09轻化化工原理实验指导书1103.docx

09轻化化工原理实验指导书1103.docx

《09轻化化工原理实验指导书1103.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《09轻化化工原理实验指导书1103.docx（43页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

09轻化化工原理实验指导书1103

化工原理实验

（轻化工程09级）

福建农林大学食品科学学院化工原理实验室

二○一一年十一月

目录

前言

实验一流体流动阻力实验……………………………………5

实验二离心泵实验……………………………………………11

实验三传热实验………………………………………………17

实验四吸收—解吸实验（综合性实验）……………………23

实验五精馏实验………………………………………………30

实验六干燥实验………………………………………………39

前言

一、化工原理实验的特点

化工原理实验属于工程实验范畴，与一般化学实验相比，不同之处在于它具有工程特点。

每个实验项目都相当于实际生产中的一个单元操作，通过实验能建立起一定的工程概念。

因此，在实验课的全过程中，学生在思维方法和创新能力方面都得到培养和提高，为今后的工作打下坚实的基础。

二、化工原理实验教学目的

《化工原理实验》是一门技术基础实验课，

本课程内容强调实践性和工程观念，并将能力和素质培养贯穿于实验课的全过程。

围绕《化工原理》课程中最基本的理论，通过验证性和设计性的实验，培养学生掌握实验研究方法，训练其独立思考、综合分析问题和解决问题的能力。

化工原理教学除了系统地讲授基础理论外，实验教学也是一个必不可少的实践性环节。

因此，实验教学在化工原理教学中的作用、地位及其意义，不容忽视。

化工原理实验教学目的主要有以下几点：

1．巩固和深化理论知识

在学习化工原理课程的基础上，进一步理解一些比较典型的已被或将被广泛应用的化工过程与设备的原理和操作，巩固和深化化工原理的理论知识。

2．提供一个理论联系实际的机会

用所学的化工原理理论知识去解决实验中遇到的各种实际问题。

3．培养学生从事科学实验的初步能力

实验能力主要包括：

①为了完成一定的研究课题，设计实验方案的能力。

②进行实验，观察和分析实验现象的能力和解决实验问题的能力。

③正确选择和使用测量仪表的能力。

④将实验的原始数据进行数据处理以获得实验结果的能力。

⑤运用文字表达技术报告的能力等。

只有通过一定数量的实验训练，才能掌握各种实验技能，为将来从事科学研究和解决工程实际问题打好坚实的基础。

4．培养科学的思维方法、严谨的科学态度和良好的科学作风，提高自身素质水平。

三、化工原理实验教学要求

学生做化工原理实验要求按以下三个环节进行。

1、实验课前预习

化工原理实验装置及流程较为复杂，测试仪器较多，课前预习尤其重要。

要求学生实验课前认真阅读实验教材及理论教材有关内容，清晰地掌握实验目的和要求、实验内容和实验依据的原理。

2、实验课中实际操作

学生进入实验室，得到教师允许后，才能启动设备。

在实验过程中，学生要按规程认真操作。

发现仪器仪表有故障，应立即向教师报告，不得擅自行事。

观察实验现象要认真，测定实验数据要细致，记录数据结果要详尽。

积极开动脑筋，深入思考，善于发现问题，解决问题。

全部数据记录完毕，交于指导教师审查可行后，才可结束实验。

实验结束，将设备和仪表恢复原状，整理台面，清扫环境。

3、实验课后编写实验报告

实验报告虽以实验数据的准确性和可靠性为基础，但将实验结果整理成一份好的报告，却也是需要经过训练的一种实际工作能力。

往往有这样的情形，有一些学生实验技能较好，实验也做得成功，却整理不出一篇像样的实验报告。

因此，对于学生来说，编写实验报告也是一项需要经过严格训练的工作，这种训练对今后写好科学论文和研究报告大有裨益。

四、化工原理实验一般注意事项

与一般化学实验比较，化工原理实验有其共性，也有其本身的特殊性。

除了每个实验的特殊要求外，在这里提出化工原理实验必须遵守的注意事项和一些必备的最起码的安全知识。

1、爱护一切实验设备与器材，精心操作，尽心维护。

化工原理实验装置复杂，管道仪表繁多，易碎易坏难替换，价格昂贵，一个人的粗心大意或使用不当，不仅会造成国家财产损失，而且会使实验教学中断，使别人失去学习研究机会。

2、实验前要认真阅读实验教材和装置仪器说明书，仔细检查实验装置和仪器仪表是否完好。

实验完毕，认真整理，恢复装置原状，保持环境整洁。

若有损坏，立即报告。

有了损坏或隐患不报告，往往会使下一轮从事实验的人员不明真相而操作，从而发生事故，这种不道德行为应该杜绝。

3、细心观察记录与思考，严格按操作规程操作，注意培养认真细致的科学作风。

4、高度重视防止触电，高压爆炸，火灾、中毒等安全工作。

实验前要了解总电闸、分电闸位置，严禁湿手操作电器开关。

5、不得穿拖鞋、背心进实验室；不得在实验室打闹和大声喧哗；不得在实验室进食；不准擅自离开操作岗位。

6、每位同学应按实验安排表准时到指定地点参加实验，未经指导教师许可，不得擅自调换实验项目。

一般以4～5人为一小组合作进行实验。

实验前必须作好组织和安排工作，做到既分工、又合作，每个组员要各负其责，并且尽可能在适当的时候进行轮换工作，这样既能保证实验的质量，又能使每位同学得到较全面的训练。

实验一流体流动阻力实验

一、实验目的及任务：

1、掌握流体流动阻力损失的测量方法；

2、测定光滑管的λ—Re曲线，并与相应的经验公式进行比较；

3、测定球阀的局部阻力系数。

二、基本原理：

不可压缩流体（如水）在圆形直管中作稳定流动时，由于粘性和涡流的作用产生摩擦阻力；流体在流过突然扩大处、弯头或阀门等管件时，由于流体运动的速度和方向突然发生变化，产生局部阻力，而摩擦阻力和局部阻力均造成流体流动的阻力损失，前者称为直管阻力损失（沿程阻力损失），后者称为局部阻力损失。

