化工原理实验报告

化工原理实验报告 Prepared on 22 November 2020

实验一 伯努利实验

一、实验目的

1、熟悉流体流动中各种能量和压头的概念及相互转化关系，加深对柏努利方程式的理解。

2、观察各项能量（或压头）随流速的变化规律。 二、实验原理

1、不可压缩流体在管内作稳定流动时，由于管路条件（如位置高低、管径大小等）的变化，会引起流动过程中三种机械能——位能、动能、静压能的相应改变及相互转换。对理想流体，在系统内任一截面处，虽然三种能量不一定相等，但能量之和是守恒的（机械能守恒定律）。

2、对于实际流体，由于存在内磨擦，流体在流动中总有一部分机械能随磨擦和碰撞转化为热能而损失。故而对于实际流体，任意两截面上机械能总和并不相等，两者的差值即为机械损失。

3、以上几种机械能均可用U 型压差计中的液位差来表示，分别称为位压头、动压头、静压头。当测压直管中的小孔（即测压孔）与水流方向垂直时，测压管内液柱高度（位压头）则为静压头与动压头之和。任意两截面间位压头、静压头、动压头总和的差值，则为损失压头。

4、柏努利方程式

式中：

1Z 、2Z ——各截面间距基准面的距离 （m ）

1u 、2u ——各截面中心点处的平均速度（可通过流量与其截面积求得）

(m/s)

1P 、2p ——各截面中心点处的静压力（可由U 型压差计的液位差可

知） （Pa ）

对于没有能量损失且无外加功的理想流体，上式可简化为

ρ

ρ2

222121122p u gz p u gz +

+=++ 测出通过管路的流量,即可计算出截面平均流速ν及动压g 22

ν，从而可得到各截面测管水头和总水头。

三、实验流程图

泵额定流量为10L/min,扬程为8m,输入功率为80W. 实验管：内径15mm 。 四、实验操作步骤与注意事项

1、熟悉实验设备，分清各测压管与各测压点，毕托管测点的对应关系。

2、打开开关供水，使水箱充水，待水箱溢流后，检查泄水阀关闭时所有测压管水面是否齐平，若不平则进行排气调平(开关几次）。

3、打开阀5，观察测压管水头和总水头的变化趋势及位置水头、压强水头之间的相互关系，观察当流量增加或减少时测压管水头的变化情况。

4、将流量控制阀开到一定大小，观察并记录各测压点平行与垂直流体流动方向的液位差△h 1…△h 4。要注意其变化情况。继续开大流量调节阀，测压孔正对水流方向，观察并记录各测压管中液位差△h 1…△h 4。

5、实验完毕停泵，将原始数据整理。

实验二 离心泵性能曲线测定

一、实验目的

1. 了解离心泵的构造和操作方法

2. 学习和掌握离心泵特性曲线的测定方法

二、实验原理

离心泵的主要性能参数有流量Q（也叫送液能力）、扬程H(也叫压头)、轴功率 N 和效率η。离心泵的特性曲线是Q-H、Q-N及Q-η之间的关系曲线。

泵的扬程用下式计算：

He=H压力表+H真空表+H0+(u出2-u入2)/2g

式中：H压力表——泵出口处压力

H真空表——泵入口处真空度

H0——压力表和真空表测压口之间的垂直距离

泵的总效率为：

其中，Ne为泵的有效功率：

Ne=ρ●g●Q●He

式中：ρ——液体密度

g——重力加速度常数

Q——泵的流量

Na为输入离心泵的功率：

Na=K●N电●η电●η转

式中：K——用标准功率表校正功率表的校正系数，一般取1

N

电——电机的输入功率

η

电——电机的效率

η转——传动装置的传动效率

三、实验设备及流程：

设备参数：

泵的转速：2900转/分额定扬程：20m

水温：25℃泵进口管内径：41mm

泵出口管内径：35.78mm 两测压口之间的垂直距离：0.35m

四、实验操作

1.灌泵

因为离心泵的安装高度在液面以上，所以在启动离心泵之前必须进行灌泵。

2.开泵

注意：在启动离心泵时，主调节阀应关闭，如果主调节阀全开，会导致泵启动时功率过大，从而可能引发烧泵事故。

3.建立流动

4.读取数据

等涡轮流量计的示数稳定后，即可读数。注意：务必要等到流量稳定时再读数，否则会引起数据不准。

五、作业

以一组数据计算Q、He、Ne、η

实验三过滤实验

一、实验目的

1.了解板框过滤机的构造和操作方法。

2.掌握恒压过滤常数的测定方法测定恒压过滤常数；虚拟滤液体积；虚拟过滤时

间。

二、基本原理

对于不可压缩滤渣,在恒压过滤情况下,滤液量与过滤时间的关系可用下式表示:

