化工实验指导书.pdf
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1、 化工原理实验指导书 石河子职业技术学院化工原理实验室 十二月 目录 序 言.错误!未定义书签。实验一 雷诺数的测定与流型观测.错误!未定义书签。实验二 伯努利方程演示实验.错误!未定义书签。实验三 流体阻力测定实验.错误!未定义书签。实验四 流量计的流量校正.错误!未定义书签。实验五 离心泵特性曲线的测定.错误!未定义书签。实验六 过滤实验.错误!未定义书签。实验七 传热.错误!未定义书签。实验八 板式精馏塔的操作及塔板效率实验.错误!未定义书签。实验九 吸取实验.错误!未定义书签。实验十 液液萃取塔的操作.错误!未定义书签。实验十一 干燥实验.错误!未定义书签。实验十二 板式塔性能实验.错
2、误!未定义书签。仿真软件使用说明.错误!未定义书签。实验十三 流体流动阻力的测定.错误!未定义书签。实验十四 离心泵性能曲线的测定.错误!未定义书签。实验十五 过滤实验.错误!未定义书签。实验十六 传热实验(水-蒸汽).错误!未定义书签。实验十七 精馏实验(乙醇-丙酮).错误!未定义书签。实验十八 洞道干燥实验.错误!未定义书签。实验十九 吸取实验(水-氨气).错误!未定义书签。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,解决的对象通常是简朴的、基本的甚至是抱负的,而工程实验面对的是复杂的实际问题和工程
3、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。因此不能把解决一般物理实验的方法简朴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,由于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,可不需要过程的进一步理解,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影响因素,从而加以归纳和概括成经验方程。这种因次
4、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足结识的基础上,将过程作高度的概括,得到简朴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有以小见大,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重要区别)。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,学生应当运用理论去指导并且可以独立进行化工单元的操作,应能在现有设备中完毕指定的任务,并预测某些参数的变化对过程的影响。二、基本规定 1、实验研究方法及数据解决(1)掌握解决化学工程问题的两种基本实验研究方法。一种是经
5、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,检查模型的有效性和进行模型参数的估值。(2)对于特定的工程问题,在缺少数据的情况下,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 其中涉及操作参数(例如:流量、温度、压强等)、设备特性参数(例如:阻力参数、传热系数、传质系数等)和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 了解影响操作的参数,能在现有设备中完毕指定的工艺规定。并能预测某些参数的变化对设备能力的影响,应如何调整。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
6、涉及:(1)实验前的准备;(2)进行实验操作;(3)对的记录和解决实验数据;(4)撰写实验报告。以上四个方面是实验课的重要环节,认为实验课就是单纯进行实验“操作”的观点应当改变。为使学生对于实验有严厉的态度,严格的规定和严密的作风,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,了解实验目的和规定;(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,预习报告的内容应涉及:1)实验目的和内容;2)实验的基本原理及方案
