化工基础实验培训讲义.docx

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化工基础实验培训讲义

合肥学院化学与材料工程系

实验五流体流动阻力测定

一、实验目的

1．掌握流体流经直管和管阀件时阻力损失的测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。

2．、测定水流过一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力损失Δpf，确定摩擦阻力系数λ和雷诺准数Re之间的关系。

将所得的λ~Re方程与公认经验关系比较。

3．测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ。

4．学会压差计和流量计的使用方法，了解差压变送器、功率传感器的工作原理。

熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦系数的工程意义。

5．观察组成管路的各种管件、阀件，了解其作用。

二、基本原理

流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。

1．沿程阻力

流体在水平均匀管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。

即

影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。

为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量综合成准数关联式。

根据因次分析，影响阻力损失的因素有，

（1）流体性质：

密度ρ，粘度μ；

（2）管路的几何尺寸：

管径d，管长l，管壁粗糙度ε；

（3）流动条件：

流速μ。

可表示为：

组合成如下的无因次式：

令

则

式中，

——压降Pa

hf——直管阻力损失J/kg，

ρ——流体密度kg/m3

λ——直管摩擦系数，无因次

l——直管长度m

d——直管内径m

u——流体流速，由实验测定m/s

λ——称为直管摩擦系数。

滞流（层流）时，λ＝64／Re；湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度的函数，须由实验确定.

2．局部阻力

局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。

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，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号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，而且在管路计算时．可将管路中的直骨长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为乙各种局部阻力的当量长度之和为

，则流体在管路中流动时的总阻力损失

为

阻力系数法

流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路小的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法。

即

式中，ξ——局部阻力系数，无因次；

u——在小截面管中流体的平均流速，m／s。

由于管件两侧距测压孔问的直管长度很短．引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。

因此hf之值可应用柏努利方程由压差计读数求取。

三、实验装置与流程

1．实验装置

图1-1实验装置流程图

实验装置如图1-1所示。

主要部分由离心泵，不同管径、材质的管子，各种阀门或管件，转子流量计等组成。

从上向下第一根为不锈钢光滑管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。

第三根为不锈钢管，其上装有待测管件（闸阀），用于局部阻力的测定。

流体温度有热电阻，流体流量由涡轮流量计测量，压差有压差变送器测量。

本实验的介质为水，由离心泵供给，经实验装置后的水通过管道流入储水箱内循环使用。

2．装置结构尺寸

装置结构尺寸如表1-1所示。

表1-1装置参数

名称

材质

管内径（mm）

测试段长度（m）

装置（1m）

装置（2c）

光滑管

不锈钢食品管

29.5

29.0

1.5

粗糙管

镀锌铁管

29.9

29.2

1.5

局部阻力

闸阀

35.86

35.86

图1-2：

控制柜面板

1、空气开关2、3、4电源指示灯5、流量控制仪6、6路巡检仪（单位m3／h）：

第一通道测量离心泵进口压力（单位：

kpa），第二通道测量离心泵出口压力（单位：

kpa），第三通道测量离心泵转速（单位：

r／min）第四通道测量流体阻力压差（单位：

pa）第五通道测量流体温度（单位：

摄氏度），第六通道没用，7、功率表（单位：

KW）8、仪表电源指示灯、9、仪表电源开关，10、变频器电源指示灯，11、变频器电源开关，12、离心泵电源指示灯、13、离心泵直接或变频器运行转换开关，14、离心泵启动按钮，15、离心泵停止按钮。

四、实验步骤及注意事项

1．灌泵

储水箱中出水到适当位置（大概三分之二处）关闭阀1、阀2、阀3、阀4、阀5、打开离心泵出口排气阀和进口灌水阀，用水杯从灌水阀灌水，气体从排汽阀排出，直到排水阀有水排出并且没有气泡灌水完毕，关闭排气阀和灌水阀。

2．启动水泵

打开控制柜上1空气开关，打开9仪表电源开关，仪表指示灯10亮，仪表上电，显示被测数据。

把转换开关转到直接位置，指示灯12亮，按一下离心泵启动按钮，离心泵运转，启动按钮指示灯亮，水泵启动完毕。

3．光滑管排气

先打开光滑管与差压变送器相连的阀门，粗糙管和局部阻力与差压变送器相连的阀门关闭，打开阀3和阀2，排出光滑管中的气体，关上阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，光滑管排气完毕。

