化工原理實(shí)驗(yàn)教程環(huán)境工程

PAGE化工原理實(shí)驗(yàn)教程(環(huán)境工程專業(yè)用)合肥工業(yè)大學(xué)2010年10月

前言化工原理是一門工程應(yīng)用科學(xué)，它利用自然科學(xué)的原理來考察、研究化工單元操作中的實(shí)際問題，研究強(qiáng)化過程的方法，尋找開發(fā)新技術(shù)的途經(jīng)?；ぴ碚n程要求理論聯(lián)系實(shí)際，其發(fā)展離不開實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)學(xué)模型分析，所以化工原理實(shí)驗(yàn)是化工原理課程的一個(gè)重要教學(xué)環(huán)節(jié)，也是化工、制藥、環(huán)境、食品、生物工程等院系或?qū)I(yè)教學(xué)計(jì)劃中的一門必修課程，屬于工程實(shí)驗(yàn)范疇，與一般化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，其不同之處在于它具有工程特點(diǎn)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都相當(dāng)于化工生產(chǎn)中的一個(gè)單元操作，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)芙⑵鹨欢ǖ墓こ谈拍?，同時(shí)，隨著實(shí)驗(yàn)課的進(jìn)行，會(huì)遇到大量的工程實(shí)際問題，對(duì)理工科學(xué)生來說，可以在實(shí)驗(yàn)過程中更實(shí)際、更有效地學(xué)到更多工程實(shí)驗(yàn)方面的原理及測(cè)試手段，發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的真實(shí)設(shè)備與工藝過程同描述這一過程的數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系，也可以認(rèn)識(shí)到對(duì)于一個(gè)看起來似乎很復(fù)雜的過程，一經(jīng)了解，可以只用最基本的原理來解釋和描述。因此，在實(shí)驗(yàn)課的全過程中，學(xué)生在思維方法和創(chuàng)新能力方面都得到培養(yǎng)和提高，為今后的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過教學(xué)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到以下目的：1.驗(yàn)證化工單元操作的基本理論與經(jīng)驗(yàn)公式，將書本知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楦行灾R(shí)，并使學(xué)生在運(yùn)用理論對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析的過程中鞏固和加深對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容的理解。2.通過實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)熟悉化工單元操作設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能，掌握測(cè)試方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作技能。3.在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中學(xué)習(xí)如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)制訂實(shí)驗(yàn)方案，學(xué)會(huì)如何控制和測(cè)量操作參數(shù)，如何獲得準(zhǔn)確、完整的數(shù)據(jù)，以及如何整理、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果，從而使學(xué)生掌握科學(xué)實(shí)驗(yàn)的全過程，提高學(xué)生獨(dú)立分析與解決問題的能力，為今后從事科學(xué)研究活動(dòng)打下良好的基礎(chǔ)。為此，根據(jù)化工原理課程教學(xué)基本要求的規(guī)定，我室建立了“流體流動(dòng)阻力的測(cè)定”等十種實(shí)驗(yàn)裝置，以及“機(jī)械能轉(zhuǎn)化”等演示實(shí)驗(yàn)裝置，各套實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用計(jì)算機(jī)處理，可直接得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖表，以直觀地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過程的準(zhǔn)確性。