1、摩擦系数λ与雷诺数Re的关系

影响直管摩擦阻力的因素较多，在工程研究中，利用因次分析法简化实验，引入无因此数群：

雷诺数：

相对粗糙度：

e/d

管路长径比：

l/d

可导出：

这样，可通过实验方法测定阻力损失△pf，再利用下式可求得摩擦因数λ：

因此，通过改变流体的流速可测定出不同Re下的摩擦系数λ，即可得出一定相对粗糙度的管子的λ—Re关系。

2、局部阻力系数ζ的测定

局部阻力损失可用下式计算：

只要测得△pf，就可利用上式求得ζ。

3、流体流速u的计算

本实验通过测定流体流过孔板流量计的压差R，利用下式可求得管路中水的流量VS，进而可求得流速u：

VS=C1.RC2

式中：

VS——水的流量，m3/h；

C1、C2——孔板流量计参数，本装置：

C1=1.3C2=0.5；

R——孔板压差，kPa，由实验测得。

则：

式中：

d——管内径，根据具体管路确定。

三、实验装置与流程：

如图1所示，在设备中有6条横向排布的管线，自上而下分别为：

No1层流管，为φ6×1.2mm的不锈钢管，两测压点距离1.2m；

No2球阀与截止阀，为φ27×3.5mm的不锈钢管；

No3光滑管，为φ27×3.5mm的不锈钢管，两测压点距离1.5m；

No4粗糙管，为φ27×2.5mm的镀锌管，两测压点距离1.5m；

No5突然扩大管，为φ22×3mm→φ48×3mm的不锈钢管；

No6孔板流量计管线，为φ48×3mm的不锈钢管

实验时，离心泵将水箱内的清水打入系统中，经孔板流量计计量后，通过管路切换阀门进入相应的测量管线，在管内流动的压头损失，可由压差传感器（或倒U型压差计）测量。

实验中，可以通过调节流量调节阀改变流量，测定不同流量下的压头损失。

图

图1实验装置流程图

1离心泵2水箱3孔板流量计4管路切换阀

5测量管线6稳流罐7流量调节阀8层流流量调节阀

图2管路测压连通器与倒U型压差计示意图

图2为管路测压连通器与倒U型压差计的示意图，其中a1，a2，……，f1，f2，分别与图1中的a1，a2，……，f1，f2相连接。

若要测某管路的压降，即打开与其相连的测压管线上的阀门，关闭其他管线上的阀门，则压力传感器测量的压降即为该管路上的压降。

若在流量为0时，压力传感器仪表上显示的数值（或倒U型压差计中的差值）不为0，则有可能测压管线中有气体存在。

此时可以按以下步骤进行排气，直到将管线中的气体排净：

1、适当打开泵的出口阀，使管路中有水流动；

2、打开v3，v4，v5，v6，20—30秒；

3、关闭v3，v4；

4、打开v7，将倒U型压差计中的水排净；

5、关闭v5，v6，v7；

6、双手同时打开v3，v4；

7、关闭泵的出口阀，使流量为零，此时若倒U型压差计中的差值为0，则说明管线中的气已排净，否则需重复上述步骤继续排气。

若倒U型压差计中充满水，可将v3、v4关闭，打开v5，v6，v7；则倒U型压差计中的水即可排出。

排气操作结束，需请指导老师检查。

四、操作要点及注意事项：

1、先熟悉流程中的仪器设备及与其配套的电器开关，并检查水箱内的水位，然后开启离心泵。

2、开启离心泵前需全开进口阀和全关出口阀，泵正常工作后缓慢调节出口阀开度至所需大小，不得长时间关闭出口阀。

3、实验开始，系统要先排净气体。

最后，关闭流量调节阀，检查倒U型压差计两端的液面。

若相平，则可以开始实验，若不平，则需要重新排气。

4、读取数据时，应注意数据稳定后再读数（一般需在流量调节阀改变后3—5分钟）。

5、测完一条管线的数据后，需再测取其他管线的数据时，应再次检查倒U型压差计的液面是否相平。

若不平，则需再排气。

两条管线的转换时不必关闭离心泵。

6、做完全部实验后，关闭离心泵和总电源，将所有管线上的阀门恢复原状。

。

五、实验报告格式与内容

（实验报告需使用学校统一的实验报告纸）

实验名称

实验人姓名学号

实验日期月日设备号数

同组人员姓名

1、实验内容

简要说明本次实验完成了哪些项目和解决了什么问题。

2、实验基本原理

简要说明本次实验所依据的基本原理，包括实验涉及的主要概念、实验依据的重要定律、公式及据此推算的重要结果。

3、实验装置

写出实验所使用的主要设备和仪表的名称。

4、实验数据记录

①表一：

光滑管λ——Re曲线的测定

水温

序号

管路压降

压差计读数（△pf）

（Pa）

孔板流量计

压差计读数（R）

（Pa）

左

右

差值

左

右

差值

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

②表二：

球阀局部阻力系数ζ的测定

水温

序号

球阀压降

压差计读数（△pf）

（Pa）

孔板流量计

