能源化工行业化工单元操作实训讲义.docx
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能源化工行业化工单元操作实训讲义
（能源化工行业）化工单元操作实训讲义
化工单元操作实训讲义
李薇高永利王宏王舜平合编
主审：
化工原理教研室
实训壹流体流动类型和雷诺准数的测定‥‥‥‥‥‥‥‥3
实训二流体机械能的转化‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥6
实训三流体流动阻力的测定‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥10
实训四离心泵性能曲线的测定‥‥‥‥‥‥‥‥‥17
实训五传热‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥22
实训六精馏‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥30
实训七吸收系数的测定‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥35
实训壹流体流动类型和雷诺准数的测定
壹、实训目的
1、观察流体在管内流动的俩种不同流动类型；
2、测定临界雷诺准数；
3、观察流体在管内层流流动时的速度分布；
4、熟悉雷诺准数和流动类型的关系；
5、了解溢流装置的结构和作用，熟悉转子流量计的流量校正方法。
二、基本原理
流体有俩种不同的流动类型，层流（又称滞流）和湍流（又称紊流）。
层流流动时，流体质点作平行于管轴线方向的直线运动。
湍流流动时，流体质点除沿管轴线方向作主体流动外，仍在各个方向上作剧烈的随机运动。
雷诺准数能够判断流动类型，若流体在圆管内流动，则雷诺准数Re可用下式表示：
Re=dur/m
壹般认为Re<2000时，流动为层流，Re>4000时，流动为湍流，Re在俩者之间时，有时为层流，有时为湍流，和环境有关。
对于壹定温度的某液体（r和m壹定），在特定的圆管内（d壹定）流动时，雷诺准数仅是流速的函数。
当流速较小时（雷诺准数也较小），染色液在管内沿轴线方向成壹条清晰的细直线，为层流流动。
随流速增大，染色细线呈现波浪形，有较清晰的轮廓。
当流速增至某壹值以后，染色液体壹进入玻璃管内即和水完全混合，为湍流流动。
据此能够观察流体在管内流动的俩种不同流动类型，测定临界雷诺准数。
三、实训装置及流程
实训装置由高位槽（槽内有溢流和稳流装置）、圆形玻璃管、转子流量计、染色液系统和调节阀等组成。
实验介质为水，染色液为墨水。
实验时水由高位槽流入垂直玻璃管6，经流量调节阀和转子流量计后，排入下水道，水量由流量调节阀控制。
墨水由墨水瓶经墨水调节阀和墨水排出针头流入玻璃管，用墨水调节阀调节墨水量。
实训时应避免壹切震动影响，才能获得满意的实训结果。
实训装置如图1
图1
四、实训步骤
1、打开上水阀，为高位槽注水且保持有溢流；
2、检查转子流量计是否正常；
3、慢慢打开流量调节阀，使水缓缓流过玻璃管。
（开始时流量宜小）；
4、打开墨水调节阀，调节墨水流速和水的流速基本壹致。
如果墨水不成壹条细直线，用流量调节阀调节流量，使墨水成壹条细直线。
观察流动状况，记录观察到的现象和转子流量计的读数；
5、缓慢增加水的流量，分别记录当细直线微动、细直线开始呈波浪形前进、细直线螺旋前进、细直线断裂产生旋涡且混合、墨水和主流混合均匀（墨水线的轮廓消失）时所观察到的现象和转子流量计的读数；