4．光滑管实验

打开流体阻力监控软件数据班级、姓名、学号等信息，进入流体阻力实验，点击光滑管，调节阀2，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，但注意最大流量时压差不能超过10kpa，如果超过调节阀门2，使压差不超过10kpa。

光滑管数据采集完毕后，先关闭阀2和阀3，再关闭光滑管与差压变送器相连的两个阀门。

5.粗糙管实验

粗糙管排气与光滑管排气类似，先打开粗糙管与差压变送器相连的两个阀门，再打开阀4和阀2，排出粗糙管中的气体，关闭阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，粗糙管排气完毕。

点击粗粗管，调节阀2，，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，但注意最大流量时压差不能超过10kpa，如果超过调节阀门2，使压差不超过10kpa。

粗糙管数据采集完毕后，先关闭阀2和阀4，再关闭粗糙管与差压变送器相连的两个阀门。

6.局部阻力实验

局部阻力排气与光滑管排气类似，先打开局部阻力与差压变送器相连的两个阀门，再打开阀5和阀2，排出粗糙管中的气体，关闭阀2，打开差压变送器的两个排汽阀，排出管道中的气体，直到没有气泡排出为止，关闭差压变送器上的两个排汽阀，局部阻力排气完毕。

点击局部阻力，调节阀2，，每隔1m3／h采集一组实验数据（等数据稳定之后再采集），从2m3／h开始到最大流量，但注意最大流量时压差不能超过10kpa，如果超过调节阀门2，使压差不超过10kpa。

局部阻力数据采集完毕后，先关闭阀2和阀5，再关闭局部阻力与差压变送器相连的两个阀门。

流体阻力实验完毕。

7、数据处理

实验数据记录

序号

流量

L/s（湍流）或（L/h）（层流）

光滑管

kPa

粗糙管

kPa

局部阻力

kPa

压差

压差

压差

实验数据采集完毕，打开数据处理软件，打开实验数据，执行相应的软件功能，就可算出流体雷诺系数与摩擦因数的关系，执行绘图功能，就可绘出雷诺系数与摩擦因数的曲线关系，执行打印功能就可打印实验数据和实验处理结果。

五、实验报告

1．根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ~Re曲线，对照化工原理教材上有关图形，即可估出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。

2．根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。

3．根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。

4．对实验结果进行分析讨论。

注：

流体阻力控制仪表（AI－519）参数

P＝30I＝3D＝1

六、思考题

1．在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的流量调节阀?

为什么?

2．如何检验测试系统内的空气已经被排除干净?

3．以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体?

如何应用?

4．在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的λ~Re数据能否关联在同一条曲线上?

5．如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?

6．在直管阻力测量中，压差计显示的压差是否随着流量的增加而成线性增加？

分别就层流和湍流进行讨论。

实验六过滤常数的测定

一、实验目的

1．熟悉板框压滤机的构造和操作方法；

2．通过恒压过滤实验,验证过滤基本原理；

3．学会测定过滤常数K、qe、τe，并以实验所得结果验证过滤方程式，增进对过滤理论的理解；

4．改变压强差重复上述操作，测定压缩指数s和物料特性常数k；

5．了解操作压力对过滤速率的影响。

二、基本原理

过滤是以某种多孔物质作为介质来处理悬浮液的操作。

在外力作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截留下来，从而实现固液分离。

过滤操作中，随着过滤过程的进行，固体颗粒层的厚度不断增加，故在恒压过滤操作中，过滤速率不断降低。

影响过滤速率的主要因素除压强差、滤饼厚度外，还有滤饼和悬浮液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等，在低雷诺数范围内，过滤速率计算式为：

