化原课内实验教材给学生汇总.docx
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化原课内实验教材给学生汇总
前言
引世纪人类将进入知识经济的时代，人们正将其视为继农业经济、工业经济之后人类社会所面临的又一次生产方式、生活方式乃至思维方式的历史性变革。
面对知识经济的到来，我国高等教育改革势在必行，以培养出知识面宽广且具有较强创新能力的人才。
化工基础实验作为化工类创新人才培养过程中重要的实践环节，在化工教育中起着重要的作用，它具有直观性、实践性、综合性和创新性，而且还能培养学生具有一丝不苟、严谨的工作作风和实事求是的工作态度。
因此，以培养实验研究过程中所需的各种能力和素质为目的，以强化创新能力为重点，对化工基础实验进行了相应的改革，更新了全部实验内容。
更新后的实验主要是符合"素质教育"需要的综合型、研究型、设计型实验，同时实验设备也达到了国内领先水平。
本书作为化工原理实验的指导书，其具有如下特点：
（l）将实验研究过程中所需要的各种能力，通过不同的实验来培养；而工作作风和态度的培养则贯穿于每个实验环节。
（2）实验内容通过必做和选做的结合，来达到因材施教的目的。
（3）实验内容尽可能接近工厂实际，以训练工程能力。
本书由谢远红，吴国宏统稿编写，由熊何健，王美贵修改。
由于编者水平有限、时间仓促，书中难免有不妥和错误之处，恳切希望读者批评指出。
实验守则
要讲究科学态度，要遵守课堂纪律，
要敢于实事求是，要勤子动脑动手，
要尊重老师指导，要爱护仪器设备，
要注意人身安全，要保持环境卫生。
实验要求
1．实验前必须到现场结合实验装置，进行实验预习，列出书写报告所需要的原始数据表，并通过老师的检查提问，方可参加实验。
2．实验做完后，所记录的数据经指导老师检查合格后，才可结束实验；实验若有短缺或不合理应该补全或重做。
结束实验后，指导老师在原始数据表上签字。
3．实验结束后，应将使用的仪器设备整理复原。
检查水源、电源、汽源等是否已确实关断，并将场地打扫干净。
4．实验后要认真写实验报告，报告要求独立完成，若发现彼此抄袭，对有关的所有人都给低于及格分数线的低分。
5．实验报告中，除了包括实验数据与计算结果的表格以及需要的标绘曲线外，还必须有计算举例。
同组每个人取实验的不同序号进行举例，列出全部数字运算过程：
若发现同组中两人用相同的序号进行计算举例，则两人的报告均给低分。
对实验所测得的数据结果做必要的分析、讨论。
实验一流体流动综合实验
一、实验目的
1．学习直管摩擦阻力ΔPf和直管摩擦系数λ的测定方法。
2．掌握直管摩擦系数λ与雷诺数Re和相对粗糙度之间的关系及其变化规律。
3．掌握局部阻力的测量方法。
4．学习压强差的几种测量方法和技巧。
5．掌握坐标系的选用方法和对数坐标系的使用方法。
二、实验内容
1．测定实验管路内流体流动的阻力ΔPf和直管摩擦系数λ。
2．测定实验管路内流体流动的直管摩擦系数λ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
。
三、实验原理
1．直管摩擦系数λ与雷诺数Re的测定
流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。
流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系：
（1-1）
（1-2）
（1-3）
式中：
hf—直管内流动阻力J/Kg
d一管径，m；
一直管阻力引起的压强降，Pa；
一管长，m；
u一流速，m／s；
一流体的密度，kg／m3；
μ一流体的粘度，N·s／m2。
直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。
在实验装置中，直管段管长l和管径d都为固定值。
若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。
所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降ΔPf与流速u（流量V）之间的关系。
根据实验数据和式（1-2）可计算出不同流速下的直管摩擦系数，用式（1-3）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。
