化工原理簡化版.doc

實驗二 柏努利實驗一、實驗目的1、通過實測靜止和流動的流體中各項壓頭及其相互轉(zhuǎn)換，驗證流體靜力學原理和柏努利方程。2、通過實測流速的變化和與之相應(yīng)的壓頭損失的變化，確定兩者之間的關(guān)系。二、基本原理 流動的流體具有三種機械能：位能、動能和靜壓能，這三種能量可以互相轉(zhuǎn)換。在沒有摩擦損失且不輸入外功的情況下，流體在穩(wěn)定流動中流過各截面上的機械能總和是相等的。在有摩擦而沒有外功輸入時，任意兩截面間機械能的差即為摩擦損失。流體靜壓能可用測壓管中液柱的高度來表示，取流動系統(tǒng)中的任意兩測試點，列柏努利方程式：對于水平管，Z1=Z2，則 若u1=u2, 則P2u2 , p1p2；在靜止狀態(tài)下，即u1= u2= 0時，p1=p2。三、實驗裝置及儀器圖22 伯努利實驗裝置圖裝置由一個液面高度保持不變的水箱，與管徑不均勻的玻璃實驗管連接，實驗管路上取有不同的測壓點由玻璃管連接。水的流量由出口閥門調(diào)節(jié)，出口閥關(guān)閉時流體靜止。四、實驗步驟及思考題1、 關(guān)閉出口閥7，打開閥門3、5，排出系統(tǒng)中空氣；然后關(guān)閉閥7、3、5，觀察并記錄各測壓管中的液壓高度。思考：所有測壓管中的液柱高度是否在同一標高上？應(yīng)否在同一標高上？為什么？2、 將閥7、3半開，觀察并記錄各個測壓管的高度，并思考：（1）A、E兩管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？（2）B、D兩管中，C、D兩管中液位高度是否相等？若不等，其差值代表什么？ 3、 將閥全開，觀察并記錄各測壓管的高度，并思考：各測壓管內(nèi)液位高度是否變化？為什么變化？這一現(xiàn)象說明了什么？五、實驗數(shù)據(jù)記錄. 液柱高度 A B C D E 閥門關(guān) 閉 半 開全 開第三篇 驗證型實驗實驗一 流體流型的觀察與測定一、實驗目的1、 觀察流體在管內(nèi)流動的兩種不同型態(tài)，加強層流和湍流兩種流動類型的感性認識；2、掌握雷諾準數(shù)Re的測定與計算；3、測定臨界雷諾數(shù)。二、基本原理雷諾（Reynolds）用實驗方法研究流體流動時，發(fā)現(xiàn)影響流動類型的因素除流速u外，還有管徑（或當量管徑）d，流體的密度及粘度，由此四個物理量組成的無因次數(shù)群Re的值是判定流體流動類型的一個標準。 （11）Re4000時為湍流，2000Re4000時為過渡區(qū)，在此區(qū)間流型可能表現(xiàn)為流層，也可能表現(xiàn)為湍流。從雷諾數(shù)的定義式來看對同一個儀器d為定值，故u僅為流量的函數(shù)。對于流體水來說,、幾乎僅為溫度的函數(shù)。因此確定了水的溫度及流量，即可計算雷諾數(shù)。注意：進水閥出水閥水箱玻璃試驗管顏色水瓶溢流雷諾實驗要求減少外界干擾，嚴格要求時應(yīng)在有避免震動設(shè)施的房間內(nèi)進行。如果條件不具備，演示實驗也可以在一般房間內(nèi)進行。因為外界干擾及管子粗細不均勻等原因，層流的雷諾數(shù)上界達不到2000，只能達到1600左右。層流時紅墨水成一直線流下，不與水相混。湍流時紅墨水與水混旋，分不出界限。三、實驗裝置及儀器試驗裝置如圖11所示，液面保持一定高度的水箱與玻璃測試管相連，水箱上放有顏色水瓶，測試管上安有帶針頭的膠塞，用出口閥調(diào)節(jié)流量，用轉(zhuǎn)子流量計測定流量。試驗時水由高位水箱進入玻璃管，槽內(nèi)水由進水管供應(yīng)，槽內(nèi)設(shè)有進水穩(wěn)流裝置及溢流箱用以維持平穩(wěn)而又穩(wěn)定的液面，多余之水由溢流管排入水溝。 圖11 雷諾實驗裝置四、實驗步驟1、檢查針頭是否堵塞，顏色水是否沉淀。2、向水箱內(nèi)注水。3、打開出口閥，排除實驗管中的氣體。4、開啟上水閥，使高位槽充水至產(chǎn)生溢流時關(guān)閉（若條件許可，此步驟可在實驗前數(shù)小時進行，以使高位槽中的水經(jīng)過靜置，消除旋流，提高實驗的準確度）。5、開顏色水閥，使顏色水由針頭注入玻璃試驗管。6、逐步開大排水閥，觀察不同雷諾數(shù)時的流動狀況，并把現(xiàn)象記入表中。7、做兩種情況下的對比實驗：（1）關(guān)閉高位槽的進水閥，保持液面平靜，從觀察的玻璃管中，測取管中水流從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r的Re臨界值。注意，此時液面雖平靜，但液面的高度是在緩慢下降的。