化工原理实验讲义绪论1实验一雷诺实验3实验二伯努利方程实验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实验六恒压过滤常数的测定15实验七传热实验17实验八精馅实验23实验十干燥实验29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。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。我们针对这部分的要求在每个实验的后面布置了许多思考题，可引导和启发同学们认真做实验，并通过实验环节，理解过程原理及各种影响因素。故要求同学们在做实验和完成实验报告中认真完成这些思考题。2.初步掌握化工工程问题的研究方法，熟悉化工数据基本测试技术。工程中无论实验研究法和数学模型法均离不开实验测定各种化工数据。通过实验过程可进一步认识解决工程问题的这些方法，同时也熟悉这些设备、仪表的结构、主要性能及基本操作。三、化工原理实验预习报告每次做实验前必须将实验预习报告交给实验指导教师检查合格后方能进行实验
化工原理实验讲义 绪 论 1 实验一 雷诺实验 3 实验二 伯努利方程实验 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 实验六 恒压过滤常数的测定 15 实验七 传热实验 17 实验八 精馏实验 23 实验十 干燥实验 29 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。 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。我们 针对这部分的要求在每个实验的后面布置了许多思考题，可引导和启发同学们认真做实验，并通过实验环节，理解 过程原理及各种影响因素。故要求同学们在做实验和完成实验报告中认真完成这些思考题。 2.初步掌握化工工程问题的研究方法，熟悉化工数据基本测试技术。工程中无论实验研究法和数学模型法均离 不开实验测定各种化工数据。通过实验过程可进一步认识解决工程问题的这些方法，同时也熟悉这些设备、仪表的 结构、主要性能及基本操作。 三、化工原理实验预习报告 每次做实验前必须将实验预习报告交给实验指导教师检查合格后方能进行实验
实验预习报告内容：（1）实验目的及内容：做什么？（2）实验意义及原理：为什么做？（3）实验中必须取哪些数据，列出数据记录简表：如何做？四、化工原理实验报告内容1.实验目的；2.实验原理：要说明实验的依据及要测量的数据；3.实验装置：实验流程图和流程说明；4.实验主要操作步骤；5.实验数据记录：列表记录实验中数值及单位：6.数据整理：列出数据整理表，并写出数据计算过程示例：7.实验结果及结论：将实验结果用图形或关系式表示出，并得出结论；8.分析与讨论：就实验中的问题进行分析：9.思考题。实验一雷诺实验一、实验目的1.观察流体在管内流动的两种不同型态；2.确定临界雷诺数二、基本原理流体流动有两种不同型态，即层流（滞流）和端流（紊流）。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的直线运动，端流时质点在沿管轴流动的同时还作杂乱无章的随机运动。雷诺数是判断流动型态的准数。若流体在圆管内流动，则雷诺数可用下式表示：Re=dhpH(1-1)式中：d一圆管内径，m;u——流速，m/s;P——流体密度，kg/m严——流体粘度，Pa·s。一般认为Re<2000时，流动型态为层流；Re>4000，流动型态为流。Re数在两者之间时为过渡区，有时为层流，有时为端流，流动型态与环境有关
实验预习报告内容： （1）实验目的及内容：做什么？ （2）实验意义及原理：为什么做？ （3）实验中必须取哪些数据，列出数据记录简表：如何做？ 四、化工原理实验报告内容 1．实验目的； 2．实验原理：要说明实验的依据及要测量的数据； 3．实验装置：实验流程图和流程说明； 4．实验主要操作步骤； 5．实验数据记录：列表记录实验中数值及单位； 6．数据整理：列出数据整理表，并写出数据计算过程示例； 7．实验结果及结论：将实验结果用图形或关系式表示出，并得出结论； 8．分析与讨论：就实验中的问题进行分析； 9．思考题。 实验一 雷诺实验 一、实验目的 1.观察流体在管内流动的两种不同型态； 2.确定临界雷诺数 二、基本原理 流体流动有两种不同型态，即层流（滞流）和湍流（紊流）。流体作层流流动时，其流体质点作平行于管轴的 直线运动，湍流时质点在沿管轴流动的同时还作杂乱无章的随机运动。雷诺数是判断流动型态的准数。若流体在圆 管内流动，则雷诺数可用下式表示： （1-1） 式中： ——圆管内径，m； u——流速，m/s； —— 流体密度，kg/m3 ； ——流体粘度，Pa·s。 一般认为Re＜2000时，流动型态为层流；Re＞4000，流动型态为湍流。Re数在两者之间时为过渡区，有时为层 流，有时为湍流，流动型态与环境有关