7、;3)实验装置及流程图;4)实验操作要点实验数据的布点;5)设计原始数据的登记表格。预习报告应在实验前交给实验指导教师审阅,获准后学生方能参与实验;(4)进行实验操作,规定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)实验数据的解决,假如用计算机解决实验数据,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,内容大体涉及:1)实验目的和原理;2)实验装置;3)实验数据及数据解决;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
8、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,方可准予参与实验。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批准后方可接通电路和开车,操作中仔细观测,如实记录现象和数据。仪器设备发生故障严禁擅自解决,应立即报告教师。4、实验后根据原始记录、解决数据、分析问题及时作好实验报告。5、爱惜仪器、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。实验完毕后,应做好清洁工作,恢复仪器设备原状,关好门窗,检查水、电、气源是否关好,做好上述工作后方可离开实验室。实
9、验一 雷诺数的测定与流型观测 实验目的 1.观测流动类型,测定并计算临界雷诺数 Re;2.观测速度分布。基本原理 1.流体在管内流动时,一般情况下,不是处在滞流(层流)就是处在湍流(紊流)状态。滞流时,流体质点运动互相平行,不同流体层间的质点彼此不发生穿插混合。湍流时,流体质点向各个方向作不规则运动,但流体主体仍向某一规定方向流动。鉴定流型的准数称为雷诺准数,以 Re 表达。圆直管中,Re2023时属于层流;Re4000 时则属于湍流。Re 在 2023 至 4000 之间时,流动处在一种过渡状态,也许为层流,也也许为湍流,或是两者交替出现,为外界条件所左右。一般情况下把滞流变为湍流的临界情况
10、的 Re 称为上临界 Re 数。而把由湍流变为滞流的临界情况的 Re 称为下临界 Re 数。两者一般是不相等的。Re 以下式表达:Re=由于流体的粘度和密度与流体的温度有关,所以在测定 Re 数的过程中,还必须知道流体的温度,流体在管道内流动,若已知 d、,则测定出由滞流变为湍流时的临界速度即可计算出临界雷诺数 Re 的值。实验观测过程中,影响流动状态的因素很多,入口条件、有无振动现象、流量计调节速度快慢等都会对流体流动导致影响。2.流体进入圆管,以均匀一致的速度 u 流动,由于流体粘性的影响,相邻的流体层间产生摩擦力,使流体流动速度发生变化,在垂直流体流动方向产生速度梯度 du/dy,从而形
11、成速度分布。层流时速度分布为抛物线,湍流时则为指数曲线(顶部较平坦)。实验时,通过红墨水示踪,即可观测到不同的流动型态。实验装置(如图 1.1)du 如图所示,实验时水由高位水槽 1 进入实验玻璃管,水量由 C 阀控制,槽内设有进水稳,流装置 2 及溢流装置 3,以维持液面平稳恒定,多余的水由溢流管 4 排出,以保证 C 阀开度不变时通过实验管的水流量不变,即稳定流动。实验操作 1.打开阀 C,水由高位槽进入实验管 5,经转子流量计 6 排出。由转子流量计读出通过实验管的流量。2.用阀 B 控制高位墨水瓶 7 的墨水注入量。装置前面附有算图,可以由流量计的读数以及水温直接查知所测的雷诺准数。这
12、样由玻璃管观测流动状态的同时就可知道管内雷诺数的大小。图 1.1 雷诺数实验装置 实验二 伯努利方程演示实验 实验目的 1、通过本实验,加深对能量互相转化概念的理解;2、观测流体流经收缩、扩大管段时,各截面上静压头之变化。基本概念 1.流体在流动时具有三种机械能:即位能,动能,压力能。这三种能量可以互相转换。当管路条件改变时(如位置高低,管径大小),它们会自行转换。假如是粘度为零的抱负流体,由于不存在机械能损失,因此在同一管路的任何二个截面上,尽管三种机械能彼此不一定相等,但这三种机械能的总和是相等的。2.对实际流体来说,则由于存在内摩擦,流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞而消失,即转化成
