化工原理實驗講義.doc

化工原理實驗指導書唐山學院目 錄實驗一 流體流動阻力的測定 1實驗二 離心泵特性曲線的測定 5實驗三 傳熱系數測定實驗 7實驗四 篩板式精餾塔的操作及塔板效率測定9實驗五 填料塔吸收實驗12 演示實驗 柏努利方程實驗14 雷諾實驗 16實驗一 流體流動阻力的測定一、實驗目的1、了解流體在管道內摩擦阻力的測定方法；2、確定摩擦系數與雷諾數Re的關系。二、基本原理由于流體具有粘性，在管內流動時必須克服內摩擦力。當流體呈湍流流動時，質點間不斷相互碰撞，引起質點間動量交換，從而產生了湍動阻力，消耗了流體能量。流體的粘性和流體的渦流產生了流體流動的阻力。在被側直管段的兩取壓口之間列出柏努力方程式，可得：Pf =P L兩側壓點間直管長度(m)d直管內徑(m)摩擦阻力系數u流體流速（m/s）Pf直管阻力引起的壓降（N/m2）流體粘度（Pa.s）流體密度（kg/m3）本實驗在管壁粗糙度、管長、管徑、一定的條件下用水做實驗，改變水流量，測得一系列流量下的Pf值，將已知尺寸和所測數據代入各式，分別求出和Re，在雙對數坐標紙上繪出Re曲線 。三、實驗裝置簡要說明水泵將儲水糟中的水抽出，送入實驗系統(tǒng)，首先經玻璃轉子流量計測量流量，然后送入被測直管段測量流體流動的阻力，經回流管流回儲水槽，水循環(huán)使用。 被測直管段流體流動阻力P可根據其數值大小分別采用變壓器或空氣水倒置U型管來測量。四、實驗步驟:1、向儲水槽內注蒸餾水,直到水滿為止。2、大流量狀態(tài)下的壓差測量系統(tǒng),應先接電預熱10-15分鐘,觀擦數字儀表的初始值并記錄后方可啟動泵做實驗。3、檢查導壓系統(tǒng)內有無氣泡存在.當流量為0時打開B1、B2兩閥門，若空氣水倒置U型管內兩液柱的高度差不為0，則說明系統(tǒng)內有氣泡存在,需要排凈氣泡方可測取數據。排氣方法：將流量調至較大，排除導壓管內的氣泡，直至排凈為止。4、測取數據的順序可從大流量至小流量，反之也可，一般測1520組數，建議當流量讀數小于300L/h時，用空氣水倒置U型管測壓差P。5、待數據測量完畢，關閉流量調節(jié)閥，切斷電源。五、使用實驗設備應注意的事項：1、調流量要慢、穩(wěn)、準。2、利用壓力傳感器測大流量下P時，應切斷空氣水倒置U型管B1、B2兩閥門否則影響測量數據。3、在實驗過程中每調節(jié)一個流量之后待流量和直管壓降的數據穩(wěn)定以后方可記錄數據。4、若較長時間不做驗驗,啟動離心泵之前應先轉動泵軸使之靈活運轉,否則燒壞電機。實驗二 離心泵特性曲線測定一、實驗目的1、熟悉離心泵的操作與結構；2、測定離心泵在一定轉速下的特性曲線。二、基本原理在一定轉速下,離心泵的壓頭He，軸功率N及效率均隨實際流量Qe的大小而改變。因此泵的特性是由H=f(Qe),Ne=f(Qe)和=f(Qe)三條曲線來決定。而此三條曲線是經實驗測得標繪出來。1、流量Qe的測定通過調節(jié)閥門改變水流量的大小，采用文式流量計測得壓差，求其相應的體積流量Qe。單位（m3/s）2、離心泵壓頭He的測定在離心泵的吸入口和壓出口之間列柏努力方程離心泵d入=d出u入=u出 又Hf(-出)可忽略、離心泵軸功率的計算泵軸功率N = 電機輸出功率 = 功率表讀數電機效率（Kw）功率表讀數 = 電機輸入功率式中：A0文丘里流量計喉管的橫截面積C0流量系數C0=1P文丘里流量計的壓差出入離心泵進出口管路的垂直距離出入離心泵進出口管路的壓強三、實驗裝置簡要說明本實驗用WB70/055型離心泵進行實驗，用離心泵將儲水槽內的水抽出，送入離心泵性能測定管路測量系統(tǒng)，然后由壓出管排至水槽。