化工原理实验讲义.docx
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化工原理实验讲义
化工原理实验讲义
化学化工学院实验中心
2015.04
实验1雷诺实验--------------------------------------2
实验2柏努利实验------------------------------------4
实验3流体阻力测定实验------------------------------6
实验4离心泵性能测定和流量计标定实验----------------10
实验5传热实验--------------------------------------16
实验6精馏实验--------------------------------------20
实验7过滤实验--------------------------------------24
实验8氧解吸实验------------------------------------29
实验9液—液萃取实验--------------------------------36
实验10干燥速率曲线测定实验--------------------------41
实验11管路拆装实训----------------------------------45
实验1雷诺实验
一、目的
1．观察流体在层流和湍流时两种不同的流动形态，观察层流时流体在导管中的速度分布。
2．测定各种流动状态下的Re，建立层流、湍流与Re之间的联系。
二、原理
1．层流与湍流的根本区别，在于流体内部质点的运动方式不同。
层流时，流体的质点沿着与管轴平行的方向成直线运动，互不碰撞，互不混合，湍流时流体质点的运动是不规则的，质点之间发生剧烈的碰撞与混合并导致整个流体的湍动，无论层流和湍流，管壁处速度都为零，离开管壁以后速度渐快，管中心处速度最大。
层流时，速度沿管子的直径按抛物线的规律分布。
2．流体流动状态是由多方面因素决定的，把这些因素组合成，称为雷诺准数（Re），根据Re的数值，可判断流动属于层流还是湍流。
三、实验设备及流程
实验装置如图所示。
试验时水由稳压水槽进入玻璃管，此玻璃管供观察流体流动形态和层流时导管中流速分布之用。
为了使玻璃管内的流动稳定，槽内设有缓冲器和溢流器，实验时应维持稳压水槽液面稳定。
四、实验步骤
1．层流速度分布演示
先将流量计后的出口调节阀关闭，将水加满整个试验系统，并保持溢流水槽内有一定的溢流量。
打开示踪剂管路阀，让示踪剂充满整个试验导管的截面，再调节自由夹至能观察到管内红色细流。
少许开启转子流量计调节阀，将流量调至最小，以便观察稳定的层流流型及层流时流体在管截面上的速度分布（切勿扰动）。
2．测定各种流动状态下的雷诺数
（1）逐渐开启调节阀直至试验导管内直线流动的示踪剂细流开始发生波动，记录临界点水的流量和温度。
（2）继续缓慢增大调节阀的开度，当流量增大到某一数值后，示踪剂一进入试验导管，立即被分散，呈烟雾状，表明此时已是湍流流型，记下此时的流量和温度。
（3）反复进行3-4次操作，以取平均值。
（4）实验过程中应防止稳压槽内液面下降或溢出水槽。
操作时要轻巧缓慢，切勿碰撞设备；待状态确实稳定之后再调节或记录数据。
五、实验报告内容
1．记述层流时导管中流速分布情况
2．列表记述流量，雷诺数和墨水线形状之间的关系。
3．以公式计算各组雷诺数数值。
式中：
d——导管内径，m
u——流体速度，m/s
——操作温度下的流体密度，kg/m3
——操作温度下流体粘度，NS/m2
4．分析实验结果。
注：
玻璃管内径20.0mm
实验2柏努利实验
一、目的
1、验证柏努利方程。
研究流体各种能量形式之间的关系及转换，加深对柏努利方程几何意义的理解和认识。
2、学会各种压头的测试和计量方法。
3、了解一种测量流体流速方法—皮托管测速方法的原理。
二、实验装置及工作原理
柏努利方程实验装置示意图如下图所示。
主要由稳压水槽、实验导管、测压管等组成。
恒定流以一定流量流经实验管道时，通过布设在实验管A、B、C、D四个截面上的测压管（8根），可以观察到相应截面上的各压头的高低，从而可以分析管道中稳定液流的各种能量形式、大小及其相互转化关系。
实验管上每个测量截面上的一组测压管都相当于一个皮托管，实验测得的动压头代表了轴心处的最大流速。