（2）開啟高位槽的進水閥以保持槽中液面高度不變，但此時液面是不平而有波動的，測取此時的Re臨界值，并分析和比較兩種情況下的實驗結(jié)果。8、觀察層流時流體質(zhì)點的速度分布。層流時，由于流體與管壁間的摩擦力及流體內(nèi)摩擦力的作用，管中心處流體質(zhì)點速度最大，愈靠近管壁速度愈小。因此，靜止時處于同一橫截面的流體質(zhì)點，開始層流流動后，由于速度不同，組成了旋轉(zhuǎn)拋物面（即由拋物線繞其對稱軸旋轉(zhuǎn)形成的曲面）。先打開紅墨水閥門，使紅墨水擴散為團狀。再稍稍開啟排水閥，使紅墨水緩慢隨水運動，則可觀察到紅墨水團前端的界限，形成了旋轉(zhuǎn)拋物面。五、思考題1、 影響流動形態(tài)的因素有哪些？2、 如果管子是不透明的，不能直接觀察管中的流動形態(tài)，你可以用什么辦法來判斷流體在管中的流動形態(tài)？3、 有人說可以只用流速來判斷管子中的流動形態(tài)，流速低于某一個具體數(shù)時是層流，否則是湍流，這種看法對嗎？在什么條件下可以只由流速來判斷流動形態(tài)？4、 研究流動形態(tài)有何意義？ 實驗二 流體流動阻力的測定一、實驗目的1、測定水流過一段粗糙直管、光滑直管的沿程摩擦阻力損失pf，確定層流時摩擦阻力系數(shù)和雷諾準數(shù)Re 之間的關(guān)系；2、測定水流過管件、閥門等的局部阻力損失，確定其局部阻力系數(shù)；3、熟悉測定流體流經(jīng)直管和管件時的阻力損失的實驗組織方法及測定摩擦系數(shù)的工程意義；4、學會U形壓差計、轉(zhuǎn)子流量計的使用方法，了解渦輪流量計、差壓變送器、變頻器等的工作原理；5、識別組成管路中的各個管件、閥門并了解其作用。二、實驗原理由于流體粘性的存在，流體在流動的過程中會發(fā)生流體間的摩擦，從而導致阻力損失。層流時阻力損失的計算式是由理論推導得到的；湍流時由于情況復雜得多，未能得出理論式，但可以通過因次分析法再結(jié)合實驗研究，獲得具體的關(guān)聯(lián)式。實驗研究發(fā)現(xiàn)，影響湍流時直管阻力損失 pf 的因素有：流體性質(zhì)：密度 和粘度 ；管路特性：管徑d、管長 l和 管壁粗糙度；操作條件：流速u；根據(jù)因次分析法，pf可以表示成上述諸多影響因素的關(guān)系式：pf = f (d, u, , , l , ) (2-1)組合成四個無因次數(shù)群： (2-2) 若實驗設(shè)備已定，(2-2) 式可寫為： hf = (2-3) 若實驗設(shè)備是水平直管，pf = p，即阻力損失表現(xiàn)為壓力降，(2-3) 式可寫為：hf = (2-4)所以： hf = (2-5)即： (2-6)式中 為直管的摩擦阻力系數(shù)。 由 (2-6) 式可知， 與流體流動的雷諾數(shù)Re及管壁的相對粗糙度 /d 有關(guān)。若流體為層流流動時，直管的摩擦阻力系數(shù)為： (2-7)若裝置已經(jīng)確立，物系也已確定，那么只隨Re而變，實驗操作變量僅有流量，改變閥門的開度可以達到改變流速u的目的，因此在管路中需要安裝一個流量計；在直徑為d、長度為l的水平直管上，引出二個測壓點，并接上一個壓差計，可以用壓差變送器或液柱壓差計測量壓差p（注：壓差變送器是將壓差轉(zhuǎn)換成電信號再用儀表顯示，液柱壓差計是將壓差以液柱高度表示的，若為U形管壓差計計算公式為：。若為倒U型管壓差計，計算公式請自行推導）；實驗體系確定后，、是物性參數(shù)，它們只取決于實驗溫度，所以，在實驗裝置中需要安裝測流體的溫度計；再配上水槽、泵、管件等組建成循環(huán)管路，實驗裝置流程見圖2-1。局部阻力損失通常有兩種表示方法：當量長度法和阻力系數(shù)法。由阻力系數(shù)法： (2-8)測定通過某局部（彎頭、管件、閥門等）的前后壓差p（=pf）和通過此局部的平均流速u，由(2-7) 式計算其局部阻力系數(shù)。三、實驗流程圖和實驗步驟（1）手動阻力實驗裝置a、實驗流程圖（圖2-1）41-光滑管，2-粗糙管，3-層流管，4-離心泵管圖2-1 流體流動阻力實驗流程圖實驗裝置參數(shù)見下表裝置1名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力 大小頭不銹鋼管32.0閘閥鍍鋅鐵管32.0湍流光滑管不銹鋼管121.5200粗糙管鍍鋅鐵管220.5200 層流銅管36140裝置2名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力90彎頭鍍鋅鐵管32.0閘閥鍍鋅鐵管32.0湍流光滑管不銹鋼管121.5200粗糙管鍍鋅鐵管220.5200 層流銅管36140b、實驗步驟1、泵的啟動：關(guān)閉控制閥，關(guān)閉光滑管和粗糙管引壓閥，引水灌泵，啟動泵。