源總開關(guān), 打開加熱電源開關(guān)（設(shè)備），設(shè)定加熱電壓160V(電腦)，直至有水蒸氣冒出，在整個實驗過程中始終保持換熱器出口處有水蒸氣。 (3) 計算機數(shù)據(jù)采集實驗 (a).蒸汽冒出10min后，啟動風(fēng)機（電

15、腦），用旁路調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)流量（孔板讀數(shù)0.44-2Kpa之間），待操作穩(wěn)定后計算機分別對空氣流量，空氣進(jìn)出口溫度，水蒸氣進(jìn)出口溫度進(jìn)行采集。測5組流量，每組間隔10min。光滑管測5組、粗糙管測5組。 (b).在改變流量穩(wěn)定后分別測量空氣的流量，空氣進(jìn)出口的溫度，水蒸氣溫度，繼續(xù)進(jìn)行實驗。(c).計算機對所有的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和整理，得出實驗結(jié)果。關(guān)閉加熱（電腦），無蒸汽冒出后關(guān)閉風(fēng)機（電腦）。六、數(shù)據(jù)處理與分析根據(jù)計算機顯示的結(jié)果，以其中一組數(shù)據(jù)為例寫出具體計算過程。七、思考題1、實驗裝置中的兩組套管換熱器，哪套對流傳熱系數(shù)大？為什么？（注意要在空氣流量相同的前提下比較）2、傳熱管內(nèi)壁溫度、

16、外壁溫度和壁面平均溫度認(rèn)為近似相等，為什么？八、注意事項：1、 實驗前將加熱器內(nèi)的水加到指定的位置,防止電熱器干燒損壞電器。2、 剛剛開始加熱時,加熱電壓在(160V)左右。3、計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制實驗時應(yīng)嚴(yán)格按照計算機使用規(guī)程操作計算機。采集數(shù)據(jù)和控制實驗時要注意觀察實驗現(xiàn)象。4、測量管后有蒸汽排出10分鐘，可啟動鼓風(fēng)機，保證實驗開始時空氣入口溫度比較穩(wěn)定。5.原始數(shù)據(jù)記錄空氣進(jìn)口出口溫度、壁溫、流量。實驗七 篩板塔全塔效率的測定一、實驗?zāi)康?.了解板式塔的基本構(gòu)造，精餾設(shè)備流程及各個部分的作用。2.測定全塔效率。二、實驗原理 二元體系為乙醇與正丙醇全塔效率，其中為全回流測定板數(shù)，=9塊

17、其中相對揮發(fā)度=2.0781為塔釜樣品液相組成為塔頂樣品液相組成其中和可通過折光率測定：對于30以下，質(zhì)量分率與折光率之間的關(guān)系可按下面的回歸式計算：摩爾分率 其中=46，=60三、實驗裝置圖7-1 計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制精餾實驗裝置精餾塔為篩板塔，全塔共有9塊塔板由紫銅板制成，塔高1.5米，塔身用內(nèi)徑為50mm的不繡鋼管制成，每段為10厘米，焊上法蘭后，用螺栓連在一起，并墊上聚四氟乙烯墊防漏，塔身的第二段和第九段是用耐熱玻璃制成的，以便于觀察塔內(nèi)的操作情況。除了這兩段玻璃塔段外，其余的塔段都用玻璃棉保溫。降液管是由外徑為8毫米的銅管制成。篩板的直徑為54毫米，篩孔的直徑為2毫米。塔中裝有鉑

18、電阻溫度計用來測量塔內(nèi)汽相溫度。塔頂?shù)娜鳛轱L(fēng)式換熱器，塔釜用電爐絲加熱，塔的外部也用保溫棉保溫。混合液體由高位槽經(jīng)蠕動泵計量后進(jìn)入塔內(nèi)。塔釜的液面由液位計和放大器計量再由液位儀表顯示。塔底產(chǎn)品經(jīng)過由液位控制平衡管流出?；亓鞅日{(diào)節(jié)閥用來控制回流比，餾出液儲罐接收餾出液。四、操作步驟(一) 實驗前準(zhǔn)備工作.檢查工作： 1. 將與阿貝折光儀配套的超級恒溫水浴(用戶自備)調(diào)整運行到所需的溫度,并記下這個溫度(例如30)。檢查取樣用的注射器和擦鏡頭紙是否準(zhǔn)備好。 2. 檢查實驗裝置上的各個旋塞、閥門均應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài);，電流、電壓表及電位器位置均應(yīng)為零。 3. 配制一定濃度(質(zhì)量濃度 20左右)的乙醇

19、正丙醇混合液(總?cè)萘?000毫升左右),然后倒入高位瓶.或由指導(dǎo)教師事前做好這一步。 4. 打開進(jìn)料轉(zhuǎn)子流量計的閥門, 向精餾釜內(nèi)加料到指定的高度 (冷液面在塔釜總高23處), 而后關(guān)閉流量計閥門。（二）實驗操作1.打開電源開關(guān)，再打開塔釜加熱開關(guān)2.打開計算機，進(jìn)入精餾塔計算機數(shù)據(jù)采集和過程控制軟件3.向計算機輸入加熱電壓4. 等各塊塔板上鼓泡均勻后,保持加熱釜電壓不變, 在全回流情況下穩(wěn)定20分鐘左右,期間仔細(xì)觀察全塔傳質(zhì)情況,待操作穩(wěn)定后分別在塔頂.塔釜取樣口用注射器同時取樣,用阿貝折射儀分析樣品濃度。5.檢查數(shù)據(jù)合理后，按照計算機要求退出控制程序并關(guān)機，關(guān)閉塔釜加熱開關(guān)，及電源總開關(guān)，

20、實驗完畢，將測定數(shù)據(jù)填入表中五、數(shù)據(jù)記錄和處理塔頂溶液塔釜溶液12計算結(jié)果 =，=？要求對，進(jìn)行具體的計算六、注意事項1. 本實驗過程中要特別注意安全,實驗所用物系是易燃物品,操作過程中避免灑落以免發(fā)生危險。 2. 本實驗設(shè)備加熱功率由電位器來調(diào)解,固在加熱時應(yīng)注意加熱千萬別過快,以免發(fā)生爆沸(過冷沸騰),使釜液從塔頂沖出,若遇此現(xiàn)象應(yīng)立即斷電,重新加料到指定冷液面,再緩慢升電壓,重新操作。升溫和正常操作中釜的電功率不能過大。 3. 開車時先開冷卻水,再向塔釜供熱；停車時則反之。 4. 測濃度用折光儀.讀取折光指數(shù),一定要同時記其測量溫度,并按給定的折光指數(shù)質(zhì)量百分濃度測量溫度關(guān)系（見表一）測

21、定有關(guān)數(shù)據(jù), (折光儀和恒溫水浴由用戶自購,使用方法見其說明書 )。 5. 為便于對全回流和部分回流的實驗結(jié)果(塔頂產(chǎn)品和質(zhì)量)進(jìn)行比較, 應(yīng)盡量使兩組實驗的加熱電壓及所用料液濃度相同或相近。連續(xù)開出實驗時, 在做實驗前應(yīng)將前一次實驗時留存在塔釜和塔頂，塔底產(chǎn)品接收器內(nèi)的料液均倒回原料液瓶中。 6實驗時，應(yīng)按照操作規(guī)程完成實驗，愛護(hù)計算機。七、附錄表 1 溫度折光指數(shù)液相組成之間的關(guān)系00.050520.099850.19740.29500.39770.49700.5990251.38271.38151.37971.37701.37501.37301.37051.3680301.38091.3

22、7961.37841.37591.37551.37121.36901.3668351.37901.37751.37621.37401.37191.36921.36701.3650(續(xù)表2) 0.64450.71010.79830.84420.90640.95091.000251.36071.36581.36401.36281.36181.36061.3589301.36571.36401.36201.36071.35931.35841.3574351.36341.36201.36001.35901.35731.36531.3551實驗六 管式反應(yīng)器停留時間的測定1、 實驗?zāi)康?、測定管式反應(yīng)器

23、中停留時間分布。2、通過軸向擴散模型來定量返混程度，加深對返混的認(rèn)識和理解。二、實驗原理 在連續(xù)流動的反應(yīng)器內(nèi)，不同停留時間的物料之間的混合稱為返混。返混程度的大小，一般很難直接測定，通常是利用物料停留時間分布的測定來研究。 停留時間分布的測定方法有脈沖法、階躍法等，常用的是脈沖法。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，在系統(tǒng)的入口處瞬間注入一定量的示蹤物料，同時開始在出口流體中檢測示蹤物料的濃度變化。本實驗中用水作為連續(xù)流動的物料，以飽和KCI作示蹤劑，在反應(yīng)器出口處檢測溶液電導(dǎo)值。在一定范圍內(nèi)，KCI濃度與電導(dǎo)值成正比，所以可用電導(dǎo)值來表達(dá)物料的停留時間變化。 停留時間分布密度函數(shù)E(t)在概率論中有兩個特征值，平均停留時間（數(shù)學(xué)期望）和方差。若采