(V+Ve)2=KS2(t+te)

上式也可写成:

(q+q e)2=K(t+t e)

微分后得到:

dt / dq= 2q / K+2q e / K

该微分式为一直线方程，其斜率为2/K，截距为2q e/K。实验中△t/△q代替dt/dq，通过实验测定一系列的△t与△q值，用作图的方法，求出直线的斜率、截距，进而求出恒压过滤常数K，虚拟滤液体积q e。

只考虑介质阻力时：qe2=Kte

将q e代入上式可求出虚拟过滤时间t e。

三、实验设备

板框过滤机的过滤面积为0.12m2。由空压机提供压力，并恒压可调。以碳酸钙和水混合成悬浮液，可完成过滤常数的测定实验。孔板孔口径：8mm，文丘里管喉径：8mm，φ20×2不锈钢管。

四、实验步骤

1、先将板框过滤机的紧固手柄全部松开，将板、框清洗干净。

2、将干净滤布安放在滤板两侧，注意必须将滤布四角的圆孔与滤板四角的圆孔中心对正，以保证滤液和清洗液流道的畅通。

3、安装时应从左至右进行，装好一块，用手压紧一块。请特别注意板框的顺序和方向，所有板框有圆点的一侧均应面向安装者，板框过滤机共有4块板（带奇数点），3块框（带偶数点），以确保流道的畅通。

4、装完以后即可紧固手柄至人力转不动为止。

5、松开混合釜上加料口的紧固螺栓，打开加料口，加水至视镜的水平中心线，打开控制屏上的电源，启动搅拌机，再加入碳酸钙3kg，任其自行搅拌。

6、约5min后，检查所有阀门看是否已关紧确保全部关紧后，同时注意在搅拌过程中混合釜的压力，控制混合釜压力表的指示值在～范围，并一直维持在恒压条件下操作，如果压力过大也可通过混合釜右侧的放空阀调节。

（1）、打开过滤机的出料阀，并准备好秒表，做好过滤实验的读数和记录准备，再打开控制屏上板框过滤机的进料阀，开始过滤操作。

（2）、注意看看板框是否泄漏（大量液体冲出，少量漏液无妨）确认正常后，观察滤液情况，一般开始出来的比较浑浊，待滤液变清后，立即开始读取计量槽的数据，并同时开始计时和记录相关实验数据。

（3）、装置的计量槽分左右计量筒计量，左侧计滤液量，右侧计洗水量左右两筒有过滤液孔连通，需要时两筒可串联使用，以便连续实验需要。读取5组以上的实验数据后，即可关闭进料阀和出料阀结束过滤实验。

（4）、如果需要做滤饼洗涤实验，则在结束过滤实验之后，关闭混合釜的进气阀。然后关闭进水阀，打开进气阀，恒压在～范围，按过滤实验相同的方法操作，完成实验后，关闭进水阀和出水阀结束滤饼洗涤实验。

（5）、如果改变操作压力，还可进行过滤速率方程压缩指数的测定实验。

实验四传热实验

测定对流传热系数的准数关联式。

二、实验原理

对流传热的核心问题是求算传热系数α，当流体无相变时对流传热准数关联式的一般形式为：

对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故

用图解法对多变量方程进行关联时，要对不同变量Re和Pr分别回归。本实验简化上式，即取n=（流体被加热）。这样，上式即变为单变量方程，再两边取对数，即得到直线方程：

在双对数坐标中作图，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中，则可得到系数A，即：

对于方程的关联，首先要有Nu、Re、Pr的数据组。其准数定义式分别为：

牛顿冷却定律：

传热量Q可由下式求得：

三、实验设备流程

设备参数：

孔板流量计：流量计算关联式：V=●

式中：R——孔板压差，[mmH2O]

V——水流量，[m3 /h]

