化工原理实验

化工原理实验

ExperimentOfChemicalEngineeringPrinciple

化学工程系本课程是化工相关专业的一门专业学科类必修基础课。本课程重点通过流体动力过程、传热过程、传质过程的某些典型化工原理实验，增强巩固学生的化学工程基础理论。熟悉典型化工原理实验装置及流程及计算机控制和采集实验数据的实验装置及流程。培养学生对化学工程中各种现象的观察能力和计算机处理化工实验数据的方法和计算机模拟实验过程。其目的是培养学生化工实验能力，为以后从事科研、化工设计及化工产品生产、开发奠定初步基础。《化工原理实验》课程简介一、实验目的（1）掌握测定流体流经直管、管件和阀门时阻力损失的一般实验方法；（2）测定直管摩擦系数λ~Re的关系，验证在一般湍流区内λ、Re与ε/d的函数关系；（3）测定流体流经阀门及突然扩大管时的局部阻力系数ζ；（4）测定层流管的摩擦阻力。实验一

流体流动阻力的测定二、实验原理流体流经直管时所造成机械能损失为直管阻力损失。流体通过管件、阀门时因流体运动方向和速度大小改变所引起的机械能损失称为局部阻力损失。（1）直管阻力摩擦系数λ的测定:流体在水平等径直管中稳定流动时，阻力损失为：

即层流时：λ=64/Re;

湍流时：λ是Re和ε/d的函数，须由实验测定。实验一

流体流动阻力的测定（2）局部阻力系数的测定: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。本实验采用阻力系数法进行测定。实验一

流体流动阻力的测定1、水箱

2、离心泵

3、涡轮流量计

4、层流水槽

5、层流管

6、截止阀

7、球阀

8、光滑管

9、粗糙管

10、突扩管

11、孔板流量计

12、流量调节阀实验一

流体流动阻力的测定三、实验装置与流程四、实验步骤1.首先对水泵进行灌水，然后关闭出口阀门，启动水泵电机，待电机转动平稳后，把泵的出口阀缓缓开到最大；2.同时打开被测管线上的开关阀及面板上与其相应的切换阀，关闭其他的开关阀和切换阀，保证测压点一一对应；3.改变流量测量流体通过被测管的压降，每次改变流量（变化10L/min左右），待流动达到稳定后，分别仪表控制箱上的压降数值；4.实验结束，关闭出口阀，停止水泵电机，清理装置。实验一

流体流动阻力的测定五、实验数据记录与处理1.数据记录（光滑管为例）2.数据处理实验一

流体流动阻力的测定光滑管实验数据记录流量压降六、思考题1.在测量前为什么要将设备中的空气排尽？怎样才能迅速地排尽？为什么？如何检验管路中的空气已经被排除干净？2.以水为介质所测得的λ~Re关系能否适用于其他流体？3.在湍流区摩擦系数与那些因素有关，具体如何？实验一

流体流动阻力的测定一、实验目的(1)了解离心泵的结构与特性，熟悉离心泵的使用；(2)测定离心泵在恒定转速下的特性曲线，并确定泵的最佳工作范围；(3)测定管路特性曲线。实验二

离心泵特性曲线的测定二、实验原理离心泵的性能参数取决于泵的内部结构，叶轮形式及转速，泵的性能参数扬程、轴功率、效率随流量的变化关系，即He～Q、N轴～Q、η～Q称为离心泵的特性曲线。该特性曲线需由实验测得，计算如下：

mH2O

kW实验二

离心泵特性曲线的测定管路特性是指输送流体时，管路需要的能量H（即从A到B流体机械能的差值+阻力损失）随流量Q的变化关系。本实验中，管路需要的能量与泵提供给管路的能量平衡相等，计算H的方法同He：mH2O

