化工原理实验教程
(环境工程专业用)
合肥工业大学
20##年10月
前 言
化工原理是一门工程应用科学，它利用自然科学的原理来考察、研究化工单元操作中的实际问题，研究强化过程的方法，寻找开发新技术的途经。化工原理课程要求理论联系实际，其发展离不开实验研究与数学模型分析，所以化工原理实验是化工原理课程的一个重要教学环节，也是化工、制药、环境、食品、生物工程等院系或专业教学计划中的一门必修课程，属于工程实验范畴，与一般化学实验相比，其不同之处在于它具有工程特点，每个实验项目都相当于化工生产中的一个单元操作，通过实验能建立起一定的工程概念，同时，随着实验课的进行，会遇到大量的工程实际问题，对理工科学生来说，可以在实验过程中更实际、更有效地学到更多工程实验方面的原理及测试手段，发现复杂的真实设备与工艺过程同描述这一过程的数学模型之间的关系，也可以认识到对于一个看起来似乎很复杂的过程，一经了解，可以只用最基本的原理来解释和描述。因此，在实验课的全过程中，学生在思维方法和创新能力方面都得到培养和提高，为今后的工作打下坚实的基础。通过教学实验，达到以下目的：
1.验证化工单元操作的基本理论与经验公式，将书本知识转变为感性知识，并使学生在运用理论对实验进行分析的过程中巩固和加深对课程教学内容的理解。
2.通过实验环节熟悉化工单元操作设备的结构、性能，掌握测试方法，培养学生的实际操作技能。
3.在实验环节中学习如何根据实验任务制订实验方案，学会如何控制和测量操作参数，如何获得准确、完整的数据，以及如何整理、分析实验数据与结果，从而使学生掌握科学实验的全过程，提高学生独立分析与解决问题的能力，为今后从事科学研究活动打下良好的基础。
为此，根据化工原理课程教学基本要求的规定，我室建立了“流体流动阻力的测定”等十种实验装置，以及“机械能转化”等演示实验装置，各套实验数据均采用计算机处理，可直接得到实验结果与图表，以直观地验证实验过程的准确性。由于各专业教学要求有所不同，实验内容也可有不同，但至少要选做五至七个实验，即使同一个实验，其具体的实验任务也可有所侧重，每个实验的全过程包括预习、实验操作、实验数据处理与实验报告编写等四个环节，每个学生均必须严格按照要求保质保量完成实验。
本实验教程由魏凤玉、刘雪霆、何兵、路绪旺等编写，由于时间仓促，作者水平有限，文中不妥之处，恳请指正。
20##年10月于理化楼
第二篇 演示型实验
实验二 柏努利实验（昇华楼505）
一、实验目的
1、通过实测静止和流动的流体中各项压头及其相互转换，验证流体静力学原理和柏努利方程。
2、通过实测流速的变化和与之相应的压头损失的变化，确定两者之间的关系。
二、基本原理
流动的流体具有三种机械能：位能、动能和静压能，这三种能量可以互相转换。在没有摩擦损失且不输入外功的情况下，流体在稳定流动中流过各截面上的机械能总和是相等的。在有摩擦而没有外功输入时，任意两截面间机械能的差即为摩擦损失。
流体静压能可用测压管中液柱的高度来表示，取流动系统中的任意两测试点，列柏努利方程式：
对于水平管，Z1=Z2，则 
若u1=u2, 则P21；在不考虑阻力损失的情况下，即Σhf =0时，若u1=u2, 则P2=P1。若u1＞u2 , p12；在静止状态下，即u1= u2= 0时，p1=p2。
三、实验装置及仪器
图2－2 伯努利实验装置图
装置由一个液面高度保持不变的水箱，与管径不均匀的玻璃实验管连接，实验管路上取有不同的测压点由玻璃管连接。水的流量由出口阀门调节，出口阀关闭时流体静止。
四、实验步骤及思考题
1、 关闭出口阀7，打开阀门3、5，排出系统中空气；然后关闭阀7、3、5，观察并记录各测压管中的液压高度。思考：所有测压管中的液柱高度是否在同一标高上？应否在同一标高上？为什么？
2、 将阀7、3半开，观察并记录各个测压管的高度，并思考：
（1）A、E两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？
（2）B、D两管中，C、D两管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？
3、 将阀全开，观察并记录各测压管的高度，并思考：各测压管内液位高度是否变化？为什么变化？这一现象说明了什么？
五、实验数据记录
第三篇 验证型实验
实验三 离心泵特性曲线的测定（昇华楼505）
一、实验目的
1．熟悉离心泵的操作，了解离心泵的结构和特性，掌握实验组织方法。
2．掌握离心泵特性曲线的测定方法。
3．掌握离心泵的流量调节方法，了解电动调节阀、变频器、差压变送器等的工作原理。
二、基本原理
对一定类型的泵来说，泵的特性曲线主要是指在一定转速下，泵的扬程 (H)、轴功率(P) 和效率 (η ) 与流量 ( qv) 之间的关系。由于离心泵的结构和流体本身的非理想性以及流体在流动过程中的种种阻力损失，至今为止，还难以推出扬程的纯理论计算式。因此，一般采用实验的方法测定扬程，即泵的特性曲线由实验测得。
