精编化工原理实验资料资料

一、实验目的

1．熟悉流体在管路中流动阻力的测定方法及实验数据的归纳 2．测定直管摩擦系数λ和Re关系曲线及局部阻力系数 3. 了解离心泵的构造，熟悉其操作和调节方法 4. 测出单级离心泵在固定转速下的特定曲线 二、实验原理

流体在管路中的流动阻力分为直管阻力和局部阻力两种。直管阻力是流体流经一定管径的直管时，由于流体内摩擦而产生的阻力，可由下式计算：

plu2Hf (3-1)

gd2g局部阻力主要是由于流体流经管路中的管件、阀门及管截面的突然扩大或缩小等局部地方所引起的阻力，计算公式如下：

p'u2H (3-2)

g2g'f管路的能量损失

HfHfH'f (3-3)

式中 Hf——直管阻力，m水柱；

——直管摩擦阻力系数；

——管长，m； ——直管内径，m；

——管内平均流速，ms；

1g——重力加速度，9.81ms2

p——直管阻力引起的压强降，Pa；

——流体的密度，kgm3；

——局部阻力系数； 由式3-1可得

P2d (3-4) 2lu这样，利用实验方法测取不同流量下长度为l直管两端的压差P即可计算出和Re，然后在双对数坐标纸上标绘出Re的曲线图。

离心泵的性能受到泵的内部结构、叶轮形式、叶轮转速的影响。 实验将测出的

H—Q、N—Q、—Q之间的关系标绘在坐标纸上成为三条曲线，即为离心泵的特性曲

线，根据曲线可找出泵的最佳操作范围，作为选泵的依据。 离心泵的扬程可由进、出口间的能量衡算求得：

uu1 HH出口压力表H入口压力表h02 (3-5)

2g式中H出口压力表——离心泵出口压力表读数，m水柱；

22H入口压力表——离心泵入口压力表的读数，m水柱；

h0——离心泵进、出口管路两测压点间的垂直距离，可忽略不计；

u1——吸入管内流体的流速，ms1；

u2——压出管内流体的流速，ms1

泵的有效功率，由于泵在运转过程中存在种种能量损失，使泵的实际压头和流量较理论值为低，而输入泵的功率又较理论值为高，所以泵的效率

Ne100% (3-6) N而泵的有效功率

NeQHeg/（3600×1000） (3-7)

式中：Ne——泵的有效功率，Kw；

N——电机的输入功率，由功率表测出，Kw；

Q——泵的流量，m3h-1；

He——泵的扬程，m水柱。 三、实验装置流程图

图3-1 流体力学综合实验流程图

1-底阀 2-入口压力表 3-离心泵 4-出口压力表 5-充水阀 6-差压变送器 7-涡轮流量计 8-水箱 管子规格：

1#~2#，入口内径为35.75mm，出口内径为27.1mm，直管内径为27.1mm，直管管长1m。 3#~8#，入口内径为41mm，出口内径为35.75mm，直管内径为35.75mm，直管管长1m 四、实验步骤

1．打开充水阀向离心泵泵壳内充水。

2．关闭充水阀、出口流量调节阀，启动总电源开关，启动电机电源开关。

3．打开出口调节阀至最大，记录下管路流量最大值，即控制柜上的涡轮流量计的读数。 4．直管阻力的测定：调节出口阀，流量从大到小测取8～10次，再由小到大测取8～10次，记录各次实验数据，包括涡轮流量计的读数、直管压差示值。

5. 局部阻力的测定（要求流量在1～4 mh范围内）：调节出口阀，改变管路流量3次，分别记录闸阀压差、截止阀压差、涡轮流量计的读数。

6. 离心泵特性曲线的测定：调节出口阀，流量从最大到最小测取8～10次，再由最小到最大测取8～10次，记录各次实验数据，包括入口压力表、出口压力表、涡轮流量计、功率表的读数。