2、系統(tǒng)排氣（1）總管排氣：同時打開光滑管和粗糙管的切換閥，先將控制閥開足然后再關(guān)閉，重復三次，目的為了使總管中的大部分氣體被排走，然后打開總管排氣閥，開足后再關(guān)閉，重復三遍。（2）引壓管及壓差計排氣：每次測直管阻力或測局部阻力時，打開相應(yīng)的引壓閥，再打開差壓變送器上的平衡閥和相應(yīng)的引壓管放氣閥，開、關(guān)重復三次。注意：檢驗排氣是否徹底是將控制閥開至最大，再關(guān)至為零，看壓差變送器計讀數(shù)，若前后讀數(shù)相等，則判斷系統(tǒng)排氣徹底；若前后讀數(shù)不等，則重復上述2步驟。3、湍流時直管阻力的測定： 由于 Re 在充分湍流區(qū)時，Re的關(guān)系曲線處在雙對數(shù)座標的密集區(qū)，所以在大流量時少布點，而Re在比較小時，Re的關(guān)系是曲線，所以小流量時多布點。先將控制閥開至最大，讀取流量顯示儀讀數(shù)F大，然后關(guān)至壓差顯示值約0.3kPa時，再讀取流量顯示儀讀數(shù)F小，在F小 和F大 二個讀數(shù)之間布1416個點。4、局部阻力和層流阻力的測定：切換引壓閥，測定相應(yīng)局部阻力。關(guān)閉總管控制閥，打開轉(zhuǎn)子流量計，排除空氣，測定層流阻力。5、停泵：關(guān)閉出口閥，停止水泵電機。上機處理數(shù)據(jù)。c、實驗數(shù)據(jù)記錄序號流量L/s（湍流 ）或(L/h)(層流 )光滑管kPa粗糙管kPa局部阻力kPa層流mmH2O壓差壓差壓差左右壓差（2）自動控制阻力實驗裝置a、實驗流程圖（圖2-2）自動測量阻力實驗裝置具有在線操作功能。實驗對象部分是由貯水箱，離心泵，不同管徑、材質(zhì)的水管，各種閥門、管件，渦輪流量計和倒U型壓差計等所組成的。管路部分有三段并聯(lián)的長直管，自上而下分別為用于測定局部阻力系數(shù)、光滑管直管阻力系數(shù)和粗糙管直管阻力系數(shù)。測定局部阻力使用不銹鋼管，其上裝有待測管件(閘閥)；光滑管直管阻力的測定同樣使用內(nèi)壁光滑的不銹鋼管，而粗糙管直管阻力的測定使用內(nèi)壁較粗糙的鍍鋅管。4442311-局部阻力（閘閥），2-光滑管，3-粗糙管，4-倒U型壓差計圖2-2 流體流動阻力在線操作界面水的流量使用渦輪流量計測量，管路和管件的阻力損失對應(yīng)的壓差采用各自的倒U形壓差計測量，或用差壓變送器將壓差信號傳遞給差壓顯示儀。實驗裝置由兩套相同的裝置組成，裝置參數(shù)見下表。名稱材質(zhì)管內(nèi)徑（mm）測量段長度（cm）管路號管內(nèi)徑局部阻力閘閥1A19.7100光滑管不銹鋼管1B19.7100粗糙管鍍鋅鐵管1C20.8100b、實驗步驟1泵的啟動：首先對水泵進行灌水，然后關(guān)閉出口閥，啟動水泵電機，待電機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)后，把泵的出口閥緩緩開到最大。2倒U型壓差計的排氣：采用手動方法測量時，應(yīng)對倒U型壓差計進行排氣和調(diào)零，使壓差計兩端在帶壓且零流量時的液位高度相等。由于本流體力學綜合裝置中，選用的為經(jīng)典離心泵，揚程較高，故倒U型壓差計的量程只能做到一定程度，大流量數(shù)據(jù)應(yīng)取差壓變送器測得的壓差。3流量和壓差的測定：實驗時可以分別使用自動或手動方法。手動方法時，先緩緩開啟調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)流量，讓流量從0.8到5m3/h范圍內(nèi)變化，建議每次實驗變化0.3m3/h左右。每次改變流量，待流動達到穩(wěn)定后，分別記下壓差計左右兩管的液位高度，兩高度相減的絕對值即為該流量下的差壓。使用自動方法時，流量值可以由無紙記錄儀的流量通道顯示，改變流量時只需改變流量控制通道的設(shè)定（通過改變電機的轉(zhuǎn)速而改變流量）即可，同理，差壓值可以直接由無紙記錄儀的壓差顯示通道讀取。4Re曲線的繪制：裝置確定時，根據(jù)和u的實驗測定值，可計算和，在等溫條件下，雷諾數(shù)Re = du/ = Au，其中A為常數(shù)，因此只要調(diào)節(jié)管路流量，即可得到一系列Re的實驗點，從而繪出Re曲線。5停泵：實驗結(jié)束，關(guān)閉出口閥，停止水泵電機，清理裝置。