化工单元操作实训讲义

化工单元操作实训1化工单元操作实训讲义李薇高永利王宏王舜平合编主审：化工原理教研室化工单元操作实训2目录实训一流体流动类型与雷诺准数的测定‥‥‥‥‥‥‥‥3实训二流体机械能的转化‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥6实训三流体流动阻力的测定‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥10实训四离心泵性能曲线的测定‥‥‥‥‥‥‥‥‥17实训五传热‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥22实训六精馏‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥30实训七吸收系数的测定‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥35化工单元操作实训3实训一流体流动类型与雷诺准数的测定一、实训目的1、观察流体在管内流动的两种不同流动类型；2、测定临界雷诺准数；3、观察流体在管内层流流动时的速度分布；4、熟悉雷诺准数与流动类型的关系；5、了解溢流装置的结构和作用，熟悉转子流量计的流量校正方法。二、基本原理流体有两种不同的流动类型，层流(又称滞流)和湍流(又称紊流)。层流流动时，流体质点作平行于管轴线方向的直线运动。湍流流动时，流体质点除沿管轴线方向作主体流动外，还在各个方向上作剧烈的随机运动。雷诺准数可以判断流动类型，若流体在圆管内流动，则雷诺准数Re可用下式表示：Re=du/一般认为Re2000时，流动为层流，Re4000时，流动为湍流，Re在两者之间时，有时为层流，有时为湍流，和环境有关。对于一定温度的某液体(和一定)，在特定的圆管内(d一定)流动时，雷诺准数仅是流速的函数。当流速较小时(雷诺准数也较小)，染色液在管内沿轴线方向成一条清晰的细直线，为层流流动。随流速增大，染色细线呈现波浪形，有较清晰的轮廓。当流速增至某一值以后，染色液体一进入玻璃管内即与水完全混合，为湍流流动。据此可以观察流体在管内流动的两种不同流动类型，测定临界雷诺准数。三、实训装置及流程实训装置由高位槽(槽内有溢流和稳流装置)、圆形玻璃管、转子流量计、染色液系统和调节阀等组成。实验介质为水，染色液为墨水。实验时水由高位槽流入垂直玻璃管6，经流量调节阀和转子流量计后，排入下水道，水量由流量调节阀控制。墨水由墨水瓶经墨水调节阀和墨水排出针头流入玻璃管，用墨水调节阀调节墨水量。实训时应避免一切震动影响，才能获得满意的实训结果。实训装置如图1化工单元操作实训4图1四、实训步骤1、打开上水阀，为高位槽注水并保持有溢流；2、检查转子流量计是否正常；3、慢慢打开流量调节阀，使水缓缓流过玻璃管。(开始时流量宜小)；4、打开墨水调节阀，调节墨水流速与水的流速基本一致。如果墨水不成一条细直线，用流量调节阀调节流量，使墨水成一条细直线。观察流动状况，记录观察到的现象和转子流量计的读数；5、缓慢增加水的流量，分别记录当细直线微动、细直线开始呈波浪形前进、细直线螺旋前进、细直线断裂产生旋涡并混合、墨水与主流混合均匀(墨水线的轮廓消失)时所观察到的现象和转子流量计的读数；6、逐渐关小流量调节阀，重复以上步骤，分别记录观察到的现象和转子流量计的读数；7、关闭流量调节阀，打开墨水调节阀，向玻璃管中静止的水里注入墨水，使玻璃管上部的水染上颜色。慢慢打开流量调节阀，控制流量，使水作层流流动，观察层化工单元操作实训5流时流体在管道横截面上各点的速度变化(速度分布)；8、测量并记录玻璃管的内直径和水的温度，根据水温查出水的密度和粘度。五、数据记录与结果处理玻璃管的内直径：mm；水温：℃；水的密度：kg/m3；水的粘度：Pa.S。序号流量计读数流量V[m3/S]流速u[m/S]雷诺准数Re现象观察记录由Re判断的流动类型下临界雷诺准数Rec=；上临界雷诺准数Rec=。结果分析：六、思考题1、不同的流动类型对流体流动与输送过程、传热过程和传质过程有何影响？