化工原理实验教材.docx

化工原理实验教材.docx

《化工原理实验教材.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理实验教材.docx（26页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

化工原理实验教材

雷诺演示实验

一、实验目的

1观察流体流动时的不同流动型态

2观察层流状态下管路中流体的速度分布状态

3熟悉雷诺准数（Re）的测定与计算

4测定流动型态与雷诺数（Re）之间的关系及临界雷诺数

二、实验原理

流体在流动过程中由三种不同的流动型态，即层流、过渡流和湍流。

主要取决于流体流动时雷诺数Re的大小，当Re大于4000时为湍流，小于2000时为层流，介于两者之间为过渡流。

影响流体流动型态的因素，不仅与流体流速、密度、粘度有关，也与管道直径和管型有关，其定义式如下：

1.1-1

式中：

d 管子的直径m

      u 流体的速度m/s

      ρ流体的密度kg/m3

      μ流体的粘度Pa·s

三、实验装置

雷诺演示实验装置如图1.1所示，其中管道直径为20mm。

图1.1雷诺演示实验装置图

1—有机玻璃水槽；2—玻璃观察管；3—指试液；4，5—阀门；6—转子流量计

四、实验步骤

1了解实验装置的各个部件名称及作用，并检查是否正常。

2打开排空阀排气，待有机玻璃水槽溢流口有水溢出后开排水阀

调节红色指示液，消去原有的残余色。

3打开流量计阀门接近最大，排气后再关闭。

4打开红色指示液的针形阀，并调节流量（由小到大），观察指示液流动形状，并记录指示液成稳定直线，开始波动，与水全部混合时流量计的读数。

5重复上述实验3～5次，计算Re临界平均值。

6关闭阀1、11，使观察玻璃管6内的水停止流动。

再开阀1，让指示液流出1～2cm后关闭1，再慢慢打开阀9，使管内流体作层流流动，观察此时速度分布曲线呈抛物线形状。

7关闭阀1、进水阀，打开全开阀9排尽存水，并清理实验现场。

五、数据处理及结果分析

1实验原始数据记录见下表：

序号

1

2

3

4

5

6

q（l/h）

U（m/s）

Re

2利用Re的定义式计算不同流动型态时的临界值，并与理论临界值比较，分析误差原因。

六、思考题

1雷诺数的物理意义是什么？

2有人说可以只用流体的流速来判断管中流体的流动型态，当流速低于某一数值时是层流，否则是湍流，你认为这种看法对否？

在什么条件下可以只用流速来判断流体的流动型态？

柏努利方程演示实验

一、实验目的

1掌握流体流动中各种能量或压头的定义及其相互转化关系，加深对柏努利方程式的理解。

2观察静压头、位压头、动压头相互转换的规律。

二、基本原理

不可压缩流体在管内作稳定流动时，由于管路条件的变化，会

引起流动过程中三种机械能（位能、动能、静压能）的相应改变及相互转换。

对理想流体在系统内任一截面处，虽然三种能量不一定相等，但能量之和是守恒的。

对于实际流体，由于存在内摩擦，流体在流东时总有一部分机械能损耗。

以上机械能均可用测压管中的液柱高度表示。

当测压孔正对流体流动方向时测压管中的液柱高度为动压头和静压头之和，测压孔处流体的位压头由测压孔的几何高度确定。

三、实验装置图

柏努利方程实验装置如图1.2所示。

图1.2柏努利方程实验装置图