，为相应截而上两侧压管的动压头差（即流速水头）。
三、实验操作
1、开进水阀门，将水灌满稳压溢流水槽，让水大流量通过试验导管，以赶走管内气泡。
同时注意赶走测压管内气泡。
2、关闭进水阀和试验导管出口调节阀，观察和测定流体处于静止状态时A、B、C、D各点处的静压头。
3、调节进水管调节阀，使溢流水槽中有足够的水溢出，再缓慢开启试验导管出口调节阀，使管内水流动，待流动状态稳定，开始观察比较流体在流动状态下各测试点的压头变化。
4、连续缓慢的开启试验导管的出口调节阀，加大流量，测量流体在不同流量下各测试点的静压头、动压头和压头损失。
操作应谨慎，切勿损坏玻璃仪器，应待状态确实稳定后再观察实验现象或记录数据。
四、实验数据记录与处理
解释所看到的实验现象，运用柏努利方程进行分析各压头的变化规律。
A
B
C
D
1
总压头
测压管压头
静压头
压头损失hW
轴心速度u（m/s）
2
总压头
测压管压头
静压头
压头损失hW
轴心速度u（m/s）
实验管中心线距基准线的高度Z（即位压头）（mm）
实验管测试截面的内径（mm）
静压头（mm）
实验3流体阻力测定实验
一、实验的主要内容：
1．测定实验管路内流体流动的直管阻力和直管摩擦系数。
2．测定管路内流体流动的直管摩擦系数与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系曲线。
3．在本实验压差测量范围内，测量阀门的局部阻力系数
二、设备的主要技术数据
1.被测直管段：
光滑管管径d—0.0080（m）管长L—1.70（m）材料：
不锈钢
粗糙管管径d—0.010（m）管长L—1.70（m）材料：
不锈钢
2.玻璃转子流量计：
型号
测量范围
精度
LZB—25
100~1000（L/h）
1.5
LZB—10
10~100（L/h）
2.5
3.压差传感器：
型号：
LXWY
测量范围：
200KPa
4.数显表：
型号：
AI-501
测量范围：
0~200Kpa
5.变频器：
型号：
N2-401-H规格：
（0-50）Hz
6.数显温度计：
AI-501B
三、实验设备
实验设备流程见图3-1。
水泵将水箱中的水抽出，送入实验系统，经玻璃转子流量计2、3测量流量，然后送入被测直管段测量流体流动的阻力，经回流管流回水箱。
被测直管段流体流动阻力ΔP可根据其数值大小分别采用压差变送器或空气—水倒置Ｕ型管来测量。
1-出口调节阀；2-小流量计阀；3-大流量计阀；4-光滑管阀；5-粗糙管阀；
6-局部阻力阀；7，8-光滑管测压阀；9，10-粗糙管测压阀；
11，12-测局部阻力远端阀；13，14-测局部阻力近端阀；15，16-测文丘里流量计压差阀；17，18-倒U型管排水阀；
19，20-倒U型管测压阀；21-倒U型管放空阀（平衡阀）；22-水箱放水阀。
四、实验方法：
（1）向水箱内注满蒸馏水。
（2）首先将全部阀门关闭，打开总电源开关，用变频调速器启动离心泵。
顺序将阀门4、5、6、2、3打开，大流量状态下把实验管路中的气泡赶出。
（3）把阀门4打开，作流体光滑管阻力实验。
当流量为0时打开19、20两阀门，若空气—水倒置Ｕ型管内两液柱的高度差不为0，则说明系统内有气泡存在，需赶净气泡方可测取数据。
赶气泡的方法：
打开阀门19、20、21，开小流量后关闭流量为0，排出导压管内的气泡，直至排净为止。
关闭19、20两阀门，分别慢慢打开阀门17、18两阀门，使倒置U形管液柱降至中部，使管内形成气—水柱。
此时关闭倒U型管放空阀，在流量为0时打开19、20两阀门，管内液柱高度差应为零。
若不为0，导压管内存在气泡，应重新赶气泡。
如果气泡特别多，可打开2个缓冲罐排气，至有水流出。
必须在两液面等高时，才可开始测量，同时读取压差计读数，以校核仪表误差。
（4）在流量稳定的情况下，测得直管阻力压差。
数据顺序可从大流量至小流量，反之也可，一般测15~20组数。
建议当流量读数小于200L/h时，只用空气—水倒置Ｕ型管测压差。
（5）待数据测量完毕，关闭流量调节阀，切断电源。
（6）粗糙管、局部阻力测量方法同前。
五、实验注意事项：
1.利用压力传感器测大流量下ΔP时，应切断空气一水倒置U型管19、20两阀门否则影响测量数值。
2.在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定后方可记录数据。
