化工原理实验讲义.docx
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化工原理实验讲义
化工原理实验讲义
前言
一、化工原理实验室规则
1.实验室是进行科学研究的场所，到实验室进行实验时应保持实验室整洁和安静。
禁止在实验室内大声喧哗、追逐嬉玩和随地吐痰；禁止赤足、穿拖鞋进入实验室。
2.实验室内必须以严肃认真的态度进行实验，遵守实验室的各项规章制度。
3.爱护仪器、实验设备及实验室其它设施。
实验过程中在保证完成实验要
求的条件下，注意节约水、电、气、油以及化学药品等。
4.实验操作过程中，注意用电、用热、用液化气及使用有害药品的安全，
并注意防火、实验室内严禁吸烟、吃食品。
5.实验过程中注意保持实验环境的整洁。
实验结束后应进行清洁和整理。
6.实验过程中，如因违反操作规程损坏仪器、设备者，应根据情节的轻重
和态度由指导老师会同实验室负责同志商定按仪器、设备价值的酌情折价赔
偿，情节严重、损失较大者，上报学校进行处理。
7.实验过程中应服从指导老师及实验室工作人员的指导。
否则，将视其情
节进行批评直至停止实验操作。
8.实验室严格执行西南农业大学《学生实验守则》及《关于损坏、遗失实
验器材进行赔偿的暂行办法》。
二、化工原理实验教学的目的和要求
化工原理实验是化工原理课程中理论与实践相联系、相结合的重要教学
环节之一。
化工原理实验属于工程性质实验。
学生通过实验教学需要达到以
下目的和要求。
1.通过实验教学让学生进一步掌握、巩固和加深化工原理理论知识，得到将理论应用于实践的训练。
2.了解典型化工过程和化工设备结构的特点。
3.训练实际操作和掌握化工实验的基本技能，培养观察实验现象，测定化工参数，分析、整理实验数据和编写工程实验报告的能力。
进而提高到能应用实验误差和误差理论分析、解决化工原理实际问题，得出较正确的结论。
4.培养严肃、认真和实事求是的科学态度和爱护实验仪器、设备、热爱劳动的良好品德。
为达到上述目的，要求参加实验的学生必须严肃认真地对待实验教学中的每一个环节，并按照实验教学的目的和内容，主动、积极、认真地进行实验操作和完成实验项目。
三、实验教学步骤
凡参加化工原理实验的学生都必须按照以下的实验教学步骤进行实验。
1.实验预习
预习是帮助理解实验原理，了解实验内容，操作步骤以及实验注意事项以利于完成实验达到较好的教学效果。
预习实验的具体要求是：
（1）了解实验目的、要求以及实验原理；
（2）了解实验设备流程，实验操作步骤及有关注意事项；
（3）按照实验指导书要求，搞清楚应当测取的实验数据及方法；
（4）拟出原始实验数据记录表格，练习有关操作；
（5）化工原理实验系工程性实验，完成一项实验往往需要几位同学的相互配合进行操作。
因此，在测取实验数据前，实验小组应当进行适当的分工。
预习结束后，指导老师要根据实验原理、实验内容、操作步骤及注意
事项进行考察，考察后始得进行实验操作。
2.实验操作：
正确进行实验操作，是成功作好实验的关键，实验者必须认真按以下程序进行：
（1）实验操作开始前应检查所需设备、仪器是否齐全和完好（除固定安装的设备外，其余均由实验组长向实验室借用，实验结束后如数完好地归还。
）对于转动的动力设备（如离心泵、压缩机等）更需要注意检查，以保证正常运转及人身安全和实验的圆满完成。
（2）实验操作过程中必须严格遵照操作规程、实验步骤及操作注意事项进行。
若在操作过程中发生故障时，应及时向指导老师及实验室工作人员报告，以便进行处理。
（3）在实验实际操作中，由于测取数据是分部，分工进行。
为利于学生对整个实验过程的全面了解和全面参与，每项的实际操作，应当待其主要数据测定完毕后，使参与实验的学生在实验小组内将实验分工岗位进行适当的交换操作，使之受到较全面的实验操作训练。
（4）正确测取实验数据，注意数据的准确性和重现性。