13、了热能。而转化为热能的机械能,在管路中是不能恢复的。对实际流体来说,这部分机械能相称于是被损失掉了,亦即两个截面上的机械能的总和是不相等的,两者的差额就是流体在这两个截面之间因摩擦和碰撞转换成为热的机械能。因此在进行机械能衡算时,就必须将这部分消失的机械能加到下游截面上,其和才等于流体在上游截面上的机械能总和。3.上述几种机械能都可以用测压管中的一段液体柱的高度来表达。在流体力学中,把表达各种机械能的流体柱高度称之为“压头”。表达位能的,称为位压头;表达动能的,称为动压头(或速度头);表达压力的,称为静压头;已消失的机械能,称为损失压头(或摩擦压头)。这里所谓的“压头”系指单位重量的流体所具有
14、的能量。4.当测压管上的小孔(即测压孔的中心线)与水流方向垂直时,测压管内液柱高度(从测压孔算起)即为静压头,它反映测压点处液体的压强大小。测压孔处液体的位压头则由测压孔的几何高度决定。5.当测压孔由上述方位转为正对水流方向时,测压管内液位将因此上升,所增长的液位高度,即为测压孔处液体的动压头,它反映出该点水流动能的大小。这时测压管内液位总高度则为静压头与动压头之和,我们称之为“总压头”。6.任何两个截面上位压头、动压头、静压头三者总和之差即为损失压头,它表达液体流经这两个截面之间时机械能的损失。实验原理 不可压缩性流体在导管中作稳定流动时,由于导管截面的改变致使各截面上的流速不同,而引起相应
15、的静压头之变化,其关系可由流动过程中能量衡量式描述,即:fhpugZpugZ2222121122 (1)对于水平玻璃导管,在忽略摩擦阻力时,则式(1)变为:22212122pupu (2)因此,由于导管截面发生变化所引起流速的变化,致使部分动压头转化成静压头,它的变化可由各玻璃管中水柱高度指示出来。装置流程 实验装置如图 外形尺寸:8005001800mm 测试管长:700mm 管内径25mm 文氏管长:300mm 循环泵:1 台 贮水槽:250500mm300 实验环节 1、将着色(红色)水充入水箱 5(以 23 深度为宜),启动水泵;2、关闭阀“b”,逐步增大阀“a”的开度,让液体充满测试
16、管内,并排尽管内空气;3、然后逐步增大阀“b”的开度;注意:不要让测压点“A”上的压力过低,以致于空气吸入文氏管内;4、若要增大流量,可将测压管“A”上的蝴蝶夹将橡胶管夹紧(此时假如打开此夹,可观测到文氏管喉口处为负压,气体不断被吸入)。1 2 3 4 5 1、溢流槽;2、玻璃管(带尺度);3、文氏管;4、泵;5、水箱;a b A 实验三 流体阻力测定实验 实验目的 1.测定液体在直管内流动时的摩擦阻力,并拟定管路一定期摩擦系数与雷诺数之间的关系;2.熟悉压力的测量及转子流量计的构造及使用;3.学会在双对数坐标纸上标绘 与 Re 的关系曲线。基本原理 流体在管路内流动时,由于存在摩擦阻力,须克
17、服内摩擦力作功,损失一部分能量。流体阻力可分为直管阻力与局部阻力两类。流体通过直管的阻力可用下式计算:h f=将此式写为压头的形式:=h f =式中 =h,h 为压力计的压差(m 水柱)。在一定的管路中,测定两点间的压强差,在已知 l、d、u 的情况下,运用上两式即可求出摩擦系数。变换流速,测出不同 Re 数下的摩擦系数,得到某一相对粗糙度时该段管路 Re 的关系。为 Re 与 e/d 的函数,即=f(Re,e/d)。在滞流时,与 Re 无关,对圆管而言=64/Re;在湍流时摩擦系数 与 Re 及 e/d 都有关。l d U2 2g p g l d U2 2g p g 当 Re=3000100
18、000 时,光滑管内 与 Re 的关系可用下式表达:=在完全湍流区 则与 Re 的大小无关,只受 e/d 的影响。实验装置(如图 3.1)实验环节 1.熟悉实验装置及流程,观测倒 U 型压差计与管道的连接状况及测压点在管道上的位置。2.关闭 B、C、D 阀(A 阀不动),启动电泵,运用倒 U 型压差计上的放气夹和阀 D 调节压差计的液柱高度,近似稳定在压差计的中间偏上一点的位置。打开阀 C,观测转子流量计流量最大时,压差计中的液位高低是否适当,直至0.316Re0.25 图 3.1 流体流动管路阻力实验装置 调至适当位置为止。3.逐渐启动 B 阀,在小流量计量程范围内,由低到高读取不同流量下压
19、差计左右两边液柱高度。4.关闭 B 阀,逐渐启动 C 阀,调节大流量计,读取由低至高不同流量下,压差计左右两边液柱高度。5.实验做完后关闭 B、C 阀,停止电泵,用温度计测水槽内的水温。数据整理 铜管内径 d=0.013m 铜实验管长 L=1.2m 水温 t=水的密度 =水的粘度 =1.将 及 Re 的计算结果列成表格:序号 流量 L/h 液压差计高度差 R 流速 u m/s 的计算 h u 1 2 3 2.在双对数坐标纸上标绘 与 Re 的关系曲线。3.根据 随 Re 变化情况,分析测定所用直管的 e/d 范围。4.思考题:本实验为什么采用倒 U 型压差计?尚有什么压力计可以在本实验中应用?
