化工原理实验报告(正文)---D

南京工业大学化工原理实验报告 - PAGE 8 -

实验一 流体流动阻力测定实验

实验日期： 2014.11.8

实验目的

测定流体在圆直等径管内流动时的摩擦系数λ与雷诺数Re的关系，将测得的λ~Re曲线与与由经验公式描出的曲线比较；

测定流体在不同流量流经全开闸阀时的局部阻力系数ξ；

基本原理

1. 直管沿程阻力

引起流体机械能损失的原因是静止壁面与粘性流体共同作用产生流体点速度差异。当某流体以一定的流量Vi流经内径为d的圆直等径管时，管长为l的管段的流体机械能损失主要体现在该管段两端截面处修正压强的差异上。阻力损失可由直管的上、下游截面列机械能守恒方程求得：

+ = + + （2-1）

其中： = ＝ （2-2）

（2-3）

(2-4)

（2-5）

因此，对给定的实验装置，只要测定一系列流量Vi下的Ri及温度数据，即可计算出相应的雷诺准数和摩擦系数。

2. 局部阻力

当流体流经某一定开启度的闸阀时,由于流道截面变化,使流体的流线发生改变,形成边界层分离及旋涡,产生局部阻力，该局部阻力同样体现在流体流经闸阀前后修正压强差异上。局部阻力的计算方法有当量长度和局部阻力系数法，其公式如下：

（2-6）

（2-7）

（2-8）

实验装置与流程

来自高位水槽的水从进水阀1首先流经光滑管11上游的均压环，均压环分别与光滑管的倒U形压差计和1151压差传感器15的一端相连，光滑管11下游的均压环也分别与倒U形压差计和1151压差传感器的另一端相连。

当球阀3关闭且球阀2开启时，光滑管的水进入粗糙管12，粗糙管上下游的均压环分别同时与粗糙管的倒U形压差计和1151压差传感器的两端相连。当球阀5关闭时，从粗糙管下来的水流经铂电阻温度传感器18，然后经流量调节阀6及流量计16后，排入地沟。

当球阀2关闭且球阀3打开时，从光滑管来的水就流入装有闸阀4的不锈钢管13，闸阀两端的均压环分别与一倒U形压差计的两端相连，最后水流经流量计，再排入地沟。

图1—1流体流动阻力测定实验装置图

进水阀 2、3、5球阀 4、闸阀 6、流量调节阀 7、 8、9、10、11光滑管 12、粗糙管

13、不锈钢管 14、倒U形差压计(3个) 15、1151差压传感器 16、转子流量计 17、仪表箱

18、Pt100温度传感器 19、温度计 20、均压环 21、测压导管

手画图

实验步骤与注意事项

（1）排管路中的气泡。

打开阀1、2、3、6， 排除管路中的气泡，直至流量计中的水不含气泡为至，然后关闭阀6。

（2）1151压差传感器排气及调零。

排除两个1151压差传感器内气泡时，只要打开压差传感器下面的考克7、8、9、10，当软管内水无气泡时，排气结束，此过程可反复多次，直至无气泡为至。

压差传感器排气结束后，用螺丝刀调节压差传感器背后Z旋扭，使相应的仪表数字显示在0左右，压差传感器即可进入实验状态。

（3）U形压差计内及它们连接管内的气泡的排除。

关闭倒U形压差计上方的放空阀，打开U形压差计下方的排水考克，再打开U形压差计下方与软管相连的左右阀，关闭左右阀中间的平衡阀，直到玻璃管中水不出现气泡，然后关闭U形压差计下方与软管相连的左右阀，打开上方的放空阀和下方的排水考克，令玻璃管内水位下降到适当高度，再打开左右阀中间的平衡阀，倒U形压差计两玻璃管内的水位会相平，否则重复上过排汽过程，直至两玻璃管内的水位相平。