c、實驗數(shù)據(jù)記錄序號流量(m3/h)光滑管mmH2O粗糙管mmH2O局部阻力mmH2O左右壓差左右壓差左右壓差四、思考題1、在對裝置做排氣工作時，是否一定要關(guān)閉流程尾部的出口閥?為什么? 2、 壓差計上的平衡閥起什么作用？它在什么情況下是開著的，又在什么情況下是關(guān)閉的？ 3、如何檢測管路中的空氣已經(jīng)被排除干凈? 4、以水做介質(zhì)所測得的Re關(guān)系能否適用于其它流體?如何應(yīng)用? 5、在不同設(shè)備上(包括不同管徑)，不同水溫下測定的Re數(shù)據(jù)能否關(guān)聯(lián)在同一條曲線上? 6、如果測壓口、孔邊緣有毛刺或安裝不垂直，對靜壓的測量有何影響?7、在直管阻力測量中，壓差計顯示的壓差是否隨著流量的增加而成線性增加？分別就層流和湍流進行討論。實驗三 離心泵特性曲線的測定一、實驗目的1熟悉離心泵的操作，了解離心泵的結(jié)構(gòu)和特性，掌握實驗組織方法。2掌握離心泵特性曲線的測定方法。3掌握離心泵的流量調(diào)節(jié)方法，了解電動調(diào)節(jié)閥、變頻器、差壓變送器等的工作原理。二、基本原理對一定類型的泵來說，泵的特性曲線主要是指在一定轉(zhuǎn)速下，泵的揚程 (H)、軸功率(P) 和效率 ( ) 與流量 ( qv) 之間的關(guān)系。由于離心泵的結(jié)構(gòu)和流體本身的非理想性以及流體在流動過程中的種種阻力損失，至今為止，還難以推出揚程的純理論計算式。因此，一般采用實驗的方法測定揚程，即泵的特性曲線由實驗測得。對圖3-1所示的系統(tǒng)，分別取泵的進出口為1-1截面與2-2截面，建立機械能衡算式： + z1 + + H = + z2 + (3-1) H = H = (3-2)式中： h0 表示泵出口和進口間的位差，m； 流體密度，kg/m3 ；g 重力加速度 m/s2；p1、p2 分別為泵進、出口的真空度和表壓，Pa；u1、u2 分別為泵進、出口的流速，m/s； 從式(3-2)可見，計算出泵進出管路上的壓差、位差和速度差，就可計算出泵提供給液體的揚程。按照管路特性曲線和泵特性曲線的交點作為泵工作點的原理，改變管路阻力可以通過調(diào)節(jié)閥門開度加以實現(xiàn)，使管路特性曲線上的工作點發(fā)生移動，再將一系列移動的工作點的軌跡連接起來，就是泵的揚程曲線。泵的有效功率 (Pe) 和效率 ( ) 分別由下面（3-3）和 (3-4) 式計算： (3-3) (3-4) 其中P代表軸功率，即泵軸傳遞給泵的功率。由式 (3-3) 和 (3-4) 求取的數(shù)據(jù)同樣可以繪出泵的軸功率和效率曲線。泵的特性曲線是在定轉(zhuǎn)速下的實驗測定所得。但是，實際上感應(yīng)電動機在轉(zhuǎn)矩改變時，其轉(zhuǎn)速會有變化，這樣隨著流量qv的變化，多個實驗點的轉(zhuǎn)速n將有所差異，因此在繪制特性曲線之前，須將實測數(shù)據(jù)換算為某一定轉(zhuǎn)速n下（可取離心泵的額定轉(zhuǎn)速）的數(shù)據(jù)。換算關(guān)系如下（比例定律）：流量 （3-5）揚程 （3-6）軸功率 （3-7）效率 （3-8）方程式 (3-2) 表明，實驗組織方法是：實驗裝置中在泵的進出口管上分別裝有真空表 p1 和壓力表p2；由溫度計測量流體溫度，從而確定流體的密度；由功率表計量電機輸入功率，由電機效率即可計算泵的輸入功率P；管路中需安裝流量計，確定流體的流速u ；欲改變u需閥門控制（手動或自動改變閥門的開度）。三、實驗流程圖和實驗步驟（1）手動離心泵實驗裝置a、實驗流程圖圖3-1 離心泵特性曲線測定流程示意圖實驗裝置流程見圖3-1，由低位水箱、泵進口真空表、泵、泵出口壓力表、流量計、調(diào)節(jié)閥等組成了一個循環(huán)回路。裝置參數(shù)見下表3-1。表3-1手動離心泵實驗裝置參數(shù)離心泵型號P803轉(zhuǎn)速1440r.p.mh00mm進口管徑40mm出口管徑32mm儀表系數(shù)1.000b、實驗步驟1、關(guān)閉引水閥、排氣，啟動泵。2、實驗布點：實驗順序從大到小，即將閥門開至最大時，作為第一組實驗數(shù)據(jù)，共采集1216組數(shù)據(jù)。實驗布點服從大流量多布點，小流量少布點規(guī)則，原因是離心泵效率極值點出現(xiàn)在大流量時。前七組數(shù)據(jù)按流量顯示儀讀數(shù)每下降約0.2L/s布一個實驗點，以后實驗數(shù)據(jù)布點約下降0.4L/s。注意：若發(fā)現(xiàn)流量顯示儀讀數(shù)達不到零，可采用將調(diào)節(jié)閥開至最大，再快速關(guān)閉調(diào)節(jié)閥，流量顯示儀讀數(shù)將為零，可能此讀數(shù)不久還會上升，上升的數(shù)據(jù)不采集，以零計。