1、化工原理實驗講義合肥學院化學與材料工程系實驗一 流體流動阻力測定一、實驗目的1掌握流體流經直管和管閥件時阻力損失的測定方法，通過實驗了解流體流動中能量損失的變化規律。 2、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，確定摩擦阻力系數和雷諾準數Re 之間的關系。將所得的Re方程與公認經驗關系比較。 3測定流體流經閘閥等管件時的局部阻力系數。 4學會壓差計和流量計的使用方法，了解差壓變送器、功率傳感器的工作原理。熟悉測定流體流經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的工程意義。5觀察組成管路的各種管件、閥件，了解其作用。二、基本原理 流體在管內流動時，由于粘性剪應力和渦流的

2、存在，不可避免地要消耗一定的機械能，這種機械能的消耗包括流體流經直管的沿程阻力和因流體運動方向改變所引起的局部阻力。 1沿程阻力 流體在水平均勻管道中穩定流動時，阻力損失表現為壓力降低。即 影響阻力損失的因素很多，尤其對湍流流體，目前尚不能完全用理論方法求解，必須通過實驗研究其規律。為了減少實驗工作量，使實驗結果具有普遍意義，必須采用因次分析方法將各變量綜合成準數關聯式。根據因次分析，影響阻力損失的因素有， (1)流體性質：密度，粘度； (2)管路的幾何尺寸：管徑d，管長l，管壁粗糙度； (3)流動條件：流速。 可表示為： 組合成如下的無因次式： 令 則式中，壓降 Pahf直管阻力損失 J/k

3、g，流體密度kg/m3直管摩擦系數，無因次l直管長度 md直管內徑 mu流體流速，由實驗測定 m/s稱為直管摩擦系數。滯流(層流)時，64Re；湍流時是雷諾準數Re和相對粗糙度的函數，須由實驗確定.2局部阻力 局部阻力通常有兩種表示方法，即當量長度法和阻力系數法。 當量長度法 流體流過某管件或閥門時，因局部阻力造成的損失，相當于流體流過與其具有相當管徑長度的直管阻力損失，這個直管長度稱為當量長度，用符號le表示。這樣，就可以用直管阻力的公式來計算局部阻力損失，而且在管路計算時可將管路中的直骨長度與管件、閥門的當量長度合并在一起計算，如管路中直管長度為乙各種局部阻力的當量長度之和為 ，則流體在管

4、路中流動時的總阻力損失 為 阻力系數法 流體通過某一管件或閥門時的阻力損失用流體在管路小的動能系數來表示，這種計算局 部阻力的方法，稱為阻力系數法。 即 式中，局部阻力系數，無因次； u在小截面管中流體的平均流速，ms。 由于管件兩側距測壓孔問的直管長度很短引起的摩擦阻力與局部阻力相比，可以忽略不計。因此hf之值可應用柏努利方程由壓差計讀數求取。 三、實驗裝置與流程 1實驗裝置 圖1-1 實驗裝置流程圖實驗裝置如圖1-1所示。主要部分由離心泵，不同管徑、材質的管子，各種閥門或管件，轉子流量計等組成。從上向下第一根為不銹鋼光滑管，第二根為鍍鋅鐵管，分別用于光滑管和粗糙管湍流流體流動阻力的測定。第

5、三根為不銹鋼管，其上裝有待測管件(閘閥)，用于局部阻力的測定。流體溫度有熱電阻，流體流量由渦輪流量計測量，壓差有壓差變送器測量。本實驗的介質為水，由離心泵供給，經實驗裝置后的水通過管道流入儲水箱內循環使用。 2裝置結構尺寸 裝置結構尺寸如表1-1所示。 表1-1 裝置參數名稱材質管內徑（mm）測試段長度（m）裝置（1m）裝置（2c）光滑管不銹鋼食品管29.529.01.5粗糙管鍍鋅鐵管29.929.21.5局部阻力閘閥35.8635.86圖1-2：控制柜面板1、空氣開關 2、3、4電源指示燈 5、流量控制儀 6、6路巡檢儀（單位m3h）：第一通道測量離心泵進口壓力（單位：kpa），第二通道測量

6、離心泵出口壓力（單位：kpa），第三通道測量離心泵轉速（單位：rmin）第四通道測量流體阻力壓差（單位：pa）第五通道測量流體溫度（單位：攝氏度），第六通道沒用，7、功率表（單位：KW）8、儀表電源指示燈、9、儀表電源開關，10、變頻器電源指示燈，11、變頻器電源開關，12、離心泵電源指示燈、13、離心泵直接或變頻器運行轉換開關，14、離心泵啟動按鈕，15、離心泵停止按鈕。四、實驗步驟及注意事項1灌泵儲水箱中出水到適當位置（大概三分之二處）關閉閥1、閥2、閥3、閥4、閥5、打開離心泵出口排氣閥和進口灌水閥，用水杯從灌水閥灌水，氣體從排汽閥排出，直到排水閥有水排出并且沒有氣泡灌水完畢，關閉排氣閥

