化工原理实验讲义 (流体)

化工原理实验实验讲义西南科技大学材料科学与工程学院材料基础中心实验室二O—三年十二月目录实验一、流体力学综合阻力实验A (2)实验二、固体流态化的流动特性实验 (6)实验三、除尘性能实验................................................... 1..1. 实验四、圆球法测固体材料导热系数.. (13)实验一、流体力学综合阻力实验A实验前介绍双台综合阻力实验台（图1）为流体力学综合性多用途教学实验装置。

为双台型，可供两组学生同时进行实验。

利用本装置可进行下列实验：1•沿程阻力实验2•局部（阀门）阻力实验3•孔板流量计流量系数测定实验4•文丘里流量计流量系数测定实验实验装置实验台的结构简图如图1所示。

它主要由沿程阻力实验管路1、局部（阀门）阻力实验管路2、孔板流量计实验管路3和文丘里流量计实验管路4等四路实验管所组成，并有水泵及其驱动电机5,塑料储水箱6,有机玻璃回水水箱及计量水箱7 （实测流量时用）、压差显示板8（图中未示出）和一些闸门组成的实验水循环系统和压差显示系统等，双台实验装置安装在一个底架9和管道支架10上。

文丘里实验管路为所有其它实验管路共用的出流通道。

工业应用以水泥工业的预热预分解系统为例：对于预热器系统来说，系统的阻力损失直接关系到能耗问题，因此在设计时就要充分考虑到局部阻力和沿程阻力等，所以了解这两种阻力的性质、可能出现的情况、以及如何减少这类损失等知识是很有必要的。

对于其他生产工艺来说都是同样的重要。

在生产中经常要对系统的稳定运行进行热工标定，即：测定管道内的流体速度，以检测系统是否正常稳定运行，并依此数据进行调节。

这就会用到流量计和毕托管等测定流体速度,所以掌握其操作方法对科学研究和指导生产都有着重要的意义。

（一）沿程阻力实验1实验目的（1）测定流体在等直流管中流动状态下，不同雷诺数Re时的沿程阻力系数，并确定它们之间的关系。

（2）了解流体在管道中流动时能量损失的测量和计算方法。

目录绪论 (1)实验一雷诺实验 (3)实验二柏努利方程实验 (4)实验三流体流动阻力的测定 (6)实验四流量计校核实验 (10)实验五离心泵特性曲线的测定 (12)实验六恒压过滤常数的测定 (16)实验七传热实验 (18)实验八精馏实验 (24)实验九吸收实验 (26)实验十干燥实验 (30)绪论一、化工原理实验的特点《化工原理》是化工、食品、生物工程、环境工程等专业的重要技术基础课，它属于工程技术学科，故化工原理实验也是解决工程问题必不可少的重要部分。

面对实际的工程问题，其涉及的物料千变万化，操作条件也随各工艺过程而改变，使用的各种设备结构、大小相差悬殊，很难从理论上找出反映各过程本质的共同规律，一般采用两种研究方法解决实际工程问题，即实验研究法和数学模型法。

对于实验研究法，在析因实验基础上应用因次分析法规划实验，再通过实验得到应用于各种情况下的半理论半经验关联式或图表。

例如找出流体流动中摩擦系数与雷诺准数和相对粗糙度关系的实验。

对于数学模型法，在简化物理模型的基础上，建立起数学模型，再通过实验找出联系数学模型与实际过程的模型参数，使数学模型能得到实际的应用。

例如精馏中通过实验测出塔板效率将理论塔板数和实际塔板数联系起来。

可以说，化工原理实验基本包含了这两种研究方法的实验，这是化工原理实验的重要特征。

虽然化工原理实验测定内容及方法是复杂的，但是所采用的实验装备却是生产中最常用的设备和仪表，这是化工原理实验的第二特点。

例如流体阻力实验中，虽然要测定摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的复杂关系，但使用的却是极其简单的泵、管道、压力计、流量计等设备仪表。

化工原理实验的这些特点，同学们应该在实验中认真体会，通过化工原理实验对这些处理工程问题的方法加深认识并初步得以应用。

1二、化工原理实验的要求1.巩固和深化理论知识。

化工原理课堂上讲授的主要是化工过程即单元操作的原理，包括物理模型和数学模型。

这些内容是很抽象的，还应通过化工原理实验及实习这些实践性环节，深入理解和掌握课堂讲授的内容。

化工原理实验（上、下）讲义专业:应用化学应用化学教研室2012.6实验一 流体机械能转化实验一、实验目的1、了解流体在管内流动情况下，静压能、动能、位能之间相互转化关系，加深对柏努利方程的理解。