此時其余的儀表讀數(shù)不隨顯示儀讀數(shù)而變。3、停泵：實驗結(jié)束前，關(guān)閉泵出口閥，再關(guān)閉泵的電源。4、上機進行數(shù)據(jù)處理。c、實驗數(shù)據(jù)記錄表3-2 離心泵原始數(shù)據(jù)水溫： No.流量L/s真空表讀數(shù)MPa壓力表讀數(shù)MPa功率表讀數(shù)w（2）自動離心泵實驗裝置a、實驗流程圖離心泵特性曲線測定裝置具有在線操作功能，流程見圖3-2。裝置中泵進出口管徑相同均為40cm，泵進出口測壓點高度差h0 =0.2m。b、實驗步驟 1、灌泵：清洗水箱，并加裝實驗用水。給離心泵灌水，排出泵內(nèi)氣體。 2、檢查電源和信號線是否與控制柜連接正確，檢查各閥門開度和儀表自檢情況，試開狀態(tài)下檢查電機和離心泵是否正常運轉(zhuǎn)。 3、數(shù)據(jù)的測定：實驗時，逐漸打開調(diào)節(jié)閥以增大流量，待各儀表讀數(shù)顯示穩(wěn)定后，讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。（離心泵特性實驗部分，主要獲取實驗參數(shù)為：流量qv、泵進口壓力p1、泵出口壓力p2、電機功率P電、泵轉(zhuǎn)速n，及流體溫度t和兩測壓點間高度差h0。）4、停泵：測取10組左右數(shù)據(jù)后，可以停泵，同時記錄下設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)（如離心泵型號，額定流量、揚程和功率等）。注意事項： 1、一般每次實驗前，均需對泵進行灌泵操作，以防止離心泵氣縛。同時注意定期對泵進行保養(yǎng)，防止葉輪被固體顆粒損壞。 2、泵運轉(zhuǎn)過程中，勿觸碰泵主軸部分，因其高速轉(zhuǎn)動，可能會纏繞并傷害身體接觸部位。圖3-2 實驗裝置流程示意圖c、實驗數(shù)據(jù)記錄（表3-3 離心泵原始數(shù)據(jù)）表3-3 離心泵原始數(shù)據(jù)裝置號： ，離心泵型號 ，額定流量 ，額定揚程 ，額定功率 ，流體溫度t 。 實驗次數(shù)流量qv m3/h泵進口壓力p1 kPa泵出口壓力p2 kPa電機功率P電 kW泵轉(zhuǎn)速n rpm在實驗過程中，將每組實驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速校正為泵額定轉(zhuǎn)速n= 2900r/m(轉(zhuǎn)每分鐘)對應(yīng)下的各實驗量，并按上述比例定律，可得校正轉(zhuǎn)速后的數(shù)據(jù)結(jié)果。四、思考題1、測定離心泵特性曲線的意義有那些？2、試從所測實驗數(shù)據(jù)分析離心泵在啟動時為什么要關(guān)閉出口閥門？3、啟動離心泵之前為什么要引水灌泵？如果灌泵后依然啟動不起來，你認為可能的原因是什么？4、為什么用泵的出口閥門調(diào)節(jié)流量？這種方法有什么優(yōu)缺點？是否還有其他方法調(diào)節(jié)流量？5、泵啟動后，出口閥如果不開，壓力表和真空表讀數(shù)如何變化？為什么？6、正常工作的離心泵，在其進口管路上安裝閥門是否合理？為什么？7、試分析，用清水泵輸送密度為1200Kg/的鹽水，在相同流量下你認為泵的壓力是否變化？軸功率是否變化？8、為什么離心泵的有效壓頭He 隨流量qv的增加而緩緩下降？實驗四 過濾常數(shù)的測定一、實驗目的1、 熟悉板框壓濾機的結(jié)構(gòu)和操作方法；2、 測定在恒壓操作時的過濾常數(shù)K，qe，e，測定物料壓縮指數(shù)s；3、 了解操作條件對過濾速度的影響。二、實驗原理1、過濾常數(shù)的測定過濾是借助于外界推動力的作用，使懸浮液通過某種多孔性介質(zhì)，從而實現(xiàn)固液分離的操作。單位時間通過單位過濾面積的濾液量稱為過濾速度。過濾速度的大小與壓力差、濾餅厚度、懸浮液和濾餅的性質(zhì)、懸浮液的溫度等有關(guān)。故過濾速度方程式可表示為： （41） 式中：V濾液量，m3； A過濾面積，m2； 得到濾液V所需的過濾時間，s； K過濾常數(shù)，m2/s；q=V/A，即單位過濾面積的濾液量，m； qe=Ve/A，即單位過濾面積的虛擬濾液量,m； Ve虛擬濾液的體積，它是形成相當于過濾介質(zhì)阻力的一層濾餅時，應(yīng)得到的濾液量，m3； r濾餅的比阻，m-2;濾液的粘度，Pa.s；v獲得單位體積濾液所形成的濾餅，m3/m3。