化工原理实验指导周立清邓淑华化工原理广东工业大学轻工化工学院2004.6PDF文件使用”pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn
周立清 邓淑华 广东工业大学轻工化工学院 2004.6 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
目录实验一：流体流动阻力的测定实验二：离心泵特性曲线测定实验三：离心泵计算机数据采集与过程控制实验四：恒压过滤常数测定实验五：对流给热系数的测定实验六：筛板精馏塔理论板层数及塔效率的测定实验七：填料吸收塔总传质系数的测定实验八：千燥实验实验九：综合设计型实验注：实验五、六因设备正在更新的过度时期，暂略。PDF文件使用“pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn
目 录 实验一：流体流动阻力的测定 实验二：离心泵特性曲线测定 实验三：离心泵计算机数据采集与过程控制 实验四：恒压过滤常数测定 实验五：对流给热系数的测定 实验六：筛板精馏塔理论板层数及塔效率的测定 实验七：填料吸收塔总传质系数的测定 实验八：干燥实验 实验九：综合设计型实验 注：实验五、六因设备正在更新的过度时期，暂略。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
绪论化工原理是研究化工生产过程中各种单元操作的工程学科。它紧密联系生产实际，是石油、化工、轻工等专业学生必修的一门专业基础课程。其教学目的是使学生学会用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。实验是教学中的一个重要的实践环节，通过实验，学生不但巩固了所学过的理论知识，而且还能在实验中增长不少新的知识，受到系统的、严格的工程实验训练，因而提高了动手能力和分析、解决问题的能力。汽今为止，面对生动而复杂的化工生产过程的现象，还不能只靠儿个假定和定理，或者是演绎推导的方法便得到应用的理论。因此，不论是工程的可行性研究，新技术的开发和应用，或是工程设计的依据往往都有赖于以实验为基础的经验或半经验的公式，或者直接取实验放大的数据。这就是为什么要求学生必须掌握实验技能的原因，教师和学生都要把这一点作为衡量教学质量的一个重要方面。本书着重介绍实验原理、实验装置和实验方法，简略介绍数据的处理及常用仪表的测量方法和计算机的应用。在这里要说明的一点是：由于本实验室的实验设备正处在更新的过渡时期，新的实验教材有待全部设备更新完毕后，才能完成修订工作，本指导书就自前已更新的设备编写了有关章节，其余待续。PDF文件使用pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn
绪论 化工原理是研究化工生产过程中各种单元操作的工程学科。它紧密联系 生产实际，是石油、化工、轻工等专业学生必修的一门专业基础课程。其教 学目的是使学生学会用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。实 验是教学中的一个重要的实践环节，通过实验，学生不但巩固了所学过的理 论知识，而且还能在实验中增长不少新的知识，受到系统的、严格的工程实 验训练，因而提高了动手能力和分析、解决问题的能力。迄今为止，面对生 动而复杂的化工生产过程的现象，还不能只靠几个假定和定理，或者是演绎 推导的方法便得到应用的理论。因此，不论是工程的可行性研究，新技术的 开发和应用，或是工程设计的依据往往都有赖于以实验为基础的经验或半经 验的公式，或者直接取实验放大的数据。这就是为什么要求学生必须掌握实 验技能的原因，教师和学生都要把这一点作为衡量教学质量的一个重要方 面。 本书着重介绍实验原理、实验装置和实验方法，简略介绍数据的处理及 常用仪表的测量方法和计算机的应用。在这里要说明的一点是：由于本实验 室的实验设备正处在更新的过渡时期，新的实验教材有待全部设备更新完毕 后，才能完成修订工作，本指导书就目前已更新的设备编写了有关章节，其 余待续。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
实验一流体流动阻力测定一、实验目的1.掌握流体流经直管和管阀件时阻力损失的测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。2.测定直管摩擦系数入与雷诺准数Re的关系，将所得的入Re方程与公认经验关系比较。3.测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数。4.学会压差计和流量计的使用方法5.观察组成管路的各种管件、阀件，并了解其作用。二、实验任务1.测定流体流经光滑直管和粗糙直管时摩擦系数入~Re的关系。2.测定流体流经阀门（闸阀）全开时的局部阻力系数。三、基本原理流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。1.沿程阻力流体在水平均匀的管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。即hi_P-P_P=ARh, =Pi-P_p或ppggpgp影响阻力损失的因素很多，尤其对瑞流流体，自前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量综合成准数关联式。根据因次分析，影响阻力损失的因素有，PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn
实验一 流体流动阻力测定 一、实验目的 1.掌握流体流经直管和管阀件时阻力损失的测定方法，通过实验了解流 体流动中能量损失的变化规律。 2.测定直管摩擦系数λ与雷诺准数 Re 的关系，将所得的λ~Re 方程与公 认经验关系比较。 3.测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ。 4.学会压差计和流量计的使用方法。 5.观察组成管路的各种管件、阀件，并了解其作用。 二、实验任务 1.测定流体流经光滑直管和粗糙直管时摩擦系数λ~ Re 的关系。 2.测定流体流经阀门(闸阀)全开时的局部阻力系数ξ。 三、基本原理 流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗 一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运 动方向改变所引起的局部阻力。 1.沿程阻力 流体在水平均匀的管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。即 r r p p p hf D = - = 1 2 或 R g p g p p g hf = D D = - = r r 1 2 影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不能完全用理论方 法求解，必须通过实验研究其规律。为了减少实验工作量，使实验结果具有 普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量综合成准数关联式。根据因次分 析，影响阻力损失的因素有， PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
(1）流体性质：密度p，粘度u：(2)管路的几何尺寸：管径d，管长1，管壁粗糙度ε；(3)流动条件：流速μ。可表示为：Ap=f(d,l,μ,p,u,)组合成如下的无因次式：Apdup1o'd'dpu?μdup3).1.u?ApD2udp令dup.&入=0dμ则Iu?Aph, =d 2p式中：AP.一压降Pahr一直管阻力损失J/kg，流体密度kg/m3p入一直管摩擦系数，无因次一直管长度m一直管内径md-一流体流速，由实验测定m/s入一一称为直管摩擦系数。滞流（层流）时，入=64/Re流时入是雷诺准数Re和相对粗糙度的函数，须由实验确定。2.局部阻力局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。(1)当量长度法PDF文件使用”pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn
(1)流体性质：密度ρ，粘度μ； (2)管路的几何尺寸：管径 d，管长 l，管壁粗糙度ε； (3)流动条件：流速μ。 可表示为： Dp = f (d,l, m, r,u,e ) 组合成如下的无因次式： ( , , ) 2 d d du l u p e m r r = F D 2 ( , ) 2 u d l d p du = · · D e m r j r 令 ( ) d du e m r l = j · 则 2 2 u d p l hf l r = D = 式中： DP ——压降 Pa hf——直管阻力损失 J/kg， ρ——流体密度 kg/m3 λ——直管摩擦系数，无因次 l——直管长度 m d——直管内径 m u——流体流速，由实验测定 m/s λ——称为直管摩擦系数。滞流(层流)时，λ＝64／Re；湍流时λ 是雷诺准数 Re 和相对粗糙度的函数，须由实验确定。 2.局部阻力 局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。 (1)当量长度法 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号1e表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时：可将管路中的直骨长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为乙各种局部阻力的当量长度之和为>le，则流体在管路中流动时的总阻力损失h，为I+Eleu?Eh,=a-d2(3—6)(2）阻力系数法流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路小的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法。即：2式中，一一局部阻力系数，无因次；u——在小截面管中流体的平均流速，m/s。由于管件两侧距测压孔问的直管长度很短：引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。因此hf之值可应用柏努利方程由压差计读数求取。四、实验装置与流程1.实验装置如图1-1所示。PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn
流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与 其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号 le 表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路 计算时．可将管路中的直骨长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算， 如管路中直管长度为乙各种局部阻力的当量长度之和为 åle ，则流体在管路中流动时的总阻力损失åhf 为 2 2 u d l le hf å å + = l (3—6) (2)阻力系数法 流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路小的动能系数来 表示，这种计算局 部阻力的方法，称为阻力系数法。 即 ： 2 2 u hf = x ¢ 式中，ξ——局部阻力系数，无因次； u——在小截面管中流体的平均流速，m／s。 由于管件两侧距测压孔问的直管长度很短．引起的摩擦阻力与局部阻力 相比，可以忽略不计。因此 hf 之值可应用柏努利方程由压差计读数求取。 四、实验装置与流程 1.实验装置如图 1-1 所示。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
排气肤排气阀元局部阻力m3/h阁104光滑管口阀105粗管阀10611光滑管粗糙管局部阻力灌水阀调节阀实验冰温储水箱图1-1实验装置流程图实验装置如图1-1所示。主要部分由储水箱，不同管径、材质的管子，各种阀门或管件，涡轮流量计、差压计等组成。第一根为不锈钢管，其上装有待测管件（闸阀），用于局部阻力的测定。用第二根为不锈钢管，第三根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管流流体流动阻力的测定。本实验的介质为水，由储水箱经离心泵供给，流经实验装置后的水通过管道流回储水箱循环使用。水流量用装在测试装置管的涡轮流量计测量，并在控制台上的仪表上读数。直管段和管件的阻力分别用各自的倒U形压差计测量。2.装置结构尺寸装置结构尺寸如表1-1所示。PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn
图 1-1 实验装置流程图 实验装置如图 1-1 所示。主要部分由储水箱，不同管径、材质的管子， 各种阀门或管件，涡轮流量计、差压计等组成。第一根为不锈钢管，其上装 有待测管件(闸阀)，用于局部阻力的测定。用第二根为不锈钢管，第三根为 镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。 本实验的介质为水，由储水箱经离心泵供给，流经实验装置后的水通过 管道流回储水箱循环使用。 水流量用装在测试装置管的涡轮流量计测量，并在控制台上的仪表上读 数。直管段和管件的阻力分别用各自的倒 U 形压差计测量。 2.装置结构尺寸 装置结构尺寸如表 1-1 所示。 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
表 1-1装置结构尺寸管内径（mm）测试段名称材质长度装置 (1)装置（2)装置（3)装置（4)100810091011(m)10101.5光滑管不锈钢管26.9427.4028.0028.05粗糙管镀锌铁管28.001.528.2227.9728.14局部阻闸阀41.8441.8441.8441.84力五、实验步骤及注意事项1.先关闭泵的进水阀和出水阀、然后打开排气阀，对水泵进行灌水。注意：由于灌水阀连接自来水，此阀只能部分打开，不能全开以免把压力变送损坏。灌水完成后，要正确启动水泵，然后把水泵的出口阀开到最大。2.关闭阀105、打开阀104，缓缓打开阀106，开始排管道的气体，然后关闭阀106，做好倒U形压差计的排气准备工作。3.倒U形压差计的排气和调零操作。关闭阀11、阀12，阀13、阀14，阀15，打开阀11、阀12、阀15，使玻璃管内充满水并排净空气。关闭阀11阀12，打开阀13、阀14，把玻璃管内的水排净。之后关闭阀14、阀15，打开阀11、阀12，让水进入玻璃管至平衡水位（此时系统中的出水阀门106是关闭的，管路中的水再静止时U形中的水位是平衡的。）。若倒U型压差计的液位不平衡，则重复上述操作，直至液位平衡为止。当3支倒U形压差计排气和调零工作完成后（此时3支倒U形压差计液位高度基本一致）。关闭平衡阀门13。4.完成上述工作后即开始实验。只要调节流量调节阀，可得一系列入~Re的实验点，绘出入Re曲线。5.缓缓打开出水阀门106，调节好一个流量，待水稳定后，正确测取压差计和流量等有关参数。然后再改变不同流量，正确读取不同流量下的取压差计的进出口和流量等有关参数，并做好。6.根据本装置特点，应考虑好实验点的分布和测量次数。实验结束后，PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn
表 1-1 装置结构尺寸 管内径（mm） 名称 材质 装置（1） 1008 装置（2） 1009 装置（3） 1010 装置（4） 1011 测试段 长度 （m） 光滑管 不锈钢管 26.94 27.40 28.00 28.05 1.5 粗糙管 镀锌铁管 28.22 27.97 28.14 28.00 1.5 局部阻 力 闸阀 41.84 41.84 41.84 41.84 五、实验步骤及注意事项 1.先关闭泵的进水阀和出水阀、然后打开排气阀，对水泵进行灌水。注 意：由于灌水阀连接自来水，此阀只能部分打开，不能全开以免把压力变送 损坏。灌水完成后，要正确启动水泵，然后把水泵的出口阀开到最大。 2. 关闭阀 105、打开阀 104，缓缓打开阀 106，开始排管道的气体，然 后关闭阀 106，做好倒 U 形压差计的排气准备工作。 3.倒 U 形压差计的排气和调零操作。关闭阀 11、阀 12，阀 13、阀 14， 阀 15，打开阀 11、阀 12、阀 15，使玻璃管内充满水并排净空气。关闭阀 11、 阀 12，打开阀 13、阀 14，把玻璃管内的水排净。之后关闭阀 14、阀 15，打 开阀 11、阀 12，让水进入玻璃管至平衡水位（此时系统中的出水阀门 106 是关闭的，管路中的水再静止时 U 形中的水位是平衡的。）。若倒 U 型压差计 的液位不平衡，则重复上述操作，直至液位平衡为止。当 3 支倒 U 形压差计 排气和调零工作完成后（此时 3 支倒 U 形压差计液位高度基本一致）。关闭 平衡阀门 13。 4.完成上述工作后即开始实验。只要调节流量调节阀，可得一系列λ~Re 的实验点，绘出λ～Re 曲线。 5.缓缓打开出水阀门 106，调节好一个流量，待水稳定后，正确测取压 差计和流量等有关参数。然后再改变不同流量，正确读取不同流量下的取压 差计的进出口和流量等有关参数，并做好。 6.根据本装置特点，应考虑好实验点的分布和测量次数。实验结束后， PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
关闭离心泵阀门、仪表开关和电源，并将装置中的水排放干净，关闭所有的阀门。7.与本实验无关的阀门、仪表，请不要乱动。六、实验记录表和数据结果表设备编号：糙糙管径：管长：光滑管径：管长：平均水温：光滑管粗糙管序流水闸阀(mmH20)(mmH20)(mmH20)量温号入W进差进差进差Re出出出m/s口值值口口值℃口口口七、实验报告1.根据光滑管和粗糙管实验数据结果，在双对数坐标纸上标绘出入～Re曲线，对照化工原理教材上有关图形，即可估出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。2.根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。3.根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均值。4.对实验结果进行分析讨论。八、思考题1.在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的流量调节阀？为PDF文件使用pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn
关闭离心泵阀门、仪表开关和电源，并将装置中的水排放干净，关闭所有的 阀门。 7.与本实验无关的阀门、仪表，请不要乱动。 六、实验记录表和数据结果表 设备编号： 光滑管径： 管长： 糙糙管径： 管长： 平均水温： 光滑管 (mmH2O) 粗糙管 (mmH2O) 序 闸阀(mmH2O) 号 进 口 出 口 差 值 进 口 出 口 差 值 进 口 出 口 差 值 流 量 m 3 /s 水 温 ℃ Re λ ξ 七、实验报告 1.根据光滑管和粗糙管实验数据结果，在双对数坐标纸上标绘出λ~ Re 曲线，对照化工原理教材上有关图形，即可估出该管的相对粗糙度和绝对粗 糙度。 2.根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。 3.根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。 4.对实验结果进行分析讨论。 八、思考题 1.在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的流量调节阀?为 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
什么？2.如何检验测试系统内的空气已经被排除干净？3.以水做介质所测得的入～Re关系能否适用于其它流体?如何应用？4.在不同设备上（包括不同管径），不同水温下测定的入~Re数据能否关联在同一条曲线上？5.如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响？PDF文件使用"pdfFactoryPro”试用版本创建www.fineprint.com.cn
什么? 2.如何检验测试系统内的空气已经被排除干净? 3.以水做介质所测得的λ～Re 关系能否适用于其它流体?如何应用? 4.在不同设备上(包括不同管径)，不同水温下测定的λ~Re 数据能否关 联在同一条曲线上? 5.如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响? PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn