化工实验本科.docx

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化工实验本科

实验一离心泵性能曲线实验

一、实验目的

本实验要求掌握：

离心泵特性曲线的概念

离心泵性能参数的测定方法

流量Q的测定

扬程H的测定

轴功率N的测定

效率η

转速n的测定

二、离心泵特性曲线的概念:

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。

在一定的转速下，离心泵的扬程H、轴功率N和效率η均随实际流速Q的大小而改变。

通常用水经过实验测出Q-H、Q-N及Q-η之间的关系，并以三条曲线分别表示出来，这三条曲线就称之为离心泵的特性曲线。

离心泵的特性曲线是确定泵适宜的操作条件和选用离心泵的重要依据。

但是，离心泵的特性曲线目前还不能用解析方法进行精确计算，仅能通过实验来测定，而且离心泵的性能全都与转速有关；在实际应用过程中，大多数离心泵又是在恒定转速下运行，所以我们要学习离心泵恒定转速下特性曲线的测定方法。

三、设备参数:

∙泵的转速：

2900转/分

∙额定扬程：

20m

∙电机效率：

93%

∙传动效率：

100%

∙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

∙涡轮流量计流量系数：

75.78

四、计算方法、原理、公式:

（1）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——泵入口真空度

        H0——压力表和真空表测压口之间的垂直距离

       u出——泵出口处液体流速

        u入——泵入口处液体流速

        g——重力加速度

（2）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

（3）电机输入离心泵的功率Na：

   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——传动装置效率

五、实验步骤

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。

如图所示，调节灌泵阀的开度为100

在压力表上单击鼠标左键，即可放大读数（右键点击复原），如图所示。

当读数大于0时，说明泵壳内已经充满水，但由于泵壳上部还留有一小部分气体，所以需要放气。

调节开度大于0，即可放出气体，气体排尽后，会有液体涌出，如图所示。

此时关闭排气阀和灌泵阀，灌泵工作完成。

2、开泵

灌泵工作完成后，点击电源开关的绿色按钮接通电源，就可以启动离心泵，并开始工作。

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，从而引发烧泵事故

3、建立流动

启动离心泵后，调解流量调节阀的开度为100。

4、读取数据

等涡轮流量计的示数稳定后，即可读数。

鼠标左键点击压力表、真空表

和功率表，即可放大，以读取数据，如下图所示：

注意：

务必要等到流量稳定时再读数，否则会引起数据不准

5、处理数据

六、注意事项:

（1）当没有完成灌泵时启动泵会发生气缚现象

（2）当关泵完成后在出口阀全开的情况下启动泵可能会发生烧泵事故。

实验二流体阻力系数测定

一、实验原理

   流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。

流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系。

 （1-1）

 （1-2）

 （1-3）

式中：

    d——管径，m;

    △Pf——直管阻力引起的压强降，Pa；

    u——流速，m/s；

    ρ——流体的密度，kg/m3；

    μ——流体的粘度，N·s/m2。

直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。

在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。

若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。

所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强△Pf、与流速u（流量V）之间的关系。

根据实验数据和式（1-2）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ；用式（1-3）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。

二、设备参数：

光滑管：

玻璃管，管内径=20mm，管长=1.5m，绝对粗糙度=0.002mm

粗糙管：

镀锌铁管，管内径=20mm，管长=1.5m，绝对粗糙度=0.2mm

突然扩大管：

细管内径=20mm，粗管内径=40mm

孔板流量计：

开孔直径=12mm，孔流系数=0.62

三、计算方法、原理、公式：

流体在管道内流动时，由于流体的粘性作用和涡流的影响会产生阻力。

流体在直管内流动阻力的大小与管长、管径、流体流速和管道摩擦系数有关，它们之间存在如下关系：

 （1-1）

 （1-2）

  （1-3）

 式中：

         d——管径

     △Pf——直管阻力引起的压强降

       u——流速

       ρ——流体的密度

       μ——流体的粘度

直管摩擦系数λ与雷诺数Re之间有一定的关系，这个关系一般用曲线来表示。

在实验装置中，直管段管长l和管径d都已固定。

若水温一定，则水的密度ρ和粘度μ也是定值。

所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强△Pf、与流速u（流量V）之间的关系。

根据实验数据和式（1-2）可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ；用式（1-3）计算对应的Re，从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系，绘出λ与Re的关系曲线。