1—高位水槽；2—玻璃管；3—测压管；4—循环水槽；5—阀门；6—循环水泵

四、实验步骤

1检查装置阀位是否正常。

2开动电机，启动泵。

3阀5开度一定时，转动测压手柄，观察各测压管内液位高度有无变化。

4观察各测压管内液位高度是否相同。

5关闭所有阀门，停机。

五、思考题

1关闭阀5时，旋转各测压管的手柄，液位高度有无变化？

这一现象说明什么？

这一高度的物理意义又是什么？

2关闭阀5时，各测压管内液位高度是否相同，为什么？

3阀5开度一定时，转动测压手柄，各测压管内液位高度有何变化？

变化的液位表示什么？

流体流动阻力系数的测定

一、实验目的

1学习管路阻力损失（hf）、管路摩擦系数（λ）、管件局部阻力系数（ζ）的测定方法，并通过实验了解它们的变化规律，巩固对流体阻力基本理论的认识。

2了解与本实验有关的各种流量测量仪表、压差测量仪表的结构特点和安装方式，掌握其测量原理，学会正确使用；

3学习对数坐标纸的用法。

二、实验原理

由于流体粘性的存在，流体在流动的过程中会发生流体间的摩擦，

从而导致阻力损失。

根据柏努利方程,对于直管而言，其路阻力损失为：

∑hf=△Р/ρ，又因为△Р/ρ有如下表达式：

式中：

d 管子的直径m

      u 流体的速度m/s

      ρ流体的密度kg/m3

      l管道的长度m

△Р压差pa

λ 阻力系数

通过上述表达式可以求得直管的阻力系数λ，对于弯管而言，用ζ代替（λ•l/d）即可。

三、实验流程图

流体流动阻力系数测定实验流程图如1.3，其中直管长度为1m，管道直径为8mm，相对粗糙度ε/d=0.025。

图1.3阻力系数测定实验装置图

四、实验步骤

1关闭控制阀，打开二个平衡阀，引水﹑灌泵排气，启动泵。

2系统排气

（1）总管排气：

先将控制阀开足，然后再关闭，重复三次，目的为了使总管中的部分气体被排走，然后打开总管排气阀，开足后再关闭，重复三遍。

（2）引压管排气：

依次分别对4个放气阀，开﹑关重复三次。

（3）压差计排气：

关闭二个平衡阀，依次分别打开4个放气阀，此时眼睛要注视着U型压差计中的指示剂液面的上升，防止指示剂冲出，开﹑关重复三次。

3该系统的流量计量采用转子流量计，由于Re在充分湍流区时，λ～Re的关系是水平线，所以在大流量时少布点，而Re在比较小时，λ～Re的关系是曲线，所以小流量时多布点。

调流量计，流量从小到大改变十次（概数）并依次读取压差计读数。

4重复实验步骤3，观测压差计读数随流量计读数的变化规律的一致性。

5结束实验，清理实验现场。

五、数据处理及结果分析

1直管阻力系数测定实验原始数据记录见下表：

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

q（l/h）

R（cm）

U（m/s）

Re

λ

2弯管阻力系数测定实验原始数据记录见下表：

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

q（l/h）

R（cm）

U（m/s）

Re

ζ

3利用公式，带入测得实验数据计算λ，ζ，Re。

并绘制λ～Re曲线。

六、思考题 

1对于直管而言，垂直和水平安装所测得的阻力损失是否相等？

为什么？

2不同管径﹑不同水温下测定的λ－Re数据能否关联到一条曲线上，为什么?