虽然计算方法相同，但二者操作截然不同。测量He时，需要固定转速，通过调节阀门改变流量；测量H时，管路要求固定不动，因此只能通过改变泵的转速来改变流量.实验二

离心泵特性曲线的测定三、实验装置与流程实验二

离心泵特性曲线的测定1-水箱；2-泵入口表阀；3-离心泵；4-泵入口压力传感器；5-泵出口表阀；6-泵入口真空表；7-泵出口压力表；8-泵出口压力传感器；9-流量调节阀；10-涡轮流量计；11-水箱排水阀；四、实验步骤1.向储水槽内注入蒸馏水。2.检查流量调节阀9，压力表7及真空表5的开关是否关闭(应关闭)。3.启动实验装置总电源，用变频调速器上∧、∨及＜键设定频率后，按run键启动离心泵，缓慢打开调节阀9至全开。待系统内流体稳定，打开压力表和真空表的开关，方可测取数据。4.测取数据的顺行可从最大流量至0，或反之。一般测10~20组数据。5.每次在稳定的条件下同时记录：流量、压力表、真空表、功率表的读数及流体温度。6.实验结束，关闭流量调节阀，停泵，切断电源。实验二

离心泵特性曲线的测定五、数据记录与处理1.数据记录（离心泵特性曲线为例）2.数据处理实验二

离心泵特性曲线的测定（某一转速下）离心泵特性曲线数据记录流量进口压力出口压力轴功率六、思考题1.启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？2.泵启动后，出口阀如果不开，压力表读数是否会逐渐上升？随着流量的增大，泵进、出口压力表分别有什么变化？为什么？3.试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？实验二

离心泵特性曲线的测定一、实验目的1.熟悉板框过滤机的结构和操作方法；2.测定在恒压过滤操作时的过滤常数；3.掌握过滤问题的简化工程处理方法。实验三

恒压过滤常数的测定二、实验原理过滤是利用能让液体通过而截留固体颗粒的多孔介质（滤布和滤渣），使悬浮液中的固、液得到分离的单元操作。过滤操作本质上是流体通过固体颗粒床层的流动，所不同的是，该固体颗粒床层的厚度随着过滤过程的进行不断增加。过滤操作可分为恒压过滤和恒速过滤。当恒压操作时，过滤介质两侧的压差维持不变，则单位时间通过过滤介质的滤液量会不断下降；当恒速操作时，即保持过滤速度不变。实验三

恒压过滤常数的测定过滤速率基本方程的一般形式为：

恒压过滤时，对上式积分可得：

对上式微分可得：

；该式表明dτ/dq～q为直线，其斜率为2/K，截距为2qe/K，为便于测定数据计算速率常数，可用Δτ/Δq替代dτ/dq，则上式可写成：

将Δτ/Δq对q标绘（q取各时间间隔内的平均值），在正常情况下，各点均应在同一直线上，直线的斜率为2/K=a/b，截距为2qe/K=c，由此可求出K和qe。实验三

恒压过滤常数的测定三、实验装置与流程实验三

恒压过滤常数的测定1、压缩机2、配料釜3、供料泵4、圆形板框过滤机5、滤液计量筒6、液面计及压力

传感器7、压力控制阀8、旁路阀四、实验步骤1.悬浮液的配制：浓度为3～5%（重量）较为适宜，配制好开动压缩机将其送入贮浆罐中，使滤液均匀搅拌；2.滤布应先湿透，滤布孔要对准，表面服贴平展无皱纹，否则会漏；3.装好滤布，排好板框，然后压紧板框；4.检查阀门，应注意将悬浮液进过滤机的进口旋塞先关闭；5.启动后打开悬浮液的进口阀，将压力调至指定的工作压力；6.滤液由接受器收集，并用电子天平计量；7.待滤渣装满框时即可停止过滤。实验三

恒压过滤常数的测定五、数据记录与处理1.数据记录2.数据处理实验三

恒压过滤常数的测定某一压力下（如60kPa）的实验数据时间滤液量六、思考题1.为什么过滤开始时，滤液常常有混浊，而过段时间后才变清？2.实验数据中第一点有无偏低或偏高现象？怎样解释？如何对待第一点数据？3.当操作压力增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同样重量的过滤液，其过滤时间是否缩短了一半？实验三