   对于局部阻力，则有：

ξ称为局部阻力系数，它与流体流过的管件的几何形状以及流体的Re有关，当Re大到一定程度以后，ξ与Re数无关，成为定值。

或者可以近似的认为局部阻力的损失可以相当于某个长度的直管引起的损失：

式中le为管件的当量长度，由实验测得。

四、实验步骤

（1）开泵

因为离心泵的安装高度比水的液面低，因此不需要灌泵。

直接点击电源开关的绿色按钮接通电源，就可以启动离心泵，开始实验。

（2）调节倒U型压差计

将管道中所有阀门都打开，使水在3个管路中流动一段时间，直到排尽管道中的空气，然后点击倒U型管，会出现一段调节倒U型管的动画。

最后关闭各阀门，开始实验操作。

（3）测量光滑管数据

（4）测量粗糙管数据

（5）测量突然扩大管测量数据

五、注意事项：

（1）倒U型管在使用前必须进行排气。

首先，关紧A，打开B，C，D，E排气；接着关紧B，C，D，E，打开A，缓缓打开D，E，使管内形成气水柱，液柱约为管高度的一半。

最后依次关紧A，D，E，再双手同时缓缓打开B，C。

如果倒U型管高度差不为零，表明导压管内仍有气泡，重复上述操作，直到高度差为零。

（2）为了接近理想的光滑管，我们选用了玻璃管，实际上在普通实验室中很少采用玻璃管

（3）要更好地回归处理数据，请尽量多地测量数据，并且尽量使数据分布在整个流量范围内。

（4）在层流范围内，用阀门按钮调节很难控制，请自己在阀门开度栏内自己输入开度（阀门开度小于5%）。

（5）对于突然扩大管，我们做了简化，认为阻力系数是定值，不随Re变化。

实验三传热（水-蒸汽）实验

一、基本原理：

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

（4-1）

对于强制湍流而言，Gr准数可以忽略，故

（4-2）

本实验中，可用图解法和最小二乘法计算上述准数关联式中的指数m、n和系数A。

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。

本实验可简化上式，即取n=0.4（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：

（4-3）

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：

（4-4）

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。

应用微机，对多变量方程进行一次回归，就能同时得到A、m、n。

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：

实验中改变冷却水的流量以改变Re准数的值。

根据定性温度（冷却水进、出口温度的算术平均值）计算对应的Pr准数值。

同时，由牛顿冷却定律，求出不同流速下的传热膜系数α值。

进而算得Nu准数值。

牛顿冷却定律：

（4-5）

 式中：

       α—传热膜系数，[W/m2·℃]；

      Ｑ—传热量，［Ｗ］；

      Ａ—总传热面积，[m2]；

      △tm—管壁温度与管内流体温度的对数平均温差，[℃]。

传热量Q可由下式求得：

（4-6）

 式中：

      W—质量流量，[kg/h]；

      Cp—流体定压比热，[J/kg·℃]；

      t1、t2—流体进、出口温度，[℃]；

      ρ—定性温度下流体密度，[kg/m3]；

      V—流体体积流量，[m3/s]。

二、设备参数：

孔板流量计：

   流量计算关联式：

V=4.49*R0.5

   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