压差计读数（R）

（Pa）

左

右

差值

左

右

差值

1

2

3

4

5

5、计算示例

以原始数据为例，把各项计算过程列出，以说明数据整理结果表中的各项结果是如何得到的。

每个测定项目每人需分别写出一组的计算示例，并需注明为第几组数据。

6、实验结果

1数据整理

序号

λ——Re曲线的测定

球阀局部阻力系数ζ的测定

流量（m3/s）

流速（m/s）

Re

λ

流量（m3/s）

流速（m/s）

ζ

1

*注：

上述表中的各组数据需全部列出。

2在双对数坐标纸上用所得的数据标绘出λ—Re关系曲线。

7、实验分析与讨论

①对实验中的异常现象进行分析讨论。

②对实验的结果提出自己的看法。

③对实验的方法或操作提出建议或改进方法。

实验二离心泵实验

一、实验目的及任务：

1、掌握离心泵的操作；

2、测定离心泵在恒定转速下的特性曲线；

3、测定管路特性曲线。

二、基本原理：

1、离心泵特性曲线的测定

离心泵的特征方程是从理论上对离心泵中液体质点的运动情况进行分析研究后，得出的离心泵压头与流量的关系。

离心泵的性能受到泵的内部结构、叶轮形式和转速的影响，在实际工作中，其内部流动的规律比较复杂，实际压头要小于理论压头。

因此，离心泵的扬程尚不能从理论上作出精确的计算，需要实验测定。

在一定转速下，离心泵的扬程、轴功率、效率分别与其流量之间的关系，即为离心泵的特性。

离心泵的扬程可由离心泵进、出口间的能量衡算求得：

H＝H真空度+H表压力+H0

式中：

H——离心泵的扬程，m；

H真空度——离心泵进口的真空度，m；

H表压力——离心泵出口的表压力，m。

H0——两测压口间的垂直距离，本实验装置H0=0.5m。

泵的轴功率：

N=N电机•η电机•η传动

其中：

N电机——电机输入功率，由功率表读出；

η电机——电机效率，可取0.9；

η传动——传动装置的效率，可取1.0；

泵的有效功率：

式中：

Ne——泵的有效功率，kw；

Q——泵的流量，由流量表读出，m3/s；

ρ——流体密度，kg/m3。

因此，泵的效率为：

2、管路特性曲线的测定

管路特性曲线表达了某一特定管路的流量与所需压头之间的关系，该关系可用下式表示：

he＝△Z+△p/ρg+f（Q）

本实验是在固定离心泵出口阀开度的情况下，通过变频器改变离心泵的转速，从而实现管路流量的改变。

三、实验装置与流程：

图一、离心泵流程图

1水箱2离心泵3孔板流量计d=21mm

4涡轮流量计5流量调节阀

如图一所示，水箱内的清水，自泵的吸入口进入离心泵，在泵壳内获得能量后，由出口排出，流经孔板流量计和涡轮流量计后，返回水箱，循环使用。

在流程中安装涡轮流量计，以其为标准，还可以对孔板流量计的孔流系数进行校正。

本实验过程中，需测定液体的流量、离心泵进口和出口处的压力、以及电机的功率；另外，为了便于查取物性数据，还需测量水的温度。

四、操作要点及注意事项：

1、先熟悉流程中的仪器设备及与其配套的电器开关，并检查水箱内的水位。

2、离心泵性能测定实验：

需在恒定转速下测定离心泵的特性曲线。

通过调节流量调节阀5来改变泵的流量。

本次实验测定两种转速下的离心泵特性曲线。

通过变频器改变电动机的频率，从而改变泵的转速。

建议频率分别为50赫兹和45赫兹。

3、测定管路特性曲线时，通过改变电动机的频率来改变泵的流量，而不能通过流量调节阀5来改变泵的流量。

注意电动机的频率不得超过50赫兹。

本次实验测定两种出口阀开度下的管路特性曲线。

建议频率为50赫兹时，通过流量调节阀5，分别将泵的流量调节至4.5m3/h和3.5m3/h左右。

4、开启离心泵前需全开进口阀和全关出口阀，泵正常工作后缓慢调节出口阀开度至所需大小，不得长时间关闭出口阀。

5、为了保证实验的完整性，进行上述各次实验时，均应测取零流量时的数据。

6、每个项目的转换时，不必关闭离心泵。

7、做完全部实验后，关闭离心泵和电源。

五、实验报告格式与内容

实验名称

实验人姓名学号

实验日期月日设备号数

同组人员姓名

1、实验内容

2、实验基本原理

3、实验装置

4、实验数据记录

离心泵型号泵转速水温

①表一：

离心泵特性曲线的测定

电机频率为50Hz

电机频率为45Hz

序号

进口压力真空表读数（m）

出口压力表读数

（m）

涡轮流量计读数（m3/h）

电机功率表读数（kW）

进口压力真空表读数（m）

出口压力表读数

（m）

涡轮流量计读数（m3/h）

电机功率表读数（kW）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

*真空表读数需纪录“＋、－”