3.若较长时间内不做实验，放掉系统内及储水槽内的水。
4.该装置应良好地接地。
5.启动离心泵前，关闭压表和真空表的开关以免损坏压力表。
六、实验数据的处理
（要求有数据处理表格和绘图，并且有计算示例）
1、流体直管段阻力的测量
在被测直管段的两取压口之间列柏努利方程式，可得：
符号意义：
d—管径（m）L—管长（m）u—流体速度（m/s）
ΔPf—直管阻力引起的压降（N/m2）—流体密度
—流体粘度（Pa.s）—摩擦阻力系数Re—雷诺准数
测得一系列流量下的ΔPf之后，根据式
（1），（3）计算出不同流速下的值。
用式（4）计算出Re值，从而整理出—Re之间的关系，在双对数坐标纸上绘出—Re曲线。
2、局部阻力系数
的测定
式中：
局部阻力系数，无因次；局部阻力引起的压强降，Pa；
局部阻力引起的能量损失，J／kg。
图4-2局部阻力测量取压口布置图
局部阻力引起的压强降可用下面的方法测量：
在一条各处直径相等的直管段上，安装待测局部阻力的阀门，在其上、下游开两对测压口a-a'和b-b＇，
见图4-2，使ab＝bc；a＇b＇＝b＇c＇
则△Pf，ab＝△Pf，bc；△Pf，a＇b＇=△Pf，b＇c＇
在a～a＇之间列柏努利方程式：
Pa－Pa’=2△Pf,ab+2△Pf,a’b’+△P＇f（a）
在b～b＇之间列柏努利方程式：
Ｐb－Ｐb＇=△Pf，bc+△Pf，b＇c＇+△P＇f=△Pf，ab+△Pf，a＇b＇+△P＇f（b）
联立式（a）和（b），则：
＝2（Pb－Pb＇）－（Pa－Pa＇）
为了实验方便，称（Pb－Pb＇）为近点压差，称（Pa－Pa＇）为远点压差。
用差压传感器来测量。
计算表格如下表3-1。
表3-1、流体阻力实验数据记录（第一套光滑管内径mm、管长m）
（液体温度℃液体密度ρ=kg/m液体粘度μ=mPa.S）
压差读数初始值0.0kPa
序号
流量（l/h）
直管压差ΔP
ΔP
流速u
Re
λ
（kPa）
（mmH2o）
（Pa）
（m/s）
1
1000
85.0
2
900
70.0
18
20
16
19
10
10
λ=129.54/Re
实验4离心泵性能测定和流量计标定实验
一、实验目的：
1、练习离心泵的操作。
2、测定某型号离心泵在一定转速下，H（扬程）、N（轴功率）、（效率）与Q（流量）之间的特性曲线。
3、测定流量调节阀某一开度下管路特性曲线。
4、了解文丘里及涡轮流量计的构造及工作原理。
5、测定节流式流量计（文丘里）的流量标定曲线。
6、测定节流式流量计的雷诺数Re和流量系数C的关系。
二、实验原理：
1、离心泵性能的测定
离心泵是最常见的液体输送设备。
在一定的型号和转速下，离心泵的扬程H、轴功率及效率均随流量Q而改变。
通常通过实验测出H—Q、N—Q及—Q关系，并用曲线表示之，称为特性曲线。
特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用泵的重要依据。
泵特性曲线的具体测定方法如下：
（1）H的测定
在泵的吸入口和压出口之间列柏努利方程
上式中是泵的吸入口和压出口之间管路内的流体流动阻力，与柏努利方程中其它项比较，值很小，故可忽略。
于是上式变为：
将测得的和的值以及计算所得的代入上式即可求得H的值。
（2）N的测定
功率表测得的功率为电动机的输入功率。
由于泵由电动机直接带动，传动效率可视为1.0，即：
泵的轴功率N＝电动机的输出功率，kw
电动机的输出功率＝电动机的输入功率×电动机的效率
泵的轴功率＝功率表的读数×电动机效率，kw。
（3）的测定
式中——泵的效率； N——泵的轴功率，kw
——泵的有效功率，kw H——泵的压头，m
Q——泵的流量，m3/s ——水的密度，kg/m3
2、流量计的测定
流体通过节流式流量计时在流量计上、下游两取压口之间产生压强差，它与流量的关系为：
式中：
Vs-被测流体（水）的体积流量，m3/s；
C0-流量系数，无因次；
AO-流量计节流孔截面积，m2；
-流量计上、下游两取压口之间的压强差，Pa；
-被测流体（水）的密度，kg／m3。
用涡轮流量计作为标准流量计来测量流量Vs。
每一个流量在压差计上都有一对应的读数，将压差计读数△P和流量Vs绘制成一条曲线，即流量标定曲线。
同时用上式整理数据可进一步得到C0—Re关系曲线。
3、管路特性曲线测定
置流量调节阀1为某一固定流量状态，调节离心泵电机频率，调节范围（50～0Hz），使管路特性状态改变。