在泵的吸入口和壓出口處，分別裝有真空表和壓力表，以測量水進口處的壓力。泵的出口管線裝有文氏流量計及調節(jié)閥門，用來調節(jié)水的流量或管內壓力。四、實驗方法1、向儲水槽內注蒸餾水，直到水滿為止。2、在啟動離心泵之前需做如下檢查：(1)流量調節(jié)閥門10和2,離心泵出口壓力表和真空表的調節(jié)閥,倒置U型管的閥門B1、B2均應關閉。(2)流量測量壓差變送器的平衡閥打開。3、啟動離心泵，打開閥門10至全開。稍停片刻，待流體趕凈管路內的氣泡后關閉平衡閥。打開壓力表及真空表的調節(jié)閥。4、測取數據順序可任選。切記流量從最大至流量為零應均勻取點1520組數據。5、數據測量完畢，關閉壓力表，真空表并把平衡閥打開。五、使用實驗設備應注意的事項1、啟動離心泵之前,一定要檢查各處閥門。2、流體在管路輸送中不應有氣存在。3、測量數據將流量傳感器的平衡閥一定處于關閉狀態(tài),否則影響測量數據值。4、離心泵不要長時間空轉。1、對現有實驗條件，泵的特性曲線能否改變？2、管路排水口安裝在水面之上和浸在水中對實驗值有何影響？3、由實驗得知，泵的流量越大，泵進口處真空度越大，為什么？實驗三 傳熱系數測定實驗一、實驗目的1、通過實驗掌握傳熱膜系數的測定方法，并分析影響的因素；2、掌握確定傳熱膜系數準數關聯式中的系數C和指數m、n的方法；3、通過實驗提高對關聯式的理解，了解工程上強化傳熱的措施；二、基本原理對流傳熱的核心問題是求算傳熱膜系數，當流體無相變化時對流傳熱準數關聯式一般形式為： Nu = C Rem Prn Grp對強制湍流，Gr準數可以忽略。 Nu = C Rem Prn 本實驗中，可用圖解法和最小二乘法兩種方法計算準數關聯式中的指數m、n和系數C。用圖解法對多變量方程進行關聯時，要對不同變量Re和Pr分別回歸。為了便于掌握這類方程的關聯方法，可取n = 0.4（實驗中流體被加熱）。這樣就簡化成單變量方程。兩邊取對數，得到直線方程：在雙對數坐標系中作圖，找出直線斜率，即為方程的指數m。在直線上任取一點的函數值代入方程中得到系數C，即用圖解法，根據實驗點確定直線位置，有一定的人為性。而用最小二乘法回歸，可以得到最佳關聯結果。應用計算機對多變量方程進行一次回歸，就能同時得到C、m、n?？梢钥闯鰧Ψ匠痰年P聯，首先要有Nu、Re、Pr的數據組。 雷諾準數 努塞爾特準數 普蘭特準數 d 換熱器內管內徑（m）1空氣傳熱膜系數（W/m2） 空氣密度（kg/m3）空氣的導熱系數（W/m）p空氣定壓比熱（J/kg）實驗中改變空氣的流量以改變準數Re之值。根據定性溫度計算對應的Pr準數值。同時由牛頓冷卻定律，求出不同流速下的傳熱膜系數值。進而算得Nu準數值。因為空氣傳熱膜系數1遠大于蒸汽傳熱膜系數2，所以傳熱管內的對流傳熱系數1約等于冷熱流體間的總傳熱系數K 。