研究流动类型对设计管路有何意义？2、能否只用流速的大小判断流动类型？为什么？影响流动类型的因素有哪些？3、雷诺准数为什么能判断流动类型？如何判断？4、流量由大到小操作过程中，稳定细直线刚刚恢复时的Re与流量由小到大操作过程中的细直线微动前的Re相同吗？如偏差较大，试分析其原因。化工单元操作实训6实训二流体机械能的变化一、实训目的1、加深对流体的各种机械能相互转化概念的理解；2、观察流体流经非等径、非水平管路时，各截面上静压头之变化；3、测定管路某截面的最大流速；4、了解流体静止的条件；5、理解流体流动阻力的表现(理解沿程阻力)。二、基本原理1、液体在管路中作稳定流动时，由于流通截面积的变化致使各截面上的流速不同，而引起相应的静压头之变化，其关系可由柏努利方程式描述，即gP1+Z1+gu221+He=gP2+Z2+gu222+Hf对于水平非等径无泵玻璃管路，当管段较短时，阻力很小，可以忽略，则上式变为gP1+gu221=gP2+gu222因此，由于流通截面积的变化引起流速的变化，致使部分静压头转换为动压头或部分动压头转换为静压头，它的变化可由测压管中液柱高度表示出来。对于等径不水平玻璃管路，当管段较短时，阻力很小，可以忽略，则上式变为gP1+Z1=gP2+Z2因此，由于位置高度的变化引起位压头的变化，致使部分位压头转换为静压头，它的变化也可由测压管中液柱高度表示出来。2、当流体静止时，流速为零，则柏努利方程变为gP1+Z1=gP2+Z2化工单元操作实训7即静止流体内部各截面的静压头与位压头之和为常数，是流体静止的条件。3、当流量一定时，某截面的活动测压头的测压孔方向变化，会引起测压管内液柱高度的变化。当测压孔的开孔方向与流动方向垂直时，测压管内液柱高度即为测压孔处液体的静压头，测压孔开孔方向转为正对流体流动方向时，测压管内液位上升，此时，测压管内液柱高度表示测压孔处液体的静压头和动压头之和(即冲压头)，液位升高值就是测压孔处的动压头，即：H=gu22；则u=Hg2（注意H的单位）据此可以测定测压孔处流速或最大流速。4、实际流体有粘性，流动时会产生内摩擦力，将机械能转变为热能，使水平等径直管内流体的静压头不断下降。三、实训装置及流程实训装置由高位槽(有稳流和溢流装置)、玻璃管路、测压管、活动测压头、水槽、流量调节阀和循环水泵等组成。实训介质为水。活动测压头的小管底端封闭，侧身开有小孔，小孔中心在管子轴线上。转动测压头可分别测定静压头或冲压头。玻璃管路安装四根测压管，水槽中的水由循环水泵打入高位槽，流入玻璃管，用流量调节阀调节流量。实训装置如图2图2化工单元操作实训8四、实训步骤1、为高位槽注水关闭流量调节阀A，启动循环水泵，排除管路和测压管中的气泡，调节上水阀B的开度使高位槽液面稳定且有溢流；2、在流量调节阀A关闭时(管中流体静止)，观察并记录各测压管中的液柱高度H，旋转活动测压头，观察各测压管中的液柱高度有无变化；3、打开流量调节阀A、保持较小流量，旋转活动测压头，使测压孔正对水流方向，观察并记录各测压管中的液柱高度H＇；4、保证测压孔正对流动方向，开大流量调节阀A，观察各测压管中的液柱高度的变化，记录各测压管中的液柱高度H＂；5、保持流量调节阀A的开度(流量与步骤4相同)，旋转活动测压头，使测压孔与水流方向垂直，观察各测压管中的液柱高度的变化，记录各测压管中的液柱高度H”’；6、用量筒和秒表，测量步骤4和步骤5的流量(流量相同)，可测量两次取平均值。五、数据记录与结果处理1、压头测量d1=mm；d2=mm；d3=mm；d4=mm；水温：℃序液柱高压头测量值[mm]备注号代号测压点1测压点2测压点3测压点4阀A状态与测压孔方向1H阀关、先垂直后旋转2Ｈ＇阀开、正对水流3Ｈ＂阀再开大、正对水流4Ｈ”’阀不变、与水流垂直化工单元操作实训92、流量、流速的测量与计算序秒表量筒体平均体积测量平均流速点速度平均流速号读数[S]积[mm3]流量[m3/S]点[m/s](1)[m/s][m/s](2)1点22点3注：平均流速(1)按体积平均流量计算；点速度按测量出的动压头计算；平均流速(2)根据点速度计算。