2．局部阻力系数
的测定
（1-4）
（1-5）
式中：
一局部阻力系数，无因次；
一局部阻力引起的压强降，Pa；
一局部阻力引起的能量损失，J／kg。
局部阻力引起的压强降ΔP1f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－a1和b－b'，见图1-1，使
ab＝bC：
a1b1＝b1C1
则
在a~a'之间列柏努利方程式：
Pa－Pa`＝2
+2
+
（1-6）
在b~b'之间列柏努利方程式：
Pb－Pb`＝
＝
+
+
（1-7）
联立式（1-6）和（1-7），则：
（1-8）
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。
四、实验装置
图1流动过程综合实验流程图
（1）—离心泵；
（2）—大流量调节阀；（3）—大流量转子流量计；（4）—小流量转子流量计；（5）—粗糙管调节阀；（6）—倒U管；（7）—排空阀；（8）、（12）—远点测压阀：
（9）、（11）—近点测压阀；（10）—光滑管调节阀；（13）—数字显示仪表；（l4）—控制按钮；（15）—平衡阀；
1．流量由转子流量计测量。
2．直管段压强降的测量：
差压变送器或者用空气一水倒置U形管直接测取压差值。
五、实验步骤
1．按下电源的绿色按钮，使数字显示仪表通电预热，调节压差数字表第2～7路的零点，按下离心泵的绿色按钮，启动离心泵（请先检查管路上的阀门是否关闭），并排出管内气体。
2．粗糙管阻力测定：
（1）关闭阀（10），将流量调节阀阀
（2）旋开，并全开粗糙管调节阀（5）。
（2）在流量为零条件下，旋开倒置U形管左右旋钮，检查导压管内是否有气泡存在。
若倒置U形管内液柱高度差为零，表明导压管内无气泡存在；若不为零，则表明导压管内存在气泡，需要进行排气操作。
（3）若导压管内有气泡，应开大流量调节阀
（2），使倒置U形管内液体流动，以排出管路内的气泡。
若认为气泡已排尽，将流量阀关闭。
为放走倒置U形管内的一部分水，使管内形成气水柱，慢慢旋开倒置U形管上部的放空阀，使液柱降至零点上下时马上关闭。
在流量为零的条件下，检查管内液柱高度差是否为零。
若不为零，则说明系统内仍有气泡存在，应重复上述的排气操作。
（4）根据流量大小选择大、小量程的转子流量计测量其流量直管段的压差：
小流量时用倒置U形管压差计测量，大流量时用压差数字表测量。
为了扩大实验数据的Re数范围，必须在最大流量和最小流量之间进行实验。
一般测取15组以上数据，建议流量读数在40L／h之内不少于4个点，以便得到滞流下的λ一Re关系。
在能用倒置U形管测压差时，（当流量少于200L/h）尽量不用压差数字表测压差。
3．局部阻力测定：
（1）关闭阀（5），全开阀（10），逐渐调大流量调节阀
（2），排除管路里气泡。
（2）测量阀（10）局部阻力测量：
固定截止阀（10）在一定的开度下，在流量400L/h至最大流量400L/h之间取4—5个点，分别由压差数字表测量其近点压差和远点压差。
4．待数据测量完毕，先关闭流量调节阀，后切断电源。
六、实验注意事项
1．在启动离心泵之前以及从光滑管阻力测量过渡到粗糙管阻力测量之前，都必须检查流量调节阀（大、小流量计）是否关闭。
2．并联的两个转子流量计不能同时打开测量，只能单独使用。
3．测数据时则必须关闭所有的平衡阀，并且在用压差数字表测量时，必须关闭通倒置U形管的阀门，防止形成并联管路。
七、实验报告内容
1．将实验数据和数据整理结果列在表格中，并以其中一组数据为例写出计算过程。
2．在合适的坐标系上标绘粗糙直管λ一Re关系曲线。
3．根据所标绘的λ一Re曲线，求本实验条件下滞流区的λ一Re关系式，并与理论公式比较。
4．若已知离心泵的功率为0.55kW，转速为2800r/min，最大流量120L/min，压头（扬程）19-13.5m，效率75%，NPSH（汽蚀余量）2.0m；请计算并判断出该泵选型是否合理，如不合理请协助选型，并列出设计步骤。
八、思考题
1．本实验用水为工作作介质做出的入一Re曲线，对其它流体能否使用？
为什么？
2．本实验是测定等直径水平直管的流动阻力，若将水平管改为流体自下而上流动的垂直管，从测量两取压点间压差的倒置U形管读数R到ΔP?