三、实验步骤

1、启动水泵

点击电源开关的绿色按钮，启动水泵，水泵为换热器的管程提供水源。

2、打开水量调节阀

开泵后，调节水流量调节阀至微开，这时换热器的管程中就有水流动了。

3、打开蒸汽发生器电源

蒸汽发生器的开关在蒸汽发生器的右侧。

鼠标左键单击开关，这时蒸汽发生器就通电开始加热，并向换热器的壳程供汽。

4、打开放气阀

打开放汽阀，排出残余的不凝气体，使在换热器壳程中的蒸汽流动通畅。

5、读取流量

在图中点击孔板流量计的压差计出现读数画面。

读取压差计读数。

经过计算可得冷水的流量。

6、读取温度

在换热管或者测温仪上点击会出现温度读数画面。

读取各处温度数值。

其中温度节点1-9的温度为观察温度分布用，在数据处理中用不到。

蒸汽进出口及水进出口的温度需要记录。

7、重复读数

改变进水阀开度，重复以上步骤，读取8~10组数据。

实验结束后，先停蒸汽发生器，再关进水阀。

四、注意事项：

（1）、学校的设备大都是需要用电为差计测量电流然后计算温度的，此套设备比较先进，采用了数字显示仪表直接显示温度。

（2）、关于排放不凝气：

如果不打开放气阀，理论上套管内的压力应该不断增大，最后爆炸，实际上由于套管的密封程度不是很好，会漏气，所以压力不会升高很多，基本可以忽略。

另外不凝气的影响在实际是实验中并不是很大，在仿真实验中为了说明做了夸大。

（3）蒸汽发生器：

关于蒸汽发生器的控制和安全问题做了简化。

（4）传热实验有两个流程，另一个管内的介质为空气，原理一样，只是流程稍有不同。

实验四精馏（乙醇-水）实验

一、基本原理：

1、在板式蒸馏塔中，混合液的蒸汽逐板上升，回流液逐板下降，气液两相在塔板上接触，实现传质、传热过程而达到分离的目的。

如果在每层塔板上，上升的蒸汽与下降的液体处于平衡状态，则该塔板称之为理论塔板。

然而在实际操做过程中由于接触时间有限，气液两相不可能达到平衡，即实际塔板的分离效果达不到一块理论塔板的作用。

因此，完成一定的分离任务，精馏塔所需的实际塔板数总是比理论塔板数多。

   对于双组分混合液的蒸馏，若已知汽液平衡数据，测得塔顶流出液组成Xd、釜残液组成Xw，液料组成Xf及回流比R和进料状态，就可用图解法在y-x图上，或用其他方法求出理论塔板数Nt。

精馏塔的全塔效率Et为理论塔板数与实际塔板数N之比，既：

                   Et=Nt/N

影响塔板效率的因素很多，大致可归结为：

流体的物理性质（如粘度、密度、相对挥发度和表面张力等）、塔板结构以及塔的操作条件等。

由于影响塔板效率的因素相当复杂，目前塔板效率仍以实验测定给出。

2、精馏塔的单板效率Em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：

                     Eml=（Xn-1-Xn）/（Xn-1-Xn*）

 若以气相浓度变化计算，则为：

                    Emv=（Yn-Yn+1）/（Yn*-Yn-1）

 式中：

Xn-1-----第n-1块板下降的液体组成，摩尔分率；

        Xn-------第n块板下降的液体组成，摩尔分率；

        Xn*------第n块板上与升蒸汽Yn相平衡的液相组成，摩尔分率；

        Yn+1-----第n+1块板上升蒸汽组成，摩尔分率；

        Yn-------第n块板上升蒸汽组成，摩尔分率；

        Yn*------第n块板上与下降液体Xn相平衡的气相组成，摩尔分率。

在实验过程中，只要测得相邻两块板的液相（或气相）组成，依据相平衡关系，按上述两式即可求得单板效率Em.