测定光滑管直管阻力、粗糙管直管阻力、局部阻力的三个倒U形压差计的排气方法相同，再此不再一一介绍。特别注意的是，实验过程不能碰撞玻璃管，以免断裂。

（4）直管阻力的测定。

打开阀2，关闭阀3，调节阀6，流量从2m3 /h开始，分别记录相应的光滑管及粗糙管的倒U形压差计两玻璃管内的指示剂高度差，流量每次增加1 m

局部阻力的测定。

关闭阀2，排开阀3，调即阀6，取三个不同的流量，如2、3、4m3/h,记录相应指示剂高度差。水温可在最后测，测一次即可。

数据记录及数据处理

实验装置 号，测压段管长L＝ m，流体温度 ℃

光滑管管内径： m，粗糙管管内径： m，局部阻力管内径： m

实验

序号

流量

( m3/h )

光滑管压差

( mm H2O )

粗糙管压差

( mm H2O )

闸阀（全开）阻力

( mm H2O )

粗糙管和光滑管的直管阻力

计算结果列表

计算举例：装置1：水温20℃，密度998.2kg/m3，粘度100.42×10-5Pas

以表2第一组数据为例。

注意：粗糙管和光滑管都要计算

2．局部阻力

计算结果列表

计算举例：以第一组数据为例

实验二 离心泵性能特性曲线测定实验

实验日期：

实验目的

测定恒定转速下某离心泵的流量(V)与扬程(He)、轴功率(Na)、及效率(η)之间的曲线关系。

基本原理

流体经过离心泵后流体的机械能会增值。离心泵的特性曲线实质上是流体流经离心泵时机械能按一定规律变化的宏观表现形式，其内容是表达在一定转速n下离心泵的流量V与其扬程He、轴功率Na和效率之间的定量关系，这些函数关系目前还无法分别用数学模型进行表达，只能通过实验测定的方法才能得到。

2.1离心泵流量V的测量

实验时,采用涡轮流量计测量流体在管道内的流量,用智能流量积算仪直接显示出流体流量V的数值, 其单位为m3/h.

2.2 离心泵扬程He的测定与计算

扬程是由离心泵的进口1截面至离心泵的出口2截面每牛顿流体机械能的增值，即

(2-1)

当离心泵的进、出管管径相同，且压力表和真空表的安装高度差可忽略不计时，由式（2-1）可导出离心泵扬程的计算公式：

(2-2)

由式（2-2）可知，只要分别测出压力表和真空表的数值和，就可计算出泵的扬程He（m）。

2.3 离心泵轴功率的计算

用智能流量积算仪直接显示出泵的轴功率(W)。

2.4离心泵效率的计算

效率数值大小是流体经过离心泵时的水力效率、容积效率和机械效率三者共同作用的结果。泵的效率计算公式如下：

（2-4）

2.5 离心泵的比例定律

对同一台离心泵，在转速n与n’时的特性曲线的等效点间存在下列关系：

(2-5)

比例定律式（2-5）适用的条件是泵的转速变化只能在内，且转速变化前后泵的效率相等，即。

实验装置与流程

离心泵正常工作时，水由底阀 eq \o\ac(○,1)进入离心泵的叶轮，获得机械能后离开泵壳，经出口阀 eq \o\ac(○,8)、旁路 eq \o\ac(○,9)或出口阀 eq \o\ac(○,8)、电动调节阀 eq \o\ac(○,2)流入出水管，途经涡轮流量计 eq \o\ac(○,1)，水最后流入循环水箱。

图1-2 离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图

图1-3离心泵性能特性曲线测定实验仪控柜面板图

手画图

实验步骤与注意事项

1. 灌泵. 首先给离心泵灌泵。轻轻打开真空表旁的自来水水阀，注意，千万不能开大，否则会损坏真空表。当泵壳上的塑料放空管有水溢出时，说明泵壳内充满了水，可关闭自来水水阀。

2. 开启电源. 依次打开总电源开关、仪表电源开关，把水泵电源放在“直接”位置，此时水泵停止，按钮“红灯”亮。“转速测量仪”显示值、“温度压力巡检仪”显示值及“智能流量积算仪”显示值都为零。