7．测取实验用水的温度。

8．依次关闭出口流量调节阀、电机开关、总电源开关。 五、实验报告

1．计算直管摩擦系数及雷诺准数，在双对数坐标纸上标绘Re的关系曲线。 2．计算局部阻力系数的平均值。

3. 以流量Q为横坐标，N,He及为纵坐标，绘出此离心泵的特性曲线。 在离心泵的特性曲线图上标明泵的型号和转速，请参照所学教材。

31 六、思考题

1. 以水为工作流体所测得的Re关系能否适用于其他种类的牛顿型流体？请说明原因。

2. 如果要增加雷诺数的范围，可采取哪些措施？

3. 测出的直管摩擦阻力与直管的放置状态有关吗？请说明原因。

4．离心泵启动前，出口阀处于什么状态？为什么？关闭离心泵时，出口阀处于什么状态？为什么？

5．测定离心泵的特性曲线并绘出曲线图时为什么要注明转速数值？

6．随着离心泵流量的增大，进口真空表和出口压力表指示的数值怎么变化？功率表读数如何变化？

7．离心泵怎样启动？为什么？

8．离心泵启动后，如不打开出口阀会有什么结果？ 9．为什么离心泵可用出口阀来调节流量？ 10. 试分析气缚和气蚀现象的区别。

11. 试分析允许吸上真空高度与泵的安装高度的区别。 七、注意事项

1. 注意电机和泵是否能正常运转，有无杂音，电机是否发热等，一旦发现异常，立即关闭泵电源开关。

2. 泵启动前先冲水排气，启动时应关闭出口阀，停泵前也应先关出口阀； 3. 泵启动后，应及时打开出口阀，观察泵是否已正常输水工作，如果没有应及时停泵，以保护机械密封装置；

4. 当测量流量为零的数据点时，即出口阀全关，数据测量时间不宜太长，以免泵壳内水发热气化。

实验二 管路设计与安装实验

一、实验目的

1．综合运用流体力学基本原理与操作技能，设计并安装“流量计校核”与“突然扩大、缩小阻力系数的测定”两个实验装置

2. 掌握常用工具的使用方法，学习管路的组装、试压、冲洗及拆除操作方法 二、实验内容及要求

1．流量计校核

⑴ 测取孔板流量计的孔流系数C0；

⑵ 整理出雷诺系数Re与孔流系数C0之间的关系曲线。 2．突然扩大、缩小阻力系数的测定 ⑴ 测取突然扩大局部阻力系数； ⑵ 测取突然缩小局部阻力系数。 三、安装操作注意事项

1．安装过程一定注意人身安全，避免碰伤、擦伤、砸伤； 2．安装之前一定要充分讨论，思路明确，避免返工； 3．根据实验内容要求，写出实验步骤； 4．实验中需测数据应列成表格形式； 5．实验结束应检查水、电是否关闭。 四、思考题

1. 孔流系数与哪些因素有关？

2. 实验测定的Co～Re曲线是否与课本中的图1-33相一致？ 3. 常见的管路连接方式有哪几种？ 4. 常见的阀门有哪几种？ 5. 常见的流量计有哪几种？ 6. 管材的标准型号是如何规定的？