的计算过程和公式是否与水平管完全相同？
为什么？
3．为什么采用差压变送器和倒置U形管并联起来测量直管段的压差？
何时用变送器？
何时用倒置U形管？
操作时要注意什么？
实验二离心泵特性曲线测定实验
一、实验目的
1．了解离心泵的结构、性能，掌握离心泵开、停车的正确操作方法和注意事项。
2．学习离心泵特性曲线的测定方法。
3．掌握倒U形管差压计的使用方法。
4．熟悉功率计、电磁调速电机的使用方法。
二、实验内容
1．分别在两个不同的电机转速下，测定一系列流量条件下的离心泵进、出口压力和电机的电功率。
2．计算相应的离心泵压头H、轴功率N和效率下。
3．标绘两个转速下的H～Q、N～Q和
～Q图。
4．定性和定量比较实测的H～Q、N—Q和
～Q图与化工原理教材及参考书中给出的离心泵特性曲线图之间的符合性。
5．研究转速改变对离心泵特性曲线的影响。
三、实验装置
图8．1离心泵特性曲线测定实验装置的流程示意图
离心泵特性曲线测定实验装置的流程见图8．1。
1—进水口底阀（止逆阀）；2—离心泵；3—泵进口真空表；4—泵出口压力表；5—电磁调速电机；6—电磁调速控制器；7—三相功率计；8—功率计短路开关；9—倒U形管差压计10—流量调节阀；11—引水管截止阀；
装置运行时，水从循环水槽经进水口底阀和吸人管路进人离心泵，经离心泵提高压力后，流经出口管路再返回循环水槽。
通过离心泵的流量通过调节出口管路近出口处的流量调节阀控制。
在出口管路中段设有引压点a、b，与一倒U形管差压计（水一空气体系）相连。
通过测量a－b段管路的压头损失，可以计算通过管路的水流量，根据连续性方程，此流量即为离心泵的流量。
三相功率计旁并联有功率计短路开关8，用于以保护功率计不受电动机了启动峰值电流的冲击而损坏。
四、实验原理和方法
离心泵是化工生产中应用最为广泛的液体输送机械。
对于一定型号的离心泵，当叶轮直径D和转速n一定的情况下，离心泵的压头H、轴功率N和效率
随泵的输送液体量Q的大小而变化，其变化关系可以用曲线表征，称为离心泵的特性曲线。
在工程实际应用中，根据H～Q曲线可以确定离心泵的在给定管路条件下的输送能力，根据N～Q曲线可以为离心泵合理选配电机功率，根据
～Q曲线可以选择离心泵的工况处于高效工作区。
因此离心泵的特性曲线是表征离心泵技术性能的基础资料。
离心泵的特性曲线目前还不能用解析法进行准确计算，只能通过实验来测定。
在一定的转速下，泵的特性曲线的一般形态如图8．2所示。
则运用本装置实验测定这些函数关系的方法如下。
如果用以下三个函数关系表示离心泵的特性曲线：
（8．1）
图8．2泵的特性曲线的一般形态
1．流量Q的测定
图8．3管路流量与差压计读数之间的关系示意图
测定流量的方法很多，如可以用孔板流量计、文丘里流量计、转子流量计、涡轮流量计等流量测量仪表直接测定管路中的流量，而在本实验装置中采用倒U形管差压计测量一段管路中的总压力损失
hf来计算管路中的流量。
参见图8．3，根据流动阻力表达式和流体静力学原理，总压头损失
hf与流量Q和差压计读数R之间存在以下关系：
（8．2）
由于上式中的总阻力系数
亦是流量Q的函数，式（8．2）所代表的Q～R关系相当复杂，难以用简单的解析函数式表达，因而采取由实验室预先通过实验方法标定出Q与R的一系列对应数值，再用最小二乘法拟合为以下幂函数关系式供实验者使用：
（8．3）
式中R——测a-b段压力差的倒U形管差压计读数，cmH2O；
A，n——装置参数，其具体数值取决于各套装置的实际结构，由实验室提供。
2．扬程H的测定
取离心泵的进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能守恒方程：