3. 启动离心泵. 按水泵启动按钮绿键，打开电动调节阀电源，按“流量自动调节仪”的向上键∧至100，表示电动调节阀处于最大流量，待“智能流量积算仪”、“温度压力巡检仪”、“转速测量仪”显示值稳定后，记录下转速n、水温t、压力表读数P2表、真空表读数P1真、流量读数V；同时在马达天平上添加砝码使测功臂尖头与固定准星对齐，记录下砝码的总千克数P。然后按向下键∨，依次降低电动调节阀的流量，分别记录下相应的有关实验数据。实验测定结束后，按水泵停止按钮红键，关闭电动调节阀电源、水泵电源、仪表电源，总电源仍处于开启状态。

4. 启动计算机，进入化工原理实验软件库，处理实验数据，如三条性能曲线规律性不好，须重做实验。

数据记录及数据处理

实验装置 号，流体温度 ℃

实验

序号

流量

( m3/h )

p真空表

( MPa )

p压力表

( Mpa )

转速

( rpm )

轴功率

( W )

计算结果列两张表，n平均以前的V,H,N,η列一张表, n平均以后的V,H,N,η列一张表，用n平均以后的V,H,N,η作图

所测装置为3号：ξ＝83.3，t=15℃，ρ水=998.9kg/m3

计算举例：以第一组数据为例

,

图上要有试验点，不能仅有线

图上要有试验点，不能仅有线

实验五 对流给热系数测定实验

实验日期：

一、实验目的

1. 测定水蒸汽在圆直水平管外冷凝给热系数α0及冷流体(空气或水)在圆直水平管内的强制对流给热系数αi。

2. 观察水蒸汽在圆直水平管外壁上的冷凝状况。

二、基本原理

1. 串联传热过程

冷流体（空气或水）与热流体水蒸汽通过套管换热器的内管管壁发生热量交换的过程可分为三步：

eq \o\ac(○,1)套管环隙内的水蒸汽通过冷凝给热将热量传给圆直水平管的外壁面；

eq \o\ac(○,2)热量从圆直水平管的外壁面以热传导的方式传至内壁面；

eq \o\ac(○,3)内壁面通过对流给热的方式将热量传给冷流体。

在实验中，水蒸汽走套管换热器的环隙通道，冷流体走套管换热器的内管管内，当冷、热流体间的传热达到稳定状态后，根据传热的三个过程、牛顿冷却定律及冷流体得到的热量，可以计算出冷热流体的给热系数（以上是实验原理）。

（以下是计算方法）传热计算公式如下：

Q=α0A0( T–Tw)m= αiAi( tw–t)m=VcρcCpc(t2-t1) (2-

由（1）式可得：

(2-2)

(2-3)

式（2）中，( T–Tw)为水蒸汽温度与内管外壁面温度之差， 式（3）中，( tw–t)为内管内壁面温度与冷流体温度之差。由于热流体温度T、内管外壁温Tw、冷流体温度t及内管内壁温tw均沿内管管长不断发生变化，因此，温差( T–Tw) 和( tw–t)也随管长发生变化，在用牛顿冷却定律算传热速率Q时，温差应分别取进口（1）与出口（2）处两端温差的对数平均值( T–Tw)m 和( tw–t)m，方法如下：

（2-4）

（2-5）

当套管换热器的内管壁较薄且管壁导热性能优良（即λ值较大）时，管壁热阻可以忽略不计，可近似认为管壁内、外表面温度相等，即Tw1=tw1, Tw2=tw2。

因此，只要测出冷流体的流量Vc、进出口温度t1和t2、水蒸汽进出口温度T1和T2、内管壁温Tw1和Tw2，根据定性温度查出冷流体的物性ρc和Cpc，再计算出内管的内、外表面积Ai和A0，根据公式(2)和(3)就可计算出水蒸汽的冷凝给热系数α0及冷流体的对流给热系数αi。

2. 给热系数的经验公式

Nusselt求得纯净蒸汽在水平圆管外表面膜状冷凝平均给热系数的半经验公式：

（2-6）

式（6）中，蒸汽冷凝潜热γ为饱和蒸汽温度ts下的数据，壁温tw取进、出口壁温的平均值(tw1+ tw2)/2，冷凝液物性ρ、λ、μ取液膜温度(ts+tw)/2下的数值。因此，只要测出套管换热器内管的外径d0, 就可算出蒸汽冷凝给热系数α0。