（1）

u：

过滤速度，m/sK’：

康采尼常数，层流时，K’＝5.0

ε：

床层空隙率，m3/m3μ：

滤液粘度，Pas

a：

颗粒的比表面积，m2/m3△p：

过滤的压强差，Pa

L：

床层厚度，m

由此可以导出过滤基本方程式：

（2）

V：

过滤体积，m3τ：

过滤时间，s

A：

过滤面积，m2Ve：

虚拟滤液体积，m3

r：

滤饼比阻，1/m2，r=5.0a2（1-ε）2/ε3r’：

单位压强下的比阻，1/m2，r=r’△ps

v：

滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次

S：

滤饼压缩性指数，无因次，一般S＝0～1，对不可压缩滤饼，S＝0

恒压过滤时，令k=1/μr’v，K=2k△p1-s，q=V/A，qe=Ve/A，对

（2）式积分得：

（q+qe）2=K（τ+τe）（3）

K、q、qe三者总称为过滤常数，由实验测定。

对（3）式微分得：

2（q+qe）dq=Kdτ

（4）

用△τ/△q代替dτ/dq，在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔△τi，和对应的滤液体积△Vi，可计算出一系列△τi、△qi、qi，在直角坐标系中绘制△τ/△q～q的函数关系，得一直线，斜率为2/K，截距为2qe/K，可求得K和qe，再根据τe=qe2/K，可得τe。

改变过滤压差△p，可测得不同的K值，由K的定义式两边取对数得：

lgK=（1-S）lg（△p）+lg（2k）（5）

在实验压差范围内，若k为常数，则lgK～lg（△p）的关系在直角坐标上应是一条直线，斜率为（1-S），可得滤饼压缩性指数S，进而确定物料特性常数k。

三、实验装置与流程

实验装置如图4-1、4-2所示：

图4-1板框压虑机过滤流程图

图4-1板框压滤机过滤流程

1-可移动框架2-阀23-止回阀4-压力料罐5-玻璃视镜6-压紧手轮7-压力表

8-板框组9-板框进口压力表10-压力定值调节阀12-阀1013-阀914-配料槽

15-指示尺16-阀617-阀718-阀819-阀520-阀421-阀322-阀1

CaCO3的悬浮液在配料桶内配制一定浓度后，利用压差送入压力料槽中，用压缩空气搅拌，同时利用压缩空气将滤浆送入板框压滤机过滤，滤液流入量筒计量，压缩空气从压力料槽排空管排出。

板框压虑机的结构尺寸：

框厚度11mm，过滤总面积0.048m2。

单个滤框面积＝0.006m2

空气压缩机规格型号：

V－0.08/8，最大气压0.8Mpa。

四、实验步骤与注意事项

（一）实验步骤：

1、配制含CaCO38％～13％（wt%）的水悬浮液。

2、开启空压机，打开阀2、阀3，关闭阀1阀4、阀5，将压缩空气通入配料槽，使CaCO3悬浮液搅拌均匀。

3、正确装好滤板、滤框及滤布。

滤布使用前用水浸湿。

滤布要绷紧，不能起皱（注意：

用螺旋压紧时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧）。

4、等配料槽料液搅拌均匀后，关闭阀3，打开阀5及压力料槽上的排气阀，使料浆自动由配料桶流入压力料槽至其视镜2/3处，关闭阀5。

5、打开阀4，通压缩空气至压力料槽，使容器内料浆不断搅拌。

压力料槽的排气阀应不断排气，但又不能喷浆。

6、调节压力料槽的压力到需要的值。

主要依靠调节压力料槽出口处的压力定值调节阀来控制出口压力恒定，压力料槽的压力由压力表读出。

压力定值阀已调好，从左到右分别为1#压力：

0.1MPa；2#压力：

0.2MPa；3#压力：

0.3MPa。

考虑各个压力值的分布，从低压过滤开始做实验较好。

7、放置好电子天平，按下电子天平上的“on”开关，打开电子天平，将料液桶放置到电子天平上。

打开并运行电脑上的“恒压过滤测定实验软件”，进入实验界面，做好准备工作，可以开始实验。

8、做0.1MPa压力实验：

并打开阀6、阀9及阀10开始加压过滤。

等流量稳定时，单击实验软件上的“0.1MPa压力实验”按钮，进行0.1MPa压力实验，实验软件自动计算时间间隔内的过滤量并记录数据，存储到数据库中，以供数据处理软件之用。