孔板流量计流量系数的测定

一、实验目的

1了解测定孔板流量计流量系数а的仪器结构,工作原理。

2学会流量计系数а的测定方法，分析а和Re间的变化规律。

3掌握流量计的流量校核方法。

二、实验原理

测定孔径为d0的孔板流量计的流量系数公式为：

式中：

а 流量系数

      U0 流体的速度m/s

      Ρ0流体的密度kg/m3

      Ρi指示剂的密度kg/m3

R压差计读数m

A0开孔面积m2

qv 体积流量m3/h

三、实验流程图

流体孔板流量计流量系数实验流程图如1.4，其中孔板开孔直径

为8mm。

计量槽单筒容积为25L，截面尺寸为200ⅹ250mm。

四、实验内容

1关闭所有阀，打开电源，启动离心泵。

2打开控U型压差计的调节阀，逐渐调至最大（注意防止指示液冲出）。

持续5min左右，以排除管道内的气体。

3逐渐关小压差计的调节阀，观察指示液上升的最大高度。

4调流量计，流量从小到大改变十次（概数）并依次读取压差计读数。

5重复实验步骤4，观测压差计读数随流量计读数的变化规律的一致性。

6关闭离心泵出口阀，关闭离心泵及电源开关。

结束实验，清理实验现场。

五、数据处理及结果分析

1实验原始数据记录见下表：

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

q（l/h）

R（cm）

U（m/s）

t（s）

Re

а

2利用公式，带入测得实验数据计算а。

并绘制а～Re曲线。

六、思考题

1假定管道的直接恒定，分析流量系数а随雷诺数Re的变化规律。

过滤常数的测定实验

一、实验目的

1了解板框过滤机的基本结构，流程，操作原理。

掌握过滤的操作方法。

2测定恒压过滤常数K,qe。

二、实验原理

恒压过滤速率方程为：

式中：

t过滤时间sk过滤常数m2/s

 qe过滤常数m3/m2

q 单位过滤面积获得的滤液体积m3/m2

三、实验流程图

板框过滤的实验流程图如图3.1，其中板框过滤面积为0.01m2。

过滤介质为帆布。

由Z-0.036微型空气压缩机提供压力，其排气量为0.036m3/h、压力为0.7Mpa、功率为0.75Kw、转速为1200rpm、气体容积为30L。

图3.1板框过滤实验装置图

四、实验步骤

1熟悉过滤实验的装置与流程，检查各阀门的启闭是否正常。

2用水浸湿滤布，装于滤框上。

安装时滤布孔要对准滤机孔道，表面要拉平整，不起皱纹，板和框的排列顺序必须正确。

3打开压力容器上的排气阀和进水阀，往配料槽内加水至一半（观测控制屏）后关闭进水阀，同时关闭排气阀。

加入适量碳酸钙，其浓度控制在5%（质量百分率）左右。

开动搅拌机，使滤浆浓度均匀。

4打开压力容器的进气阀，启动压缩机。

待压缩机运行正常后，调节空气减压阀，一般减压阀的压力控制在0.1MPa，并保持压力稳定，使系统在此压力下进行恒压过滤。

5当压力恒定，过滤开始并记录数据。

每收集一定量的滤液记一次时间，启动秒表的同时，记下量筒中滤液的体积。

当量筒中滤液体积每增加一个Δq值时，记下秒表的时间，重复操作，取8～10组数据即可。

6当滤液一滴一滴缓慢流出时，表示滤渣已充满框，过滤阶段可告结束。

7实验完毕，拆卸板框压滤机，将板框压滤机内的滤渣放回调桨桶，清洗过滤器。

五、数据处理及结果分析

1实验原始数据记录见下表：

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

H（m）

θ（s）

K（m2/s）

qe（m3/m2）

2利用上述过滤方程，带入实验数据计算K，q的值。

求其平均值；另外，以θ/q为纵坐标，q为横坐标绘制曲线。

该曲线的斜率为1/K,截距为2qe/K，从而求得过滤常数的值。

并比较两种方法所得结果是否一致？

六、思考题

1为什么过滤开始时滤液常常有些混浊，待过滤一段时间后才能澄清？