对低粘度的液体在圆形直管内的呈湍流流动且被加热时，其对流给热系数可采用Dittus-Boelter关联式：

（2-7）

式（7）中的冷流体的物性λ、μ、ρ、Cp为冷流体在管内进、出口温度的算术平均值（t1+t2）/2所对应的数据，流速u为冷流体体积Vc流量除以管内径di计算的截面积。

三、实验装置与流程

水蒸汽自蒸汽发生器 eq \o\ac(○,2)途经阀 eq \o\ac(○,6)、阀 eq \o\ac(○,7)由蒸汽分布管进入套管换热器的环隙通道，冷凝水由阀 eq \o\ac(○,9)、阀 eq \o\ac(○,8)排入水沟。

冷流体水或来自由变频器 eq \o\ac(○,12)控制的旋涡气泵产生的空气依次经过阀 eq \o\ac(○,4)或电动调节阀 eq \o\ac(○,5)、涡轮流量计 eq \o\ac(○,13)、水或空气流量调节阀 eq \o\ac(○,10)进入套管换热器的内管，被加热后排入下水道或放空。

图1—6 水蒸气～水（或空气）对流给热系数测定实验流程图

1、水泵或旋涡气泵 2、蒸气发生器 3、4、旁路阀 5、电动调节阀 6、蒸汽总阀

7、蒸气调节阀 8、9、冷凝水排放阀 10、水或空气流量调节阀11、惰性气体排放阀

手画图

实验步骤与注意事项

4.1 空气~水蒸汽系统

1. 开启电源。依次打开控制面板上的总电源、仪表电源。

2. 启动旋涡气泵 eq \o\ac(○,1), 调节手动调节阀 eq \o\ac(○,10)使风量最大。

3. 排蒸汽管道的冷凝水。打开阀 eq \o\ac(○,9)、阀 eq \o\ac(○,8)，排除套管环隙中积存的冷凝水，然后适当关小阀 eq \o\ac(○,8)，注意阀 eq \o\ac(○,8)不能开得太大，否则蒸气泄漏严重。

4. 调节蒸汽压力。打开阀 eq \o\ac(○,6)，蒸汽从蒸汽发生器 eq \o\ac(○,2)沿保温管路流至阀 eq \o\ac(○,7)；慢慢打开阀 eq \o\ac(○,7)，蒸汽开始流入套管环隙并对内管的外表面加热，控制蒸汽压力稳定在0.02MPa, 不要超过0.05MPa，否则蒸汽不够用。

5. 分别测定不同流量下所对应的温度。当控制面板上的巡检仪显示的11个温度、压力数据及智能流量积算仪上显示的空气流量稳定后，记录下最大空气流量下的全部的温度、压力、流量数据。然后再调节阀 eq \o\ac(○,6)，分别取最大空气流量的1/2及1/3，分别记录下相应流量下的稳定的温度和压力数据，这样总共有3个实验点。

6. 实验结束后，关闭蒸汽阀 eq \o\ac(○,7)和阀 eq \o\ac(○,6)，关闭仪表电源及总电源。

4.2 水~水蒸汽系统

操作步骤、方法基本上同空气~水蒸汽体系一样，只是冷流体由空气改为冷水，实验点仍然取3个。

数据记录及数据处理

实验装置 号，体系 ，蒸汽压力 MPa

管长L= 1.01 m，内管管径： ?16×1.5mm

实验

序号

冷流体流量V

(m3/h)

t1

(℃)

t2

(℃)

TW11

(℃)

TW12

(℃)

TW13

(℃)

TW21

(℃)

TW22

(℃)

TW23

(℃)

T1

(℃)

T2

(℃)

计算结果

实验

序号

冷流体流量V

(m3/h)

内管内壁给热系数?i

[ W/(m2· ℃) ]

内管外壁冷凝给热系数?0

[ W/(m2· ℃) ]

总传热系数k

[W/(m2· ℃)]