則有牛頓冷卻定律： Q =1AtmA傳熱面積（m2）（內管內表面積）tm管內外流體的平均溫差（） 其中： t1= T-t1 , t2= T-t2 T蒸汽側的溫度，可近似用傳熱管的外壁面平均溫度Tw（）表示Tw= 8.5+21.26E E熱電偶測得的熱電勢 （mv）傳熱量Q可由下式求得： Q= w p（t2-t1）/3600 =Vp（t2-t1）/3600w 空氣質量流量（kg/h）V空氣體積流量（m3/h）t1,t2空氣進出口溫度（）實驗條件下的空氣流量V（m3/h）需按下式計算： 空氣入口溫度下的體積流量（m3/h） 空氣進出口平均溫度（）其中可按下式計算 P孔板兩端壓差（KPa）進口溫度下的空氣密度（kg/m3）強化傳熱被學術界稱為第二代傳熱技術，它能減小初設計的傳熱面積，以減小換熱器的體積和重量；提高現有換熱器的換熱能力；使換熱器能在較低溫差下工作；并且能夠減少換熱器的阻力以減少換熱器的動力消耗，更有效的利用能源和資金。強化換熱的方法有多種，本實驗裝置是采用在換熱器內管插入螺旋線圈的方法來強化傳熱的。在近壁區(qū)域，流體一面由于螺旋線圈的作用而發(fā)生旋轉，一面還周期性地受到線圈的螺旋金屬絲的擾動，因而可以使傳熱強化。強化傳熱時，Nu o = B Rem，其中B、m的值因螺旋絲尺寸不同而不同。同樣可用線性回歸方法確定B和m的值。單純研究強化手段的強化效果（不考慮阻力的影響），可以用強化比的概念作為評判準則，即強化管的努塞爾特準數Nu o與普通管的努塞爾特準數Nu 的比。顯然，強化比Nu o / Nu 1，而且它的值越大，強化效果越好。三、實驗裝置簡要說明本實驗采用列管式換熱器，熱空氣走管程，冷水走殼程。傳熱管參數 傳熱面積 0.4m2 不銹鋼孔板流量計的孔徑比 m = 17mm / 44mm0.39空氣進、出口測量段的溫度t1、t2采用電阻溫度計測量，在顯示儀表上直接讀數。換熱管的外壁面平均溫度Tw采用銅康銅熱電偶測量，在數字式毫伏計上顯示數值E?？諝庥秒娂訜崞骷訜岢隹跍囟瓤刂圃?60。四、實驗方法及步驟1、實驗前的準備，檢查工作。 打開冷水開關調制一定流量。檢查空氣流量旁路調節(jié)閥是否全開。檢查普通管支路各控制閥是否已打開。 接通電源總閘，啟動電加熱器開關，開始加熱。2、實驗開始。提前啟動鼓風機，約加熱十分鐘后，保證實驗開始時空氣入口溫度T1（）比較穩(wěn)定。調節(jié)空氣流量旁路閥的開度，使流量計讀數為所需的空氣流量值穩(wěn)定58分鐘左右讀取t1,t2,T1T2值以及流體流量。（注意：第一個數據點必須穩(wěn)定足夠的時間）重復與共做56個空氣流量值。最小最大流量值一定要做。整個實驗過程中，加熱電壓可以保持不變，也可隨空氣流量的變化做適當的調節(jié)。 測定56組實驗數據。4、實驗結束。 關閉加熱開關。 過5分鐘后關閉鼓風機，并將旁路閥全開。 切斷總電源。五、實驗注意事項1、實驗裝置儀表柜上的拉門學生不得隨便打開，以防觸電。2、注意要先開鼓風機再開加熱器，關閉時先關加熱器后關鼓風機電源。3、注意不要接觸加熱管以免燙傷。實驗四 篩板式精餾塔的操作及塔板效率的測定一、實驗目的1、了解篩板式精餾塔的結構2、熟悉篩板式精餾塔的操作方法3、測定全回流的總塔板效率二、基本原理1、精餾操作是分離工程中最基本最重要的單元之一。在板式精餾塔中，混合液在塔板上傳質、傳熱，氣相逐板上升，液相逐板下降，層層接觸，多次部分氣化，部分冷凝，在塔頂得到較純的輕組分，塔釜得到較純的重組分，從而實現分離，實驗物料是乙醇水系統(tǒng)。精餾塔塔板數的計算利用圖解的方法最簡便，對于二元物系，若已知其氣液平衡數據，則根據流出液的組成XD，料液組成XF，殘液組成XW及回流比R，很容易求出理論板數NT。