皖西学院WEST ANHUI UNIVERSITY化工原理实验指导书实验一流体流动阻力测定实验化工原理实验选择装置水槽实验目录引水阀实验介绍离心泵实验指导压差计实验装直涡轮计实验演示控制阀口虚拟实验实验思考CopyriehtzocsAll Bights Reserved华东理工大学服权所有图片徐光年、金俊成编制材料与化工学院化工教研室2014.08
化工原理实验指导书 2014.08 徐光年、金俊成 编制 材料与化工学院 化工教研室
序言3实验一6流体流型及雷诺数的测定实验二9离心泵特性曲线测定14实验三流体流动阻力的测定20实验四机械能转化实验空气一蒸汽给热系数测定25实验五34实验六恒压过滤实验41实验七填料塔吸收传质系数的测定45实验八干燥特性曲线测定实验实验九，液一液萃取塔的操作5155实验十板式精馏塔的操作及全塔效率的测定60实验十一，塔板流体力学性能的测定
序 言 . 3 实验一 流体流型及雷诺数的测定. 6 实验二 离心泵特性曲线测定 . 9 实验三 流体流动阻力的测定 . 14 实验四 机械能转化实验 . 20 实验五 空气－蒸汽给热系数测定. 25 实验六 恒压过滤实验. 34 实验七 填料塔吸收传质系数的测定. 41 实验八 干燥特性曲线测定实验 . 45 实验九 液—液萃取塔的操作 . 51 实验十 板式精馏塔的操作及全塔效率的测定 . 55 实验十一 塔板流体力学性能的测定 . 60
序創言一、化工原理实验的特点化工原理实验属于工程实验范畴，它不同于基础课程的实验。后者面对的是基础科学，采用的方法是理论的、严密的，处理的对象通常是简单的、基本的甚至是理想的，而工程实验面对的是复杂的实际问题和工程问题。对象不同，实验研究方法也必然不同。工程实验的困难在于变量多，涉及的物料于变万化，设备大小悬殊，实验工作量之大之难是可想而知的。因此不能把处理一般物理实验的方法简单地套用于化工原理实验。数学模型方法和因次论指导下的实验研究方法是研究工程问题的两个基本方法，因为这两种方法可以非常成功地使实验研究结果由小见大，由此及彼地应用于大设备的生产设计上。例如，在因次论指导下的实验，可不需要过程的深入理解，不需要采用真实的物料、真实流体或实际的设备尺寸，只需借助模拟物料（如空气、水、黄砂等）在实验室规模的小设备中，经一些设备性的实验或理性的推断得出过程的因素，从而加以归纳和概括成经验方程。这种因次论指导下的实验研究方法，是确立解决难于作出数学描述的复杂问题的一种有效方法。数学模型方法是在对过程有充分认识的基础上，将过程作高度的概括，得到简单而不失真的物理模型，然后给予数学上的描述。这种研究方法同样可以具备以小见大，由此及彼的功能（因次论指导下的实验方法和数学模型方法反映了工程实验和基础实验的主要区别）。化工原理实验的另一目的是理论联系实际。化工由很多单元过程和设备所组成，学生应该运用理论去指导并且能够独立进行化工单元的操作，应能在现有设备中完成指定的任务，并预测某些参数的变化对过程的影响。二、基本要求1、实验研究方法及数据处理（1）掌握处理化学工程问题的两种基本实验研究方法。一种是经验的方法，即应用因次论进行实验的规划；另一种是半经验半理论的方法或数学模型方法掌握如何规划实验，去检验模型的有效性模型参数的估值
序 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，它不同于基础课程的实验。后者面对的是 基础科学，采用的方法是理论的、严密的，处理的对象通常是简单的、基本 的甚至是理想的，而工程实验面对的是复杂的实际问题和工程问题。对象不 同，实验研究方法也必然不同。工程实验的困难在于变量多，涉及的物料千 变万化，设备大小悬殊，实验工作量之大之难是可想而知的。因此不能把处 理一般物理实验的方法简单地套用于化工原理实验。数学模型方法和因次论 指导下的实验研究方法是研究工程问题的两个基本方法，因为这两种方法可 以非常成功地使实验研究结果由小见大，由此及彼地应用于大设备的生产设 计上。例如，在因次论指导下的实验，可不需要过程的深入理解，不需要采 用真实的物料、真实流体或实际的设备尺寸，只需借助模拟物料（如空气、 水、黄砂等）在实验室规模的小设备中，经一些设备性的实验或理性的推断 得出过程的因素，从而加以归纳和概括成经验方程。这种因次论指导下的实 验研究方法，是确立解决难于作出数学描述的复杂问题的一种有效方法。数 学模型方法是在对过程有充分认识的基础上，将过程作高度的概括，得到简 单而不失真的物理模型，然后给予数学上的描述。这种研究方法同样可以具 备以小见大，由此及彼的功能（因次论指导下的实验方法和数学模型方法反 映了工程实验和基础实验的主要区别）。化工原理实验的另一目的是理论联 系实际。化工由很多单元过程和设备所组成，学生应该运用理论去指导并且 能够独立进行化工单元的操作，应能在现有设备中完成指定的任务，并预测 某些参数的变化对过程的影响。 二、基本要求 1、实验研究方法及数据处理 （1）掌握处理化学工程问题的两种基本实验研究方法。一种是经验的方法， 即应用因次论进行实验的规划；另一种是半经验半理论的方法或数学模型方法， 掌握如何规划实验，去检验模型的有效性模型参数的估值