且应特别注意，只有当其数据测取准确后，方能操作条件，进行另一组数据的测取。
（5）实验数据全部测取完后，经指导老师检查通过后，始得结束实验，归还所借仪器仪表等，恢复设备原始状态。
3.读取实验数据，作好实验记录：
正确读取实验数据是实验操作的重要步骤，它同实验结果紧密相关，而较规范地记录好实验数据是防止实验数据误差（如漏记、误记等）有效方法之一，其步骤及要求如下：
（1）实验操作开始之前应拟好实验数据记录表格，表格中应标明各项物理量的名称、符号及单位。
实验记录要求完整、准确、条理清楚并防止"张冠李戴"之误。
（2）实验数据一定要在实验现象稳定后才读取记录，条件改变后，就应在新的条件稳定后才能读取记录数据。
由于测试仪表的滞后现象的缘故，条件改变后往往需要一段时间的稳定过程，不能一改变条件就读取数据，这样所测得的数据可靠性较差。
（3）同一条件下至少要读取两次数据（不稳定过程的研究除外），且只有当两次读数相近时，才能改变操作条件继续进行实验。
实验测取的数据，应及时进行复核，以免发生读数或记录数据的错误。
如读数和记录是两人分头进行的，则记录数据的同时还需往复读数。
（4）数据记录必须真实地反映仪表的精度。
一般要记录至仪表上最小分度以下一位数。
为提高实验的精确度，通常记录数据中的末位数都是估计数字，例如温度计的最小分度为1℃，如果当时温度读数为24.6℃，此时就不能记为25℃，若温度读数刚好为25℃正时，则数据应记为25.0℃，而不是记为25℃。
（5）记录数据要以当时的实际读数为准，如规定的水温为50.0℃，而读数时实际水温为50.5℃，就应该读记50.5℃。
如果数据仍稳定不便时，该数据每次都应记录，不留空格，如果漏记了数据，应该留出相应的空格。
（6）实验过程中，如果出现不正常情况以及数据有明显误差时，应在备注栏中加以说明。
（7）读取数据后，应立即将该数据和前次数据及其它相关数据加以比较，分析相互关系是否合理。
如果发现不合理情况时，应立即研究原因，以使及时发现问题并加以处理。
（8）禁自拟和更改实验测试的原始数据。
四、实验数据处理
实验中，为求得各种物理量间的变化关系，往往需要记录许多组数据，有时为获得一个准确数据，还得进行多次测量。
这样，会给整理数据增加较大的工作量。
为此可采取将每一参数相同条件测定的多次结果进行平均，然后以次平均值再与其它相关参数关联；另一种方法，就是一物理量在测量中，将不变因素归并为常数，变化因素列出，可简化计算。
例如对一定状态下的流体，当在一定管路上流动时，其Re准数中dρ/μ之值固定，u随流量变化，于是只需测出（算出）u，雷诺准数Re=（dρ/μ）u就很容易算出。
在整理实验数据中，还应注意有效数字及误差理论的运用，有效数字要求取到测试仪表最小分度后一位即可。
例如秒表的最小刻度为秒，记录的数据保留一位可疑数字，13.8秒，14.5秒等。
在化工原理实验中，在对各种参数进行测量时，无论使用的仪器多么精密，测验方法何等完善，实验人员又那么认真和细心。
所测得的数据都不免还是存在一定的偏差或误差。
这些误差通常为：
系统误差、偶然误差及过失误差等，对于误差，通常在整理实验数据时采用算术平均误差和均方根误差两种方法：
算术平均误差：
（1）
均方根误差（又称标准误差）：
（2）
标准误差不仅是一组测量中各个测量的函数，而且对测量中的较大或
较小误差均比较灵活，所以它是表示精确度的最好方法。
整理数据的目的是将所测得的数据用最合适的方式表达出来，便于较明
显直观地表示出各数据之间的关系与变化规律。
表示方法通常有实验数据列
表表示法；实验数据图形表示法以及实验数据方程数据表示法等。
下面着重
介绍实验数据图形表示法。
数据图形表示法，不但可以明显地看出数据之间的关系变化规律，同时，还可根据曲线的形状整理出数据之间的关系来。
标绘图形，常常包括以下一些步骤：
首先应按实验中的变量关系选择坐标系和划分标度（即定位和定级）。
例如：