二、设备参数：

（1）精馏塔——精馏塔采用筛板结构，塔身用直径Φ57X3.5mm的不锈钢管制成，共15块塔板，塔板用板厚1mm的不锈钢板；板间距为10mm；板上开孔率为4%，孔径是2mm，孔数为21个，孔按三角形排列；降液管为直径Φ14X2mm的不锈钢管，堰高是10mm；在塔顶和塔釜中装有铜电阻感温计，并由仪表柜的温度指示仪加以显示。

他有两个进料口，分别在第11、13块塔板，一般采用第11块塔板进料。

（2）蒸馏釜为直径Φ250X340X3mm不锈钢材质立式结构，用二支1kW的SRY-2-1型电热棒进行加热，其中一支为恒温加热，另一支则用自耦变压器调节控制，并由仪表柜上的电压、电流表加以显示。

釜上有压力计，以测量釜内的压力。

（3）冷凝器——采用不锈钢蛇管式冷凝器，蛇管为直径Φ14X2mm，长是2500mm,用自来水作冷却剂，冷凝器上方装有排气悬塞。

（4）原料——酒精摩尔比为0.2，温度30℃

三、计算方法、原理、公式：

（1）精馏塔的全塔效率Et为理论塔板数与实际塔板数N之比，既：

Et=Nt/N

（2）精馏塔的单板效率Em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：

                           Eml=（Xn-1-Xn）/（Xn-1-Xn*）

若以气相浓度变化计算，则为：

                           Emv=（Yn-Yn+1）/（Yn*-Yn-1）

 式中：

Xn-1-----第n-1块板下降的液体组成，摩尔分率

       Xn-------第n块板下降的液体组成，摩尔分率

       Xn*------第n块板上与升蒸汽Yn相平衡的液相组成，摩尔分率

       Yn+1-----第n+1块板上升蒸汽组成，摩尔分率

       Yn-------第n块板上升蒸汽组成，摩尔分率

       Yn*------第n块板上与下降液体Xn相平衡的气相组成，摩尔分率

在实验过程中，只要测得相邻两块板的液相（或气相）组成，依据相平衡关系，按上述两式即可求得单板效率Em。

四、实验步骤

1、全回流进料

（1）打开泵开关。

在控制台上用鼠标左键点击泵电源开关的上端（带白点的一端），打开泵电源开关。

（2）打通进料的管线，

依次打开阀门1、2、3，向塔釜进料，进料至液位计的红点（正常液位标志）位置，完成进料。

2、加热

全回流进料完成后，开始加热，如图所示：

首先点击加热电源开关上端，打开加热电源开关。

用鼠标点击加热电压调节手柄，左键增加电压，每点击一次加5伏，右键减少电压，每点击一次减5伏。

或者在电压显示栏内用左键点击一下，输入所需的电压（0~350伏），然后在控制台窗口的空白处左键点击即可完成输入。

3、全回流

（1）注意衡压

加热开始后，回流开始前，应注意塔釜温度和塔顶压力的变化。

当塔顶压力超过一个大气压很多时（例如0.1atm以上），应打开衡压排气阀进行排气降压。

此时应密切注视塔顶压力，当降到一个大气压时，应马上关闭。

注意：

回流开始以后就不能再打开衡压排气阀，否则会影响结果。

（2）塔顶的冷却水默认全开，当塔釜温度达到91度左右时，开始有冷凝液出现（在塔顶及储液罐之间有细线闪烁）。

此时鼠标左键点击回流支路上的转子流量计，如图所示：

鼠标左键点击转子流量计上的流量调节旋钮，左键增加，右键减少。

也可以在开度显示框内填入所需的开度（0~100，百分比），然后在流量计上左键点击即可。

调节阀的开度到100，开始全回流。

4、读取全回流数据

鼠标左键点击“组份测试”可看到组份含量（真实实验用仪器检测，此处简化），如图所示。

开始全回流10分钟以上，组份基本稳定达到正常值。

当组份稳定以后，鼠标左键点击主窗口左侧菜单“数据处理”，在“原始数据”页填入数据（方法详见标准数据库操作方法）。

5、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、读取部分回流数据