本實驗采用全回流狀態(tài)下，通過測定塔頂，塔釜組成，確定出理論塔板數，計算出全塔效率：式中： 全塔效率 NT理論塔板數（塊） NP實際塔板數（塊） NP=7三、實驗簡要說明裝置 實驗裝置了為一小型篩板塔，共有七層篩板，板上開有2毫米篩孔8個，塔徑D0=50mm，板間距L=100mm,堰高h=10mm,塔體部分上中下各裝有一玻璃段，用以觀察塔板上氣泡接觸情況和回流情況。塔底有一加熱釜，裝有液位計、測壓接管、加料接管和釜液取樣口，塔頂有一蛇管式冷凝器，冷卻水走管內，蒸汽在管外冷凝，冷凝液可由塔頂全部回流，也可以由塔頂取樣管將冷凝液（餾出液）全部放出。另外，加熱釜裝有2KW電爐絲，用TDGC1/0.5型調壓器控制點加熱量，亦即塔內上升蒸汽量。塔頂和釜底的溫度用鉑電阻溫度指示儀記錄。四、實驗方法及注意事項1、首先熟悉精餾塔設備的結構和流程，并了解各部分的作用，然后檢查加熱釜中料液量是否適當，釜中液面必須浸沒電加熱器（約為液面計高2/3左右），釜內料液組成以含酒精15%20%（質量分率）的水溶液為宜。2、接通總電源，打開儀表柜上的電源和加熱開關，用調壓器逐漸加大電壓。電流大小由安培表指示，正常操作可控制在34安培。注意觀察塔頂、塔釜的溫度變化和第一塊塔板的情況，當見到有上升蒸汽時，打開冷卻水，冷卻水量可由轉子流量計觀察，大約60l/h，其用量能將全部酒精蒸汽冷卻下來即可，不必將水閥全部打開以造成浪費，但也要注意勿因冷卻水過少而使蒸汽從塔頂噴出。3、當各層塔板上汽液鼓泡正常是，操作穩(wěn)定，塔頂、塔釜溫度恒定不變15分鐘后取樣。由塔頂取樣管和塔底取樣口用錐型瓶接取適量試樣，取樣前應先取少量式樣沖洗錐型瓶一、二次。取樣后用塞子將錐型瓶塞嚴，并使其冷卻到2030之間。因為比重天平測錘上的溫度計最大刻度為30，而取出樣品溫度一般為7090，為了防止損壞測錘，所以要降溫；另外酒精組分與比重對照 表上只有2030之間的曲線，所以溫度又不可降到20以下。注意，一定要夾緊取樣管，接凈液滴后再拿開取樣瓶，避免滴在塔釜上。4、用比重天平測出比重。將取好的樣到入特制量筒中，裝滿為宜。然后根據液體比重天平測定比重的方法，分別測出塔頂、塔底試樣的比重。并由酒精組分比重對照表查得酒精重量百分比濃度。測完的樣品分別倒回原錐型瓶中。5、加大電流至4安培以上可以見到液泛現象。此時塔內壓力明顯增大。觀察后，將電流減小到0。6、關掉電源，一切恢復原來狀態(tài)，待塔內沒有回流時將冷卻水關閉。 實驗五 填料塔吸收實驗一、 實驗目的1、 了解加壓常壓填料塔吸收裝置的基本結構及流程；2、 掌握總體積傳質系數的測定方法；3、 測定填料塔的流體力學性能；4、 了解氣體空塔速度和液體噴淋密度對總體積傳質系數的影響；二、基本原理氣體吸收是典型的傳質過程之一。由于CO2氣體無味、無毒、廉價，所以氣體吸收實驗選擇CO2作為溶質組分是最為適宜的。本實驗采用水吸收空氣中的CO2組分。一般將配置的原料氣中的CO2濃度控制在10%以內，所以吸收的計算方法可按低濃度來處理。又CO2在水中的溶解度很小，所以此體系CO2氣體的吸收過程屬于液膜控制過程。因此，本實驗主要測定Kxa和HOL。1、計算公式填料層高度Z為 （11）式中：L 液體通過塔截面的摩爾流量，kmol / (m2s)； Kxa X為推動力的液相總體積傳質系數，kmol / (m3s)； HOL 傳質單元高度，m； NOL 傳質單元數，無因次。