在恒壓過濾情況下，濾液量與過濾時間的關(guān)系可用下式表示： （42）將過濾方程式微分后得 實驗過程中，可用增量比，則有下式 （43）標繪出/q對q (q取各時間間隔內(nèi)的平均值)的直線,如上圖所示,直線斜率為2/K,截距2qe/K，由此可求出K和qe 。圖41 /q與q的關(guān)系2、濾餅壓縮性指數(shù)s及比阻濾餅的比阻與壓差的關(guān)系為，帶入過濾常數(shù)的定義式可得 兩邊取對數(shù)： （44）因，故K與p的關(guān)系在雙對數(shù)坐標上標繪是一條直線，斜率為（1-s），由此可計算出壓縮性指數(shù)s，讀取pK直線上任一點處的K值，將K、p數(shù)據(jù)一起代入過濾常數(shù)定義式計算物料特性常數(shù)k及比阻。三、實驗裝置 本實驗裝置由板框壓濾機、濾漿桶、攪拌槳、計量筒、螺桿泵等組成。濾漿槽內(nèi)配有一定濃度的輕質(zhì)碳酸鈣懸浮液，用電動攪拌器進行攪拌（漿液不出現(xiàn)漩渦為好）。濾漿在濾漿槽中經(jīng)攪拌均勻后，啟動螺桿泵，使系統(tǒng)內(nèi)形成一定的壓力。濾漿經(jīng)板框壓濾機，清液進入計量筒，固相被留在板框壓濾機上逐漸生成濾餅。定時讀取計量筒的液位，并記錄。系統(tǒng)壓力可由板框壓濾機前的進口閥和泵的出口閥、回流閥等進行調(diào)節(jié)。圖4-2 板框壓濾機過濾流程示意圖四、實驗步驟1用輕質(zhì)碳酸鈣配制成510%左右的濾漿（體積濃度），用攪拌機充分攪拌；2用濕透的濾布裝在板框壓濾機的板與框之間，注意：（1）濾布孔應(yīng)對準濾機上下部的孔道，絕對不允許沒有對準孔道進行安置；（2）按照板框上的編號將它們分別按順序裝好，檢查確定正確后，旋緊機頭旋鈕；3關(guān)閉原料桶的底閥與清水槽的出口閥、底閥，打開原料槽的出口閥、螺桿泵的出口閥和回流閥，啟動螺桿泵；4打開壓濾機的進口閥，逐漸關(guān)閉螺桿泵的出口閥至所需的壓力，開始記時，記錄得相應(yīng)濾液下的過濾時間，直至框內(nèi)充滿濾餅；壓力控制在0.050.15MPa下分別進行實驗。5實驗結(jié)束后打開清水槽的出口閥并關(guān)閉原料槽的出口閥，用清水清洗管路及泵內(nèi)的料液；將濾餅與濾液攪勻后倒回配料桶中待用；關(guān)閉螺桿泵，將板、框洗干凈后按照順序放回壓濾機中，將濾布洗凈晾曬備用。五、實驗注意事項1、板框壓濾機安裝時一定注意其順序，使板框交替排列。2、啟動螺桿泵前，一定要打開原料槽的出口閥和泵的出口閥、回流閥，以免燒壞泵。3、用泵的出口閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力恒定，以保證恒壓狀態(tài)下操作。六、實驗數(shù)據(jù)記錄壓力差p（Mpa）0.020.060.10序號體積（mL）時間（s）體積（mL）時間（s）體積（mL）時間（s）12345七、思考題1 過濾剛開始時，為什么濾液總是渾濁的？2 如果濾液的粘度比較大，你考慮用什么方法改善過濾速率？3 濾漿的濃度和過濾壓差對過濾常數(shù)K有何影響？4 當操作壓強增加一倍，其值是否也增加一倍？要得到同樣的過濾量，其過濾時間是否可縮短一倍？實驗五 傳熱系數(shù)的測定一、實驗目的1、通過實驗掌握總傳熱系數(shù)K和傳熱膜系數(shù)的測定方法；2、通過實驗提高對關(guān)聯(lián)式的理解，了解工程上強化傳熱的措施；3、測定流體在圓形直管內(nèi)作強制湍流時的傳熱準數(shù)方程式。二、基本原理1.總傳熱系數(shù)的測定根據(jù)傳熱速率方程式： （51）如果實驗設(shè)備保溫良好,系統(tǒng)的熱損失可忽略不計, 根據(jù)熱量衡算式得得熱負荷Q （52）則 （53） （54）式中：K傳熱系數(shù)，W/m2.K 流體的密度，m3/kgA換熱器的傳熱面積，m2 qv流體的體積流量, m3/sQ傳熱量,W CP流體的恒壓熱容，J/kg.KTs水蒸氣的溫度，K ti 、to冷流體的進、出口溫度，K傳熱對數(shù)平均溫度差 2.傳熱膜系數(shù)的測定流體與壁面的對流傳熱可由牛頓冷卻定律表示 Q =A（Twt） （55）A傳熱面積（內(nèi)管外表面積），m2Tw傳熱管的外壁面平均溫度，K對流傳熱系數(shù)，W/m2.K 在實驗中只要已知管壁的平均溫度和流體的平均溫度t，即可計算出傳熱膜系數(shù)的值。3.傳熱準數(shù)方程的測定當流體在圓形直管內(nèi)強制湍流時的對流傳熱準數(shù)關(guān)聯(lián)式為： Nu = C Rem Prn （56）其中，對于同一物系的實驗，當控制換熱器冷流體的進出口溫度基本保持不變時，Prn也可以視為常數(shù)，因此有 （57）這樣就簡化成單變量方程。