每改变电机频率一次，记录涡轮流量计所测流量、泵入口真空度及泵出口压强，从而得到H与Q之间的特性曲线。
三、实验装置与流程
实验设备流程见下图１。
设备的主要技术数据为：
1.离心泵
（1）功率测量：
功率表。
型号AI-501精度1.0级
（2）泵吸入口真空度的测量：
真空表。
表盘真径-100mm测量范围-0.1-0MPa精度1.5级。
真空表测压位置管内径d1=0.025m。
（3）泵出口压力的测量：
压力表。
表盘直径-100mm测量范围0-0.25MPa精度1.5级。
压强表测压位置管内径d2=0.045m。
（4）真空表与压强表测压口之间的垂直距离h0=0.355m；
（5）电机效率为60%
2.流量测量：
涡轮流量计：
（单位：
m3/h）
文丘里流量计文丘里喉径：
0.020m实验管路管径：
0.045m，
3.压差测量
压差传感器：
型号：
LXWY
测量范围：
200KPa
压差数显表：
型号：
AI-501
测量范围：
0~200Kpa
4.变频器：
型号：
N2-401-H规格：
（0-50）Hz
5.数显温度计：
AI-501B
水泵将水箱内的水输送到实验系统，用流量调节阀1调节流量，流体经涡轮流量计计量，通过文丘里流量计回到储水槽。
同时测量文丘里流量计两端的压差、离心泵进出口压力、离心泵电机输入功率。
1-出口调节阀；2-小流量计；3-:
大流量计阀；4-光滑管阀；5-粗糙管阀；6-局部阻力阀；7，8-光滑管测压阀；9，10-粗糙管测压阀；11，12-测局部阻力远端阀；13，14-测局部阻力近端阀；15，16-测文丘里流量计压差阀；17，18-倒U型管排水阀；19，20-倒U型管测压阀；21-倒U型管放空阀（平衡阀）；22-水箱放水阀。
四、实验方法：
1、离心泵性能的测定：
（1）首先将全部阀门关闭。
打开总电源开关，用变频调速器启动离心泵。
（2）缓慢打开调节阀1至全开。
待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。
（3）测取数据的顺序可从最大流量至0，或反之。
一般测10~12组数据。
（4）每次测量同时记录：
涡轮流量计流量、压力表、真空表、功率表的读数及流体温度。
2、流量计性能的测定：
（1）首先将全部阀门关闭。
打开总电源开关，用变频调速器启动离心泵。
（2）缓慢打开调节阀1至全开。
待系统内流体稳定，即系统内已没有气体，
打开文丘里流量计导压管开关，在涡轮流量计流量稳定的情况下，测得文丘里流量计两端压差。
（3）测取数据的顺序可从最大流量至0，或反之。
一般测10~12组数据。
（4）每次测量应记录：
涡轮流量计流量频率、文丘里流量计两端压差及流体温度。
3、管路特性的测量：
（1）首先将全部阀门关闭。
打开总电源开关，用变频调速器启动离心泵。
置流量调节阀1为某一状态（使系统的流量为某一固定值）。
（2）调节离心泵电机频率以得到管路特性改变状态。
调节范围（50—0Hz）
（3）每改变电机频率一次，记录以下数据：
涡轮流量计的示值、泵入口真空度、泵出口压强。
（4）实验结束，关闭调节阀，停泵，切断电源。
五、实验注意事项：
1.利用压力传感器测大流量下ΔP时，应切断空气～水倒置U型管19、20两阀门，否则影响测量数值。
2.在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。
3.启动离心泵前，关闭压表和真空表的开关以免损坏压力表。
六、实验数据的处理
（要求有数据处理表格、图，并且有计算示例）
1、离心泵性能的测定
①流量Q由涡轮流量计直接读出。
②H的测定：
③N的测定：
泵的轴功率=功率表的读数×电动机效率，kw。
④的测定
表1离心泵性能测定实验数据记录（第一套）
（液体温度23.6℃液体密度ρ=996.85kg/m、泵进出口高度=0.355米）
序号
涡轮流量计
入口压力P1
出口压力P2
电机功率
流量Q
压头H
泵轴功率N
η
（m＾3/h）
（MPa）
（MPa）
（kw）
（m＾3/h）
（m）
（w）
（%）
1
10.09
0.032
0.048
0.75
10.09
6.9
450
42.4
11
3.01
0.002
0.185
0.51
3.01
19.3
306
51.8
12
0
0
0.215
0.37
0.00
22.3
222