7、和灌水閥。2啟動水泵打開控制柜上1空氣開關，打開9儀表電源開關，儀表指示燈10亮，儀表上電，顯示被測數據。把轉換開關轉到直接位置，指示燈12亮，按一下離心泵啟動按鈕，離心泵運轉，啟動按鈕指示燈亮，水泵啟動完畢。3光滑管排氣先打開光滑管與差壓變送器相連的閥門，粗糙管和局部阻力與差壓變送器相連的閥門關閉，打開閥3和閥2，排出光滑管中的氣體，關上閥2，打開差壓變送器的兩個排汽閥，排出管道中的氣體，直到沒有氣泡排出為止，關閉差壓變送器上的兩個排汽閥，光滑管排氣完畢。4光滑管實驗打開流體阻力監控軟件數據班級、姓名、學號等信息，進入流體阻力實驗，點擊光滑管，調節閥2，每隔1m3h采集一組實驗數據（等數據穩

8、定之后再采集），從2m3h開始到最大流量，但注意最大流量時壓差不能超過10kpa，如果超過調節閥門2，使壓差不超過10kpa。光滑管數據采集完畢后，先關閉閥2和閥3，再關閉光滑管與差壓變送器相連的兩個閥門。5.粗糙管實驗粗糙管排氣與光滑管排氣類似，先打開粗糙管與差壓變送器相連的兩個閥門，再打開閥4和閥2，排出粗糙管中的氣體，關閉閥2，打開差壓變送器的兩個排汽閥，排出管道中的氣體，直到沒有氣泡排出為止，關閉差壓變送器上的兩個排汽閥，粗糙管排氣完畢。點擊粗粗管，調節閥2，每隔1m3h采集一組實驗數據（等數據穩定之后再采集），從2m3h開始到最大流量，但注意最大流量時壓差不能超過10kpa，如果超過

9、調節閥門2，使壓差不超過10kpa。粗糙管數據采集完畢后，先關閉閥2和閥4，再關閉光滑管與差壓變送器相連的兩個閥門。6.局部阻力實驗局部阻力排氣與光滑管排氣類似，先打開局部阻力與差壓變送器相連的兩個閥門，再打開閥5和閥2，排出粗糙管中的氣體，關閉閥2，打開差壓變送器的兩個排汽閥，排出管道中的氣體，直到沒有氣泡排出為止，關閉差壓變送器上的兩個排汽閥，局部阻力排氣完畢。點擊局部阻力，調節閥2，每隔1m3h采集一組實驗數據（等數據穩定之后再采集），從2m3h開始到最大流量，但注意最大流量時壓差不能超過10kpa，如果超過調節閥門2，使壓差不超過10kpa。局部阻力數據采集完畢后，先關閉閥2和閥5，再

10、關閉光滑管與差壓變送器相連的兩個閥門。流體阻力實驗完畢。7、數據處理實驗數據記錄序號流量L/s（湍流 ）或(L/h)(層流 )光滑管kPa粗糙管kPa局部阻力kPa層流kPa壓差壓差壓差 壓差實驗數據采集完畢，打開數據處理軟件，打開實驗數據，執行相應的軟件功能，就可算出流體雷諾系數與摩擦因數的關系，執行繪圖功能，就可繪出雷諾系數與摩擦因數的曲線關系，執行打印功能就可打印實驗數據和實驗處理結果。五、實驗報告 1根據粗糙管實驗結果，在雙對數坐標紙上標繪出Re曲線，對照化工原理教材上有關圖形，即可估出該管的相對粗糙度和絕對粗糙度。 2根據光滑管實驗結果，對照柏拉修斯方程，計算其誤差。 3根據局部阻力

11、實驗結果，求出閘閥全開時的平均值。 4對實驗結果進行分析討論。 注：流體阻力控制儀表（AI519）參數P30 I3 D1六、思考題 1在對裝置做排氣工作時，是否一定要關閉流程尾部的流量調節閥?為什么? 2如何檢驗測試系統內的空氣已經被排除干凈? 3以水做介質所測得的Re關系能否適用于其它流體?如何應用? 4在不同設備上(包括不同管徑)，不同水溫下測定的Re數據能否關聯在同一條曲線上? 5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? 6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。 實驗二 過濾常數的測定一、實驗目的1熟悉板框壓濾裝置

