化工原理实验教程合肥工业大学2011年9月前言化工原理是一门工程应用科学，它利用自然科学的原理来考察、研究化工单元操作中的实际问题，研究强化过程的方法，寻找开发新技术的途经。

化工原理课程要求理论联系实际，其发展离不开实验研究与数学模型分析，所以化工原理实验是化工原理课程的一个重要教学环节，也是化工、制药、环境、食品、生物工程等院系或专业教学计划中的一门必修课程，属于工程实验范畴，与一般化学实验相比，其不同之处在于它具有工程特点，每个实验项目都相当于化工生产中的一个单元操作，通过实验能建立起一定的工程概念，同时，随着实验课的进行，会遇到大量的工程实际问题，对理工科学生来说，可以在实验过程中更实际、更有效地学到更多工程实验方面的原理及测试手段，发现复杂的真实设备与工艺过程同描述这一过程的数学模型之间的关系，也可以认识到对于一个看起来似乎很复杂的过程，一经了解，可以只用最基本的原理来解释和描述。

因此，在实验课的全过程中，学生在思维方法和创新能力方面都得到培养和提高，为今后的工作打下坚实的基础。

通过教学实验，达到以下目的：1.验证化工单元操作的基本理论与经验公式，将书本知识转变为感性知识，并使学生在运用理论对实验进行分析的过程中巩固和加深对课程教学内容的理解。

2.通过实验环节熟悉化工单元操作设备的结构、性能，掌握测试方法，培养学生的实际操作技能。

3.在实验环节中学习如何根据实验任务制订实验方案，学会如何控制和测量操作参数，如何获得准确、完整的数据，以及如何整理、分析实验数据与结果，从而使学生掌握科学实验的全过程，提高学生独立分析与解决问题的能力，为今后从事科学研究活动打下良好的基础。

根据教学计划的变更和化学工程与工艺专业认证对化工原理课程和实验教学新的要求，我室在原有实验装置的基础上新添置了“液-液萃取塔的操作及其传质单元高度的测定”和“流化床干燥器的操作及其干燥速率曲线的测定”两个实验，各套实验数据均采用计算机处理，可直接得到实验结果与图表，以直观地验证实验过程的准确性。

由于各专业教学要求有所不同，实验内容也可有不同，但至少要选做五至七个实验，即使同一个实验，其具体的实验任务也可有所侧重，每个实验全过程包括四个环节：预习、实验操作、实验数据处理与实验报告编写等四个环节，每个学生均必须严格按照要求保质保量完成实验。

本实验教程由魏凤玉、刘雪霆、何兵、路绪旺、姚路路等编写，由于时间仓促，作者水平有限，文中不妥之处，恳请指正。

2011年9月于斛兵塘目录实验一流体流型的观察与测定 (2)实验二传热系数的测定 (4)实验三填料吸收塔流体力学性能的测定 (7)实验一 流体流型的观察与测定一、实验目的1、 观察流体在管内流动的两种不同型态，加强层流和湍流两种流动类型的感性认识；2、掌握雷诺准数Re 的测定与计算；3、测定临界雷诺数。

二、基本原理雷诺（Reynolds ）用实验方法研究流体流动时，发现影响流动类型的因素除流速u 外，还有管径（或当量管径）d ，流体的密度ρ及粘度μ，由此四个物理量组成的无因次数群Re 的值是判定流体流动类型的一个标准。

μρdu R e =（1－1）Re<2000~2300时为层流，Re>4000时为湍流，2000<Re<4000时为过渡区，在此区间流型可能表现为流层，也可能表现为湍流。

从雷诺数的定义式来看对同一个仪器d 为定值，故u 仅为流量的函数。

对于流体水来说,ρ、μ几乎仅为温度的函数。

因此确定了水的温度及流量，即可计算雷诺数。

注意：雷诺实验要求减少外界干扰，严格要求时应在有避免震动设施的房间内进行。

如果条件不具备，演示实验也可以在一般房间内进行。

因为外界干扰及管子粗细不均匀等原因，层流的雷诺数上界达不到2000，只能达到1600左右。

层流时红墨水成一直线流下，不与水相混。

湍流时红墨水与水混旋，分不出界限。

三、实验装置及仪器试验装置如图1－1所示，液面保持一定高度的水箱与玻璃测试管相连，水箱上放有颜色水瓶，测试管上安有带针头的胶塞，用出口阀调节流量，用转子流量计测定流量。