0.0
2、流量计的标定：
涡轮流量计：
10.09（m3/h）流量计压差：
47.0kpa
流量标定曲线见图二。
同时用上式整理数据可得到C0—Re关系曲线见图三。
表2流量计性能测定实验数据记录（第一套）
（液体温度_℃液体密度kg/m）
序号
涡轮流量计
压差
流速u
Re
Co
（m3/h）
kpa
（m/s）
1
10.09
2
9.46
11
1.8
12
0
3、管路特性测定的计算过程与1相同。
表3离心泵管路特性曲线（第一套）
液体温度_℃液体密度kg/m3泵进出口高度=0.355米
序号
电机频率
涡轮流量计
入口压力P1
出口压力P2
流量Q
压头h
Hz
（m3/h）
（MPa）
（MPa）
（m3/h）
（m）
1
50
10.36
0.0310
0.050
2
48
10.10
0.0290
0.045
10
33
6.92
0.0130
0.022
11
30
6.50
0.0110
0.020
12
20
4.30
0.0050
0.010
13
10
2.00
0.0000
0.005
14
0
0.00
0.0000
0.000
实验5传热实验
一、实验目的及任务
1、掌握传热膜系数
及传热系数
的测定方法。
2、通过实验掌握确定传热膜系数准数关联系中系数A和指数
、
的方法。
3、通过实验提高对
准数关联式的理解，并分析影响
的因素，了解工程上强化传热的措施。
二、基本原理
1、流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为：
对于强制对流
准数可以忽略，则
可用最小二乘法计算上述准数关联式中的指数
、
和系数A。
本实验中采用图解法对此方程进行关联，要对不同的
、
分别回归，并简化方程，即取
（流体被加热）。
这样方程变为单变量方程，在两边取对数，即得直线方程：
在双对数坐标中作图，找出直线斜率，即为方程的指数
。
在直线上任取一点的函数值代入方程中，则可得到系数A，即
2、方程的关联，首先要有
、
、
的数据组。
其准数定义式分别为：
，
，
实验中通过改变空气的流量以改变
准数的值。
根据定性温度（空气进出口温度计算对应的
准数值。
同时，由牛顿冷却定律求出不同流速下的传热膜系数
值，进而计算
准数值。
牛顿冷却定律：
（
式中：
传热量可由下式求得
式中：
若实验中的空气的体积流量由孔板流量计测得，其流量
与孔板流量计压降
的关系为:
式中：
；
。
三、装置和流程
1、设备说明
本实验中空气走内管，加热蒸汽走环隙（玻璃管）。
内管为黄铜管，其内径为0.020m，有效长度为1.25m。
空气进、出口温度和管壁温度分别由铂电阻（Pt100）和热电偶测得，测量空气进、出口的铂电阻置于进、出口管的中心。
测量管壁温度用热电偶固定在管外壁两端。
流量由玻璃转子流量计测得（孔板流量计压差由压差传感器测得）。
实验使用的蒸汽发生器由不锈钢材料制成，装有玻璃液位计，加热功率为1.5kw，风机采用XGB型漩涡气泵，最大压力为17.50kPa，最大流量为100m3/h。
2、采集系统说明
实验中温度的测量采用人工智能仪表直接读取，流量的测量可通过流量计的刻度线直接读取。
（若流量由孔板压差计测量，则采用的压力传感器为：
ASCOM5320型压力传感器，其测量范围为0－20kPa，由人工智能型仪表直接读数）
实验中的测量点分别为：
玻璃转子流量计流量、进口温度、出口温度和两个壁温。
3、流程说明
本实验装置流程图如下图所示，冷空气由风机输送，经玻璃转子流量计计量后，进入换热管内管，并与套管环隙中的水蒸气换热。
空气被加热后，排入大气，空气的流量由空气流量调节阀调节。
蒸汽由蒸汽发生器上升进入套管环隙，与内管中冷空气换热后冷凝，再由回流管返回蒸汽发生器。
放气阀门用于排放不凝气体。
在铜管之前设有一定长度的稳定段，用于消除端效应。
铜管两端用塑料管与管路相连，用于消除热效应。
四、操作要点
1、实验开始前，先弄清配电箱上各按钮与设备的对应关系，以便正确开启按钮。
2、检查蒸汽发生器的水位，使其保持在水罐高度的1/2－2/3，并打开加热电源，生产蒸汽。
3、打开仪表开关，查看各显示仪表是否正常。
4、实验开始，关闭蒸汽发生器补水阀，打开放气阀，启动风机。
5、将空气流量控制在某一
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