20、图 2.1 流体流动管路阻力实验装置 实验四 流量计的流量校正 实验目的和内容 目的:(1)学会流量计的流量校正方法;(2)通过孔板流量计孔流系数的测定,了解其变化规律。内容:(1)测定孔板流量计的孔流系数;(2)测定孔板流量计永久压强损失。基本原理 本实验用的孔板流量计是管道法兰间装有一中心开孔的铜板 在图 2-1 的 1 和 2 截面间列机械能守恒式:抱负流体:)(2212122ppuu 0d已知,2d未知)(20112120ppCuu 实验测压口装在法兰上,即01ppppba,且非抱负流体。)(2212120bappCCuu 不可压缩流体,21001)(dduu 1202012/1()C
21、 CpCdd 令210210)(1ddCCu 孔流系数 0000002()2igRpVu AC AC A 对于测压方式、结构尽寸、加工状况、管道粗糙度等均已规定的标准孔板:),(0eRfC 210)(dd 孔板流量计是一种易于制造;结构简朴的测量装置,因此使用广泛。但其重要缺陷是能量损失大,用U型差压计可测量这个损失永久压强损失。流量计的校正,有量体法、称量法和基准流量计法。本实验采用基准流量计法。它用一个已被校正过而精度级较高的流量计作为比较基准。实验流程图 被校孔板前后必须有直管段,上游:30d-50d,下游:5d-8d。永久压头取压点上下游离孔板端面:3-5d和 8d,(d-指内径)。实
22、验环节 (1)实验前检查U型管液面是否一致,打开平衡阀9、10,关闭放气阀 5、6、7、8、11,打开测压阀 1、2、3、4,接通涡轮流量计电源。(2)关闭出口阀,启动离心泵。(3)供水后,依次进行总管排气,测压导管排气,压差计排气。(4)检查系统是否排净空气,然后测量,考虑测量范围和实验布点(前密后疏)。(5)实验结束后,打开平衡阀,关闭泵和流量计电源。实验数据登记表 设备编号 ;水温度 ;仪表常数 ;管径 ;孔径 ;流量范围 。图 4.1 流量计的流量校正实验装置 6、实验报告中实验结果部分的规定(1)绘出孔流系数和雷诺数的关系曲线(0lgeCR)(2)绘出永久压强损失和流速的关系曲线(l
23、glgpu永)附:误差分析及0lgeCR、lg p永lgu曲线的绘制(1)流量的误差及坐标比例尺:(2)孔流系数的误差及坐标比例尺:RpVVCCRgRAVC2/)(200100 取1Rmm 序号 数字显示仪表读数/N s 孔板阻力差计读数 永久压强压差计读数 左(mm)右(mm)左(mm)右(mm)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3322213.044 10/1/328.53(101.6)10(10.005)12.310/36001143/(/)2.310VfVL sVL sVVMmmL sV测仪测仪仪若33001.52 10/442,0.702,0.0114VmsRmm CC时
24、,则代入上式 0001187.788/0.0114CMmm CC(3)lgeR的误差及坐标比例尺:53lg11lg2.3032.303112.3 10lg0.006572.3032.303 1.52 1011152/lglg0.00657eeeeeReedRdVdRRVVRVMmmRR(4)流速的误差及坐标比例尺:11lg2.3032.3031lg0.006572.3031lg152/lglgdudVduuVVuVMummuu(5)lgP永的误差及坐标比例尺:同理:111lg0.002072.3032.303210PPP永永永 1lg484/lglgMPmmPP永永永 实验曲线绘制为:0C l
25、g p lgeR lgu 思考题(1)为什么测试系统要排气,如何对的排气?(2)为什么流量计和压差计读数的精确度直接影响0C的数值?如何保证读数精确?(3)为什么速度式流量计安装时,规定其前后有一定的直管稳定段?(4)本实验可得RV及0eCR的曲线,这二种表达法各有什么优点?实验五 离心泵性能测定实验离心泵特性曲线的测定 实验目的 1熟悉离心泵的结构与操作;2测定一定转速下离心泵特性曲线;3学习离心泵特性曲线的应用。基本原理 在一定转速下,离心泵的压力 H、轴功率 N 及效率 均随实际流量 Q 的大小而改变,通常用水做实验测出 HQ、NQ、及 Q 之间的关系,并以曲线表达,称为泵的特性曲线。泵
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