而z２－z１＝Ｈ０，所以
（8-4）
式中H。
——表示压力与真空表的垂直距离，本装置为0.lm；
H压——压力表处的截面的静压头，mH2O；
H真——真空表处截面的静压头，mH2O；
u1，u2——泵进出口处的流速，m／s。
由于两截面间的管长很短，通常可忽略阻力Hf项。
若测得泵进出口的真空度和压力值，就可算出扬程H。
3．轴功率N的测定
单位时间内原动机（此处为电动机）向离心泵轴输人的功，称为离心泵的轴功率。
它与电动机的电功率之间有如下的关系：
（8-5）
式中N电——输入电动机的电功率，由功率表测得，w；
——电动机的效率，由实验室供给；
——传动效率，因是联轴节传动，故
=1。
4．离心泵效率
离心泵的有效功率与轴功率之比称为效率
（8-6）
5．比例定律的验证
比例定律由以下公式表示：
（8-7）
其推导条件为在转速改变前后，p保持基本不变。
而实际应用中，影响离心泵效率的因素很多，如操作条件、离心泵的结构、输送液体的物性等都会造成在不同转速下泵内泄漏和涡流损失的变化，不可能保持离心泵的效率完全不变。
因而当离心泵转速变化时比例定律难以精确保持，通常在
20％的范围内符合较好。
本实验选择两个不同的转速测定Q、H、N，故而可以实验考查比例定律的符合程度。
五、仿真实验操作步骤
在仿真实验主界面中选择“离心泵实验”，输人学号，回车。
点击“仿真操作”按钮，进人实验操作界面（如图8．4）。
图8．4离心泵特性曲线测定实验操作界面
1．实验装置开车
点击“开始实验”按钮，按以下步骤操作。
（1）给离心泵和进水管路充水
打开引水阀，再打开水龙头，当泵充满水后，关闭水龙头和引水阀。
（2）启动离心泵
首先接通功率计短路开关使电动机启动峰值电流不通过功率计，再打开总电源启动电动机使离心泵进人工作状态，然后关闭功率计短路开关使功率计进人测试状态。
（3）调节电动机转速
点击电磁调速控制器弹出转速调节放大图，用“＋”、“一”按钮或从键盘直接输人数值调节电动机转速，转速取在2000～2500r／min之间，例如取2250r／min
（4）排除主管路空气
把流量调节间开得最大，将主管路内的空气从出口处排净后，再全关调节阀。
（5）调整倒U形管差压计工作状态
打开差压计弓；压阀A和B、平衡阀C、排空阀D，排掉引压管线内与倒U形管管内的气体（如图8．5），关闭A、B阀，确定要给差压计放水，打开放水阀E，当水放到20cm左右马上关闭E阀，再关闭D、C阀，打开A、B阀，此时倒U形管差压计读数为零，说明引压管内气体已经排净。
否则需重新排气。
图8．5排尽倒U形管差压计中的气体
调整好差压计后，全开调节阀，倒U形管差压计处于最大液位差状态。
正常工作状态下两管内的液面均应处于0～100读数之间（如图8．6）。
图8．6倒U形管差压计的正常工作状态
2．测取实验数据
点击读取数据按钮，得一提示实验点应分布均匀的对话框。
实验点应如何分配才能保证分布均匀，请查阅在线实验帮助中“实验操作步骤”之“均匀分配”的内容。
读取第一组数据时应分别点击界面上的各个数据测量点（如图8．7）。
从读取第二组数据开始，只要减小流量调节阀的开度，使倒U形管差压计的液面差值基本符合前面介绍的根据流量分布均匀原则计算得到的数值，点击“读取数据”按钮，则第二组数据就会自动读得。
每改变一个流量，就读取一次数据，一直做到流量为零为止。
在每一个转速下，一般共测8～10点。
当测到第9组数据时，会出现一个对话框，提示这个转速下测量数据足够，可以进人下一个转速的测量，点击确定。