当实验数据组数做完后，软件自动停止。

9、做0.2MPa压力实验：

打开阀7、阀9及阀10开始加压过滤。

等流量稳定时，单击实验软件上的“0.2MPa压力实验”按钮，进行0.2MPa压力实验。

当实验数据组数做完后，软件自动停止。

10、做0.3MPa压力实验：

并打开阀8、阀9及阀10开始加压过滤。

等流量稳定时，单击实验软件上的“0.3MPa压力实验”按钮，进行0.3MPa压力实验。

当实验数据组数做完后，软件自动停止。

11、实验完成后打开数据处理软件进行数据处理。

12、手动实验时每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时候作为开始时刻，每次△V取800ml左右，滤液量可以由电子天平处读出。

记录相应的过滤时间△τ及滤液量。

每个压力下，测量8～10个读数即可停止实验。

13、每次滤液及滤饼均收集在小桶内，滤饼弄细后重新倒入料浆桶内，实验结束后要冲洗滤框、滤板及滤布不要折，应用刷子刷。

（二）注意事项：

1．在夹紧滤布时，千万不要把手指压伤，先慢慢转动手轮使板框合上，然后再压紧。

2．滤饼及滤液循环下次实验可继续使用。

五、实验报告

实验数据列于表4-1中。

计算结果列于表4-2中。

表4-1实验数据

△p＝1.0kg/cm2

△p＝1.5kg/cm2

△p＝2.0kg/cm2

△V（ml）

△τ（s）

△V（ml）

△τ（s）

△V（ml）

△τ（s）

表4-2计算结果

△p＝1.0kg/cm2

△p＝1.5kg/cm2

△p＝2.0kg/cm2

△q

（m3/m2）

△τ/△q

（sm2/m3）

q

（m3/m2）

△q

（m3/m2）

△τ/△q

（sm2/m3）

q

（m3/m2）

△q

（m3/m2）

△τ/△q

（sm2/m3）

q

（m3/m2）

表4-3不同压力下的K值

△p（kg/cm2）

过滤常数K（m2/s）

1.0

1.5

2.0

1、以累计滤液量q对τ作图；

2、以

对

作图。

求出过滤常数

和

，并写出完整的过滤方程式；

3．求出洗涤速率，并与最终过滤速率进行比较；

六、思考题

1．当操作压强增加一倍，K值是否也增加一倍？

要得到同样的过滤液，过滤时间是否缩短一半？

2．为什么过滤开始时，滤液常常有点混浊，过段时间后才变清？

3．在过滤中，初始阶段为什么不能采取恒压操作？

4．如果滤液的粘度比较大，你考虑用什么方法改善过滤速率？

5．滤浆的浓度和过滤压差对过滤常数K有何影响？

实验七填料吸收塔体积传质系数的测定

一、实验目的

1．了解填料塔吸收装置的基本结构及流程；

2．掌握总体积传质系数的测定方法；

3．了解气体空塔速度和液体喷淋密度对总体积传质系数的影响；

二、基本原理

气体吸收是典型的传质过程之一。

由于CO2气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验常选择CO2作为溶质组分。

本实验采用水吸收空气中的CO2组分。

一般CO2在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的CO2气体通入空气中混合以提高空气中的CO2浓度，水中的CO2含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理，并且此体系CO2气体的解吸过程属于液膜控制。

因此，本实验主要测定Kxa和HOL。

1．计算公式

填料层高度Z为

式中：

L液体通过塔截面的摩尔流量，kmol/（m2·s）；

Kxa以△X为推动力的液相总体积传质系数，kmol/（m3·s）；

HOL液相总传质单元高度，m；

NOL液相总传质单元数，无因次。

令：

吸收因数A=L/mG

2．测定方法

（1）空气流量和水流量的测定

本实验采用转子流量计测得空气和水的流量，并根据实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和水的摩尔流量。

（2）测定填料层高度Z和塔径D；

（3）测定塔顶和塔底气相组成y1和y2；

（4）平衡关系。

本实验的平衡关系可写成

y=mx

式中：

m相平衡常数，m=E/P；

E亨利系数，E＝f（t），Pa，根据液相温度由附录查得；

P总压，Pa，取1atm。

对清水而言，x2=0,由全塔物料衡算

可得x1。

三、实验装置

1．装置流程

实验装置如图1所示。

本实验装置流程：

由自来水来的水经离心泵加压后送入填料塔塔顶经喷头喷淋在填料顶层。

由压缩机送来的空气和由二氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后，一起进入气体中间贮罐，然后再直接进入塔底，与水在塔内进行逆流接触，进行质量和热量的交换，由塔顶出来的尾气经转子流量计后放空，由于本实验为低浓度气体的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程看成是等温操作。