当变量关系为y=mx时选择直角坐标为好。
而当变量关系为：
（3）
时，再用直角坐标给就较困难了，于是可按对数运算方法，将（3）式变为：
令logy=Y,logx=X,loga=A这样上式又可写作：
（4）
式中：
m－直线的斜率（logy1-logy2）/（logx1-log2）;
（5）
A－直线的截距，即直线y轴相交点的读数。
此时（4）式，就可以在对数坐标纸上作图了，对数坐标纸的表度与计算尺类似，应用时应注意：
（1）标在坐标纸上的数值是真数，而不是对数。
（2）由于log1=0，与直角坐标x=0相当的一条直线，在对数坐标纸上则为x=1的一条直线。
（3）由于0.1，1，10，100……等的对数分别为-1，0，1，2……等，在对数坐标纸上0.1～1,1～10,10～100……等的距离是相同的,且将此每一相等距离称为级。
例如表中数据符合y=axm的变化规律,则依（3）式,在双对数坐标上绘为一直线（如入1所示）。
xyX=logxY=logy
10170.000.23
24290.380.46
66540.820.75
100691000.84
140821150.91
直线斜率m,即原式中的指数:
由
m=OD线段的长度/OB线段的长度
=log（yd）-logy0/logx0-logxb
=0.6
系数c的值,根据x=1与y轴的交点,c=1.7。
又当变量关系为:
（6）
时,可在半对数坐标纸上将（6）表示为直线。
此时y轴和x轴中仅一轴标对数刻度而另一轴为直线坐标刻度。
如图2AB为y=30×100.2xde直线。
当x=0,对应的y值即为常数n。
将直线上任一点的坐标代入:
就能表示出m来。
坐标系统确定后,就是如何在坐标纸上记分度值,横轴和纵轴上的分度值是否均一致问题要视情况而定,数据的描点,如数据组数据较多时,为避免混淆,可采用·、O、×、⊕、Δ等符号加以区别。
最后则根据在坐标纸上所描的点作曲线，联线时应根据实验情况在分析的基础上，按照一定的方法进行联结。
这里应避免有点必联或完全不依点联线的两种极端，如有必要，对标绘的图形还可加以述解和说明或指出数据来源等。
五、化工原理实验报告
实验报告是一次实验的总结，它能直接反映同学们对实验原理；实验操
作技能等方面知识的掌握。
通过写实验报告，可提高分析问题和解决问题的
能力。
整理实验报告应以科学的态度，实事求是的精神，所有实验数据以及
观察到的现象必须如实记录。
不能凭臆想推测加以修改，现将撰写实验报告
的具体要求规定如下：
1.实验报告一律用学校规定的报告纸书写，报告内容应包括以下项目：
（1）实验题目；
（2）报告及同组人姓名；
（3）实验日期；
（4）实验目的；
（5）实验原理；
（6）实验装置流程图及设备规格、型号说明；
（7）实验数据原始记录列表（表格形式）；
（8）典型计算示例（以一组实验数据为例）；
（9）实验数据的整理（包括计算数据及结果数据）列表；
（10）实验结果（可以图示法、列表法及经验式表示）；
（11）结论与思考题、误差分析。
2.实验报告要求参加实验的同学独立完成，每人一份，并以此作为实验考
核的主要依据。
实验一流体力学实验
一、实验预习
1.预习流体流动中的守恒原理。
2.预习流体流动时产生阻力损失的原因，掌握直管阻力损失和局部阻力损失（突然扩大、突然缩小、阀门等）的研究方法和计算方法。
3.预习离心泵的工作原理、特性曲线，流量调节等有关内容。
4.熟悉实验装置的流程、设备、仪表和操作方法，确定需查找的各种参数和需测定各种参数，熟悉相关参数的测取方法和手段。
5.完成预习报告（实验名称、实验目的、原理、流程图及原始数据记录
表格）。
二、实验目的
本实验装置中，以水作为工作流体测定和完成以下项目：
1.观察水在直管内的流动类型，测定不同流量范围内Re的数值；
2.测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re的关系，验证在一般湍流区内λ与Re的关系曲线；