改变转速，例如，转速取2500r／min，重复以上步骤从最大流量到零测量8～10组数据，当测第9组数据时，会出现一对话框，提示测量数据已足够。
图8．7读取实验数据
六、实验数据处理
点击“实验数据处理”按钮进人实验数据处理界面（见图8．8），在界面下半部表格中显示所测得的原始实验数据，包括倒U形管差压计左、右管液面高度R（L）、R（r），离心泵出口压力表读数P（压），离心泵进口真空表读数P（真），功率计读数W（功）。
图8．8实验数据处理界面
左右两个表格分别显示两个不同转速下的数据。
（一）计算Q、H、N、
数据
点击左上方的“数据处理结果”选项，界面下半部的表格中显示计算出的实验结果数据——倒U形管差压计读数R、离心泵流量Q、离心泵压头H、离心泵轴功率N、离心泵效率
（见图8．9）。
（二）绘制特性曲线
点击“载人特性曲线”选项，出现一弹出式菜单，菜单上包括Q—H曲线、Q～N曲线和Q～河曲线三项（见图3．10）。
移动光标到其中的一项上，如Q～H曲线，则屏幕上出现一级联式菜单，也包括三项——Q～H标准曲线、Q～H试验曲线和Q～H样本实验曲线（见图8．11）。
图8．9数据处理结果界面
图8．10绘制特性曲线操作界面
图8．11绘制特性曲线的级联菜单
1．标准曲线
选择Q～H标准曲线项，图形区内绘制出两条Q～H曲线，分别对应于两个不同的转速条件。
该标准曲线是由实验室对实验用离心泵进行标定所得，用作比较实验结果正确性的基准（见图8．12）。
2．试验曲线
选择Ｑ～H试验曲线项，图形区内绘制出实验者所测得的数据点和根据该数据所标绘的曲线（见图8．13）
3．样本实验曲线
图8．12绘制Q～H标准曲线
图8．13绘制Q～H试验曲线
选择Q－H样本实验曲线项，图形区内绘制出标准曲线和实验者所测得的实验数据点（见图8．14），可以据此判断本次实验结果的可靠性。
对于Q～N曲线和Q～V曲线可以得到类似的图形，图8．15和图8．16分别是相应的样本实验曲线。
图8．14绘制Q～H样本实验曲线
图8．15绘制Q—N样本实验曲线
图8．16绘制Q～v样本实验曲线
图8．17试验结果评价
七、实验结果评价
点击数据处理界面上的“试验结果评价”选项，计算机会对你的实验结果提供一个总体评价（见图8-17）
八、实验结果讨论
根据实验数据和实验测定的曲线，实验者可以在实验报告中对所获得的离心泵扬程、轴功率、泵效率随流量的变化关系和是否与理论相一致，是否与比例定律相符合进行讨论。
停车
点击“返回操作”按钮，返回到实验操作界面。
按以下步骤关停实验装置。
1．调节流量调节阀开度到零。
2．关闭功率计短路开关。
3．调节电动机转速到零。
4．关闭电动机电源。
5．关闭总电源。
6．关闭倒U形管差压计引压阀A、B，打开平衡阀C、排空间D、放水阀E，放空倒U形管差压计中的水。
7．点击“退出实验”按钮，退出实验室界面。
九、实验仿真操作过程注意事项
1．启动以前泵壳应先灌满水，以防泵发生气缚现象；
2．为了实验点分布均匀．可按
计算；
3．关闭电机时，应先把电机调速到0，以防水倒流冲击叶轮。
十、思考题
1．本实验装置用什么方法测量离心泵的流量？
此法合理吗？
2．离心泵的扬程、功率、效率如何得到？
3．离心泵启动要领是什么？
4．进行怎样操作才能对主管路、引压管及倒U形管管进行排气？
需要排气的原因是什么？
5．比例定律的使用条件是什么？
如何进行验证？
6．流量增大时，泵人口处的真空度与出口处压力表的读数如何变化？
试分析之？
7．流量调节阀若设置在吸人管侧行吗？
为什么？
8．流量调节阀装在离心泵很远的出口管线上行吗？
为什么？
9．离心泵为什么要选在高效区操作？