所测实验装置为1号：水蒸气～水体系，蒸汽压力P＝0.03Mpa，T＝18℃

计算举例：以第一组数据为例

水阀全开时的流量为：V’＝0.35l/s

定性温度tm=(t1+t2)/2=18℃

18℃

cp=4.185×103J/kgK ρ=998.2kg/m3 ts=100℃

λ=59.362×10-2W/mK μ=106.442×10-5Pas r=2205.2kJ/kg

TW=( TW1+ TW2 + TW3)/3=86.814

tw=( tW1+ tW2 + tW3)/3=82.211

紫铜管规格：直径φ16×1.5mm，长度L=1010mm

Ai=πdl=3.14×(0.016-0.0015×2)×1.01=0.04123m

A0=πdl=3.14×0.016×1.01=0.05074m

管内、管外给热系数的理论值：

在水平管外，蒸汽冷凝给热系数（膜状冷凝）的半经验式：

定性温度tm=(ts+tm)/2

流体在直管内强制对流时的给热系数的半经验式：

定性温度tm=(t1+t2)/2=18℃

计算管内、管外给热系数的误差：

实验七 精馏实验

实验日期：

一、实验目的

1．掌握全回流时板式精馏塔的的全塔效率、单板效率及填料精馏塔等板高度的测定方法。

2．熟悉精馏塔的基本结构及流程。

二、基本原理

蒸馏单元操作是一种分离液体混合物常用的有效方法，其依据是液体中各组分间挥发度的差异。它在石油化工、轻工、医药等行业有着广泛的用途。在化工生产中，我们把含有多次部分汽化与冷凝且有回流的蒸馏操作称为精馏。本实验采用乙醇—水体系，在全回流状态下测定板式精馏塔的全塔效率ET、单板效率EM及填料精馏塔的等板高度HETP。

1 全塔效率ET

板式精馏塔的全塔效率定义为完成一定的分离任务所需的理论塔板数NT与实际塔板数NP之比。在实际生产中，每块塔板上的汽液接触状况及分离效率均不相同，因此全塔效率只是反映塔内全部塔板的平均分离效率，计算公式如下：

ET=NT/NP （1）

当板式精馏塔处于全回流稳定状态时，取塔顶产品样分析得塔顶产品中轻组份摩尔分率XD，取塔底产品样分析得塔底产品中轻组份摩尔分率XW，用M.T.作图法求出NT，而实际塔板数已知NP=16，把NT代入（1）式即可求出全塔效率ET。

2 单板效率Em

全塔效率只是反映了塔内全部塔板的平均效率，所以有时也叫总板效率，但它不能反映具体每一块塔板的效率。单板效率有两种表示方法，一种是经过某塔板的气相浓度变化来表示的单板效率，称之为默弗里气相单板效率EmV，计算公式如下：

(2)

式（1）中yn为离开第n块板的汽相组成，yn+1为离开第(n+1)块板的汽相组成，yn*为与离开第n块板液相组成xn呈平衡的汽相组成，以上汽、液相浓度的单位均为摩尔分率。因此，只要测出xn、yn、yn+1，通过平衡关系由xn计算出yn*，则根据式（1）就可计算默弗里气相单板效率EmV。

单板效率的另一种表示方法为经过某块塔板液相浓度的变化，称之为液相默弗里单板效率，用EmL来表示，计算公式如下：

（3）

式（2）中，xn-1为离开第n-1板的液相组成，xn为离开第n板的液相组成，xn*为与离开第n板汽相组成yn呈平衡关系的液相组成，以上汽、液相浓度的单位均为摩尔分率。因此，只要测出xn-1、xn、yn，通过平衡关系由yn计算出xn*，则根据式（2）就可计算默弗里液相单板效率EmL。

3 填料塔等板高度HETP

填料塔的等板高度HETP是指与一块理论塔板的分离效果相当的填料层高度。HETP的大小取决于填料的种类、材质与尺寸，还与塔设备的结构、尺寸、被分离体系的物性及塔操作条件等因素有关。等板高度的计算公式如下：