12、的構造和操作方法；2通過恒壓過濾實驗,驗證過濾基本原理；3學會測定過濾常數K、qe。二、基本原理過濾是以某種多孔物質作為介質來處理懸浮液的操作。在外力作用下，懸浮液中的液體通過介質的孔道而固體顆粒被截留下來，從而實現固液分離。過濾操作中，隨著過濾過程的進行，固體顆粒層的厚度不斷增加，故在恒壓過濾操作中，過濾速率不斷降低。影響過濾速率的主要因素除壓強差、濾餅厚度外，還有濾餅和懸浮液的性質，懸浮液溫度，過濾介質的阻力等，在低雷諾數范圍內，過濾速率計算式為：(1)u：過濾速度，m/sK：康采尼常數，層流時，K5.0：床層空隙率，m3/m3：濾液粘度，Pasa：顆粒的比表面積，m2/m3p：過濾的壓強

13、差，PaL：床層厚度，m由此可以導出過濾基本方程式：(2)V：過濾體積，m3：過濾時間，sA：過濾面積，m2Ve：虛擬濾液體積，m3r：濾餅比阻，1/m2，r=5.0a2(1-)2/3r：單位壓強下的比阻，1/m2，r= rpsv：濾餅體積與相應濾液體積之比，無因次S：濾餅壓縮性指數，無因次，一般S01，對不可壓縮濾餅，S0恒壓過濾時，令k=1/rv，K=2kp1-s，q=V/A，qe=Ve/A，對(2)式積分得：(q+qe)2=K(+e)(3)K、q、qe三者總稱為過濾常數，由實驗測定。對（3）式微分得：2(q+qe)dq=Kd (4)用/q代替d/dq，在恒壓條件下，用秒表和量筒分別測定一

14、系列時間間隔i，和對應的濾液體積Vi，可計算出一系列i、qi、qi，在直角坐標系中繪制/qq的函數關系，得一直線，斜率為2/K，截距為2qe/K，可求得K和qe，三、實驗裝置與流程實驗裝置如圖4-1、4-2所示：圖4-1 板框壓慮機過濾流程圖圖4-1 板框壓濾機過濾流程1-可移動框架 2-閥2 3-止回閥 4-壓力料罐 5-玻璃視鏡 6-壓緊手輪 7-壓力表 8-板框組 9-板框進口壓力表 10-壓力定值調節閥 12-閥10 13-閥9 14-配料槽 15-指示尺 16-閥6 17-閥7 18-閥8 19-閥5 20-閥4 21-閥3 22-閥1 CaCO3的懸浮液在配料桶內配制一定濃度后，利

15、用壓差送入壓力料槽中，用壓縮空氣攪拌，同時利用壓縮空氣將濾漿送入板框壓濾機過濾，濾液流入量筒計量，壓縮空氣從壓力料槽排空管排出。板框壓慮機的結構尺寸：框厚度11mm，過濾總面積 0.048m2。單個濾框面積0.006m2空氣壓縮機規格型號：V 0.08/8，最大氣壓0.8Mpa。四、實驗步驟與注意事項（一）實驗步驟：1、配制含CaCO3813（wt%）的水懸浮液。2、開啟空壓機，打開閥2、閥3，關閉閥1閥4、閥5，將壓縮空氣通入配料槽，使CaCO3懸浮液攪拌均勻。 3、正確裝好濾板、濾框及濾布。濾布使用前用水浸濕。濾布要繃緊，不能起皺（注意：用螺旋壓緊時，千萬不要把手指壓傷，先慢慢轉動手輪使板

16、框合上，然后再壓緊）。4、等配料槽料液攪拌均勻后，關閉閥3，打開閥5及壓力料槽上的排氣閥，使料漿自動由配料桶流入壓力料槽至其視鏡2/3處，關閉閥5。5、打開閥4，通壓縮空氣至壓力料槽，使容器內料漿不斷攪拌。壓力料槽的排氣閥應不斷排氣，但又不能噴漿。6、調節壓力料槽的壓力到需要的值。主要依靠調節壓力料槽出口處的壓力定值調節閥來控制出口壓力恒定，壓力料槽的壓力由壓力表讀出。壓力定值0.2MPa做實驗7、手動實驗時每次實驗應在濾液從匯集管剛流出的時候作為開始時刻，記下時間，每次V取300ml左右，測量810個讀數即可停止實驗。8、每次濾液及濾餅均收集在小桶內，濾餅弄細后重新倒入料漿桶內，實驗結束后要