10．增大或减小调节阀的开度，管路的特性曲线如何变化，请从工作点的变化加以说明。
实验三板框过滤实验
一、实验目的
1．掌握恒压过滤常数K、qe、θe的测定方法，加深对K、qe、θe的概念和影响因素的理解。
2．学习滤饼的压缩性指数s和物料常数k的测定方法。
3．学习
一类关系的实验确定方法。
二、实验内容
1．测定每个实验条件下的过滤常数K、qe、θe。
2．设计并测定滤饼的压缩性指数s和物料常数k。
三、实验原理
过滤是利用过滤介质进行液一固系统的分离过程，过滤介质通常采用带有许多毛细孔的物质如帆布、毛毯、多孔陶瓷等。
含有固体颗粒的悬浮液在一定压力的作用下液体通过过滤介质，固体颗粒被截留在介质表面上，从而使液固两相分离。
在过滤过程中，由于固体颗粒不断地被截留在介质表面上，滤饼厚度增加，液体流过固体颗粒之间的孔道加长，而使流体流动阻力增加。
故恒压过滤时，过滤速率逐渐下降，随着过滤进行，若要得到相同的滤液量，则过滤时间增加。
恒压过滤方程
（2-1）
式中：
q一单位过滤面积获得的滤液体积，、m3／m2；
qe一单位过滤面积上的虚拟滤液体积，m3／m2；
一实际过滤时间，s；
e一虚拟过滤时间，S；
K一过滤常数，m2／s。
将式（2-l）进行微分可得：
（2-2）
这是一个直线方程式，于普通坐标上标绘
—q的关系，可得直线。
其斜率为
，截距为
，从而求出K、qe。
至于
可由下式求出：
（2-3）
当各数据点的时间间隔不大时，
可用增量之比
来代替。
四、实验装置
滤浆槽滤浆槽内放有已配制有一定浓度的硅藻土～水悬浮液。
用电动搅拌器进行搅拌使滤浆浓度均匀（但不要使流体旋涡太大，使空气被混入液体的现象），用旋涡使系统产生真空，作为过滤推动力。
板框过滤实验的流程图
1—搅拌控制装置；2—电动搅拌装置；3—回流阀；5—泵压力表；6—进口阀；
7—板内压力表；8—板框过滤机；9—压紧装置；10—滤浆槽；11—出口阀；
12—旋涡泵；13—计量桶；14—排水阀；4、15—排出阀；
五、实验步骤
1．系统接上电源，打开搅拌器电源开关，启动电动搅拌器。
将滤浆槽内装滤浆搅拌均匀。
2．板框过滤机板、框排列顺序为：
固定头一框一板一框一膏板一可动头。
3．使回流阀处于全开、阀4、6、15处于全关状态。
启动旋涡泵，调节回流阀使泵压力表达到规定值。
4．待泵压力表稳定后，打开过滤进口阀，过滤开始。
当计量桶内见到第一滴液体时按秒表开始计时。
记录滤液每增加高度10mm时所用的时间。
当计量桶读数为160mm时停止计时，并立即关闭进口阀。
5．打开回流阀使泵压力表指示值下降。
开启压紧装置卸下过滤框内的滤饼并放回滤浆槽内，将滤布清洗干净。
将计量桶内的滤液倒回滤浆槽内，以保证滤浆浓度恒定。
6．实验结束后关闭电源。
六、实验注意事项
1．过滤板与框之间的密封垫片应注意放正，过滤板与框的滤液进出口对齐。
用摇柄将过滤设备压紧，以免漏液。
2．每个人实验的好坏，都会对整个组的实验结果产生重大影响。
因此，每个人应认真实验，切不可粗心大意！
3．电动搅拌器为无级调速。
使用时首先接上系统电源，打开调速器开关，调速钮一定要由小到大缓慢调节，切用反方向调节或调节过快以免损坏电机。
4．启动搅拌前，用手旋转一下搅拌轮以保证顺利启动搅拌器。
七、实验报告内容
1．列出全部过滤操作的原始数据，表格由各组统一设计，进行数据处理。
2．计算本实验恒压过滤常数K、qe、
e填入实验结果表中。
八、思考题
1．为什么每次实验结束后，都得把滤饼和滤液倒回滤
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