2、了解流体在管内流动时，流体阻力的表现形式。

二、实验原理流动的流体具有位能、动能、静压能、它们可以相互转换。

对于实际流体， 因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞，而被损失掉。

所以对于实际流体任意两截面，根据能量守恒有：2211221222f p v p v z z H g g g gρρ++=+++上式称为柏努利方程。

三、实验装置（d A =14mm ，d B =28mm ，d C =d D =14mm ，Z A -Z D =110mm ）实验装置与流程示意图如图1-1所示，实验测试导管的结构见图1-2所示：图1-1 能量转换流程示意图图2-2实验导管结构图四、操作步骤1.在低位槽中加入约3/4体积的蒸馏水，关闭离心泵出口上水阀及实验测试导管出口流量调节阀和排气阀、排水阀，打开回水阀后启动离心泵。

2.将实验管路的流量调节阀全开，逐步开大离心泵出口上水阀至高位槽溢流管有液体溢流。

3.流体稳定后读取并记录各点数据。

4.关小流量调节阀重复上述步骤5次。

5.关闭离心泵出口流量调节阀后，关闭离心泵，实验结束。

五、数据记录和处理五、结果与分析1、观察实验中如何测得某截面上的静压头和总压头，又如何得到某截面上的动压头？2、观察实验，对于不可压缩流体在水平不等径管路中流动，流速与管径的关系如何？3、实验观测到A、B截面的静压头如何变化？为什么？4、实验观测到C、D截面的静压头如何变化？为什么？5、当出口阀全开时，计算从C到D的压头损失？六、注意事项1．不要将离心泵出口上水阀开得过大以免使水流冲击到高位槽外面，同时导致高位槽液面不稳定。

2．流量调节阀开大时，应检查一下高位槽内的水面是否稳定，当水面下降时应适当开大泵上水阀。

实验一 雷诺演示实验一、 实验目的1. 了解流体圆管内的流动形态及其与雷诺数Re 的关系；2. 观察流体在圆管内作稳定层流及湍流两种情况下的速度分布及湍流时壁面处的层流内层；3. 观察并测定流动形态发生临界变化时流量、流速与雷诺数。

二、 实验原理雷诺数μρdu =Re ，一般情况下Re ＜（2000～3000）时，流动形态为层流，Re ＞4000时，流动形态为湍流。

μπρμπρπμρd q d du d du 44141Re =∙∙==测定流体1升水所需时间，计算出q ，然后可计算出对应的Re 。

三、 实验装置在1700⨯500⨯500mm 的玻璃水箱内安装有一根内径为28mm 、长为1450mm 的长玻璃管，玻璃管进口做成喇叭形以保证水能平稳的流入管内，在进口端中心处插入注射针头，通过小橡皮管注入显色剂——红墨水。

水由水箱底部进入，并从上部溢流口排出，管内水流速可由管路下游的阀门控制。

本装置玻璃水箱主体由15mm的钢化玻璃粘接而成，所连接上下水管道均有不锈钢材质，下边的轮为能承重的加强轮，在做实验时，需要将轮刹车。

本实验其他设施：水、红墨水、秒表:1块、量筒：1000ml 1个四、实验步骤与现象观察1.开启上下阀门至溢流槽出现溢流。

2.缓和开启实验玻璃管出口阀门，为保证水面稳定，应维持少量溢流。

3.徐徐打开显示剂橡皮管上夹管，调整显示剂流速与管内水流速一致，观察显示剂流线，并记录一定时间内通过的水量和水温。

4.自小到大再自大到小调节流量，计算流型转变的临界雷诺数。

5.观察层流和湍流时速度分布侧形的差别。

6.观察湍流时壁面处的层流内层。

五、注意事项1．由于红墨水的密度大于水的密度，因此为使从给针头出来的红墨水线不发生沉降，需要红墨水用水稀释50％左右。

2．在观察层流流动时，当把水量调得足够小的情况下（在层流范围），禁止碰撞设备，甚至周围环境的震动、以及水面风的吹动均会对线型造成影响。

为防止上水时造成的液面波动，上水量不能太大，维持少量溢流即可。

化工原理实验讲义西北民族大学化工学院化学工程实验室实验1 雷诺实验一、实验目的1.了解管内流体质点的运动方式，认识不同流动形态的特点，掌握判别流行的准则；2. 观察圆直管内流体作层流、过渡流、湍流的流动形态。

二、实验内容以红墨水为示踪剂，观察圆直玻璃管内水为工作流体时，流体作层流、过渡流、湍流时的各种流动形态。

三、基本原理流体流动时存在两种不同的型态：即层流和湍流。

层流时大多数流体服从牛顿粘性定律、傅立叶定律和费克定律。

即动量传递量、热量传递量、质量传递量分别与速度梯度、温度梯度、浓度梯度成线性关系。

而湍流时流体不再服从这些定律，此时流体内会产生大量旋涡，以毫无秩序的方式快速运动，从而使过程变得复杂起来。

流动型态对传递过程有着非常显著的影响。

特别是,湍流流体中质点在径向的脉动，会造成垂直于主流方向上流体的强烈混合；这对减小边界层的厚度，进而降低传热与传质阻力，都是十分必要的。

在雷诺实验中，可以观察到层流和湍流的非常鲜明直观的流动现象。

低流量时着色水成一平稳的细线，在管心沿管轴流动；随着流量的逐渐增大，着色水便成为波浪形细线，并且不规则地波动；流量再增大，细线的波动加剧，进而形成许许多多旋涡向四周散开，致使着色水扩散至全管，从而使管内流体的颜色均匀一致。