恒压过滤常数的测定一、实验目的1．测定正常条件下空气与铜管内壁间的对流传热膜系数α2．测定强化条件下空气与铜管内壁间的对流传热膜系数α3．回归两个条件下关联式

中的参数A、m（n取0.4）实验四

传热膜系数的测定二、实验原理

间壁式换热器目前在工业上应用最多，其传热过程都是由壁内部的热传导和壁两侧面与流体的对流传热组合而成。无论设计还是使用换热器，都离不开这个组合传热过程中的传热系数K，其倒数1/K称为总热阻。总热阻主要由壁外侧热阻、壁热阻、壁内侧热阻三个串联环节叠加而成（可能还有污垢热阻），因此当三者有较大差异时，总热阻将由其中最大的热阻所决定。本实验选用最简单的套管式换热器为研究对象，管内走冷流体空气，管外走热流体100℃的蒸汽，管材质为黄铜，内径20mm，壁厚2.5mm，有效长度1.25m。该换热过程壁内侧热阻1/α远远大于壁及外侧热阻，因此传热的关键问题是测算α。实验四

传热膜系数的测定1、实验测定方法根据牛顿冷却定律变换得到：

根据热量恒算得到：

以上两式联立，加之实验测得部分数据，即可求得α。2、因次分析法经过大量实验后得到的平均数据，因此通过本实验数据可以验证参数的准确性。验证A、m的方法：

；以lgNu/Pr0.4为纵坐标，以lgRe为横坐标作图，根据斜率和截距即可求得A、m，与经验数据对比即可。空气流量采用孔板流量计测量，V=26.2×ΔP0.54，m3/h，ΔP单位为kPa。空气定性温度为：t=(进口温度+出口温度)/2实验四

传热膜系数的测定三、实验装置与流程实验四

传热膜系数的测定1、风机2、孔板流量计3、流量调节阀4、套管换热器5、蒸汽发生器四、实验步骤1.检查蒸汽发生器中的水位，约占液位计高度4/5左右；2.开总电源，开加热器，开仪表开关，约30分钟套管间充满水蒸汽；3.全开流量调节阀，启动风机，调节频率50Hz，预热约5分钟；4.间隔4Hz由大到小改变空气流量，孔板压降最小值大于0.1kPa，每个点稳定约2分钟后记录数据；5.加入静态混合器进行强化传热实验，方法同上。实验四

传热膜系数的测定五、数据记录与处理1.数据记录2.数据处理实验四

传热膜系数的测定频率温度T1温度T2温度t1温度t2六、思考题1.将实验得到的半经验特征数关联式和公认式进行比较，分析造成偏差的原因。2.本实验中管壁温度应接近加热蒸汽温度还是空气温度？为什么？3.管内空气流动速度对传热膜系数有何影响？当空气流速增大时，空气离开热交换器时的温度将升高还是降低？为什么？实验四

传热膜系数的测定一、实验目的（1）熟悉填料塔的构造与操作，认识不同的填料塔的特性；（2）观察填料塔流体力学状况，测定填料层压强降与操作气速的关系，确定填料塔在某液体喷淋量下的液泛气速；实验五

填料塔流体力学性能测定二、实验原理

气体通过干填料层时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致。在双对数坐标系中，此压降对气速作图可得一斜率为1.8～2的直线（图中aa线）。当有喷淋量时，在低气速下（c点以前）压降也正比于气速的1.8～2次幂，但大于同一气速下干填料的压降（图中bc段）。随气速的增加，出现载点（图1中c点），持液量开始增大，压降-气速线向上弯，斜率变陡（图中cd段）。到液泛点（图中d点）后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。实验五

填料塔流体力学性能测定实验五

填料塔流体力学性能测定填料层压降–空塔气速关系示意图三、实验装置与流程实验五

填料塔流体力学性能测定1、氧气钢瓶2、减压阀3、氧气缓冲罐4、氧气流量计5、水缓冲罐6、水流量调节阀7、水流量计8、涡轮流量计9、氧气吸收柱10、风机11、空气缓冲罐12、空气流量调节阀13、空气流量计14、计前压差计15、全塔压差计16、孔板流量计17、富氧水取样口18、氧气解吸塔19、贫氧水取样口四、实验步骤(1)测定干填料压降时，塔内填料务必事先吹干。(2)测定湿填料压降测定前要进行预液泛，使填料表面充分润湿。实验接近液泛时，进塔气体的增加量要减小，否则图中泛点不容易找到。密切观察填料表面气液接触状况，并注意填料层压降变化幅度，务必让各参数稳定后再读数据，液泛后填料层压降在几乎不变气速下明显上升，务必要掌握这个特点。稍稍增加气量，再取一、两个点即可。注意不要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑填料。(3)注意空气转子流量计的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞破玻璃管。实验五