兩邊取對數(shù)，得到直線方程： （58）在雙對數(shù)坐標系中作圖，直線斜率即為方程的指數(shù)m, 由縱軸上的截距即可求得C?？傻贸隽黧w在圓形直管內(nèi)作強制湍流的DittusBoeiter關(guān)聯(lián)式 （59）式中 n = 0.4（流體被加熱）n=0.3（流體被冷卻） 三、實驗裝置本實驗中的換熱器為套管式，內(nèi)管為242mm的銅管，有效管長1000mm。實驗裝置如圖5.1所示。實驗選用空氣為冷流體，水蒸汽為熱流體?？諝鈦碜怨娘L機，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計測量流量、溫度計測量溫度后，進入換熱器管程，換熱后在出口處測量其出口溫度。水蒸汽來自蒸汽發(fā)生器，經(jīng)蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至一定壓力后進入換熱器的殼程，并在入口處測量其壓力，與冷空氣換熱后冷凝水經(jīng)疏水閥排至地溝。四、實驗步驟1、 開啟空氣壓縮機，使氣體充滿壓縮空氣罐，并用調(diào)節(jié)閥將氣量調(diào)節(jié)至實驗范圍內(nèi)；2、 緩慢開啟蒸汽調(diào)節(jié)閥，用旁路排出蒸汽管道內(nèi)積存的冷凝水，用放氣閥排盡夾套內(nèi)的空氣；3、 緩慢地調(diào)節(jié)蒸汽閥，使蒸汽壓力維持在實驗值，穩(wěn)定一段時間后讀取水蒸氣壓力表讀數(shù)、氣量以及氣體的進出口溫度；4、 改變空氣流量和水蒸氣壓力，測定45組數(shù)據(jù)。調(diào)節(jié)蒸汽閥的過程中，注意儀表的滯后性，待過程穩(wěn)定后方可記錄數(shù)據(jù)。五、數(shù)據(jù)處理1、原始數(shù)據(jù)記錄表裝置編號序號熱流體冷流體壁溫Tw/流量Lh溫度 / P壓力/MPa T溫度 /t進t出1234六、思考題1 本實驗中冷流體和蒸汽的流向?qū)鳠嵝Ч惺裁从绊懀? 為什么實驗開始時必須首先排盡夾套里的不凝性氣體以及積存的冷凝水？3 實驗中銅管壁面溫度是接近水蒸氣溫度還是接近空氣的溫度？為什么？4 在實驗中，有哪些因素影響實驗的穩(wěn)定性？5 影響傳熱系數(shù)的因素有哪些？如何強化該傳熱過程？ 實驗六 填料吸收塔流體力學性能的測定一實驗目的1. 了解填料吸收塔的結(jié)構(gòu)和基本流程；2. 了解填料吸收塔的操作方法；3. 測定空塔氣速、噴淋密度與填料層壓降間的關(guān)系。二、實驗原理填料塔的流體力學性能主要包括氣體通過填料層的壓降、液泛氣速、持液量及氣液兩種流體的分布等，本實驗將測定不同噴淋密度下通過填料層的壓降與空塔氣速間的關(guān)系，并觀察填料表面的液流狀態(tài)及液泛現(xiàn)象。三、實驗裝置如圖6.1所示為本實驗的流程，空氣由風機供給，旁路閥用以調(diào)節(jié)空氣流量，空氣經(jīng)油水分離器及轉(zhuǎn)子流量計后進入塔底，從塔頂排氣管排出。水經(jīng)調(diào)節(jié)閥及轉(zhuǎn)子流量計后從塔頂噴灑入塔，經(jīng)液封管排出。氣體通過填料層的壓降用U型壓差計測量。圖6.1 填料塔流程圖四、實驗步驟1. 打開旁路閥，啟動風機，由小到大逐漸調(diào)節(jié)空氣的流量，記錄干塔條件下不同空氣流量時的填料層壓降值。2. 打開進水閥以充分潤濕填料，然后再調(diào)節(jié)水量至適宜值，為了保證填料的潤濕，噴淋量不應(yīng)少于50 L/h，記錄不同氣速下填料層的壓降值，至塔內(nèi)發(fā)生液泛為止，并記錄液泛點氣速。改變噴淋密度，并觀察壓降與液泛氣速的變化。五 實驗數(shù)據(jù)記錄序號水流量L/h空氣壓力降mmH2O塔內(nèi)現(xiàn)象流量計示值/m3/h實際流量值m3/h計前表壓/mmH2O計前溫度/塔頂表壓填料層壓差1023六、思考題1. 空氣流量有轉(zhuǎn)子流量計測定，如何換算成實際流量？2. 液泛點氣速與噴淋密度有何關(guān)系？為什么？實驗八 板式塔精餾實驗一、實驗目的1、了解篩板式精餾塔的結(jié)構(gòu)與流程；2、熟悉篩板式精餾塔的操作方法；3、測定全回流及部分回流時塔的單板效率、全塔效率。二、基本原理精餾是最常見的分離液體混合物的單元操作。在板式精餾塔中，混合液在塔板上傳質(zhì)、傳熱，氣相逐板上升，液相逐板下降，層層接觸，多次部分氣化，部分冷凝，在塔頂?shù)玫捷^純的輕組分，塔釜得到較純的重組分，從而實現(xiàn)分離，實驗物料是乙醇水系統(tǒng)。