（2）掌握最基本的经验参数和模型参数的估值方法一一最小二乘法，（3）对于特定的工程问题，在缺乏数据的饿情况下，学会如何组织实验以及取得必要的设计数据。2、熟悉化工数据的基本测试技术其中包括操作参数（例流量、温度、压强等）和设备特性参数（例阻力参数、传热系数、传质系数等）、特性曲线的测试方法。3、熟悉并掌握化工中典型设备的操作了解有关影响操作的参数，能在现在设备中完成指定的工艺要求。并能预测某些参数的变化对设备能力的影响，应作何调整。三、实验课教学内容及教学方法通过实验课的教学应让学生掌握科学实验的全过程，此过程应包括：（1）实验前的准备：（2）进行实验操作；（3）正确记录和处理实验数据：（4）撰写实验报告。以上四个方面是实验课的主要环节，认为实验课就是单纯进行实验“操作”的观点应该改变。为使学生对于实验有严肃的态度，严格的要求和严密的作风，我们推荐典型的实验程序如下：（1）认真阅读实验指导书和有关参考资料，了解实验目的和要求；（2）进行实验室现场预习。了解实验装置，摸清实验流程、测试点、操作控制点，此外还需了解所使用的检测仪器、仪表。（3）预先组织好34人的实验小组，实验小组讨论并拟订实验方案，预先作好分工，并写出实验的预习报告，预习报告的内容应包括：1）实验目的和内容；2）实验的基本原理及方案；3）实验装置及流程图；4）实验操作要点实验数据的布点；5）设计原始数据的记录表格。预习报告应在实验前交给实验指导教师审阅，获准后学生方能参加实验：（4）进行实验操作，要求认真细致地记录实验原始数据。操作中应能进行理
（2）掌握最基本的经验参数和模型参数的估值方法——最小二乘法。 （3）对于特定的工程问题，在缺乏数据的饿情况下，学会如何组织实验以及 取得必要的设计数据。 2、熟悉化工数据的基本测试技术 其中包括操作参数（例流量、温度、压强等）和设备特性参数（例阻力参数、 传热系数、传质系数等）、特性曲线的测试方法。 3、熟悉并掌握化工中典型设备的操作 了解有关影响操作的参数，能在现在设备中完成指定的工艺要求。并能预测 某些参数的变化对设备能力的影响，应作何调整。 三、实验课教学内容及教学方法 通过实验课的教学应让学生掌握科学实验的全过程，此过程应包括：（1）实 验前的准备；（2）进行实验操作；（3）正确记录和处理实验数据；（4）撰写实验 报告。以上四个方面是实验课的主要环节，认为实验课就是单纯进行实验“操作” 的观点应该改变。 为使学生对于实验有严肃的态度，严格的要求和严密的作风，我们推荐典型 的实验程序如下： （1）认真阅读实验指导书和有关参考资料，了解实验目的和要求； （2）进行实验室现场预习。了解实验装置，摸清实验流程、测试点、操作控 制点，此外还需了解所使用的检测仪器、仪表。 （3）预先组织好 3~4 人的实验小组，实验小组讨论并拟订实验方案，预先作 好分工，并写出实验的预习报告，预习报告的内容应包括： 1）实验目的和内容； 2）实验的基本原理及方案； 3）实验装置及流程图； 4）实验操作要点实验数据的布点； 5）设计原始数据的记录表格。 预习报告应在实验前交给实验指导教师审阅，获准后学生方能参加实验； （4）进行实验操作，要求认真细致地记录实验原始数据。操作中应能进行理
论联系实际的思考：（5）实验数据的处理，如果用计算机处理实验数据，则学生还须有一组手算的计算示例；（6）撰写实验报告。撰写实验报告是实验教学的重要组成部分，应避免单纯填写表格的方式，而应由学生自行撰写成文，内容大致包括：1）实验目的和原理；2）实验装置；3）实验数据及数据处理；4）实验结果及讨论。四、学生实验守则1、遵守纪律不退到不早退，在实验室内保持安静，不大声谈笑，遵守实验室的一切规章制度，听从教师指导。2、实验前要认真预习，作好预习报告，经教师提问通过后，方可准予参加实验。3、实验时要严格遵守仪器、设备、电路的操作规程不得擅自变更，操作前须经教师检查同意后方可接通电路和开车，操作中仔细观察，如实记录现象和数据。仪器设备发生故障严禁擅自处理，应立即报告教师。4、实验后根据原始记录、处理数据、分析问题及时作好实验报告。5、爱护仪器、注意安全、水，电，煤气，药品要节约使用。6、保持实验室整洁，废品，废物丢入垃圾箱内。7、实验完毕记录数据须经教师审查签字，做好清洁工作，恢复仪器设备原状，关好门窗，和检查水，电，气源是否关好，方可离开实验室
论联系实际的思考； （5）实验数据的处理，如果用计算机处理实验数据，则学生还须有一组手算 的计算示例； （6）撰写实验报告。撰写实验报告是实验教学的重要组成部分，应避免单纯 填写表格的方式，而应由学生自行撰写成文，内容大致包括： 1）实验目的和原理； 2）实验装置； 3）实验数据及数据处理； 4）实验结果及讨论。 四、学生实验守则 1、遵守纪律不迟到不早退，在实验室内保持安静，不大声谈笑，遵守实验 室的一切规章制度，听从教师指导。 2、实验前要认真预习，作好预习报告，经教师提问通过后，方可准予参加 实验。 3、实验时要严格遵守仪器、设备、电路的操作规程不得擅自变更，操作前 须经教师检查同意后方可接通电路和开车，操作中仔细观察，如实记录现象和数 据。仪器设备发生故障严禁擅自处理，应立即报告教师。 4、实验后根据原始记录、处理数据、分析问题及时作好实验报告。 5、爱护仪器、注意安全、水，电，煤气，药品要节约使用。 6、保持实验室整洁，废品，废物丢入垃圾箱内。 7、实验完毕记录数据须经教师审查签字，做好清洁工作，恢复仪器设备原 状，关好门窗，和检查水，电，气源是否关好，方可离开实验室