3.测定流体流经管件、阀门时的局部阻力系数;
4.学会倒U形压差计和涡轮流量计的使用方法;
5.识辨组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。
三、实验内容
1.不同管径和粗糙度条件下的流动摩擦阻力系数与雷诺数的关系；
2.U形压差计和涡轮流量计的使用；
3.流动类型演示（雷诺实验）。
四、实验原理
（一）雷诺演示实验
流体在管道流动时，其流动情况与流体的密度、粘度；管道直径及流体在管道内流动的速度有关。
经实验研究，用一无因次数群Re的大小而将流体流动的类型分为层流、湍流和过度流。
这个数群就称为雷诺准数，以Re表示。
实验是在一定管道中，以水为流动介质，若改变水的流量即可观察到水的质点（以红色指示液失踪）呈直线、紊乱、弯曲三种流动状态，并用测得的流量、管直径及测定温度下查出水的密度ρ和相应的粘度μ数值,即可算出相应的数值。
（二）流动阻力系数测定
流体在管道内流动时，由于流体内黏性剪应力、管道粗糙度和流体流动方向、流动速度的突然改变而损耗能量。
流体流经直管时所造成机械能损失称为直管阻力损失，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：
（1）
即，
（2）
式中：
λ-直管阻力摩擦系数，无因次；
d-直管内径，m；
-流体流经l米直管的压力降，Pa；
-单位质量流体流经l米直管的机械能损失，J/kg；
ρ-流体密度，kg/m3；
l-直管长度，m；
u-流体在管内流动的平均流速，m/s。
滞流（层流）时，
（3）
（4）
式中：
Re-雷诺准数，无因次；
μ-流体粘度，kg/（m·s）。
湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度（ε/d）的函数，须由实验确定。
由式
（2）可知，欲测定λ，需确定l、d，测定、u、ρ、μ等参数。
l、d为装置参数（装置参数表格中给出），ρ、μ通过测定流体温度，再查有关手册而得，u通过测定流体流量，再由管径计算得到。
例如本装置采用涡轮流量计测流量，V，m3/h。
（5）
可用U型管、倒置U型管、测压直管等液柱压差计测定，或采
用差压变送器和二次仪表显示。
（1）当采用倒置U型管液柱压差计时
（6）
式中：
R－水柱高度，m。
（2）当采用U型管液柱压差计时
（7）
式中：
R－液柱高度，m；
－指示液密度，kg/m3。
根据实验装置结构参数l、d，指示液密度，流体温度t0（查流体
物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式（5）、（6）或（7）、（4）和式
（2）求取Re和λ，再将Re和λ标绘在双对数坐标图上。
2.局部阻力系数的测定
局部阻力损失通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
（1）当量长度法
流体流过某管件或阀门时造成的机械能损失看作与某一长度为的同直径的管道所产生的机械能损失相当，此折合的管道长度称为当量长度，用符号表示。
这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时可将管路中的直管长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，则流体在管路中流动时的总机械能损失为：
（8）
（2）阻力系数法
流体通过某一管件或阀门时的机械能损失表示为流体在小管径内
流动时平均动能的某一倍数，局部阻力的这种计算方法，称为阻力系数法。
即：
（9）
故（10）
式中：
-局部阻力系数，无因次；
－局部阻力压强降，Pa；（本装置中，所测得的压降应扣除两测压口间直管段的压降，直管段的压降由直管阻力实验结果求取。