令：吸收因數A=L/mG （12）（13）2、測定方法（1）空氣流量和水流量的測定本實驗采用轉子流量計測得空氣和水的流量，并根據實驗條件（溫度和壓力）和有關公式換算成空氣和水的摩爾流量。（2）測定塔頂和塔底氣相組成y1和y2；（3）平衡關系。本實驗的平衡關系可寫成y = mx （14） 式中：m 相平衡常數，m=E/P；E 亨利系數，Ef(t)，Pa，根據液相溫度測定值由附錄查得；P 總壓，Pa，取壓力表指示值。對清水而言，x2=0,由全塔物料衡算 可得x1 。三、實驗裝置與流程1、裝置流程本實驗裝置流程如圖11所示：水經轉子流量計后送入填料塔塔頂再經噴淋頭噴淋在填料頂層。由風機輸送來的空氣和由鋼瓶輸送來的二氧化碳氣體混合后，一起進入氣體混合穩(wěn)壓罐，然后經轉子流量計計量后進入塔底，與水在塔內進行逆流接觸，進行質量交換，由塔頂出來的尾氣放空，由于本實驗為低濃度氣體的吸收，所以熱量交換可略，整個實驗過程可看成是等溫吸收過程。2、主要設備（1）吸收塔：高效填料塔，塔徑100mm，塔內裝有金屬絲網板波紋規(guī)整填料，填料層總高度1800mm。塔頂有液體初始分布器，塔中部有液體再分布器，塔底部有柵板式填料支承裝置。填料塔底部有液封裝置，以避免氣體泄漏。（2）填料規(guī)格和特性：金屬絲網板波紋填料：型號JWB700Y，填料尺寸為10050mm，比表面積700m2/m3。（3）轉子流量計：介質條 件最大流量最小刻度標定介質標定條件空氣4m3/h0.1 m3/h空氣20 1.0133105Pa40m3/hCO2160 L/h10 L/h空氣20 1.0133105Pa水1000L/h20 L/h水20 1.0133105Pa（4）旋渦氣泵：XGB11型，風量090m3/h，風壓14kPa；（5）二氧化碳鋼瓶；（6）氣相色譜儀（7）色譜工作站：上海天美四、實驗步驟與注意事項1、填料塔的流體力學性能測定 1）實驗步驟（1）熟悉實驗流程；（2）裝置上電，儀表電源上電，打開風機電源開關；（3）測定干塔填料塔的壓降，即在進水閥1關閉時，打開進氣閥2并調節(jié)流量從2、4、6、8、10 m3/h、至最大 ，分別讀取對應流量下的壓降值，注意塔底液位調節(jié)閥6要關閉，否氣體會走短路，尾氣放空閥4全開；（4）測定一定噴淋量時填料塔的壓降，即打開進水閥，設定一定的水流量值，如200、400、600、800l/h時，在對應的某水流量下，調節(jié)氣體的流量，從2、4、6、8、10 m3/h、至最大 （液泛），分別讀取對應流量下的壓降值，注意塔底液位調節(jié)閥6要調節(jié)液封高度，以免氣體走短路，尾氣放空閥4全開。2）注意事項（1）固定好操作點后，應隨時注意微調水、空氣流量調節(jié)閥以保持各量不變。2、填料塔的吸收傳質性能測定 1）實驗步驟（1）熟悉實驗流程和弄清氣相色譜儀及其配套儀器結構、原理、使用方法及其注意事項；（2）同上步驟（2）；（3）開啟進水總閥，使水的流量達到400l/h左右。讓水進入填料塔潤濕填料。（4）塔底液封控制：仔細調節(jié)閥門6的開度，使塔底液位緩慢地在一段區(qū)間內變化，以免塔底液封過高溢滿或過低而泄氣。