实验中还可观察到湍流流体中不断有旋涡产生、移动、扩大、分裂和消失。

根据大量实验结果，发现影响流动状况的因素有：流体的性质ρ和μ、管内径d及流速u 。

雷诺数Re就是由这些影响因素组合成的一个无量纲群，即Reduρμ=( [Re] =m0kg0s0)式中 d ——管子内径( m )u ——流体流速( m·s-1 )ρ——流体密度( kg·m-3 )μ——流体粘度( Pa·s )当流体在圆形直管内流动时，若Re＜2000，流动型态为层流；而Re＞4000时，则为湍流，并且随着雷诺数的增大，反映出湍动强度在加剧；Re在2000～4000之间为过渡流，即可能是层流，也可能是湍流，即便是层流，流动也易受外界因素如噪声、震动等的影响而转变为湍流。

实验一 单相流动阻力测定一、实验内容1．测定给定管路内流体流动的直管摩擦系数λ及其与雷诺数Re 之间的关系曲线； 2．测定给定管路内阀门的局部阻力系数ξ。

二、实验目的1．掌握直管摩擦阻力、直管摩擦系数的测定方法及其工程意义，学会用量纲分析法规划实验； 2．掌握不同流量下摩擦系数与雷诺数之间的关系及其变化规律，学会用双对数坐标纸绘图； 3．学习U 管压差计、压差传感器测量压差、流量计测量流量的方法； 4．学习局部阻力系数的测定方法。

三、实验原理流体管路是由直管、阀门、管件（如三通、弯头、大小头等）等部件组成。

实际流体具有粘性，流体在管路中流动时，由于流体本身的内摩擦和流动过程中产生的涡流，将导致一定的机械能损失，宏观上表现为流体流动过程中有阻力。

流体在直管中流动时所受到的阻力称为直管阻力（或沿程阻力），它所产生的机械能损失称为直管阻力损失。

流体流经各种阀门、管件等部件时，因流动方向或流动截面的突然改变导致的机械能损失称为局部阻力损失。

在化工过程设计中，流体流动阻力的测定或计算，对于确定流体输送所需推动力的大小，例如泵的功率、液位或压差，选择适当的输送条件都有不可或缺的作用。

1.直管摩擦系数λ与雷诺数关系Re 的测定流体在水平的均匀管道中作稳定流动时，被测管道两截面间的阻力损失h f 表现为压强的降低，即：ρρp p p h f ∆=-=21 （1-1）影响阻力损失的因素很多，为减少实验工作量，降低实验实施难度，可采用量纲分析法来规划实验（量纲分析法参阅有关教材）。

由量纲分析法可以导出阻力损失的统一表达式（范宁公式）：22u d l h f λ= （1-2）由式（1-1）和（1-2）：22u p l d ∆=ρλ （1-3）而， μρdu =Re （1-4）λ是Re 和相对粗粗度ε/d 的函数，可表示为： ()dελRe,Φ＝ （1-5）对于给定的管路，λ～Re 关系可以由实验测定。

2.局部阻力系数ξ的测定局部阻力通常用当量长度或局部阻力系数法来表示。

1 流体阻力测定实验1.1实验目的1）掌握流体流经直管和阀门时阻力损失的测定方法，通过实验了解流体流动中能量损失的变化规律。

2）测定直管摩擦系数λ与雷诺准数Re 的关系，将所得的λ~Re 方程与经验公式比较。

3）测定流体流经阀门时的局部阻力系数ξ。

4）学会倒U 形差压计、差压传感器、涡轮流量计的使用方法。

5）观察组成管路的各种管件、阀门，并了解其作用。

1.2基本原理流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。

1)沿程阻力流体在水平等径圆管中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低，即 ρρpp p h f ∆=-=21 (1—1)影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。

为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量组合成准数关联式。

根据因次分析，影响阻力损失的因素有， (1)流体性质：密度ρ、粘度μ；(2)管路的几何尺寸：管径d 、管长l 、管壁粗糙度ε； (3)流动条件：流速μ。

可表示为：),,,,,(ερμu l d f p =∆ (1—2)组合成如下的无因次式：),,(2d d l du u p εμρρΦ=∆ (1—3)2),(2u d l d du p．．εμρϕρ=∆令 ),(ddu εμρϕλ= (1—4) 则式（1—1）变为：22u d l ph f λρ=∆= （1－5）式中，λ称为摩擦系数。

层流 (滞流)时，λ＝64／Re ；湍流时λ是雷诺准数Re 和相对粗糙度的函数，须由实验确定。

2)局部阻力局部阻力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，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号le 表示。