由于各專業(yè)教學(xué)要求有所不同，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容也可有不同，但至少要選做五至七個(gè)實(shí)驗(yàn)，即使同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，其具體的實(shí)驗(yàn)任務(wù)也可有所側(cè)重，每個(gè)實(shí)驗(yàn)的全過程包括預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)報(bào)告編寫等四個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)學(xué)生均必須嚴(yán)格按照要求保質(zhì)保量完成實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)教程由魏鳳玉、劉雪霆、何兵、路緒旺等編寫，由于時(shí)間倉促，作者水平有限，文中不妥之處，懇請(qǐng)指正。2010年10月于理化樓PAGE7第二篇演示型實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)二柏努利實(shí)驗(yàn)（昇華樓505）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)測(cè)靜止和流動(dòng)的流體中各項(xiàng)壓頭及其相互轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證流體靜力學(xué)原理和柏努利方程。2、通過實(shí)測(cè)流速的變化和與之相應(yīng)的壓頭損失的變化，確定兩者之間的關(guān)系。二、基本原理流動(dòng)的流體具有三種機(jī)械能：位能、動(dòng)能和靜壓能，這三種能量可以互相轉(zhuǎn)換。在沒有摩擦損失且不輸入外功的情況下，流體在穩(wěn)定流動(dòng)中流過各截面上的機(jī)械能總和是相等的。在有摩擦而沒有外功輸入時(shí)，任意兩截面間機(jī)械能的差即為摩擦損失。流體靜壓能可用測(cè)壓管中液柱的高度來表示，取流動(dòng)系統(tǒng)中的任意兩測(cè)試點(diǎn)，列柏努利方程式：對(duì)于水平管，Z1=Z2，則若u1=u2,則P2<P1；在不考慮阻力損失的情況下，即Σhf=0時(shí)，若u1=u2,則P2=P1。若u1>u2,p1<p2；在靜止?fàn)顟B(tài)下，即u1=u2=0時(shí)，p1=p2。三、實(shí)驗(yàn)裝置及儀器圖2－2伯努利實(shí)驗(yàn)裝置圖裝置由一個(gè)液面高度保持不變的水箱，與管徑不均勻的玻璃實(shí)驗(yàn)管連接，實(shí)驗(yàn)管路上取有不同的測(cè)壓點(diǎn)由玻璃管連接。水的流量由出口閥門調(diào)節(jié)，出口閥關(guān)閉時(shí)流體靜止。四、實(shí)驗(yàn)步驟及思考題關(guān)閉出口閥7，打開閥門3、5，排出系統(tǒng)中空氣；然后關(guān)閉閥7、3、5，觀察并記錄各測(cè)壓管中的液壓高度。思考：所有測(cè)壓管中的液柱高度是否在同一標(biāo)高上？應(yīng)否在同一標(biāo)高上？為什么？將閥7、3半開，觀察并記錄各個(gè)測(cè)壓管的高度，并思考：（1）A、E兩管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？（2）B、D兩管中，C、D兩管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？將閥全開，觀察并記錄各測(cè)壓管的高度，并思考：各測(cè)壓管內(nèi)液位高度是否變化？為什么變化？這一現(xiàn)象說明了什么？五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄.液柱高度ABCDE閥門關(guān)閉半開全開第三篇驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三離心泵特性曲線的測(cè)定（昇華樓505）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．熟悉離心泵的操作，了解離心泵的結(jié)構(gòu)和特性，掌握實(shí)驗(yàn)組織方法。2．掌握離心泵特性曲線的測(cè)定方法。3．掌握離心泵的流量調(diào)節(jié)方法，了解電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、差壓變送器等的工作原理。