对一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺数仅与流速有关。本实验通过改变水在管内的流速，观察流体在管内流动型态的变化。三、思考题1.影响流动型态的因素有哪些？2.如果管子是不透明的，应如何来判断管中的流动型态？3.能否只用流速判断管中的流动型态？为什么？4.为什么要研究流动型态？在化工过程中有何意义？5.通过本实验能观察到哪些流体流动现象？实验二柏努利方程实验一、实验目的1.熟悉流动流体中各种能量和压头的概念及其相互转换关系，进一步理解柏努利方程的含义；2.观察流速的变化规律；3．观察各项压头变化的规律。二、基本原理流动的流体具有位能、动能和静压能三种机械能，这三种能量可以相互转换。当管路条件改变时（如位置高低、管径大小），它们便会自行转化。如果是理想流体，因其不存在因摩擦和碰撞而产生机械能损失，在不输入外功的情况下，流体在稳定流动中流过各截面上的机械能的总和是相等的。对实际流体来说，因为存在内摩擦，流动过程中有一部分机械能因摩擦和碰撞转化为热能而损失，在不输入外功的情况下，两截面间机械能的差即为摩擦损失。流体机械能可用测压管中的一段液体柱的高度来表示。在流体力学中，把表示各种机械能的流体高度称为“压头”。表示位能的为位压头：表示动能的称为动压头（或速度头）：表示压强能（或静压能）的称为静压头（或压头）；已损失的机械能称为压头损失。当测压管上的小孔（即测压孔的中心线）与水流方向垂直进，测压管内液柱高度（从测压孔算起）即为静压头，它反映测压点处液体的压强大小。测压孔处液体的位压头则由测压孔的几何高度决定。当测压孔由上述方位转为正对水流方向时，测压管内液位将因此上升，所增加的液体高度，即为测压孔处液体的动压头，它反映该点水流动能的大小。这时测压管内液体总高度则为静压头与动压头之和。任何两上截面位压头、动压头、静压头三者总和之差即为损失压头，它表示为液体流经这两个截面之间时机械能的损失
对一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺数仅与流速有关。本实验通过改变水在管内的流速，观察流体 在管内流动型态的变化。 三、思考题 1．影响流动型态的因素有哪些？ 2．如果管子是不透明的，应如何来判断管中的流动型态？ 3．能否只用流速判断管中的流动型态？为什么？ 4．为什么要研究流动型态？在化工过程中有何意义？ 5．通过本实验能观察到哪些流体流动现象？ 实验二 柏努利方程实验 一、实验目的 1．熟悉流动流体中各种能量和压头的概念及其相互转换关系，进一步理解柏努利方程的含义； 2．观察流速的变化规律； 3．观察各项压头变化的规律。 二、基本原理 流动的流体具有位能、动能和静压能三种机械能，这三种能量可以相互转换。当管路条件改变时（如位置高 低、管径大小），它们便会自行转化。如果是理想流体，因其不存在因摩擦和碰撞而产生机械能损失，在不输入外 功的情况下，流体在稳定流动中流过各截面上的机械能的总和是相等的。 对实际流体来说，因为存在内摩擦，流动过程中有一部分机械能因摩擦和碰撞转化为热能而损失，在不输入外 功的情况下，两截面间机械能的差即为摩擦损失。 流体机械能可用测压管中的一段液体柱的高度来表示。在流体力学中，把表示各种机械能的流体高度称为“压 头”。表示位能的为位压头；表示动能的称为动压头（或速度头）；表示压强能（或静压能）的称为静压头（或压 头）；已损失的机械能称为压头损失。 当测压管上的小孔（即测压孔的中心线）与水流方向垂直进，测压管内液柱高度（从测压孔算起）即为静压 头，它反映测压点处液体的压强大小。测压孔处液体的位压头则由测压孔的几何高度决定。 当测压孔由上述方位转为正对水流方向时，测压管内液位将因此上升，所增加的液体高度，即为测压孔处液体 的动压头，它反映该点水流动能的大小。这时测压管内液体总高度则为静压头与动压头之和。 任何两上截面位压头、动压头、静压头三者总和之差即为损失压头，它表示为液体流经这两个截面之间时机械 能的损失