2滤浆浓度和过滤压力对K值有何影响？

3恒压过滤时，欲增加过滤速率，可行的措施有哪些？

4当操作压力增加一倍时，其K值是否也增加一倍？

要得到同样的滤液量，其过滤时间是否应缩短一半？

传热系数的测定

一、实验目的

1熟悉传热实验的实验方案及实验流程设计。

2了解换热器的基本结构及其操作方法。

3掌握热量衡算与传热系数K及对流传热系数α的测定方法。

4了解强化传热的途径及措施。

5学会传热过程的调节方法。

二、实验原理

根据传热速率方程有：

4-1

4-2

4-3

4-4

式中：

Q   —热负荷，W

qmc   —冷流体的质量流量,kg/s

t1、t2—冷流体的进﹑出口温度，℃

T1、T2—热流体的进﹑出口温度，℃；

Cpc    —冷流体的平均定压比热容，J/kg·℃

三、实验装置图

列管式换热设备流程图如4.1所示。

图4.1列管式换热设备流程图

1—气源；2—气量阀；3—气体流量计；4—进气温度计；5—出气温度计；6—进水温度计；

7—换热器；8—出水温度计；9—水流量计；10—水调节阀；11—调压器；12—气体加热器

四、实验步骤

1打开冷却水流量计阀门；

2在启动风机前关闭空气流量计阀门，然后依次打开空气流量计阀门﹑打开加热电源，使加热电压调至60V。

加热电压不能过高，保持空气进口温度小于100℃，以免换热器的密封垫圈烧焦。

3待t2和T2稳定不变10min，读取原始数据。

五、数据处理及结果分析

1实验原始数据记录见下表：

序号

U（m/s）

T1（℃）

T2（℃）

t1（℃）

t2（℃）

△tm（℃）

K（w/m2·℃）

1

2

3

4

5

六、思考题

1影响总传热系数K的因素有哪些？

2在本实验条件下，进一步地提高冷却水的用量，是否能达到有效强化传热过程的目的？

超滤膜分离实验

一、实验目的

1熟悉超滤膜分离实验的流程和过滤原理。

2了解超滤的操作方法，观察超滤过程。

二、实验原理

超滤是利用一种半透膜作为障碍层，允许部分组分通过，而截留其他组分进行分离的一种手段。

三、实验装置

四、实验内容

1配料。

2检查出口阀是否关闭，搅拌料浆。

3启动泵，打开出口阀，开始过滤。

4改变压力，观察不同压力对超滤的影响。

5配置不同浓度的悬浮液进行超滤，观察悬浮液浓度对超滤的影响。

6关闭泵，结束实验。

清理实验现场。

五、数据处理及结果分析

1实验原始数据记录见下表：

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

p（pa）

q（m3/s）

C（cm）

t（s）

五、思考题

1超滤有什么特点？

2超滤的适用物系是什么？

3超滤分离的机理是什么？

旋风分离器实验

一、实验目的

1观察含碳粉尘的空气在旋风分离器内的运动，了解旋风分离器的除尘原理。

二、实验流程图

三、实验内容

1清除整个除尘体系的灰尘。

2封好旋风分离器底部灰斗。

3启动风机。

4向抽吸器中加入一定粒径范围的煤灰，并随气体进入旋风分离器。

5调节不同的风速，观察旋风分离器的除尘效果。

6调整旋风分离器底部灰斗密封度来观察旋风分离器的除尘效果。

7调节煤灰的粒径范围，再次观察旋风分离器的除尘效果。

8关机并清除整个除尘体系的灰尘。

四、思考题

1旋风分离器的底部灰斗为何要密封？

2旋风分离器的分离效率与它的结构有什么关系？

精馏塔板效率的测定

一、实验目的

1了解精馏装置的基本流程及筛板精馏塔的结构，熟悉精馏操作方法。

2测定全回流条件下总板效率。

二、实验原理

衡量板式精馏塔分离性能，一般用总板效率E表示：

式中：

E—总板效率NT—理论板层数NP—实际板层数

理论板层数NT的求法可用M-T图解法。

本实验是使用乙醇－水二元物系在全回流条件下操作，只需测定塔顶流出液组成XD和釜液组成Xw，即可用图解法求得NT，实际板层数NP为已知，则利用上述公式可求塔效率E。