）
ρ-流体密度，kg/m3；
g-重力加速度，9.81m/s2；
u-流体在小截面管中的平均流速，m/s。
待测的管件和阀门由现场指定。
本实验采用阻力系数法表示管件或阀门的局部阻力损失。
根据连接管件或阀门两端管径中小管的直径d，指示液密度，流体温度t0（查流体物性ρ、μ），及实验时测定的流量V、液柱压差计的读数R，通过式（5）、（6）或（7）、（10）求取管件或阀门的局部阻力系数。
五、实验装置流程和主要设备：
1.实验装置流程
实验装置如图所示：
图1－1实验装置1流程示意图
图1－2实验装置2流程示意图
2.实验流程
实验对象部分是由贮水箱，离心泵，不同管径、材质的水管，各种阀门、管件，涡轮流量计和倒U型压差计等所组成的。
管路部分有三段并联的长直管，自上而下分别为用于测定局部阻力系数，光滑管直管阻力系数和粗糙管直管阻力系数。
测定局部阻力部分使用不锈钢管，其上装有待测管件（闸阀）；光滑管直管阻力的测定同样使用内壁光滑的不锈钢管，而粗糙管直管阻力的测定对象为管道内壁较粗糙的镀锌管。
水的流量使用涡轮流量计测量，管路和管件的阻力采用各自的倒U形压差计测量，同时差压变送器将差压信号传递给差压显示仪。
3.装置参数
装置参数如表1所示。
表1
装置1名称材质管内径测量段长度（cm）
局部阻力闸阀22.0100
光滑管不锈钢管20.9100
粗糙管镀锌铁管21.1100
装置2局部阻力闸阀22.0100
光滑管不锈钢管20.9100
粗糙管镀锌铁管21.1100
其中，管路号及管内径也已分别标识于管路上。
六、实验步骤
1.根据实验装置，按照实验指导书上的实验设备示意图理清流程，检查设备的完好性，熟悉各仪表的使用。
未经指导老师同意，不能随意开机。
2.检查水箱内是否有足够的水。
接通总电源，检查三相指示灯是否正常；打开仪表电源，检查各仪表显示是否正常。
3.首先对水泵进行灌水，然后关闭出口阀，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。
4.采用手动方法测量时，对倒U型压差计进行排气和调零，使压差计两端在带压且零流量时的液位高度相等。
由于本流体力学综合装置中，选用的为经典离心泵，扬程较高，故倒U型压差计的量程只能做到一定程度，大流量数据应取差压变送器测得的压差。
5.实验时可以分别使用自动或手动方法。
手动方法时，先缓缓开启调节阀，调节流量，让流量从0.8到5m3/h范围内变化，建议每次实验变化0.3m3/h左右。
每次改变流量，待流动达到稳定后，分别记下压差计左右两管的液位高度，两高度相减的绝对值即为该流量下的差压。
注意正确读取不同流量下的压差和流量等有关参数。
使用自动方法时，流量值可以由无纸记录仪的流量通道显示，改变流量时只需改变流量控制通道的设定即可，同理，差压值可以直接由无纸记录仪的压差显示通道读取。
6.装置确定时，根据和u的实验测定值，可计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节管路流量，即可得到一系列λ～Re的实验点，从而绘出λ～Re曲线。
7.实验结束，关闭出口阀，停止水泵电机，清理装置。
8.整理实验数据，经实验指导老师检查合格后，方能离开。
七、实验记录及数据处理
根据上述实验测得的数据填写到下表：
实验日期：
实验人员：
学号：
温度：
装置号：
直管基本参数：
光滑管径粗糙管径
局部阻力管径
序号流量（m3/h）光滑管mmH2O粗糙管mmH2O局部阻力mmH2O
左右压差左右压差左右压差
注意：
1.数据一律记在预习实验时所拟表格中，记录数据必须可靠、如实，不能任意改动。
2.数据整理，对每一项目，可按照原理整理好相关项目，并以一组数据为例列出计算过程，然后列表整理出各种数据,如表2。
表2结果数据整理表
序号流速（m/s）压差（kPa）
λ/
备注
1
2
3
..