HETP=H/NT （4）

式（4）中H为填料层高度1.0m, NT为全回流或部分回流时的理论板数。本实验在全回流状态下测定塔顶产品轻组分含量XD和塔底产品轻组分含量XW，用M.T.图解法求出填料塔在全回流状态下的理论板数NT，或在部分回流下测定进料中轻组分含量XF、进料温度TF,、塔顶产品中轻组分含量XD、回流比R及塔底产品轻组分含量XW，用M.T.图解法就可求出部分回流时的理论板数NT。把H和两种状态下的NT代入公式（4），即可算出全回流和部分回流状态下的HETP。

三、实验装置与流程

冷却水经转子流量计 eq \o\ac(○,12)计量后进入全凝器 eq \o\ac(○,1)的底部，然后从上部流出。由塔釜 eq \o\ac(○,5)产生的蒸汽穿过塔内的塔板或填料层后到达塔顶，蒸汽全凝后变成冷凝液经集液器的侧线管流入回流比控制器 eq \o\ac(○,2)，一部分冷凝液回流进塔，一部分冷凝液作为塔顶产品去贮槽2。原料从贮槽 eq \o\ac(○,6)由进料泵 eq \o\ac(○,7)输送至塔的侧线进料口。塔釜液体量较多时，电磁阀 eq \o\ac(○,10)会启动工作，釜液就会自动由塔釜进入贮槽 eq \o\ac(○,9)。

本实验装置有筛板塔和填料塔两种类型，它们的特征数据如下：

1．不锈钢筛板塔

塔内径D内＝66mm，塔板数NP＝16块，板间距HT＝71mm。塔板孔径1.0mm，孔数72个，开孔率4.5%。塔釜液体加热采用电加热，塔顶冷凝器为列管换热器。供料采用LMI电磁微量计量泵进料。筛板精馏塔实验装置如图1－11所示。

图1－11 筛板精馏塔流程图

2. 不锈钢填料塔

塔内径D内＝68mm，塔内填料层高度Z＝1.0m（乱堆），填料为不锈钢σ环散装填料，尺寸6mm×6mm，比表面积440m2/m3，空隙率0.7 m3/m3，堆积密度 700kg/m3，填料因子1500 m-1，填料层支承栅板开孔率75％。塔底电加热，加热功率2.5kw。塔顶冷凝器为盘管换热器。供料采用LMI电磁微量计量泵进料。筛板精馏塔实验装置如图1－12所示。

图1－12 填料精馏塔流程图

3．仪表控制板

图1－13 仪表控制板

手画图

实验步骤与注意事项

1．配制乙醇质量百分数为20%的乙醇水溶液。配制后，从加料漏斗 eq \o\ac(○,4)加入塔釜，液位处于玻璃液位计的2/3高度处，并打开塔顶放空阀。注意，釜液位不能过低，否则电加热器会烧坏。

2．调节冷却水流量。调节冷却水进口阀，使水流量稳定在500L/h左右。

3．接通电源。接通控制面板上的仪表电源，接通塔釜电加热器电源，手动调节电压，刚开始加热电压可高些如200~220V，等塔釜温度稳定在九十几度也即釜温接近泡点时，电压降至100~120V左右，注意加热电压不能太高，否则会出现淹塔现象。

4取样分析．当全回流出现并稳定20分钟后，此时塔顶温度、塔釜温度及各测温点的温度不再发生变化，全回流处于稳定状态，从 eq \o\ac(○,3)取样口取塔顶产品样送色谱分析室分析乙醇含量XD，从 eq \o\ac(○,8)取样口取塔釜产品样送色谱分析室分析乙醇含量XW。

据记录及数据处理

实验装置 号，

实验数据：

全回流塔顶XD = 93.07% ( 质量分数)；

塔顶XW = 1.634% (质量分数)

冷凝水量＝ L/h

回流量＝ L/h

塔顶温度＝ ℃

塔釜温度＝ ℃

实验结果：

Nt = ；

E = 或HETP =

将实验测得塔顶产品组成XD和残液组成XW换算成摩尔百分比：

XD＝**%（摩尔百分比）

XW＝***%（摩尔百分比）

用图解法求得理论板数NT。

本实验的4号不锈钢筛板塔的实际塔板数NP＝***块，则全塔效率EP＝NT/NP

本实验的2、3号填料塔的填料层高度H＝***m，则等板高度HEPT＝H/NT