（5）打開CO2鋼瓶總閥，并緩慢調節(jié)鋼瓶的減壓閥（注意減壓閥的開關方向與普通閥門的開關方向相反，順時針為開，逆時針為關），使其壓力穩(wěn)定在0.2Mpa左右；（6）仔細調節(jié)空氣流量閥2至4m3/h，并調節(jié)閥3來調節(jié)轉子流量計的流量，使CO2流量穩(wěn)定在120l/h；（7）仔細調節(jié)尾氣放空閥4的開度，直至塔中壓力穩(wěn)定在實驗值；（8）待塔穩(wěn)定后，讀取各流量計的讀數及通過溫度數顯表、壓力表讀取各溫度、壓力，通過六通閥在線進樣，利用氣相色譜儀分析出塔頂、塔底氣相組成；（9）增大水流量值至600l/h、800l/h，重復步驟（6）（7）（8），測定水流量增大對傳質的影響。（10）實驗完畢，關閉CO2鋼瓶總閥，再關閉風機電源開關、關閉儀表電源開關，清理實驗儀器和實驗場地。2）注意事項（1）固定好操作點后，應隨時注意微調各流量調節(jié)閥以保持各量不變。（2）在填料塔操作條件改變后，需要有一段的穩(wěn)定時間，一定要等到穩(wěn)定以后方能讀取有關數據。（3）吸收取樣時尾氣放空閥4不能全開，否則尾氣取樣可能失敗。（4）六通閥閥桿要么置于取樣要么置于放空，不能置于中間，否則會導致色譜鎢絲燒壞的嚴重事故。五、注意事項（1）首先開啟冷水開關。（2）檢查二氧化碳系統(tǒng)是否漏氣。演示實驗一 柏努利方程實驗一、實驗目的1、通過實測靜止和流動的流體中各項壓頭及其相互轉換，驗證流體靜力學原理和柏努力方程。2、通過實測流速的變化和與之相應的壓頭損失的變化，確定兩者之間的關系。二、基本原理 流動的流體具有三種機械能：位能、動能和靜壓能，這三種能量可以互相轉換。在沒有摩擦損失且不輸入外功的情況下，流體在穩(wěn)定流動中流過的各截面上的機械能總和是相等的。在有摩擦而沒有外功輸入時，任意兩截面間機械能的差即為摩擦損失。機械能可用測壓管中液柱的高度來表示。取任意兩測試點，列出能量衡算式：Z1，Z2兩測試點距基準面的高度。水溫可認為不變。對于水平測試管，Z1=Z2，則若u1=u2,則P2P1在不考慮阻力損失的情況下，即hf =0時，若u1u2 , p1p2；在靜止狀態(tài)下，即u1= u2= 0時，p1=p2。三、實驗裝置及儀器 裝置：一個液面高度保持不變的水箱，與管徑不均勻的玻璃實驗管連接，實驗管上取有不同的測試點由膠管連接。水的流量由出口閥門調節(jié)，出口閥關閉時流體靜止。儀器：（1）水箱 （3）溫度計 050 （2）玻璃實驗管（長100cm） （4）連通式壓差計四、實驗步驟1、給水箱注水，且保持一定的液面高度。2、打開出口閥，打開連通式壓差計上的排氣夾，排除系統(tǒng)內空氣。3、關閉出口閥，使系統(tǒng)內的流體靜止，觀察連通式壓差計各測壓管中的液面高度及水箱中的液面高度。4、打開出口閥，從小到大調節(jié)流量，觀察連通式壓差計各測壓管中的液面變化。5、關閉出口閥，恢復靜止狀態(tài)。五、實驗注意事項 必須將測試管中存在的氣體排凈。演示實驗二 雷諾實驗一、實驗目的1、建立對層流（湍流）和湍流兩種流動類型的直觀感性認識。2、觀測雷諾數與流體流動類型的相互關系。3、觀察層流中流體質點的速度分布。二、基本原理流體的流動類型與雷諾數的關系。雷諾（Reynolds）用實驗方法研究流體流動時，發(fā)現影響流動類型的因素除流速外，還有管徑（或當量管徑）d，流體的密度及粘度，由此四個物理量組成的無因次數群Re的值是判定流體流動類型的一個標準。 Re