6、逐渐关小流量调节阀，重复之上步骤，分别记录观察到的现象和转子流量计的读数；
7、关闭流量调节阀，打开墨水调节阀，向玻璃管中静止的水里注入墨水，使玻璃管上部的水染上颜色。
慢慢打开流量调节阀，控制流量，使水作层流流动，观察层流时流体在管道横截面上各点的速度变化（速度分布）；
8、测量且记录玻璃管的内直径和水的温度，根据水温查出水的密度和粘度。
五、数据记录和结果处理
玻璃管的内直径：
mm；水温：
℃；
水的密度：
kg/m3；水的粘度：
Pa.S。
序
号
流量计读数
流量V[m3/S]
流速u[m/S]
雷诺准数Re
现象观察记录
由Re判断的流动类型
下临界雷诺准数Rec=；上临界雷诺准数Rec=。
结果分析：
六、思考题
1、不同的流动类型对流体流动和输送过程、传热过程和传质过程有何影响？
研究流动类型对设计管路有何意义？
2、能否只用流速的大小判断流动类型？
为什么？
影响流动类型的因素有哪些？
3、雷诺准数为什么能判断流动类型？
如何判断？
4、流量由大到小操作过程中，稳定细直线刚刚恢复时的Re和流量由小到大操作过程中的细直线微动前的Re相同吗？
如偏差较大，试分析其原因。
实训二流体机械能的变化
壹、实训目的
1、加深对流体的各种机械能相互转化概念的理解；
2、观察流体流经非等径、非水平管路时，各截面上静压头之变化；
3、测定管路某截面的最大流速；
4、了解流体静止的条件；
5、理解流体流动阻力的表现（理解沿程阻力）。
二、基本原理
1、液体在管路中作稳定流动时，由于流通截面积的变化致使各截面上的流速不同，而引起相应的静压头之变化，其关系可由柏努利方程式描述，即
+Z1++He=+Z2++Hf
对于水平非等径无泵玻璃管路，当管段较短时，阻力很小，能够忽略，则上式变为
+=+
因此，由于流通截面积的变化引起流速的变化，致使部分静压头转换为动压头或部分动压头转换为静压头，它的变化可由测压管中液柱高度表示出来。
对于等径不水平玻璃管路，当管段较短时，阻力很小，能够忽略，则上式变为
+Z1=+Z2
因此，由于位置高度的变化引起位压头的变化，致使部分位压头转换为静压头，它的变化也可由测压管中液柱高度表示出来。
2、当流体静止时，流速为零，则柏努利方程变为
+Z1=+Z2
即静止流体内部各截面的静压头和位压头之和为常数，是流体静止的条件。
3、当流量壹定时，某截面的活动测压头的测压孔方向变化，会引起测压管内液柱高度的变化。
当测压孔的开孔方向和流动方向垂直时，测压管内液柱高度即为测压孔处液体的静压头，测压孔开孔方向转为正对流体流动方向时，测压管内液位上升，此时，测压管内液柱高度表示测压孔处液体的静压头和动压头之和（即冲压头），液位升高值就是测压孔处的动压头，即：
DH=；则u=（注意DH的单位）
据此能够测定测压孔处流速或最大流速。
4、实际流体有粘性，流动时会产生内摩擦力，将机械能转变为热能，使水平等径直管内流体的静压头不断下降。
三、实训装置及流程
实训装置由高位槽（有稳流和溢流装置）、玻璃管路、测压管、活动测压头、水槽、流量调节阀和循环水泵等组成。
实训介质为水。
活动测压头的小管底端封闭，侧身开有小孔，小孔中心在管子轴线上。
转动测压头可分别测定静压头或冲压头。
玻璃管路安装四根测压管，水槽中的水由循环水泵打入高位槽，流入玻璃管，用流量调节阀调节流量。
实训装置如图2
图2
四、实训步骤
1、为高位槽注水
关闭流量调节阀A，启动循环水泵，排除管路和测压管中的气泡，调节上水阀B的开度使高位槽液面稳定且有溢流；
2、在流量调节阀A关闭时（管中流体静止），观察且记录各测压管中的液柱高度H，旋转活动测压头，观察各测压管中的液柱高度有无变化；