对图3-1所示的系统，分别取泵的进出口为1-1截面与2-2截面，建立机械能衡算式：
+ z1 + 
+ H = 
+ z2 + 
(3-1)
H = 
∴ H =
(3-2)
式中： h0 — 表示泵出口和进口间的位差，m；
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；
u1、u2 — 分别为泵进、出口的流速，m/s；
从式(3-2)可见，计算出泵进出管路上的压差、位差和速度差，就可计算出泵提供给液体的扬程。按照管路特性曲线和泵特性曲线的交点作为泵工作点的原理，改变管路阻力可以通过调节阀门开度加以实现，使管路特性曲线上的工作点发生移动，再将一系列移动的工作点的轨迹连接起来，就是泵的扬程曲线。
泵的有效功率 (Pe) 和效率 (η ) 分别由下面（3-3）和 (3-4) 式计算：
(3-3)
(3-4)
其中P代表轴功率，即泵轴传递给泵的功率。
由式 (3-3) 和 (3-4) 求取的数据同样可以绘出泵的轴功率和效率曲线。
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qv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（比例定律）：
流量 
（3-5）
扬程 
（3-6）
轴功率 
（3-7）
效率 
（3-8）
方程式 (3-2) 表明，实验组织方法是：实验装置中在泵的进出口管上分别装有真空表 p1和压力表p2；由温度计测量流体温度，从而确定流体的密度ρ；由功率表计量电机输入功率，由电机效率即可计算泵的输入功率P；管路中需安装流量计，确定流体的流速u ；欲改变u需阀门控制（手动或自动改变阀门的开度）。
三、实验流程图和实验步骤
（1）手动离心泵实验装置（单数组）
a、实验流程图
图3-1 离心泵特性曲线测定流程示意图
实验装置流程见图3-1，由低位水箱、泵进口真空表、泵、泵出口压力表、流量计、调节阀等组成了一个循环回路。装置参数见下表3-1。
表3-1手动离心泵实验装置参数
b、实验步骤
1、关闭引水阀、排气，启动泵。
2、实验布点：实验顺序从大到小，即将阀门开至最大时，作为第一组实验数据，共采集12～16组数据。实验布点服从大流量多布点，小流量少布点规则，原因是离心泵效率极值点出现在大流量时。前七组数据按流量显示仪读数每下降约0.2L/s布一个实验点，以后实验数据布点约下降0.4L/s。注意：若发现流量显示仪读数达不到零，可采用将调节阀开至最大，再快速关闭调节阀，流量显示仪读数将为零，可能此读数不久还会上升，上升的数据不采集，以零计。此时其余的仪表读数不随显示仪读数而变。
3、停泵：实验结束前，关闭泵出口阀，再关闭泵的电源。
4、上机进行数据处理。
c、实验数据记录
表3-2 离心泵原始数据
水温： ℃
（2）自动离心泵实验装置（双数组）
a、实验流程图
离心泵特性曲线测定装置具有在线操作功能，流程见图3-2。装置中泵进出口管径相同均为40cm，泵进出口测压点高度差h0 =0.11m。
b、实验步骤
1、灌泵：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、数据的测定：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qv、泵进口压力p1、泵出口压力p2、电机功率P电、泵转速n，及流体温度t和两测压点间高度差h0。）
4、停泵：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（如离心泵型号，额定流量、扬程和功率等）。
注意事项：
1、一般每次实验前，均需对泵进行灌泵操作，以防止离心泵气缚。同时注意定期对泵进行保养，防止叶轮被固体颗粒损坏。
2、泵运转过程中，勿触碰泵主轴部分，因其高速转动，可能会缠绕并伤害身体接触部位。
图3-2 实验装置流程示意图
c、实验数据记录（表3-3 离心泵原始数据）
表3-3 离心泵原始数据
装置号： ，离心泵型号 ＝ ，额定流量 ＝ ，额定扬程 ＝ ，额定功率＝ ，流体温度t＝ 。
在实验过程中，将每组实验数据对应的转速校正为泵额定转速n′= 2900r/m(转每分钟)对应下的各实验量，并按上述比例定律，可得校正转速后的数据结果。
四、思考题
1、测定离心泵特性曲线的意义有那些？
2、试从所测实验数据分析离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？
3、启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？
4、为什么用泵的出口阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？是否还有其他方法调节流量？