实验三 传热综合实验

一、实验目的

1．利用套管换热器测定蒸汽冷凝与冷空气（水）之间的总传热系数。 2．比较冷空气（水）以不同流速流过圆形直管时，总传热系数的变化。

3. 测定套管换热器中，空气（水）在圆形直管内作强制湍流时的对流传热系数，并确定Nu和Re之间的关系。

4. 通过实验提高对关联式的理解，并分析影响的因素，了解工程上强化传热的措施。 二、实验原理

两流体通过间壁的传热过程是由热流体对管壁的对流传热、管壁热传导和管壁对冷流体对流传热的串联过程组成。所选基准面积不同，总传热系数的数值也不同。

在套管换热器中一边蒸汽冷凝，一边冷空气（水）被加热情况下的总传热系数，其值可由下式计算：

KQ （3-8）

S0tm式中：K——总传热系数，W/(m℃）

2Q——传热速率，W； S0——传热管的外表面积，m2； tm——对数平均温度差，℃

tmTt进Tt出lnTt进Tt出 （3-9）

——饱和蒸汽温度，℃，根据饱和蒸汽压力查表得到；

t进、t出——分别为冷空气（水）进、出口温度，℃。

通过套管换热器间壁的传热速率，即冷空气（水）通过换热器被加热的速率，用下式求得：

Qmscpt出t进 （3-10）

式中：ms——空气（水）的质量流量，kgs；

1cp——空气（水）在进出口平均温度下的比热，J/kg℃

传热速率方程：

QSitm （3-11）

式中：Si——传热管的内表面积，m2；

——空气（水）在圆形直管内作强制湍流时的对流传热系数；

tm——空气（水）和管壁的对数平均温度差，

tmtw进t进tw出t出 （3-12）

lntw进t进tw出t出由式（3-10）、（3-11）和（3-12）联解，即可求出。

Cpdud Re Pr Nu定性温度取空气（水）进、出口温度的算术平均值。

对于低粘度流体，在圆形直管内作强制湍流时，关系式可表示为

NuCRemPr0.4 （3-13）

本实验中，可用图解法和最小二乘法计算准数关联式中的指数m和系数C。 用图解法对式（3-13）进行关联，两边取对数，得到直线方程：

lgNuPr0.4 lgCmlgRe （3-14）

在双对数坐标系中作图，找出直线斜率，即为方程的指数m。在直线上任取一点的函数值，代入方程(3-14)中得到系数C。

用图解法，根据实验点确定直线位置，有一定的人为性。而用最小二乘法回归，可以得

到最佳关联结果。

壁温的测定是将热电偶焊在内管的外管壁的槽内，其值可由数字显示表直接读取。 三、实验装置流程图

设备描述

本设备由紫铜管为内管，无缝钢管为外管组成的套管换热器。内管的进出口端各装有热电阻温度计一支，用于测量空气（水）的进出口温度。内管的进、出口端外壁表面上，各焊有三对热电偶，型号为WRNK-192。

紫铜管162，长1.20米 转子流量计LZB-25 数字显示表SWP-C40

图3-2 传热综合实验流程图

1-空气流量调节阀 2-转子流量计 3-蒸汽调节阀 4-蒸汽压力表 5-套管换热器 6-空气进口温度计 7-空气出口温度计 8-不凝气排放口

蒸汽——空气系统流程图

四、实验步骤

1．检查管路系统各阀门开启位置是否正常，锅炉液位是否合理。

2. 接通总电源，打开仪表柜上仪表开关、加热开关。待锅炉蒸汽压力恒定后，打开放气阀排净套管中空气，然后关闭放气阀。

3．全开空气旁路阀，调节空气流量调节阀，改变冷空气的流量，取6～8点，每点测量时必须待流速稳定，加热蒸汽压强维持稳定，冷空气出口温度不变后，才可记录空气流量、空气入口温度、空气出口温度、壁温等数据。

4. 实验结束后，先停止加热，3分钟后停风机，关闭总电源。 五、思考题

1．本实验要想提高K值应当增加哪一个管内的流体流量？ 2．紫铜管内壁的温度与哪一种流体的温度相接近？

3．本实验中若套管间隙中有不凝性气体存在，对传热有什么影响？ 4．实验中所测的壁温接近蒸汽侧温度还是空气（水）侧温度？

5. 以空气为被加热介质的实验中，当流量增大时，管壁温度将会怎样变化？为什么？ 6. 管内空气流动速度对传热膜系数有何影响？

7. 如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对式的关联有没有影响？ 8. 传热过程的稳定性受哪些因素的影响？ 六、实验数据表：

紫铜管外表面积So= 蒸汽温度T= ℃

空气的流量 m3/h 空气 进口温度℃ 空气 出口温度℃ 传热速率Q 总传热系数K 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 七、注意事项

1. 调节空气流量时，保证管内流速呈湍流状态；取点时，使其在双对数坐标系上描点均匀。特别注意每改变一流量，要使操作稳定后再读取数据。特别是小流量时尤是如此。 2. 空气（水）调节阀要缓缓开启，以免转子上升过快，撞碎玻璃管。

3. 实验过程中，尽可能将空气旁路阀开到最大。

实验四 精馏综合实验

精馏塔全塔效率的测定

一、实验目的

1. 了解筛板精馏塔的结构。 2. 熟悉精馏工艺流程。

2. 掌握精镏塔的操作方法与调节。

3. 测定全回流及部分回流状况下的全塔效率和单板效率。 二、实验原理

如果每层塔板上的液体与离开该板的上升蒸汽处于平衡状态，则称该塔为理论塔。 实际操作中，由于接触时间的限制以及其它因素的影响，不能达到平衡状态，即实际塔板的分离达不到理论板的理想分离效果。因此所需实际塔板数总比理论板数要多。 对于二元物系，若已知汽、液平衡数据，则根据塔顶馏出液的组成xD，塔釜残液的组成xW，原料液的组成xF,及操作回流比R和进料温度tF，就可用图解法求得理论塔板数。