3、打开流量调节阀A、保持较小流量，旋转活动测压头，使测压孔正对水流方向，观察且记录各测压管中的液柱高度H＇；
4、保证测压孔正对流动方向，开大流量调节阀A，观察各测压管中的液柱高度的变化，记录各测压管中的液柱高度H＂；
5、保持流量调节阀A的开度（流量和步骤4相同），旋转活动测压头，使测压孔和水流方向垂直，观察各测压管中的液柱高度的变化，记录各测压管中的液柱高度H”’；
6、用量筒和秒表，测量步骤4和步骤5的流量（流量相同），可测量俩次取平均值。
五、数据记录和结果处理
1、压头测量
d1=mm；d2=mm；d3=mm；
d4=mm；水温：
℃
序
液柱高
压
头测
量值
[mm]
备注
号
代号
测压点1
测压点2
测压点3
测压点4
阀A状态和测压孔方向
1
H
阀关、先垂直后旋转
2
Ｈ＇
阀开、正对水流
3
Ｈ＂
阀再开大、正对水流
4
Ｈ”’
阀不变、和水流垂直
2、流量、流速的测量和计算
序
秒表
量筒体
平均体积
测量
平均流速
点速度
平均流速
号
读数[S]
积[mm3]
流量[m3/S]
点
[m/s]
（1）
[m/s]
[m/s]
（2）
1
点2
2
点3
注：
平均流速
（1）按体积平均流量计算；
点速度按测量出的动压头计算；
平均流速
（2）根据点速度计算。
结果分析：
六、思考题
1、阀A全关时，各测压管中液位是否在同壹水平面上？
为什么？
液位高度和测压孔的方向有无关系？
为什么点4的液柱高度比点3的大壹些？
2、阀A打开后，流体开始流动，什么地方供给能量？
3、为什么H>H＇？
为什么距高位槽越远，（Ｈ－Ｈ＇）的差值越大？
这壹差值的物理意义是什么？
4、为什么随流速增大，测压管中液位下降？
5、2点和1、3、5点所测得的是否壹致？
为什么？
实训三流体流动阻力的测定
壹、实训目的
1、熟悉流体流经直管和管件、阀件时的阻力损失的测定方法；
2、掌握摩擦系数（摩擦因数）和阻力系数的测定方法，了解摩擦系数和雷诺准数和相对粗糙度关系图（Moody图）的绘制方法；
3、学会压差计和流量计的使用方法；
4、认识管路中各个管件、阀件且了解其作用。
二、基本原理
流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗壹些机械能。
流体在直管中流动而损失的机械能称直管阻力，流体流经管件、阀件等局部障碍造成流动方向和流通面积的突变而损失的机械能称局部阻力。
根据柏努利方程式
Hf=Z1-Z2++
当流体在等径水平直管作定常流动时，由截面1流到截面2时的阻力损失表当下压强的降低，即
Hf=
只要测出俩截面的压强差（P1-P2），就可确定直管阻力。
根据直管阻力计算公式
Hf=
于是
λ=
从上式得之，只要测得流体在壹定长度、壹定管径、壹定流速下流动时的直管阻力，即可确定摩擦系数。
摩擦系数仅是雷诺准数和相对粗糙度的函数，确定它们的关系只要用水作物系，在实验装置中进行有限量的实验即可得到。
本实训测定光滑管的摩擦系数和雷诺准数的关系且画出关系曲线。
根据局部阻力的计算公式
Hf`=
只要测定出流速和流体流经管件或阀件产生的压强降，即可确定阻力系数。
三、实训装置及流程
实训装置由塑料管、螺纹管、细铜管、弯头、阀门、流量计、压差计、水槽和循环水泵组成。
实训介质为水。
装置流程见图3
1—Dg40塑料管；2—Dg6细铜管；3—Dg25塑料管；4—Φ18螺纹管；
5—孔板流量计；6—文氏流量计；7—截止阀；8—弯头；9—皮托管；
10—突然扩大；11—调节阀；12—水位式测压计；13—倒U形管；