二、基本原理對(duì)一定類型的泵來說，泵的特性曲線主要是指在一定轉(zhuǎn)速下，泵的揚(yáng)程(H)、軸功率(P)和效率(η)與流量(qv)之間的關(guān)系。由于離心泵的結(jié)構(gòu)和流體本身的非理想性以及流體在流動(dòng)過程中的種種阻力損失，至今為止，還難以推出揚(yáng)程的純理論計(jì)算式。因此，一般采用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)定揚(yáng)程，即泵的特性曲線由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。對(duì)圖3-1所示的系統(tǒng)，分別取泵的進(jìn)出口為1-1截面與2-2截面，建立機(jī)械能衡算式：+z1++H=+z2+(3-1)H=∴H=(3-2)式中：h0—表示泵出口和進(jìn)口間的位差，m；ρ—流體密度，kg/m3；g—重力加速度m/s2；p1、p2—分別為泵進(jìn)、出口的真空度和表壓，Pa；u1、u2—分別為泵進(jìn)、出口的流速，m/s； 從式(3-2)可見，計(jì)算出泵進(jìn)出管路上的壓差、位差和速度差，就可計(jì)算出泵提供給液體的揚(yáng)程。按照管路特性曲線和泵特性曲線的交點(diǎn)作為泵工作點(diǎn)的原理，改變管路阻力可以通過調(diào)節(jié)閥門開度加以實(shí)現(xiàn)，使管路特性曲線上的工作點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)，再將一系列移動(dòng)的工作點(diǎn)的軌跡連接起來，就是泵的揚(yáng)程曲線。泵的有效功率(Pe)和效率(η)分別由下面（3-3）和(3-4)式計(jì)算：(3-3)(3-4)其中P代表軸功率，即泵軸傳遞給泵的功率。由式(3-3)和(3-4)求取的數(shù)據(jù)同樣可以繪出泵的軸功率和效率曲線。泵的特性曲線是在定轉(zhuǎn)速下的實(shí)驗(yàn)測(cè)定所得。但是，實(shí)際上感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)矩改變時(shí)，其轉(zhuǎn)速會(huì)有變化，這樣隨著流量qv的變化，多個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速n將有所差異，因此在繪制特性曲線之前，須將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)換算為某一定轉(zhuǎn)速n下（可取離心泵的額定轉(zhuǎn)速）的數(shù)據(jù)。換算關(guān)系如下（比例定律）：流量（3-5）揚(yáng)程（3-6）軸功率（3-7）效率（3-8）方程式(3-2)表明，實(shí)驗(yàn)組織方法是：實(shí)驗(yàn)裝置中在泵的進(jìn)出口管上分別裝有真空表p1和壓力表p2；由溫度計(jì)測(cè)量流體溫度，從而確定流體的密度ρ；由功率表計(jì)量電機(jī)輸入功率，由電機(jī)效率即可計(jì)算泵的輸入功率P；管路中需安裝流量計(jì)，確定流體的流速u；欲改變u需閥門控制（手動(dòng)或自動(dòng)改變閥門的開度）。三、實(shí)驗(yàn)流程圖和實(shí)驗(yàn)步驟（1）手動(dòng)離心泵實(shí)驗(yàn)裝置（單數(shù)組）a、實(shí)驗(yàn)流程圖圖3-1離心泵特性曲線測(cè)定流程示意圖實(shí)驗(yàn)裝置流程見圖3-1，由低位水箱、泵進(jìn)口真空表、泵、泵出口壓力表、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥等組成了一個(gè)循環(huán)回路。裝置參數(shù)見下表3-1。表3-1手動(dòng)離心泵實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)離心泵型號(hào)P803轉(zhuǎn)速1440r.p.mh00.15mm進(jìn)口管徑40mm出口管徑32mm儀表系數(shù)1.000b、實(shí)驗(yàn)步驟1、關(guān)閉引水閥、排氣，啟動(dòng)泵。2、實(shí)驗(yàn)布點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)順序從大到小，即將閥門開至最大時(shí)，作為第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共采集12～16組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)布點(diǎn)服從大流量多布點(diǎn)，小流量少布點(diǎn)規(guī)則，原因是離心泵效率極值點(diǎn)出現(xiàn)在大流量時(shí)。