1. 全回流状况下单板效率

对第n板而言，按气相组成变化表示的单板效率为

EMVynyn1ynyn1* （3-18）

式中EMV——按气相组成变化表示的单板效率；

yn1—— 由第n+1块板上升至第n块板的气相组成，摩尔分率； yn—— 由第n块板上升至第n-1块板的气相组成，摩尔分率；

yn——与离开第n块板的液相xn成平衡的气相组成，摩尔分率。

全回流时R=∞ ，操作线与对角线重合。因此有：yn1xn

*ynxn1 （3-19）

（3-18）式可写成

EMVxn1xnynxn* （3-20）

式中xn1、xn——分别为离开第n-1、n块板的液相组成，摩尔分率

这时，欲测定第n块塔板的单板效率，只要测取该板（n板）及其上一板（n-1板）的

液相组成xn和xn1值。由xn值根据平衡曲线查得yn，再代入（3-20）式，即可求出该板的单板效率。

2. 全塔效率ET

全塔效率又称总板效率，是指达到指定分离要求所需理论塔板数与实际塔板数的比值。可表示为 ET*NTNP

（3-21）

式中：ET——全塔效率；

NT——理论塔板数（不包括蒸馏釜）； NP——实际塔板数（不包括蒸馏釜）。

三、实验装置

1. 实验装置流程图如下图3-4所示。

图3-4 板式塔精馏实验装置流程图

2. 主要技术数据

塔内径：80mm 实际塔板数；15块 板间距：100mm

加料板位置：从塔顶开始第11块板上 孔径：2mm 开孔率：6%

再沸器最大加热功率：3Kw

塔顶冷凝器面积（双程列管式）0.4㎡ 其中5#，6#，7#，8#塔为自动数据采集和控制

3#，4#采用蒸汽加热

四 实验步骤

1. 首先熟悉精馏塔设备的结构和流程，并了解各部分的作用，检查整套装置管路系统及控制系统是否正常；

2. 向蒸馏釜中加入料液，维持液面在2/3处。 料液组成在15%（体积分率）左右； 3. 接通总电源，打开仪表柜上的电源和加热开关，用调压器逐渐加大电压（不能超过设备上规定值）。注意观察塔顶、塔釜的温度变化和第一块塔板的情况，当见到有上升蒸汽时，向塔顶冷凝器通入冷却水，冷却水量大约100l/h，其用量能将全部酒精蒸汽冷却下来即可。但也要注意勿因冷却水过少而使蒸汽从塔顶喷出。当各层塔板上汽液鼓泡正常时，操作稳定，塔顶、塔釜温度恒定不变5分钟后取样。由塔顶取样口和塔底取样口用锥型瓶接取适量试样，并冷却到20～30℃之间。用酒精计分析其浓度，测完的样品倒入回收桶中。

4. 打开进料泵，调节进料量逐步升至5～10l/h，回流比控制在设定值（R=2左右），调节塔底热负荷，保持塔操作正常，开塔底出料。保持蒸馏釜液位恒定，全塔稳定操作一定时间后取样；

5. 停车，关进料泵及阀门，全回流，关掉电源，一切恢复原来状态，待塔内没有回流时将冷却水关闭。 五 实验报告

1. 在直角坐标纸上用图解法求出理论板数。 2. 求出全塔效率及单板效率。

3. 结合精馏塔的操作，对实验结果进行讨论。 六 思考题

1. 怎样判定全塔操作已达稳定？

2. 什么是全回流？全回流操作有哪些特点？在实际生产中有什么意义？

3. 精馏塔操作中，塔釜压力为什么是一个重要操作参数，塔釜压力与哪些因素有关？ 4. 本装置可否在部分回流时，测取单板效率？

5. 塔釜加热热负荷大小对精馏塔的操作有什么影响？怎样维持正常操作？你认为塔釜加热量主要消耗在何处？与回流量有无关系？

6. 冷回流对精馏操作有什么影响？

7. 在精馏塔一般的操作过程中，若塔顶产品浓度达不到要求，应怎样调整操作？ 8. 本实验中，进料状况为冷进料，当进料量太大时，为什么会出现精馏段干板，甚至出现塔顶既没有回流也没有出料的现象，应如何调节？

9. 其他条件不变，只改变回流比，对塔性能会产生什么影响？

10. 进料位置是否可以任意选择, 它对塔性能会产生什么影响？ 11. 将本塔适当加高，是否可以得到无水酒精？

12. 为什么酒精～水系统精馏采用常压操作而不采用加压精馏或真空精馏？ 13. 为什么要控制塔釜液面？它与物料、热量和相平衡有什么关系？ 塔板效率受哪些因素影响？

14. 板式塔气液两相的流动特点是什么？ 15. 精馏能采用填料塔做生产和实验设备吗？ 七 注意事项

1. 注意蒸馏釜液位处在正常位置

2. 调节加热电压不宜忽大忽小