1維持穩(wěn)定連續(xù)精餾操作過程的條件（1）根據(jù)進料量及其組成、分離要求，嚴格維持塔內(nèi)的物料平衡總物料平衡 F=D+W （81） 各組分的物料平衡 FxF = DxD + WxW （82）塔頂采出率 （83） 若FD+W，塔釜液面上升，會發(fā)生淹塔；相反若FD+W，會引起塔釜液面下降，最終導致破壞精餾塔的正常操作。若塔頂采出率過大，即使精餾塔有足夠的分離能力，塔頂也不能獲得合格產(chǎn)物。（2）精餾塔的分離能力在塔板數(shù)一定的情況下，正常的精餾操作要有足夠的回流比，才能保證一定的分離效果，獲得合格的產(chǎn)品，所以要嚴格控制回流量。（3）精餾塔操作時，應(yīng)有正常的汽液負荷量，避免不正常的操作狀況1） 嚴重的液沫夾帶現(xiàn)象2） 嚴重的漏液現(xiàn)象3） 溢流液泛2靈敏板溫度一個正常操作的精餾塔當受到某一外界因素的干擾(如R、xF、F、采出率等發(fā)生波動時)，全塔各板上的組成發(fā)生變化，全塔的溫度分布也發(fā)生相應(yīng)的變化，其中有一些板的溫度對外界干擾因素的反應(yīng)最靈敏，故稱它們?yōu)殪`敏板。靈敏板溫度的變化可預示塔內(nèi)的不正?，F(xiàn)象的發(fā)生，可及時采取措施進行糾正。3塔效率（1）全塔效率 全塔效率是板式塔分離性能的綜合度量，一般由實驗測定。 （84）式中NT、N分別表示達到某一分離要求所需的理論板數(shù)和實際板數(shù)。NT由已知雙組分物系的汽液平衡關(guān)系，通過實驗測得的塔頂產(chǎn)品組成xD、料液組成xF、進料熱狀態(tài)q、殘液組成xW、回流比R等，即能用圖解法、逐板計算法等求得。由于板式塔內(nèi)各層塔板上的氣液相接觸狀況并不相同，每層塔板效率不相同，全塔效率簡單反映了塔內(nèi)塔板的平均效率，它反映了塔板結(jié)構(gòu)、物系性質(zhì)、操作狀況對塔分離能力的影響，一般由實驗測定。（2）單板效率EM是指氣相或液相經(jīng)過一層實際塔板前后的組成變化與經(jīng)過一層理論塔板前后組成變化的比值。氣相板效率： 液相板效率： 圖81 第n板的組成一、 實驗裝置圖82 精餾實驗裝置 實驗裝置為一小型篩板塔，共有15（或16）層篩板，板上開有2毫米篩孔8個，塔徑D0=50mm，板間距L=100mm, 堰高h=10mm, 塔體部分上中下各裝有一玻璃段，用以觀察塔板上氣泡接觸情況和回流情況。塔底有一加熱釜，裝有液位計、壓力表、加料接管和釜液取樣口，塔頂有一蛇管式冷凝器，冷卻水走管內(nèi)，蒸汽在管外冷凝，冷凝液可由塔頂全部回流，也可以由塔頂取樣管將冷凝液（餾出液）全部放出。另外，加熱釜裝有2KW電爐絲，用TDGC1/0.5型調(diào)壓器控制點加熱量，亦即塔內(nèi)上升蒸汽量。塔頂和釜底的溫度用鉑電阻溫度指示儀記錄。四、實驗步驟1全回流（1） 配制濃度15%20%(用酒精比重計測)的料液加入釜中，至釜容積的2/3處。（2） 檢查各閥門位置，啟動儀表電源，再啟動電加熱管電源，調(diào)節(jié)加熱電壓為150V180V，給釜液緩緩升溫。若發(fā)現(xiàn)塔內(nèi)液沫夾帶過量時，可將加熱電壓適當調(diào)低。 （3） 塔釜加熱開始后，打開冷凝器的冷卻水閥門，流量調(diào)至40l/h左右，使蒸汽全部冷凝實現(xiàn)全回流。（4） 當塔頂溫度、回流量和塔釜溫度穩(wěn)定約1530min后，由塔頂取樣管和塔底取樣口用取樣瓶接取適量試樣，取樣前應(yīng)先取少量式樣沖洗取樣瓶一、二次。取樣后用塞子將取樣瓶塞嚴，并使其冷卻到室溫。塔板上液體取樣用注射器從所測定的塔板中緩緩抽出，取1ml左右注入事先洗凈烘干的針劑瓶中，各個樣品盡可能同時取樣。2部分回流（1）在儲料罐中配制一定濃度的酒精溶液（約1020%）。（2）待塔全回流操作穩(wěn)定時，打開進料閥，開啟進料泵（LMI電磁微量計量泵）電源，調(diào)節(jié)進料量至適當?shù)牧髁俊＃?）啟動回流比控制器電源，調(diào)節(jié)回流比R(R=14)（4）當流量、塔頂及塔內(nèi)溫度讀數(shù)穩(wěn)定后即可取樣分析。3乙醇濃度的測定（1）比重法。根據(jù)液體比重天平測定比重的方法，分別測出塔頂、塔底試樣的比重。并由酒精組分比重對照表查得酒精重量百分比濃度。測完的樣品分別倒回回收瓶中。（2）氣相色譜法。4注意事項： （）塔頂放空閥一定要打開。 （）料液一定要加到設(shè)定液位2/3處方可打開加熱管電源，否則塔釜液位過低會使電加熱絲露出干燒致壞。 （）部分回流時，進料泵電源開啟前務(wù)必先打開進料閥，否則會損害