结果分析：六、思考题1、阀A全关时，各测压管中液位是否在同一水平面上？为什么？液位高度与测压孔的方向有无关系？为什么点4的液柱高度比点3的大一些？2、阀A打开后，流体开始流动，什么地方供给能量？3、为什么HH＇？为什么距高位槽越远，（Ｈ－Ｈ＇）的差值越大？这一差值的物理意义是什么？4、为什么随流速增大，测压管中液位下降？5、2点与1、3、5点所测得的是否一致？为什么？化工单元操作实训10实训三流体流动阻力的测定一、实训目的1、熟悉流体流经直管和管件、阀件时的阻力损失的测定方法；2、掌握摩擦系数(摩擦因数)和阻力系数的测定方法，了解摩擦系数与雷诺准数和相对粗糙度关系图(Moody图)的绘制方法；3、学会压差计和流量计的使用方法；4、认识管路中各个管件、阀件并了解其作用。二、基本原理流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一些机械能。流体在直管中流动而损失的机械能称直管阻力，流体流经管件、阀件等局部障碍造成流动方向和流通面积的突变而损失的机械能称局部阻力。根据柏努利方程式Hf=Z1-Z2+gpp21+guu22221当流体在等径水平直管作定常流动时，由截面1流到截面2时的阻力损失表现在压强的降低，即Hf=gpp21只要测出两截面的压强差(P1-P2)，就可确定直管阻力。根据直管阻力计算公式Hf=gudL22于是λ=22LugdHf从上式得之，只要测得流体在一定长度、一定管径、一定流速下流动时的直管阻力，即可确定摩擦系数。摩擦系数仅是雷诺准数和相对粗糙度的函数，确定它们的关系只要用水作物系，在实验装置中进行有限量的实验即可得到。本实训测定光滑管的摩擦系数与雷诺准数化工单元操作实训11的关系并画出关系曲线。根据局部阻力的计算公式Hf`=gu22只要测定出流速和流体流经管件或阀件产生的压强降，即可确定阻力系数。三、实训装置及流程实训装置由塑料管、螺纹管、细铜管、弯头、阀门、流量计、压差计、水槽和循环水泵组成。实训介质为水。装置流程见图31—Dg40塑料管；2—Dg6细铜管；3—Dg25塑料管；4—Φ18螺纹管；5—孔板流量计；6—文氏流量计；7—截止阀；8—弯头；9—皮托管；10—突然扩大；11—调节阀；12—水位式测压计；13—倒U形管；14—U形管；15—量筒；16—活动摆头；17—电气盒；18—水槽；19—计量槽水位计；20—测压点；21—闸阀；22、23闸阀；24—针行阀；25—水泵。图3─1化工单元操作实训12本装置可以测定直管内滞流和湍流的直管阻力损失、摩擦系数及摩擦系数与雷诺准数的关系，螺纹管阻力损失、摩擦系数及摩擦系数与雷诺准数的关系，管件和阀件的局部阻力损失和阻力系数及阻力系数的平均值。还可以进行流量计的校正实验。塑料直管两端的压强差用U形管压差计测量，指示液为水银。弯头两端的压强差用倒U形管压差计测量，细铜管两端压强差用水位计式测压计测量。实训前，应根据测定目标确定相应流程，即打开某些阀门或关闭某些阀门，组成特定的测试回路，找好测试点安排专人记录。注意排除管路和压差计中的气体，排气时要严防U形管中水银被冲走。操作中应缓慢改变调节阀开度，保证管内流体流量缓慢变化。流量调节后须经一定时间的稳定方可测取各有关参数的数据。四、实训步骤(一)湍流区摩擦系数的测定1、打开闸阀(21)，关闭截止阀(7)，组成如下图的测试回路；图3—12、排除管路和U形管压差计中的气泡；3、利用秒表、摆头和计量槽测流量，记录流量数据(也可以读取连接在孔板流量计处的压差计读数)，同时读取和记录连接在塑料管两截面的U形管压差计的读数；4、调节流量，记录在不同流量下的流量数据和U形管压差计的读数。化工单元操作实训13(二)弯头阻力系数的测定在测定摩擦系数的同时，可以测定弯头的阻力系数。在记录流量数据、U形管压差计读数的同时记录连接在弯头两端的倒U形管压差计的读数。(三)滞流区摩擦系数的测定1、关闭闸阀(21)，打开截止阀(7)，组成如下图的测试回路。图3—2为使阀门调节性能良好和稳定，须控制阀前压力，方法是使阀(22)半开，(例如全程阀门手轮转7圈，半开为3.5圈