..
..
八、实验报告
1.根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ～Re曲线，对照化工原理教材上有关曲线图，即可估算出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。
2.根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。
3.根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。
4.对实验结果进行分析讨论。
5.实验报告要求，原始数据齐全、清楚，整理计算数据正确，图形工整，报告一律用实验报告纸书写。
九、思考与讨论问题
1.直管阻力与局部阻力所产生的原因是什么？
如何测定及计算？
2.影响本实验测量准确度的原因有哪些？
怎样测准数据？
3.以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体?
如何应用?
4.水平或垂直管中，对相同直径和相同调节下所测出的阻力损失是否相同？
实验二离心泵特性曲线测定
一、实验预习
1.预习离心泵的工作原理，性能参数的计算；
2.熟悉离心泵的气缚现象和汽蚀现象。
3.完成预习报告（实验名称、实验目的、原理、流程图及原始数据记录表格）。
二、实验目的
1.了解离心泵结构与特性，熟悉离心泵的使用；
2.掌握离心泵特性曲线测定方法；
3.了解电动调节阀的工作原理和使用方法。
三、实验内容
1.测量离心泵的主要性能参数；
2.熟悉离心泵的工作原理和结构。
四、实验原理
离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率η与泵的流量Q之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的宏观表现形式。
由于泵内部流动情况复杂，不能用理论方法推导出泵的特性关系曲线，只能依靠实验测定。
1.扬程H的测定与计算
取离心泵进口真空表和出口压力表处为1、2两截面，列机械能衡算方程：
（1）
由于两截面间的管长较短，通常可忽略阻力项，速度平方差也很
小故可忽略，则有
（2）
ρ-流体密度，kg/m3；
g-重力加速度m/s2；
p1、p2-分别为泵进、出口的真空度和表压，Pa；
H1、H2-分别为泵进、出口的真空度和表压对应的压头，m；
u1、u2-分别为泵进、出口的流速，m/s；
z1、z2-分别为真空表、压力表的安装高度，m。
由上式可知，只要直接读出真空表和压力表上的数值，及两表的安装高度差，就可计算出泵的扬程。
2.轴功率N的测量与计算
（W）（3）
其中，N电为电功率表显示值，k代表电机传动效率，可取。
3.效率η的计算
泵的效率η是泵的有效功率Pe与轴功率P的比值。
有效功率Pe是单位时间内流体经过泵时所获得的实际功，轴功率P是单位时间内泵轴从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。
泵的有效功率Pe可用下式计算：
（4）
故泵效率为（5）
4.转速改变时的换算
泵的特性曲线是在定转速下的实验测定所得。
但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量Q的变化，多个实验点的转速n将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为某一定转速n下（可取离心泵的额定转速）的数据。
换算关系如下：
流量（6）
扬程（7）
轴功率（8）
效率（9）
五、实验流程及设备
离心泵特性曲线测定装置流程图如下：
图2－1实验装置流程示意图
六、实验步骤及注意事项
（一）实验步骤：
1.清洗水箱，并加装实验用水。
给离心泵灌水，排出泵内气体。
2.检查电源和信号线是否与控制柜连接正确，检查各阀门开度和仪表自检情况，试开状态下检查电机和离心泵是否正常运转。
3.实验时，逐渐打开调节阀以增大流量，待各仪表读数显示稳定后，
读取相应数据。
（离心泵特性实验部分，主要获取实验参数为：
流量Q、
泵进口压力p1、泵出口压力p2、电机功率N电、泵转速n，及流体温度t
和两测压点间高度差H0。
）
4.测取10组左右数据后，可以停泵，同时记录下设备的相关数据（如
升级会员 