前七組數(shù)據(jù)按流量顯示儀讀數(shù)每下降約0.2L/s布一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，以后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)布點(diǎn)約下降0.4L/s。注意：若發(fā)現(xiàn)流量顯示儀讀數(shù)達(dá)不到零，可采用將調(diào)節(jié)閥開至最大，再快速關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，流量顯示儀讀數(shù)將為零，可能此讀數(shù)不久還會(huì)上升，上升的數(shù)據(jù)不采集，以零計(jì)。此時(shí)其余的儀表讀數(shù)不隨顯示儀讀數(shù)而變。3、停泵：實(shí)驗(yàn)結(jié)束前，關(guān)閉泵出口閥，再關(guān)閉泵的電源。4、上機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。c、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表3-2離心泵原始數(shù)據(jù)水溫：℃No.流量L/s真空表讀數(shù)MPa壓力表讀數(shù)MPa功率表讀數(shù)w（2）自動(dòng)離心泵實(shí)驗(yàn)裝置（雙數(shù)組）a、實(shí)驗(yàn)流程圖離心泵特性曲線測(cè)定裝置具有在線操作功能，流程見圖3-2。裝置中泵進(jìn)出口管徑相同均為40cm，泵進(jìn)出口測(cè)壓點(diǎn)高度差h0=0.11m。b、實(shí)驗(yàn)步驟1、灌泵：清洗水箱，并加裝實(shí)驗(yàn)用水。給離心泵灌水，排出泵內(nèi)氣體。2、檢查電源和信號(hào)線是否與控制柜連接正確，檢查各閥門開度和儀表自檢情況，試開狀態(tài)下檢查電機(jī)和離心泵是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。3、數(shù)據(jù)的測(cè)定：實(shí)驗(yàn)時(shí)，逐漸打開調(diào)節(jié)閥以增大流量，待各儀表讀數(shù)顯示穩(wěn)定后，讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。（離心泵特性實(shí)驗(yàn)部分，主要獲取實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：流量qv、泵進(jìn)口壓力p1、泵出口壓力p2、電機(jī)功率P電、泵轉(zhuǎn)速n，及流體溫度t和兩測(cè)壓點(diǎn)間高度差h0。）4、停泵：測(cè)取10組左右數(shù)據(jù)后，可以停泵，同時(shí)記錄下設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)（如離心泵型號(hào)，額定流量、揚(yáng)程和功率等）。注意事項(xiàng)：1、一般每次實(shí)驗(yàn)前，均需對(duì)泵進(jìn)行灌泵操作，以防止離心泵氣縛。同時(shí)注意定期對(duì)泵進(jìn)行保養(yǎng)，防止葉輪被固體顆粒損壞。2、泵運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，勿觸碰泵主軸部分，因其高速轉(zhuǎn)動(dòng)，可能會(huì)纏繞并傷害身體接觸部位。圖3-2實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖c、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（表3-3離心泵原始數(shù)據(jù)）表3-3離心泵原始數(shù)據(jù)裝置號(hào)：，離心泵型號(hào)＝，額定流量＝，額定揚(yáng)程＝，額定功率＝，流體溫度t＝。實(shí)驗(yàn)次數(shù)流量qvm3/h泵進(jìn)口壓力p1kPa泵出口壓力p2kPa電機(jī)功率P電kW泵轉(zhuǎn)速nrpm在實(shí)驗(yàn)過程中，將每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速校正為泵額定轉(zhuǎn)速n′=2900r/m(轉(zhuǎn)每分鐘)對(duì)應(yīng)下的各實(shí)驗(yàn)量，并按上述比例定律，可得校正轉(zhuǎn)速后的數(shù)據(jù)結(jié)果。四、思考題1、測(cè)定離心泵特性曲線的意義有那些？2、試從所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析離心泵在啟動(dòng)時(shí)為什么要關(guān)閉出口閥門？3、啟動(dòng)離心泵之前為什么要引水灌泵？如果灌泵后依然啟動(dòng)不起來，你認(rèn)為可能的原因是什么？4、為什么用泵的出口閥門調(diào)節(jié)流量？這種方法有什么優(yōu)缺點(diǎn)？是否還有其他方法調(diào)節(jié)流量？5、泵啟動(dòng)后，出口閥如果不開，壓力表和真空表讀數(shù)如何變化？為什么？6、正常工作的離心泵，在其進(jìn)口管路上安裝閥門是否合理？為什么？7、試分析，用清水泵輸送密度為1200Kg/ｍ的鹽水，在相同流量下你認(rèn)為泵的壓力是否變化？軸功率是否變化？8、為什么離心泵的有效壓頭He隨流量qv的增加而緩緩下降？