实验一流体流型及雷诺数的测定一、实验目的1、观察流体在管内流动的两种不同流型。2、测定临界雷诺数Rec。二、 基本原理流体流动有两种不同型态，即层流（或称滞流，Laminarflow）和流（或称素流，Turbulentflow），这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于1883年首先发现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉动：流体作瑞流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个由各影响变量组合而成的无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示：Re = dup(1-1)式中：Re一雷诺准数，无因次；d一管子内径，m;u一流体在管内的平均流速，m/sp一流体密度，kg/m3；μ一流体粘度；Pa·s。层流转变为流时的雷诺数称为临界雷诺数，用Rec表示。工程上一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re>4000时，圆管内已形成流；当Re在2000至4000范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流，也可能是端流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一Re数范围为过渡区。式（1一1）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流体流速有关。本实验即是通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数
实验一 流体流型及雷诺数的测定 一、实验目的 1、观察流体在管内流动的两种不同流型。 2、测定临界雷诺数 Re c 。 二、基本原理 流体流动有两种不同型态，即层流（或称滞流，Laminar flow）和湍流（或 称紊流，Turbulent flow），这一现象最早是由雷诺（Reynolds）于 1883 年首先发 现的。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，且在径向无脉 动；流体作湍流流动时，其流体质点除沿管轴方向作向前运动外，还在径向作脉 动，从而在宏观上显示出紊乱地向各个方向作不规则的运动。 流体流动型态可用雷诺准数（Re）来判断，这是一个由各影响变量组合而 成的无因次数群，故其值不会因采用不同的单位制而不同。但应当注意，数群中 各物理量必须采用同一单位制。若流体在圆管内流动，则雷诺准数可用下式表示： du Re = （1－1） 式中：Re —雷诺准数，无因次； d —管子内径，m； u —流体在管内的平均流速，m／s； —流体密度，kg／m3； μ—流体粘度；Pa·s。 层流转变为湍流时的雷诺数称为临界雷诺数，用 Re c 表示。工程上一般认 为，流体在直圆管内流动时，当 Re≤2000 时为层流；当 Re>4000 时，圆管内已 形成湍流；当 Re 在 2000 至 4000 范围内，流动处于一种过渡状态，可能是层流， 也可能是湍流，或者是二者交替出现，这要视外界干扰而定，一般称这一 Re 数 范围为过渡区。 式（1－1）表明，对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅 与流体流速有关。本实验即是通过改变流体在管内的速度，观察在不同雷诺准数
下流体的流动型态。三、实验装置及流程实验装置如图1一1所示。主要由玻璃试验导管、流量计、流量调节阀、低位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽等部分组成，演示主管路为*20×2mm硬质玻璃。T637&4D9具具图1-1流体流型演示实验1一红墨水储槽；2一溢流稳压槽：3一实验管：4一转子流量计；5-循环泵：6-上水管；7-溢流回水管：8—调节阀：9一储水槽实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水泵。待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。水由稳压溢流水槽流经缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。水流量的大小，可由流量计和调节阀调节。示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入试验导管。细孔玻璃注射管（或注射针头)位于试验导管人口的轴线部位。注意：实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避免震动