14—U形管；15—量筒；16—活动摆头；17—电气盒；18—水槽；
19—计量槽水位计；20—测压点；21—闸阀；22、23闸阀；24—针行阀；
25—水泵。
图3─1
本装置能够测定直管内滞流和湍流的直管阻力损失、摩擦系数及摩擦系数和雷诺准数的关系，螺纹管阻力损失、摩擦系数及摩擦系数和雷诺准数的关系，管件和阀件的局部阻力损失和阻力系数及阻力系数的平均值。
仍能够进行流量计的校正实验。
塑料直管俩端的压强差用U形管压差计测量，指示液为水银。
弯头俩端的压强差用倒U形管压差计测量，细铜管俩端压强差用水位计式测压计测量。
实训前，应根据测定目标确定相应流程，即打开某些阀门或关闭某些阀门，组成特定的测试回路，找好测试点安排专人记录。
注意排除管路和压差计中的气体，排气时要严防U形管中水银被冲走。
操作中应缓慢改变调节阀开度，保证管内流体流量缓慢变化。
流量调节后须经壹定时间的稳定方可测取各有关参数的数据。
四、实训步骤
（壹）湍流区摩擦系数的测定
1、打开闸阀（21），关闭截止阀（7），组成如下图的测试回路；
图3—1
2、排除管路和U形管压差计中的气泡；
3、利用秒表、摆头和计量槽测流量，记录流量数据（也能够读取连接在孔板流量计处的压差计读数），同时读取和记录连接在塑料管俩截面的U形管压差计的读数；
4、调节流量，记录在不同流量下的流量数据和U形管压差计的读数。
（二）弯头阻力系数的测定
在测定摩擦系数的同时，能够测定弯头的阻力系数。
在记录流量数据、U形管压差计读数的同时记录连接在弯头俩端的倒U形管压差计的读数。
（三）滞流区摩擦系数的测定
1、关闭闸阀（21），打开截止阀（7），组成如下图的测试回路。
图3—2
为使阀门调节性能良好和稳定，须控制阀前压力，方法是使阀（22）半开，（例如全程阀门手轮转7圈，半开为3.5圈。
）针形阀（24）全开，然后调节调节阀（11），使细铜管的流量达最大（即水位计水位达最高点），此时阀前压力适当，整个实验过程中，调节阀（11）的开度不变，靠阀（22）和针形阀（24）调节细铜管中水的流量；
2、排除管路和水位计中的气泡；
3、关闭针形阀（24），俩水位计液面在同壹水平面上，调整标尺使俩水位计标尺有相同的指示值；
4、打开针形阀（24），调节不同的流量，分别记录俩水位计的读数，同时用秒表和量筒测量流量，记录流量和有关参数值；
5、实验时须保证细铜管内的水是层流流动，改变流量时应慢慢调节针形阀，使流量缓慢变化，减轻因流体对管路冲击而产生的振动，保证层流流动状态和实验结果的准确性。
五、数据记录和结果处理
湍流区摩擦系数测定数据记录整理表
L=m；d=mm；1格=L
序
压差计读数mmHg
流量记录
水
流量
雷诺
摩擦
号
左
右
差值R
时间s
始格
终格
体积[升]
温℃
[m3/s]
准数（R）
系数（λ）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
弯头阻力系数测定数据记录整理表
d=mm
序
压差计读数[mmH2O]
水温
流量
雷诺准数
摩擦系数
号
左
右
差值R
℃
[m3/s]
（R）
（λ）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
滞流区摩擦系数测定数据记录整理表
序
水位计读数[mmH2O]
流量记录[m3/S]
水温
雷诺
摩擦
号
进口
出口
差值R
体积毫升
时间秒
流量
℃
准数R
系数λ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
结果分析