實(shí)驗(yàn)五傳熱系數(shù)的測(cè)定（昇華樓501）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過實(shí)驗(yàn)掌握總傳熱系數(shù)K和傳熱膜系數(shù)α的測(cè)定方法；2、通過實(shí)驗(yàn)提高對(duì)α關(guān)聯(lián)式的理解，了解工程上強(qiáng)化傳熱的措施；3、測(cè)定流體在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流時(shí)的傳熱準(zhǔn)數(shù)方程式。二、基本原理1.總傳熱系數(shù)的測(cè)定根據(jù)傳熱速率方程式：（5－1）如果實(shí)驗(yàn)設(shè)備保溫良好,系統(tǒng)的熱損失可忽略不計(jì),根據(jù)熱量衡算式得得熱負(fù)荷Q（5－2）則（5－3）（5－4）式中：K——傳熱系數(shù)，W/m2.Kρ——流體的密度，m3/kgA——換熱器的傳熱面積，m2qv——流體的體積流量,m3/sQ——傳熱量,WCP——流體的恒壓熱容，J/kg.K

Ts——水蒸氣的溫度，Kti、to——冷流體的進(jìn)、出口溫度，K——傳熱對(duì)數(shù)平均溫度差2.傳熱膜系數(shù)的測(cè)定流體與壁面的對(duì)流傳熱可由牛頓冷卻定律表示Q=αA（Tw－t）（5－5）A——傳熱面積（內(nèi)管外表面積），m2Tw——傳熱管的外壁面平均溫度，Kα——對(duì)流傳熱系數(shù)，W/m2.K在實(shí)驗(yàn)中只要已知管壁的平均溫度和流體的平均溫度t，即可計(jì)算出傳熱膜系數(shù)α的值。3.傳熱準(zhǔn)數(shù)方程的測(cè)定當(dāng)流體在圓形直管內(nèi)強(qiáng)制湍流時(shí)的對(duì)流傳熱準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式為：Nu=CRemPrn（5－6）其中，對(duì)于同一物系的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)控制換熱器冷流體的進(jìn)出口溫度基本保持不變時(shí)，Prn也可以視為常數(shù)，因此有（5－7）這樣就簡(jiǎn)化成單變量方程。兩邊取對(duì)數(shù)，得到直線方程：（5－8）在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中作圖，直線斜率即為方程的指數(shù)m,由縱軸上的截距即可求得C?？傻贸隽黧w在圓形直管內(nèi)作強(qiáng)制湍流的Dittus－Boeiter關(guān)聯(lián)式（5－9）式中n=0.4（流體被加熱）n=0.3（流體被冷卻）三、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)中的換熱器為套管式，內(nèi)管為φ24×2mm的銅管，有效管長(zhǎng)1000mm。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5.1所示。實(shí)驗(yàn)選用空氣為冷流體，水蒸汽為熱流體。空氣來自鼓風(fēng)機(jī)，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量流量、溫度計(jì)測(cè)量溫度后，進(jìn)入換熱器管程，換熱后在出口處測(cè)量其出口溫度。水蒸汽來自蒸汽發(fā)生器，經(jīng)蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至一定壓力后進(jìn)入換熱器的殼程，并在入口處測(cè)量其壓力，與冷空氣換熱后冷凝水經(jīng)疏水閥排至地溝。四、實(shí)驗(yàn)步驟開啟空氣壓縮機(jī)，使氣體充滿壓縮空氣罐，并用調(diào)節(jié)閥將氣量調(diào)節(jié)至實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)；緩慢開啟蒸汽調(diào)節(jié)閥，用旁路排出蒸汽管道內(nèi)積存的冷凝水，用放氣閥排盡夾套內(nèi)的空氣；緩慢地調(diào)節(jié)蒸汽閥，使蒸汽壓力維持在實(shí)驗(yàn)值，穩(wěn)定一段時(shí)間后讀取水蒸氣壓力表讀數(shù)、氣量以及氣體的進(jìn)出口溫度；改變空氣流量和水蒸氣壓力，