三、实验流程图

精馏实验设备流程图如6.1所示，其中实际板层数NP为13。

图6.1全回流精馏塔

1-塔斧取样口2-蒸馏斧3-进料指示剂4-塔体5-冷凝器

6-流量计7-塔顶取样口8-不冷凝气排放口9-温度计

四、实验内容

1熟悉精馏装置的流程和结构，以及所需的控制仪器表盘的布置情况，检查蒸馏釜中料液量是否适当，釜内液面高度控制在液面计的2/3左右。

2检查电源并接通电源，加热釜液。

用调压器调节加热功率（电流以4～6A为宜），注意观察塔顶和塔釜的温度变化，塔顶第一块板上开始有回流时，打开冷却水，冷却水用量以能将蒸汽全凝为宜。

3打开塔顶放空阀8排出不凝性气体，塔板上鼓泡正常、温度稳定即表明操作稳定。

可开始取样，每隔20min取一次样并作分析。

4取样前先用少量试样冲洗锥形瓶，取样后将锥形瓶口用插有温度计的塞子塞严，用流水将样品间接冷却至20℃。

再用气相色谱分析塔顶塔斧样品的含量。

一般取样二次（塔顶、塔釜各一次）。

5以上步骤经教师检查无误后，加大电流至7.5A左右，观察塔内的液泛情况。

然后将电流缓慢减小，观察漏液现象。

最后将电流减小至零，切断电源，待塔内无回流时关闭冷却水，清理现场。

五、数据处理及结果分析

1实验原始数据记录见下表：

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

XD

Xw

2根据实验测定塔顶，塔斧含量做M-T图，并求出理论板层数NT。

再求得板效率E。

六、思考题

1什么是全回流，全回流时的操作特征是什么？

如何测定全回流时的总板效率？

2影响板式塔效率的因素有哪些？

3进料量对塔板层数有无影响？

为什么？

4回流温度对塔的操作有何影响？

离心泵特性曲线的测定

一、实验目的

1.了解离心泵的结构和特性；

2.学习离心泵特性曲线的测定方法；

3.熟悉离心泵操作方法和特性曲线的应用；

4.正确掌握作图法处理实验数据。

二、实验原理

对一定类型的泵来说，泵的特性曲线主要是指在一定转速下，泵的扬程﹑功率和效率与流量之间的关系。

由于离心泵的结构和流体本身的非理想性以及流体在流动过程中的种种阻力损失，至今为止，还没有人能推导出计算扬程的纯理论数学方程式。

因此，本实验采用最基本的直接测定法，对泵的特性曲线用实验测得，

离心泵的主要性能参数有流量qv、扬程He、效率η和轴功率Pa，通过实验测出在一定转速下的He-qv、Pa-qv及η-qv之间的关系，并以曲线表示——离心泵的特性曲线。

特性曲线是确定泵的适宜操作条件和选用离心泵的重要依据。

1.流量qv的测定（m3/h）

用出口阀调节离心泵的流量qv，以流量计测定qv。

2.扬程He的测定（m）

扬程He指泵对单位重量的流体所提供的有效能量。

根据柏努利方程：

其中：

P2——泵出口压力表的读数，Mpa；

P1——泵入口真空表的读数，Mpa；

h——压力表与真空表两侧压截面的垂直距离，m；

u1——泵前吸水管的流速，m/s；

u2——泵后出水管的流速，m/s。

3.轴功率Pa的测定（kw）

由三相功率表直接测定电机功率。

4.效率η的测定

泵结构示意图泵的工作点原理图

三、实验步骤

1.了解设备，熟悉流程及所使用的仪表。

2.检查整个实验装置是否能正常使用。

3.关闭电功率表开关，关闭调节阀，打开引水阀，反复开﹑关泵体放气阀，气体被排尽后，关闭放气阀。

4.启动泵，关闭引水阀，接通电功率表。

5.用出口调节阀调节qv，将qv以从小到大的实验顺序依次测取15组实验数据，即：

流动稳定后，测取P1、P2、Pa。

6.实验完毕，关闭泵的出口阀，停泵。

四、实验数据处理

1.纪录、整理原始数据。

2.计算实验结果，以表格的形式示出。

3.以坐标纸手绘离心泵的特性曲线。

qv（m3/h）

P1（MPa）

P2（MPa）

He（m）

Pe（w）

Pa（w）

η

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

五、思考题

1.离心泵启动前为什么要先灌水排气？

本实验装置中的离心泵在安装上有何特点？

2.启动泵前为什么要先关闭出口阀，待启动后，再逐渐开大？

而停泵时，也要先关闭出口阀？

3.离心泵的特性曲线是否与连接的管路系统有关？

4.什么情况下会出现“汽蚀”现象？

吸收实验

一、实验目的

1.了解填料吸收装置的基本流程及设备结构；

2.了解单膜控制过程的特点；

3.学会使用阿贝折射仪。

二、实验原理

填料塔流体力学特性包括压强降和液泛规律。

计算填料塔的需用动力时，必须知道压降的大小。

而确定吸收塔的气、液负载量时，则必须了解液泛的规律，所以测量流体力学性能是吸收实验的一项内容。

三、实验装置与流程

吸收装置流程图

四、实验步骤

1.开动空气系统。

开动时要全开叶氏风机的旁通阀，然后再启动叶氏风机，否则风机一开动，系统内气速突然上升可能碰坏空气转子流量计。

风机启动后再通过关小旁通阀的方同样道理，实验完毕要停机时，也要全开旁通阀，等转子转速降下来后再停机。

如果突然停机，气流突然停止，转子就会猛然摔下，打坏流量计。

2.慢慢加大气速至液泛，然后回复到预定气速再进行正式测定，目的是使填料全面润湿一次。

3.确定操作条件，包括被吸收溶质流量、空气量及喷淋量等。

4.全开旁通阀，启动风机，通过调节旁通阀来控制空气流量。

5.在教师指导下，开启丙酮系统。

先关好转子流量计前的调节阀，再开丙酮流量调节阀，注意不宜开得过快，调节丙酮流