17、沖洗濾框、濾板及濾布不要折，應用刷子刷。（二）注意事項： 1在夾緊濾布時，千萬不要把手指壓傷，先慢慢轉動手輪使板框合上，然后再壓緊。 2濾餅及濾液循環下次實驗可繼續使用。五、實驗原始記錄過濾面積A=0.048 m2 室溫t= p= Mpa實驗序號（s）V（m3）12345678910六實驗數據處理及結果分析過濾面積A=0.048 m2 室溫t= p= Mpa實驗序號（s）V（m3）q=V/A(m3/m2)/q(s/m)12345678910/q對q做圖，求出K和qe七、思考題1當操作壓強增加一倍，K值是否也增加一倍？要得到同樣的過濾液，過濾時間是否縮短一半？2為什么過濾開始時，濾液常常有點混濁

18、，過段時間后才變清？3在過濾中，初始階段為什么不能采取恒壓操作？4如果濾液的粘度比較大，你考慮用什么方法改善過濾速率？5 濾漿的濃度和過濾壓差對過濾常數K有何影響？實驗三 填料吸收塔體積傳質系數的測定一、實驗目的1了解填料塔吸收裝置的基本結構及流程；2掌握總體積傳質系數的測定方法；3了解氣體空塔速度和液體噴淋密度對總體積傳質系數的影響；二、基本原理氣體吸收是典型的傳質過程之一。由于CO2氣體無味、無毒、廉價，所以氣體吸收實驗常選擇CO2作為溶質組分。本實驗采用水吸收空氣中的CO2組分。一般CO2在水中的溶解度很小，即使預先將一定量的CO2氣體通入空氣中混合以提高空氣中的CO2濃度，水中的CO2

19、含量仍然很低，所以吸收的計算方法可按低濃度來處理，并且此體系CO2氣體的解吸過程屬于液膜控制。因此，本實驗主要測定Kxa和HOL。1計算公式填料層高度Z為 式中：L 液體通過塔截面的摩爾流量，kmol / (m2·s)； Kxa 以X為推動力的液相總體積傳質系數，kmol / (m3·s)； HOL 液相總傳質單元高度，m； NOL 液相總傳質單元數，無因次。令：吸收因數A=L/mG 2測定方法（1）空氣流量和水流量的測定本實驗采用轉子流量計測得空氣和水的流量，并根據實驗條件（溫度和壓力）和有關公式換算成空氣和水的摩爾流量。（2）測定填料層高度Z和塔徑D；（3）測定塔頂和塔

20、底氣相組成y1和y2；（4）平衡關系。本實驗的平衡關系可寫成y = mx 式中：m 相平衡常數，m=E/P；E 亨利系數，Ef(t)，Pa，根據液相溫度由附錄查得；P 總壓，Pa，取1atm。對清水而言，x2=0,由全塔物料衡算可得x1 。三、實驗裝置1裝置流程實驗裝置如圖1所示。本實驗裝置流程：由自來水來的水經離心泵加壓后送入填料塔塔頂經噴頭噴淋在填料頂層。由壓縮機送來的空氣和由二氧化碳鋼瓶來的二氧化碳混合后，一起進入氣體中間貯罐，然后再直接進入塔底，與水在塔內進行逆流接觸，進行質量和熱量的交換，由塔頂出來的尾氣經轉子流量計后放空，由于本實驗為低濃度氣體的吸收，所以熱量交換可略，整個實驗過程

21、看成是等溫操作。圖1 吸收裝置流程圖 1、2-手閥 3-取樣口 4-排氣口 5-取樣口 6-有機玻璃塔節 7-噴淋頭 8-壓力表 9-氣體流量調節閥門10-氣體轉子流量計 11-氣體取樣口 12-氣體溫度傳感器 13-儀表控制箱 14-液體溫度傳感器 15-液體流量調節閥 16-液體轉子流量計 17-壓力表 18-壓力定值調節閥 19-空氣壓縮機 20-CO2 鋼瓶 21-減壓閥2主要設備（1）吸收塔：高效填料塔，塔徑100mm，塔內裝有金屬絲網板波紋規整填料，填料層總高度1200mm。塔頂有液體初始分布器，塔中部有液體再分布器，塔底部有柵板式填料支承裝置。填料塔底部有液封裝置，以避免氣體泄漏