换热套管：

套管外管为玻璃管，内管为黄铜管。

套管有效长度：1.25m，内管内径：0.022m

1.启动水泵

2.打开进水阀

3.打开蒸汽发生器

4.打开放汽阀

5.读取水的流量

6.读取温度

7.实验结束后，先停蒸汽发生器，再关进水阀。

五、数据处理

以一组数据计算传热量、传热系数。

实验五精馏实验

一、试验目的

1.掌握精馏塔的结构

2.测定精馏塔的理论板数及塔效率

二、实验原理

1.理论板

2.作图法求理论板数

3.精馏塔的全塔效率E

t

为理论塔板数与实际塔板数N之比，即：

E t =N

t

/ N

精馏塔的单板效率E m可以根据气相（或液相）通过测定塔板的浓度变化进行计算。

若以液相浓度变化计算，则为：

E

ml =(X

n-1

-X

n

) / (X

n-1

- X

n

*)

若以气相浓度变化计算，则为：

E

mv =(Y

n

-Y

n+1

) / ( Y

n

*-Y

n+1

)

式中：

X

n-1

-----第n-1块板下降的液体组成，摩尔分率；

X

n

-------第n块板下降的液体组成，摩尔分率；

X

n *------第n块板上与升蒸汽Y

n

相平衡的液相组成，摩尔分率；

Y

n+1

-----第n+1块板上升蒸汽组成，摩尔分率；

Y

n

-------第n块板上升蒸汽组成，摩尔分率；

Y

n *------第n块板上与下降液体X

n

相平衡的气相组成，摩尔分率。

三、实验设备及流程简介

本实验进料的溶液为乙醇—水体系，其中乙醇占20%（摩尔百分比）。

精馏塔：采用筛板结构，塔身用直径Φ57X3.5mm的不锈钢管制成，设有两个进料口，共15块塔板，塔板用厚度1mm的不锈钢板，板间距为10cm；板上开孔率为4%，孔径是2mm，孔数为21；孔按正三角形排列；降液管为Φ14X2mm的不锈钢管；堰高是

10mm。

四、实验步骤

1.全回流进料

打开泵开关，再打开进料的管线。

2.塔釜加热升温

全回流进料完成后，开始加热。

3.建立全回流

注意恒压，回流开始以后就不能再打开衡压排气阀，否则会影响结果。

4.读取全回流数据

5.逐步进料，开始部分回流

逐渐打开塔中部的进料阀和塔底的排液阀以及产品采出阀，注意维持塔的物料平衡、塔釜液位和回流比。

6.记录部分回流数据 五、作业

写出精馏段操作线方程、提馏段操作线方程、加料线方程。

实验六、吸收实验

一、实验原理

本实验是用水吸收空气-氨混合气体中的氨。混合气体中氨的浓度很低。吸收所得的溶液浓度也不高。气液两相的平衡关系可以认为服从亨利定律（即平衡线在x-y 坐标系为直线）。故可用对数平均浓度差法计算填料层传质平均推动力，相应的传质速率方程式为：

所以 )/(m p A a Y Y V G K ??= 其中 式中

G A —单位时间内氨的吸收量[kmol/h]。 K Ya —总体积传质系数[kmol/m 3·h]。 V p —填料层体积[m 3]。 △Y m —气相对数平均浓度差。 Y 1—气体进塔时的摩尔比。

Y e1—与出塔液体相平衡的气相摩尔比。 Y 2—气体出塔时的摩尔比。

Y e2—与进塔液体相平衡的气相摩尔比。 3、计算方法、公式：

（1）氨液相浓度小于5%时气液两相的平衡关系： 温度 [℃]： 0 10 20 25 30 40 亨利系数E[atm]：

（2）总体积传质系数K Ya 及气相总传质单元高度H og 整理步骤 a 、标准状态下的空气流量V 0：

2

1210010T T P

P P T V V ????

= [m 3/h] 式中：

V 1——空气转子流量计示值 [m 3/h] T 0、P 0——标准状态下的空气的温度和压强 T 1、P 1——标定状态下的空气的温度和压强 T 2、P 2——使用状态下的空气的温度和压强

b 、标准状态下的氨气流量V 0’

2

10221010010''T T P P P T V V ??????