填料塔流体力学性能测定五、数据记录与处理1.数据记录表1干填料水流量L=0l/h填料高度h=0.75m塔径d=0.1m表2湿填料：

L=80～150l/h，h=0.75m，d=0.1m实验五

填料塔流体力学性能测定序号空气流量V1/m3•h-1全塔压降△P/kPa空塔气速u/m•s-1单位填料高压降/kPa•m-1110

215

序号空气流量V1/m3•h-1全塔压降△P/kPa空塔气速u/m•s-1单位填料高压降/kPa•m-1110

212

314

六、思考题1.液泛的特征是什么？本装置的液泛现象是从塔顶部开始，还是从塔底部开始？如何确定液泛气速？2.填料塔结构有什么特点？比较波纹填料与散装填料的优缺点。3.填料塔底部的出口管为什么要液封？液封高度如何确定？实验五

填料塔流体力学性能测定实验六板式精馏塔性能的测定一、实验目的1、测定全回流条件下的全塔效率和单板效率2、测定部分回流条件下的全塔效率3、测定精馏塔的塔板浓度（温度）分布实验六板式精馏塔性能的测定二、实验原理本设备为DES—Ⅲ型精馏实验装置。精馏塔共有8块塔板，塔身的结构尺寸为：塔内径为50mm，塔板间距为80mm，溢流管截面积为80mm2，溢流堰高为12mm，底隙高度为5mm，每块塔板上开有直径为1.5mm的小孔，正三角形排列，孔间距为6mm。回流分配装置由回流分配器与控制器组成。回流分配器由玻璃制成，两个出口管分别用于回流和采出，引流棒为一根φ4mm的玻璃棒，内部装有铁芯，可在控制器的作用下实现引流板效率是体现塔板性能及操作状况的主要参数，主要包括：总板效率单板效率实验六板式精馏塔性能的测定三、实验装置与流程1、配料罐2、循环泵3、进料罐4、进料泵5、塔釜冷凝器6、π型管7、塔釜加热器8、视盅9、旁路阀10、进料流量计11、回流比分配器12、塔顶冷凝器实验六板式精馏塔性能的测定四、实验步骤1）配料。在配料罐中配制乙醇体积分率为20％的乙醇、丙醇溶液，启动循环泵搅匀并打入进料罐中。2）进料。开启进料泵，调节旁路阀、进料口阀门、进料流量计阀门等，向塔内进料至液位计高度4/5左右。3）全回流操作。先开塔顶放空阀门，然后按下塔釜加热器“手动加热”绿色按钮，调节加热电压至120V，或选择“自动加热”模式，打开冷却水，有回流后根据汽液接触状况对电压适当调整（80V）；约20分钟稳定后塔顶、塔釜及相邻两块塔板取样分析数据。实验六板式精馏塔性能的测定4）部分回流操作。开进料泵、进料罐阀门及塔中进料口阀门，调整进料量为30ml/min，设置回流比为相应的数值3～4，开塔釜出料阀门及π型管阀门，调整合适的加热电压，稳定20分钟后塔顶、塔釜取样分析。5）切换为“手动加热”模式，手调改变加热电压，观察液泛和漏液现象。6）实验完毕后停泵，关塔顶放空阀门，关进料罐阀门，关塔中进料口阀门，最后关冷却水。实验六板式精馏塔性能的测定五、数据记录与处理1.数据记录2.数据处理原料组成nd加热电压/V（稳定后）折光率塔顶温度/℃塔釜温度/℃全塔压降/kPand，顶nd，4nd，5nd，釜实验六板式精馏塔性能的测定六、思考题1.塔板效率受哪些因素影响？2.精馏塔的常压操作是怎样实现的？如果要改为加压或减压操作，又怎样实现？3.全回流操作的作用与意义？实验七氧解吸实验一、实验目的1、掌握总传质系数Kxa的测定方法并分析其影响因素；2、学习汽液连续接触式填料塔，利用传质速率方程处理传质问题的方法；3、研究流体的流动对传质阻力的影响、吸收剂用量对传质系数的影响和传质阻力较小侧流体的流量变化对吸收过程的影响，学会吸收过程的调节；4、学会氧气钢瓶加压阀的操作，测氧仪的标定及使用。实验七氧解吸实验二、实验原理填料塔与板式塔气液两相接触情况不同。在填料塔中，两相传质主要是在填料有效湿表面上进行，需要计算完成一定吸收任务所需填料高度，其计算方法有：传质系数法、传质单元法和等板高度法。本实验是对富氧水进行解吸。由于富氧水浓度很小，可认为气液两相的平衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也是直线，因此可以用对数平均浓度差计算填料层传质平均推动力。整理得到相应的传质速率方式为：相关的填料层高度的基本计算式为：