下流体的流动型态。 三、实验装置及流程 实验装置如图 1－1 所示。主要由玻璃试验导管、流量计、流量调节阀、低 位贮水槽、循环水泵、稳压溢流水槽等部分组成，演示主管路为 20 2 mm 硬质 玻璃。 1 2 6 3 7 4 8 9 5 图 1－1 流体流型演示实验 1－红墨水储槽； 2－溢流稳压槽； 3－实验管； 4－转子流量计； 5－循环泵； 6－上水管； 7－溢流回水管； 8－调节阀； 9－储水槽 实验前，先将水充满低位贮水槽，关闭流量计后的调节阀，然后启动循环水 泵。待水充满稳压溢流水槽后，开启流量计后的调节阀。水由稳压溢流水槽流经 缓冲槽、试验导管和流量计，最后流回低位贮水槽。水流量的大小，可由流量计 和调节阀调节。 示踪剂采用红色墨水，它由红墨水贮瓶经连接管和细孔喷嘴，注入试验导管。 细孔玻璃注射管(或注射针头)位于试验导管人口的轴线部位。 注意：实验用的水应清洁，红墨水的密度应与水相当，装置要放置平稳，避 免震动
四、演示操作（1）层流流动型态试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调节红墨水贮瓶的下口旋塞，并作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相适应，一般略低于主体流体的流速为宜。待流动稳定后，记录主体流体的流量。此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的红线一样。（2）端流流动型态缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之平稳地增大。此时可观察到，玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生波动。随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的红色细流。当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个导管内，进而迅速与主体水流混为一体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨别红墨水的流线
四、演示操作 （1）层流流动型态 试验时，先少许开启调节阀，将流速调至所需要的值。再调节红墨水贮瓶的 下口旋塞，并作精细调节，使红墨水的注人流速与试验导管中主体流体的流速相 适应，一般略低于主体流体的流速为宜。待流动稳定后．记录主体流体的流量。 此时，在试验导管的轴线上，就可观察到一条平直的红色细流，好像一根拉直的 红线一样。 （2）湍流流动型态 缓慢地加大调节阀的开度，使水流量平稳地增大，玻璃导管内的流速也随之 平稳地增大。此时可观察到，玻璃导管轴线上呈直线流动的红色细流，开始发生 波动。随着流速的增大，红色细流的波动程度也随之增大，最后断裂成一段段的 红色细流。当流速继续增大时，红墨水进入试验导管后立即呈烟雾状分散在整个 导管内，进而迅速与主体水流混为—体，使整个管内流体染为红色，以致无法辨 别红墨水的流线
实验二离心泵特性曲线测定一、实验目的1了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用；2.掌握离心泵特性曲线测定方法；3.了解电动调节阀的工作原理和使用方法。二、基本原理离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率n与泵的流量O之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。1.扬程H的测定与计算取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能衡算方程：5+++H=5++%+hpg2gpg2g(2-1)由于两截面间的管长较短，通常可忽略阻力项h，速度平方差也很小故可忽略，则有H =(≥2 -2)+ P2 - Pipg(2-2)=H。+H(表值)+H2式中：H。=22-2，表示泵出口和进口间的位差，m：和p—一流体密度，kg/m；g——重力加速度m/s2：P1、P2——分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa;Hi、H2一一分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m；ui、u2一一分别为泵进、出口的流速，m/s：ZI、Z2——分别为真空表、压力表的安装高度，m。由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度