2表二：

管路特性曲线的测定

阀门开度1

（电机频率为50Hz时，流量为4.5

阀门开度2

（电机频率为50Hz时，流量为3.5

序号

电机频率（Hz）

进口压力

真空表读数（m）

出口压力表读数

（m）

涡轮流量计读数

（m3/h）

电机频率（Hz）

进口压力

真空表读数（m）

出口压力表读数

（m）

涡轮流量计读数

（m3/h）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

5、计算示例

只需写出电机频率为50Hz及阀门开度1时的计算示例即可。

6、实验结果

①数据整理

表一：

离心泵特性曲线的测定

电机频率为50Hz

电机频率为50Hz

序号

流量

Q（m3/h）

扬程

H（m）

轴功率

N（kW）

效率

η

流量

Q（m3/h）

扬程

H（m）

轴功率

N（kW）

效率

η

1

表二：

管路特性曲线的测定

阀门开度1

（电机频率50Hz时，流量取4.5m3/h）

阀门开度2

（电机频率50Hz时，流量取3.5m3/h）

序号

电机频率f（Hz）

流量

Q（m3/h）

扬程

H（m）

电机频率f（Hz）

流量

Q（m3/h）

扬程

H（m）

1

②分别在两张直角坐标纸上绘出下述各种曲线：

a、在第一张直角坐标纸上绘出电机频率为50Hz时的三条离心泵特性曲线及两种阀门开度的管路特性曲线（两条）。

注：

需在本图中注明泵的型号和转速。

b、在第二张直角坐标纸上绘出电机频率为45Hz时的三条离心泵特性曲线及两种阀门开度的管路特性曲线（两条）。

注：

本图中只需注明泵的型号，不必注明泵的转速。

③根据上述两张图，在下述表三中填入所指定的4种状态下的工作点数据。

表三

对应状态

电机频率（Hz）

50

45

阀门开度

1

2

1

2

工作点

流量（m-3h-1）

压头（m）

7、实验分析与讨论

实验三传热实验

一、实验目的及任务

1、通过实验提高对给热系数特征数关联式的理解，并分析影响给热系数的因素，了解工程上强化传热的措施。

2、，测定不同流速下的普通套管换热器及强化套管换热器的给热系数α，并对实验数据进行处理，得出特征数方程

中常数A、m的值。

二、基本原理

对流传热的核心问题是求算给热系数，当流体无相变时对流给热系数特征数方程的一般形式为：

对于流体在圆形直管中作强制湍流而言，Gr数可以忽略，则上式可以表示成：

本实验属于流体被加热过程，可取n＝0.4，故

（1）

在等式两边取对数：

在双对数坐标中以

对

作图可得一直线，该直线的斜率和截距分别为式

（1）中的指数m和系数A。

对于式

（1）的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。

其特征数定义式分别为：

；

；

实验中通过测定不同流速下孔板流量计的压差，空气的进、出口温度和换热器的壁温（因为换热器内管为紫铜管，其导热系数很大，且管壁很薄，故认为内、外壁温度与壁面的平均温度近似相等），根据所测的数据，经过查物性数据和计算，可求出不同流量下的

和

。