即其中，实验七氧解吸实验三、实验装置与流程1、氧气钢瓶2、减压阀3、氧气缓冲罐4、氧气流量计5、水缓冲罐6、水流量调节阀7、水流量计8、涡轮流量计9、氧气吸收柱10、风机11、空气缓冲罐12、空气流量调节阀13、空气流量计14、计前压差计15、全塔压差计16、孔板流量计17、富氧水取样口18、氧气解吸塔19、贫氧水取样口实验七氧解吸实验四、实验步骤(1)氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.03～0.04[Mpa]，不要过高，并注意减压阀使用方法。为防止水倒灌进入氧气转子流量计中，开水前要关闭防倒灌阀24，或先通入氧气后通水。(2)传质实验操作条件选取水喷淋密度取10～15[m3/m2•h]，空塔气速0.5～0.8[m/s]氧气入塔流量为0.01～0.02[m3/h]，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在≤40[ppm]。(3)塔顶和塔底液相氧浓度测定：

分别从塔顶与塔底取出富氧水和贫氧水，用测氧仪分析各自氧的含量。(4)实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭减压阀2及调节阀8。检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。实验七氧解吸实验五、数据记录与处理1.数据记录2.数据处理序号氧气流量V氧/l•min-1水流量V水/l•h-1空气流量V空/m3•h-1全塔压降△P/kPa富氧水浓度w1/mg•l-1贫氧水浓度w2/mg•l-1平均水温度t/℃10.57510

20.510010

30.512510

40.51005

50.510010

60.510015

实验七氧解吸实验六、思考题1.为什么易溶性气体的吸收和解吸属于气膜控制过程，难溶性气体的吸收和解吸属于液膜控制过程？2.何谓持液量？持液量的大小对传质性能有什么影响？在喷淋密度达到一定数值后，气体流量将如何影响持液量。3.工业上，吸收是在低温加压下进行，而解吸是在高温、常压下进行的，为什么？实验八干燥曲线和干燥速率曲线的测定一、实验目的(1)了解洞道式干燥装置的基本结构、工艺流程和操作方法；(2)学习测定物料在恒定干燥条件下干燥特性的实验方法；(3)掌握根据实验干燥曲线求取干燥速率曲线以及恒速干燥速率、临界含水量、平衡含水量的实验分析方法；实验八干燥曲线和干燥速率曲线的测定二、实验原理当湿物料与干燥介质相接触时，物料表面的水分开始气化，并向周围介质传递。根据干燥过程中不同期间的特点，干燥过程分为两个阶段。恒速干燥阶段和降速干燥阶段。恒速阶段的干燥速率和临界含水量是干燥过程研究和干燥器设计的重要数据，本实验在恒定干燥条件下对浸透水的工业呢进行干燥，测定干燥曲线和干燥速率曲线，目的是掌握恒速段干燥速率和临界含水量的测定方法及其影响因素。实验八干燥曲线和干燥速率曲线的测定1、干燥速率的测定

2、被干燥物料的重量G3、物料的干基含水量X

4、恒速阶段的对流传热系数α

5、式样放置处空气流速的计算，由节流式流量计的流量公式和理想气体的状态方程式可推导出：实验八干燥曲线和干燥速率曲线的测定三、实验装置与流程1.中压风机；2.孔板流量计；3.空气进口温度计；4.重量传感器；5.被干燥物料；6.加热器；7.干球温度计；8.湿球温度计；9.洞道干燥器；10.废气排出阀；11.废气循环阀；12.新鲜空气进气阀；13.干球温度显示控制仪表；14.湿球温度显示仪表；15.进口温度显示仪表；