-图1柏务利市程演示实验装置1,2,3,4,6-测压头6一循环水精7—管路系8-9压管9一高位水情10一造汽背一流量调节试三、实验装置实验装置如图1所示。四、思考题1.关闭A阀，各测压管旋转时，液位高度H有无变化？这一现象说明什么？这一高度的物理意义又是什么？2．当测压孔正对水流方向时，各测压管的位高度H的物理意义是什么？3.开动水泵，开阀A至一定开度，将测压孔转到正对水流方向时，观察各测压管的高度H，为什么H>H，（对同一点面言）？为什么距离水槽越远，（H一H）的差值越大？其物理意义是什么？4.测压孔正对水流方向，开大阀A，流速增大，动压头增大，为什么测压管液位反而下降？5.将测压孔正对水流方向，转至与水流方向垂直，为什么各测压管的液位下降？下降的液位代表什么压头？实验三流体流动阻力的测定一、实验目的1.掌握流体流经直管和管件时，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a与雷诺准数Re的关系，将所得的a~Re方程与公认经验关系式比较；3.测定阀门的阻力系数图.4.了解阀门开度对管路压力的影响。二、实验意义及原理流体在管路中流动时，由于粘性剪切力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定机械能。这部分机械能是不能自发地转换成其它机械能形式，或者说在机械能中“永久”消失了，故在利用柏努利方程解决工程中流体输送及与流动有关问题时，不可避免地必须将阻力损失项计算出来。管路通常由直管和管件（如三通、肘管及弯头等）、阀件
三、实验装置 实验装置如图1所示。 四、思考题 1．关闭A阀，各测压管旋转时，液位高度H有无变化？这一现象说明什么？这一高度的物理意义又是什么？ 2．当测压孔正对水流方向时，各测压管的位高度H的物理意义是什么？ 3．开动水泵，开阀A至一定开度，将测压孔转到正对水流方向时，观察各测压管的高度H1，为什么H>H1（对同 一点面言）？为什么距离水槽越远，（H－H1）的差值越大？其物理意义是什么？ 4．测压孔正对水流方向，开大阀A，流速增大，动压头增大，为什么测压管液位反而下降？ 5．将测压孔正对水流方向，转至与水流方向垂直，为什么各测压管的液位下降？下降的液位代表什么压头？ 实验三 流体流动阻力的测定 一、实验目的 1．掌握流体流经直管和管件时，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 与雷诺准数Re的关系，将所得的 ～Re方程与公认经验关系式比较； 3．测定阀门的阻力系数 ； 4.了解阀门开度对管路压力的影响。 二、实验意义及原理 流体在管路中流动时，由于粘性剪切力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定机械能。这部分机械能是不能自 发地转换成其它机械能形式，或者说在机械能中“永久”消失了，故在利用柏努利方程解决工程中流体输送及与流 动有关问题时，不可避免地必须将阻力损失项计算出来。管路通常由直管和管件（如三通、肘管及弯头等）、阀件
组成。流体在直管内流动造成的机械能损失称为直管阻力，而通过管件、阀件等局部障碍时，因流道截面的方向与大小发生变化而造成的机械能损失称为局部阻力。1.直管阻力测定原理：研究流的直管阻力时采用了实验研究法，通过因次分析法规划实验，将物性、流动条件及管道各种几何尺寸等众多因素归纳为：=(2)(3-1)转换成直管阻力计算式为：h,=元?d2(3-2)式中：he-直管阻力损失，J/kg：1一直管长度，m；d直管内径，m；-流体的速度，m/s；a摩擦系数。在内径为d，长度为1的水平直管两端列柏努利方程：h,=g(22-2)+P2-P12-222p(3-3)：22=z(水平管),马=(等径):.4ph,=P-P.1p0(3-4)式中：P2-PL两截面的压强差，Pa；pl一流体的密度，kg/m3又根据直管阻力计算式：21u2=2<(3-5)
组成。流体在直管内流动造成的机械能损失称为直管阻力，而通过管件、阀件等局部障碍时，因流道截面的方向与 大小发生变化而造成的机械能损失称为局部阻力。 1.直管阻力测定原理： 研究湍流的直管阻力时采用了实验研究法，通过因次分析法规划实验，将物性、流动条件及管道各种几何尺寸 等众多因素归纳为： （3-1） 转换成直管阻力计算式为： （3-2） 式中： ——直管阻力损失，J/kg； ——直管长度，m； ——直管内径，ｍ； ——流体的速度，m/s； ——摩擦系数。 在内径为d，长度为l的水平直管两端列柏努利方程： （3-3） ∴ （3-4） 式中： ——两截面的压强差，Pa； —— 流体的密度，kg/m3 又根据直管阻力计算式： （3-5）