22、。（2）填料：金屬絲網板波紋規整填料，規格：100×100。（3）轉子流量計；介質條 件最大流量最小刻度標定介質標定條件空氣4m3/h0.4 m3/h空氣20 1.0133×105PaCO2250 L/h25 L/h空氣20 1.0133×105Pa水600L/h60 L/h水20 1.0133×105Pa（4）空壓機：壓力0.8MPa，排氣量0.08 m3/min；（5）二氧化碳鋼瓶鋼瓶；四、實驗步驟與注意事項1.實驗步驟（1）熟悉實驗流程及其配套儀器結構、原理、使用方法及其注意事項；（2）打開儀表電源開關；（3）開啟液體調節閥門，讓水進入填料塔潤濕填

23、料，仔細調節液體調節閥門，使液體轉子流量計流量穩定在某一實驗值。（塔底液封控制：仔細調節閥門2的開度，使塔底液位緩慢地在一段區間內變化，以免塔底液封過高溢滿或過低而泄氣；（4）啟動空壓機，打開CO2鋼瓶總閥，并緩慢調節鋼瓶的減壓閥（注意減壓閥的開關方向與普通閥門的開關方向相反，順時針為開，逆時針為關），使其壓力穩定在0.10.2Mpa左右；（5）調節CO2轉子流量計的流量，使其穩定在某一值；（6）待塔操作穩定后，讀取各流量計的讀數，并讀取各溫度讀數，進行取樣并分析出塔頂、塔底氣相組成；（7）實驗完畢，關閉CO2轉子流量計，液體轉子流量計，再關閉空壓機電源開關，清理實驗儀器和實驗場地。 2注意事

24、項（1）固定好操作點后，應隨時注意調整以保持各量不變。（2）在填料塔操作條件改變后，需要有較長的穩定時間，一定要等到穩定以后方能讀取有關數據。（3）由于CO2在水中的溶解度很小，因此，在分析組成時一定要仔細認真，這是做好本試驗的關鍵。五、實驗數據記錄及處理序 號項目12333.0147774567空氣流量計顯示值，m3/hr計前表壓，mmH2O溫度，CO2流量計顯示值，m3/hr計前表壓，mmH2O溫度，水量流量計顯示值，m3/hr溫度，壓力大氣壓，kPa塔頂表壓，mmH2O填料層表壓，mmH2O濕式流量計初讀數終讀數壓力降，mmH2O溫度，1在雙對數坐標紙上繪圖表示二氧化碳解吸時體積傳質系數

25、、傳質單元高度與氣體流量的關系。2 列出實驗結果與計算示例。六、思考題1本實驗中，為什么塔底要有液封？液封高度如何計算？2測定Kxa有什么工程意義？3當氣體溫度和液體溫度不同時，應用什么溫度計算亨利系數？附：二氧化碳液相濃度的氣敏電極分析法1原理 二氧化碳氣敏電極是基于界面化學反應的敏化電極，實際上是一種化學電池，它以平板玻璃電極為指示電極AgAgCl為外參比電極，這對電極組裝在一個套管中，管中盛有電解質溶液(電極內充液)，管底部緊靠選擇性電極敏感膜。裝有透氣膜使電解液與外部試液隔開，如圖433所示。 圖433 CO2氣敏電極示意圖測定試液中CO2時，向試液中加入適量的酸，使HCO3轉化成CO

26、2氣體，CO2氣體擴散透過透氣膜，進入氣敏電極的敏感膜與透氣膜間的極薄液層內，使得NaHCO3電解質溶液平衡發生移動，由玻璃電極測得其pH值的變化，從而間接測得試液中CO2濃度。 CO2氣敏電極與AgAgCl電極組成如下工作電池： 根據理論分析，此時電池的電動勢為 EK（2.303RTF）·1ogHCO3- （4 ¾¾ 30） 可見，在一定的實驗條件下，溶液中HCO3濃度的對數值與電池的電動勢E成線性關系。為此，可配制一系列已知HCO3濃度的溶液，測出其相應的電動勢，然后把測得的E值對logHCO3值繪制標準曲線(或回歸成E與logHCO3的線性關系)，在同樣條件下測出對應于欲測溶液的E值，即可從標準曲線上查得試液中的HCO3(或由回歸方程求得)。 2測試裝置與方法 (1)測試儀器 PHS3C型酸度計(上海雷磁分析儀器廠)。 502型CO2氣敏電極(江蘇電分析儀器廠)。 501型超級恒溫槽。 電磁攪拌器，玻璃夾套杯。50精密溫度計。 (2) 裝置流程 CO2氣敏電極測量裝置流程如圖434所示。 (3)實驗用藥品 NaCl(分析純)，NaHCO3(分析純)，濃硫酸(化學純)，檸檬酸三鈉，AgCl晶體。 (4)試驗方法 （i）溶液配制 電極內充液 準確稱取0.8401gNaHCO3(室溫干燥24h)和