=ρρ [m 3/h] 式中：

V 1’——氨气转子流量计示值 [m 3 / h] ρ01——标准状态下氨气的密度 [kg / m 3] ρ02——标定状态下氨气的密度 [kg / m 3]

如果氨气中纯氨为98%，则纯氨在标准状态下的流量V 0’’为：

V 0’’=●V 0’

c 、惰性气体的摩尔流量G ：

G=V0 /

d、单位时间氨的吸收量G A：

G A=G●(Y1-Y2)

e、进气浓度Y1：

f、尾气浓度Y2：

式中：

N s——加入分析盒中的硫酸当量浓度 [N]

V s——加入分析盒中的硫酸溶液体积 [ml]

V——湿式气体流量计所测得的空气体积 [ml]

T0——标准状态下的空气温度 [K]

T——空气流经湿式气体流量计时的温度 [K] g、对数平均浓度差（ΔY）m：

Y e2=0

Y e1=m x1*

P=大气压+塔顶表压+（填料层压差）/2

m=E / P

x1=G A / Ls

式中：

E——亨利常数

Ls——单位时间喷淋水量 [kmol / h]

P——系统总压强

h、气相总传质单元高度：

式中：

G’——混合体气通过塔截面的摩尔流速二、实验设备及流程

设备参数：

基本数据：塔径Φ0.10m，填料层高0.75m

填料参数：12×12×[mm]瓷拉西环，a1—403[m-1]，ε—，a1/ε3—903[m-1]

尾气分析所用硫酸体积：1ml，浓度：

上图是吸收实验装置界面，氨气钢瓶来的氨气经缓冲罐，转子流量计与从风机来经缓冲罐、转子流量计的空气汇合，进入吸收塔的底部，吸收剂（水）从吸收塔的上部进入，二者在吸收塔内逆向流动进行传质。

从塔顶出来的尾气进到分析装置进行分析，分析装置由稳压瓶、吸收盒及湿式气体流量计组成。稳压瓶是防止压力过高的装置，吸收盒内放置一定体积的稀硫酸作为吸收液，用甲基红作为指示剂，当吸收液到达终点时，指示剂由红色变为黄色。

三、实验步骤

建议的实验条件：

水流量：80 l/h 空气流量：20 m3/h 氨气流量：0.5 m3/h

注意气量和水量不要太大，氨气浓度不要过高，否则引起数据严重偏离。

1、通入氨气

打开钢瓶阀门，氨气流量计前有压差计和温度计，用氨气调节阀调节氨气流量（实验建议流量: 0.5 m3/h）。

2、进行尾气分析

通入氨气后，让尾气流过吸收盒，同时湿式气体流量计开始计量体积。当吸收盒内的指示剂由红色变成黄色时，立即关闭考克，记下湿式气体流量计转过的体积和气体的温度。

3、读取数据

实验七干燥实验

一、实验目的

1.了解气流干燥设备基本流程和工作原理

2.测定物料在一定干燥条件下的干燥速率曲线及传质系数

二、实验原理

1.干燥特性曲线

干燥过程分为三个阶段：物料预热阶段、恒速干燥阶段和降速干燥阶段。

式中：x平—某干燥速率下湿物料的平均含水量 [kg]

Gs i,Gs i+1—分别为△τ时间间隔内开始和终了时湿物料重量 [kg]。

G c—湿物料中绝对干物料的重量 [kg]。

2.传质系数

恒速阶段：恒速阶段的干燥速率u仅由外部干燥条件决定，物料表面温度近于空气湿球温度t w。在恒定的干燥条件下，物料表面与空气之间的传热和传质速率分别用于下面式子表示：

降速阶段：降速干燥阶段中干燥速率曲线的形状随物料内部结构以及所含水分性质不同而异，因而干燥曲线只能通过实验得到，降速阶段干燥时间的计算可以根据速率曲线数据图解求得，当降速阶段的干燥速率近似看作与物料的自由含水量（x-x*）成正比时干燥速率曲线可简化为直线。

即为：u=k x(x-x*)

k x=u / (x-x*)

式中：k x—以含水量差△x为推动力的比例系数 [kg/m2·s·△x]；u—物料含水量为x时的干燥速率 [kg/m2·s]；

x—在τ时的物料含水量 [kg/kg绝干物料]；

x*—物料的平衡含水量 [kg/kg绝干物料]；

三、实验装置及流程简介

主要设备规格：

孔板流量计：管径D=106mm，孔径d=68.46mm

孔流系数 C0=

干燥室尺寸：[m]×[m]

四、实验步骤

1.启动风机

注意：禁止在启动风机以前加热，这样会烧坏加热器。

2.开始加热

3.进行干燥实验