阻力系数的平均值
滞流区摩擦系数和雷诺准数的关系图
六、思考题
1、如果细铜管不水平，俩水位计标尺读数值之差是否表示流过这段铜管的阻力损失？
为什么？
2、弯头俩测点且不在同壹水平面上，这样测得的压强差是否能表示水流过弯头而产生的阻力损失？
为什么？
3、弯头俩侧的测压点距弯头进出口都有壹段直管段，这对实验结果是否有影响？
为什么？
4、以水为实验介质作出的Moody图，能否在输油管路阻力计算中得到应用？
为什么？
5、U形管压差计上装设“平衡阀”有何作用？
在什么情况下它是开着的？
又在什么情况下是关闭的？
6、流速越大，则阻力损失越大，流速小，则管径需要的大，生产如何实现最佳化控制？
实训四离心泵性能曲线的测定
实训目的
了解离心泵的特性；
学习离心泵特性曲线的测定方法；
熟悉离心泵操作方法和特性曲线的应用。
二、基本原理
在生产上选用壹台既能满足生产要求，有经济合理的离心泵时，壹般总是根据生产所需要的压头和流量，参照泵的性能来决定其泵的型号。
本实训旨在测定离心泵的特性曲线：
H－Q曲线;N－Q曲线;η－Q曲线。
流量的测定和计算：
本实训采用透明涡轮流量计来测定泵的送液能力，透明涡轮流量计由变送器和显示仪表组成，而变送器又由涡轮、磁电传感器和前置放大器组成，其原理是变送器内的涡轮借助于流体动能而旋转，涡轮即周期性的改变磁电感应系统中的磁阻值，使通过线圈的磁通量发生变化而产生脉冲电讯号，经前置放大后，送二次仪表实现流量测量。
此种流量计有测量范围大精度等级高等特点。
本流量计的计算公式：
式中：
f－流量计显示仪表（频率计）示值（Hz）
Q－流量（m3/h）
ξ－流量系数（=73.01s/升）
离心泵扬程的测量和计算:
离心泵入口处装真空表（P1），出口处装压力表（P2）。
在俩测压点处列柏努利方程式：
由于俩测压点相距很近，且离心泵吸入管、排出管管径相同，故忽略高度差、阻力损失、动能差。
上式简化为：
（米）
式中：
－入口测压点真空表读数（mmHg）
－出口测压点压力表读数（kgf/cm2）
离心泵轴功率的测量和计算：
本实验采用马达天平测定功率，马达天平测功率的原理是根据泵轴转矩的变化来测定轴功率的。
此种方法具有使用可靠准确的优点。
其计算公式如下：
由上俩式得：
（千瓦）
式中：
M－转矩（牛*米）
n－转速（1/60赫兹即转/分）
P－砝码质量（kg）
L－力臂长（m）（本实验装置=0.4869m）
离心泵效率的计算：
离心泵的效率是其有效功率（Ne）和轴功率之比（N），有效功率是液体实际上自泵得到的功率。
Ne=QHρg（瓦）=QHρg/1000（千瓦）
则：
转速改变时的换算：
特性曲线是某指定转速下的特性曲线，如果实验时转速和指定转速有差异，应将实验结果换算成为指定转速下的数值。
根据比例定律，转速和流量、扬程、轴功率的换算关系如下：
式中：
n―实测得转速（转/分）
n1―泵指定转速（转/分）
H―实测得扬程（m）
H1―指定转速下的扬程（m）
N―实测得轴功率（kW）
N1―指定转速下的轴功率（kW）
三、实训装置及流程
如图所示，谁从水槽15经泵1，出口阀3（调节流量用）、涡轮流量计13再返回水槽。
1—离心泵2—进口阀3—出口阀4—真空表
5—压力表6—转速表7—转速传感器8—冷却风机
9—灌水阀10—频率表11—透明涡轮变速器
12—计量槽13—水槽14—温度计
四、实训步骤
1、检查：
检查泵轴承润滑情况，用手转动联轴器检查转动是否灵活，填料是否松动。
2、灌泵：
打开加水漏斗阀门和泵壳顶部的排气考克，向泵内灌水，到进水管和泵体内充满水为止。
然后关闭加水阀和排气考克。