通过热量恒算，可求出传热量，再由牛顿冷却定律，求出不同流速下的给热系数α值，进而算得Nu数值。

传热量Q可由下式求得：

式中：

Q——传热量，W；

ms——空气质量流量，kg/h；

Cp——定性温度下空气定压比热容，J/（kg·℃）；

t1、t2——空气进、出口温度，℃；

ρ——定性温度下空气密度，kg/

；

VS——空气体积流量，

/h；

VS＝C1.RC2

式中：

R——孔板流量计的压差，Kpa；

C1、C2—孔板流量计参数，本装置：

C1＝26.2；C2＝0.54。

牛顿冷却定律：

式中：

α——给热系数，W/（m²·℃）；

A——传热面积（铜管内表面积），m²；

Δtm——管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，℃；

Δtm＝

tw1、tw2——蒸汽进、出口处壁温，℃。

三、实验装置与流程：

如图1所示，该实验装置的主体为一套管换热器，其外管为1½”玻璃管，内管为25×2mm紫铜管，有效长度为1.25m。

蒸汽发生器（为电加热釜）所产生的蒸汽流过套管管间时，放出热量而被冷凝，（冷凝水经导管流回加热釜）；空气由旋涡气泵引人并流经孔板流量计后进入内管，与管外蒸汽逆向流动并被加热。

空气进出口温度和壁温分别由铂电阻（Pt100）测量，测壁温的两支铂电阻用导热绝缘胶固定在管外壁，孔板流量计的压差通过压力传感器转换为电信

号由表头显示,其单位为kPa。

图1、套管式换热器实验设备流程图

1、蒸汽发生器2、蒸汽管3、补水口4、补水阀5、排水阀

6、套管换热器7、放气阀8、冷凝水回流管9、空气流量调节阀

10、压力传感器11、孔板流量计12、空气管13、风机

四、操作步骤：

1、首先熟悉装置中配电箱各按钮与设备的对应关系，以便正确开启按钮。

2、检查蒸汽发生器中水位，使液位保持在液位计高度的1/2—2/3；若水量不足，及时添加，而后关闭蒸汽发生器补水阀。

3、打开总电源开关及仪表开关。

4、接通蒸汽发生器的加热电源，打开排放不凝气阀门（有一点开度即可）。

5、待蒸汽产生且壁温达100℃后，开启风机（开启前需全开出口阀），将空气流量控制在某一定值。

待空气进出口温度、壁温稳定后，记录空气进出口温度、壁温和孔板压降读数。

通过出口阀改变空气流量，重复实验，记录若干组数据。

6、强化传热实验：

在上述实验完成后，再进行强化传热实验。

将强化元件插入紫铜管中，改变空气流量，并记录数若干组据。

7、实验项目转换时，不必关闭风机和蒸汽发生器。

8、实验结束后，先停蒸汽发生器电源，再停风机，最后关闭总电源，清理现场。

五、注意事项：

1、蒸汽发生器液位控制在两红线之间，以免烧坏加热器；

2、风机不要在出口阀关闭下运行；

3、不凝性气体排放阀在实验过程中应始终微开，严禁全关！

4、调节空气流量时，要做到心中有数。

为保证湍流状态，孔板压降不小于0.2Kpa。

5、每改变一个流量后，应等到数据稳定后再读取数据。

6、注意防止被高温部件或蒸汽烫伤。

7、抽拉强化元件时，务必拔起空气出口处的热电偶，防止损坏热电偶。

强化元件装入管中后，应记住将热电偶插回原位，并保证热电偶的末端（测温点）位于换热管中心。

六、实验报