图1吸收装置流程图

1、2-手阀3-取样口4-排气口5-取样口6-有机玻璃塔节7-喷淋头8-压力表9-气体流量调节阀门10-气体转子流量计11-气体取样口12-气体温度传感器13-仪表控制箱14-液体温度传感器15-液体流量调节阀16-液体转子流量计17-压力表18-压力定值调节阀19-空气压缩机20-CO2钢瓶21-减压阀

2．主要设备

（1）吸收塔：

高效填料塔，塔径100mm，塔内装有金属丝网板波纹规整填料，填料层总高度1200mm。

塔顶有液体初始分布器，塔中部有液体再分布器，塔底部有栅板式填料支承装置。

填料塔底部有液封装置，以避免气体泄漏。

（2）填料：

金属丝网板波纹规整填料，规格：

Φ100×100。

（3）转子流量计；

介质

条件

最大流量

最小刻度

标定介质

标定条件

空气

4m3/h

0.4m3/h

空气

20℃1.0133×105Pa

CO2

250L/h

25L/h

空气

20℃1.0133×105Pa

水

600L/h

60L/h

水

20℃1.0133×105Pa

（4）空压机：

压力0.8MPa，排气量0.08m3/min；

（5）二氧化碳钢瓶钢瓶；

四、实验步骤与注意事项

1.实验步骤

（1）熟悉实验流程及其配套仪器结构、原理、使用方法及其注意事项；

（2）打开仪表电源开关；

（3）开启液体调节阀门，让水进入填料塔润湿填料，仔细调节液体调节阀门，使液体转子流量计流量稳定在某一实验值。

（塔底液封控制：

仔细调节阀门2的开度，使塔底液位缓慢地在一段区间内变化，以免塔底液封过高溢满或过低而泄气；

（4）启动空压机，打开CO2钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀（注意减压阀的开关方向与普通阀门的开关方向相反，顺时针为开，逆时针为关），使其压力稳定在0.1～0.2Mpa左右；

（5）调节CO2转子流量计的流量，使其稳定在某一值；

（6）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数，并读取各温度读数，进行取样并分析出塔顶、塔底气相组成；

（7）实验完毕，关闭CO2转子流量计，液体转子流量计，再关闭空压机电源开关，清理实验仪器和实验场地。

2．注意事项

（1）固定好操作点后，应随时注意调整以保持各量不变。

（2）在填料塔操作条件改变后，需要有较长的稳定时间，一定要等到稳定以后方能读取有关数据。

（3）由于CO2在水中的溶解度很小，因此，在分析组成时一定要仔细认真，这是做好本试验的关键。

五、实验数据记录及处理

序号

项目

1

2

3

33..014777

4

5

6

7

空气

流量计显示值，m3/hr

计前表压，mmH2O

温度，℃

CO2

流量计显示值，m3/hr

计前表压，mmH2O

温度，℃

水量

流量计显示值，m3/hr

温度，℃

压力

大气压，kPa

塔顶表压，mmH2O

填料层表压，mmH2O

湿式流量计

初读数

终读数

压力降，mmH2O

温度，℃

1．在双对数坐标纸上绘图表示二氧化碳解吸时体积传质系数、传质单元高度与气体流量的关系。

2．列出实验结果与计算示例。

六、思考题

1．本实验中，为什么塔底要有液封？

液封高度如何计算？

2．测定Kxa有什么工程意义？

3．当气体温度和液体温度不同时，应用什么温度计算亨利系数？

附：

二氧化碳液相浓度的气敏电极分析法

1．原理

二氧化碳气敏电极是基于界面化学反应的敏化电极，实际上是一种化学电池，它以平板玻璃电极为指示电极Ag—AgCl为外参比电极，这对电极组装在一个套管中，管中盛有电解质溶液（电极内充液），