5、泵启动后，出口阀如果不开，压力表和真空表读数如何变化？为什么？
6、正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？为什么？
7、试分析，用清水泵输送密度为1200Kg/ｍ
的盐水，在相同流量下你认为泵的压力是否变化？轴功率是否变化？
8、为什么离心泵的有效压头He 随流量qv的增加而缓缓下降？
实验五 传热系数的测定（昇华楼501）
一、实验目的
1、通过实验掌握总传热系数K和传热膜系数α的测定方法；
2、通过实验提高对α关联式的理解，了解工程上强化传热的措施；
3、测定流体在圆形直管内作强制湍流时的传热准数方程式。
二、基本原理
1.总传热系数的测定
根据传热速率方程式：
（5－1）
如果实验设备保温良好,系统的热损失可忽略不计, 根据热量衡算式得得热负荷Q
（5－2）
则
（5－3）
（5－4）
式中：
K——传热系数，W/m2.K ρ——流体的密度，m3/kg
A——换热器的传热面积，m2 qv——流体的体积流量, m3/s
Q——传热量,W CP——流体的恒压热容，J/kg.K
Ts——水蒸气的温度，K ti 、to——冷流体的进、出口温度，K
——传热对数平均温度差
2.传热膜系数的测定
流体与壁面的对流传热可由牛顿冷却定律表示
Q =αA（Tw－t） （5－5）
A——传热面积（内管外表面积），m2
Tw——传热管的外壁面平均温度，K
α——对流传热系数，W/m2.K
在实验中只要已知管壁的平均温度和流体的平均温度t，即可计算出传热膜系数α的值。
3.传热准数方程的测定
当流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热准数关联式为：
Nu = C Rem Prn （5－6）
其中
，
对于同一物系的实验，当控制换热器冷流体的进出口温度基本保持不变时，Prn也可以视为常数，因此有
（5－7）
这样就简化成单变量方程。两边取对数，得到直线方程：
（5－8）
在双对数坐标系中作图，直线斜率即为方程的指数m, 由纵轴上的截距即可求得C。可得出流体在圆形直管内作强制湍流的Dittus－Boeiter关联式
（5－9）
式中 n = 0.4（流体被加热）
n=0.3（流体被冷却）
三、实验装置
本实验中的换热器为套管式，内管为φ24×2mm的铜管，有效管长1000mm。实验装置如图5.1所示。
实验选用空气为冷流体，水蒸汽为热流体。空气来自鼓风机，经转子流量计测量流量、温度计测量温度后，进入换热器管程，换热后在出口处测量其出口温度。水蒸汽来自蒸汽发生器，经蒸汽调节阀调节至一定压力后进入换热器的壳程，并在入口处测量其压力，与冷空气换热后冷凝水经疏水阀排至地沟。
四、实验步骤
1、 开启空气压缩机，使气体充满压缩空气罐，并用调节阀将气量调节至实验范围内；
2、 缓慢开启蒸汽调节阀，用旁路排出蒸汽管道内积存的冷凝水，用放气阀排尽夹套内的空气；
3、 缓慢地调节蒸汽阀，使蒸汽压力维持在实验值，稳定一段时间后读取水蒸气压力表读数、气量以及气体的进出口温度；
4、 改变空气流量和水蒸气压力，测定4～5组数据。调节蒸汽阀的过程中，注意仪表的滞后性，待过程稳定后方可记录数据。
五、数据处理
1、原始数据记录表
装置编号
六、思考题
1． 本实验中冷流体和蒸汽的流向对传热效果有什么影响？
2． 为什么实验开始时必须首先排尽夹套里的不凝性气体以及积存的冷凝水？
3． 实验中铜管壁面温度是接近水蒸气温度还是接近空气的温度？为什么？
4． 在实验中，有哪些因素影响实验的稳定性？
5． 影响传热系数
的因素有哪些？如何强化该传热过程？
实验六 填料吸收塔流体力学性能的测定（昇华楼511）
一．实验目的
1. 了解填料吸收塔的结构和基本流程；
2. 了解填料吸收塔的操作方法；
3. 测定空塔气速、喷淋密度与填料层压降间的关系。
二、实验原理
填料塔的流体力学性能主要包括气体通过填料层的压降、液泛气速、持液量及气液两种流体的分布等，本实验将测定不同喷淋密度下通过填料层的压降与空塔气速间的关系，并观察填料表面的液流状态及液泛现象。
三、实验装置
如图6.1所示为本实验的流程，空气由风机供给，旁路阀用以调节空气流量，空气经油水分离器及转子流量计后进入塔底，从塔顶排气管排出。水经调节阀及转子流量计后从塔顶喷洒入塔，经液封管排出。气体通过填料层的压降用U型压差计测量。
图6.1 填料塔流程图
四、实验步骤
1. 打开旁路阀，启动风机，由小到大逐渐调节空气的流量，记录干塔条件下不同空气流量时的填料层压降值。
2. 打开进水阀以充分润湿填料，然后再调节水量至适宜值，为了保证填料的润湿，喷淋量不应少于50 L/h，记录不同气速下填料层的压降值，至塔内发生液泛为止，并记录液泛点气速。改变喷淋密度，并观察压降与液泛气速的变化。
五 实验数据记录
六、思考题
1. 空气流量有转子流量计测定，如何换算成实际流量？
2. 液泛点气速与喷淋密度有何关系？为什么？