3、启泵：
关闭泵出口阀门，经指导教师许可后，接通电机电源，使泵运转，运转2到3分钟后，若无异常现象，便可慢慢开启出口阀，使其有较小的流量，排去管路中的气体。
读取数据：
（1）在出口阀门完全关闭时读取压力表、真空表、流量计显示仪表、转速计及马达天平的砝码数值。
（2）用出口阀门调节流量，在每壹次流量调节稳定后，读取之上参数。
直至出口阀全开为止，应读取五到十组数据。
关小入口阀，观察气蚀现象。
关闭出口阀，停电动机。
测量水温及设备方面的有关数据。
五、数据记录和结果处理
离心泵性能曲线的测定
泵的类型规格转速叶轮直径
流量系数X档测功机臂长
水温
号
流量计读数f（Hz）
真空表P11（mmHg）
压力表P21（kgf/cm2）
转速n（l/min）
天平砝码质量P（kg）
流量Q
扬程H
轴功率N
效率η
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
六、思考题：
试从所测得的实验数据进行分析，离心泵为什么要在出口阀关闭的情况下启动？
离心泵启动前为什么必须灌水排气？
试从理论上加以分析，用实验用的这台泵输送密度为1280（kg/m3）的盐水（忽略粘度的影响），在相同流量下你认为泵的压头是否变化？
同壹温度下的吸入高度是否会变化？
同壹排量时的功率是否会变化？
离心泵的送液能力，为什么能够通过出口阀的调节加以改变？
往复泵的送液能力是否也可采用同样的调节方法？
为什么？
实训五传热
、实训目的
测定空气在圆形直管内强制对流时的给热系数。
用准数法把测得的数据整理成描述过程规律的经验公式，确定通用的给热系数关联式的系数，且和教材中相应的公式进行比较。
了解影响给热系数的因素和强化传热过程的途经。
二、基本原理
套管式换热器：
空气在管内流动，环隙中为饱和蒸气加热。
1、加热量：
Q=WCCC（t1-t2）=KiAi△tm
在空气和蒸汽冷凝传入过程中，热阻主要集中在管内空气壹侧，而管外壹侧蒸汽冷凝和铜管热阻远比空气的热阻小，即：
i＜＜。
所以：
iK
即：
综上所述，只要在实验中测得空气流量WC和进出口温度t1、t2,饱和蒸汽的温度T（或压力）及传热面积A，就能够求得空气壹侧的传热系数。
式中：
Q—单位时间内的传热量（KJ/s）
WC—空气质量流量（Kg/s）
Cp—空气进出口温度下的平均比热（KJ/Kg.℃）
t1、t2—空气进出口温度（℃）
Ki—总传热系数（KW/m2.℃）
Ai—以园关内径为基准的传热面积（m2）
△tm—对数平均传热温度差（℃）
2、根据广泛的实验研究，流体在圆形直管内强制流动在管长大于管内径50倍时的传热膜系数能够由以下准数关联式表示：
Nu=bRemPrn
式中：
b、m、n均是能够通过实验确定的系数。
对气体而言，从理论上分析，原子数相同的气体Pr准数应为常数，不随温度、压力而变。
根据实际测定，基本上符合理论分析，干空气在各种不同温度下的Pr数值基本不变。
设：
b1=bPrn则：
Nu=b1Rem
俩端取对数：
logNu=logb1+mlogRe
其中：
用logNu对logRe在坐标纸上作图可得壹直线，直线的斜率为m,m确定后，b1可由计算求得：
式中：
α—空气和管壁间的传热膜系数（w/m2.℃）
d—管内径（m）
de—当量直径（m）
λ—空气导热系数（w/m.℃）
流量的测量：
本试验装置采用孔板流量计测定空气的流量，其流量计算公式为：
式中：
Vs—流量（m3/s）
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