实验二 离心泵特性曲线测定 一、实验目的 1．了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用； 2．掌握离心泵特性曲线测定方法； 3．了解电动调节阀的工作原理和使用方法。 二、基本原理 离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒 定转速下泵的扬程 H、轴功率 N 及效率η与泵的流量 Q 之间的关系曲线，它是 流体在泵内流动规律的宏观表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用理论方 法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。 1．扬程 H 的测定与计算 取离心泵进口真空表和出口压力表处为 1、2 两截面，列机械能衡算方程： hf g u g p H z g u g p z + + + = + + + 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 （2－1） 由于两截面间的管长较短，通常可忽略阻力项 hf ，速度平方差也很小故可忽略， 则有 H = ( g p p z z 2 1 2 1 ) − − + 0 1 2 = H + H (表值）+ H （2－2） 式中： 0 2 1 H = z − z ，表示泵出口和进口间的位差，m；和 ρ——流体密度，kg/m3 ； g——重力加速度 m/s2 ； p1、p2——分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa； H1、H2——分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m； u1、u2——分别为泵进、出口的流速，m/s； z1、z2——分别为真空表、压力表的安装高度，m。 由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度
差，就可计算出泵的扬程。2.轴功率N的测量与计算N=Nxk(W)(2-3)其中，N电为电功率表显示值，k代表电机传动效率，可取k=0.95。3.效率n的计算泵的效率n是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是单位时间内流体经过泵时所获得的实际功，轴功率N是单位时间内泵轴从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。泵的有效功率Ne可用下式计算：Ne=HOpg(2-4)HQpg×100%n=N故泵效率为(2-5)4.转速改变时的换算泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量Q的变化，多个实验点的转速n将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速n'下（可取离心泵的额定转速2900rpm）的数据。换算关系如下：Q="'n流量(26)H'= H(")n扬程(2-7)N'轴功率(2-8)gH'pg_CHpg =nn'=9N'N效率(2-9)三、实验装置与流程
差，就可计算出泵的扬程。 2．轴功率 N 的测量与计算 N = N电 k （W） （2－3） 其中，N 电为电功率表显示值，k 代表电机传动效率，可取 k＝0.95。 3．效率η的计算 泵的效率η是泵的有效功率 Ne 与轴功率 N 的比值。有效功率 Ne 是单位时 间内流体经过泵时所获得的实际功，轴功率 N 是单位时间内泵轴从电机得到的 功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。 泵的有效功率 Ne 可用下式计算： Ne = HQg （2－4） 故泵效率为 = 100% N HQg （2－5） 4．转速改变时的换算 泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。但是，实际上感应电动机在转 矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量 Q 的变化，多个实验点的转速 n 将 有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速 n下（可 取离心泵的额定转速 2900rpm）的数据。换算关系如下： 流量 n n Q Q ' = （2－6） 扬程 2 ( ) n n H H = （2－7） 轴功率 3 ( ) n n N N = （2－8） 效率 = = = N QH g N Q'H g （2－9） 三、实验装置与流程