试验时水由高位水箱进入玻璃管，槽内水由进水管供应，槽内设有进水稳流装置及溢流箱用以维持平稳而又稳定的液面，多余之水由溢流管排入水沟。

图1－1 雷诺实验装置四、实验步骤1、检查针头是否堵塞，颜色水是否沉淀。

进水2、向水箱内注水。

3、打开出口阀，排除实验管中的气体。

4、开启上水阀，使高位槽充水至产生溢流时关闭（若条件许可，此步骤可在实验前数小时进行，以使高位槽中的水经过静置，消除旋流，提高实验的准确度）。

5、开颜色水阀，使颜色水由针头注入玻璃试验管。

6、逐步开大排水阀，观察不同雷诺数时的流动状况，并把现象记入表中。

7、做两种情况下的对比实验：（1）关闭高位槽的进水阀，保持液面平静，从观察的玻璃管中，测取管中水流从层流转变为湍流时的Re临界值。

注意，此时液面虽平静，但液面的高度是在缓慢下降的。

（2）开启高位槽的进水阀以保持槽中液面高度不变，但此时液面是不平而有波动的，测取此时的Re临界值，并分析和比较两种情况下的实验结果。

8、观察层流时流体质点的速度分布。

层流时，由于流体与管壁间的摩擦力及流体内摩擦力的作用，管中心处流体质点速度最大，愈靠近管壁速度愈小。

因此，静止时处于同一横截面的流体质点，开始层流流动后，由于速度不同，组成了旋转抛物面（即由抛物线绕其对称轴旋转形成的曲面）。

先打开红墨水阀门，使红墨水扩散为团状。

再稍稍开启排水阀，使红墨水缓慢随水运动，则可观察到红墨水团前端的界限，形成了旋转抛物面。

五、思考题1、影响流动形态的因素有哪些？2、如果管子是不透明的，不能直接观察管中的流动形态，你可以用什么办法来判断流体在管中的流动形态？3、有人说可以只用流速来判断管子中的流动形态，流速低于某一个具体数时是层流，否则是湍流，这种看法对吗？在什么条件下可以只由流速来判断流动形态？4、研究流动形态有何意义？实验二 传热系数的测定一、实验目的1、通过实验掌握总传热系数K 和传热膜系数α的测定方法；2、通过实验提高对α关联式的理解，了解工程上强化传热的措施；3、测定流体在圆形直管内作强制湍流时的传热准数方程式。

二、基本原理1.总传热系数的测定 根据传热速率方程式：m t KA Q ∆= （2－1）如果实验设备保温良好,系统的热损失可忽略不计, 根据热量衡算式得得热负荷Q()i o p v t t c q Q -=ρ （2－2）则mt A QK ∆=（2－3） os i s io m t T t T t t t ---=∆ln（2－4）式中：K ——传热系数，W/m 2.K ρ——流体的密度，m 3/kgA ——换热器的传热面积，m 2 q v ——流体的体积流量, m 3/sQ ——传热量,W C P ——流体的恒压热容，J/kg.K T s ——水蒸气的温度，K t i 、t o ——冷流体的进、出口温度，Km t ∆——传热对数平均温度差2.传热膜系数的测定流体与壁面的对流传热可由牛顿冷却定律表示Q =αA （t w －t ） （2－5）A ——传热面积（内管外表面积），m 2T w ——传热管的外壁面平均温度，K α——对流传热系数，W/m 2.K在实验中只要已知管壁的平均温度和流体的平均温度t ，即可计算出传热膜系数α的值。

3.传热准数方程的测定当流体在圆形直管内强制湍流时的对流传热准数关联式为：Nu = C Re m Pr n （2－6） 其中λαlN u =，λμp r C P = 对于同一物系的实验，当控制换热器冷流体的进出口温度基本保持不变时，Pr n 也可以视为常数，因此有me n ruCR PN = （2－7）这样就简化成单变量方程。

两边取对数，得到直线方程：lglg lg Re PrnNuC m =+ （2－8）在双对数坐标系中作图，直线斜率即为方程的指数m, 由纵轴上的截距即可求得C 。

可得出流体在圆形直管内作强制湍流的Dittus －Boeiter 关联式nr e u P R N 8.0023.0= （2－9）式中 n = 0.4（流体被加热）n=0.3（流体被冷却）三、实验装置本实验中的换热器为套管式，内管为φ24×2mm 的铜管，有效管长1000mm 。

实验装置如图5.1所示。

实验选用空气为冷流体，水蒸汽为热流体。

空气来自鼓风机，经转子流量计测量流量、温度计测量温度后，进入换热器管程，换热后在出口处测量其出口温度。

水蒸汽来自蒸汽发生器，经蒸汽调节阀调节至一定压力后进入换热器的壳程，并在入口处测量其压力，与冷空气换热后冷凝水经疏水阀排至地沟。

四、实验步骤1、开启空气压缩机，使气体充满压缩空气罐，并用调节阀将气量调节至实验范围内；2、缓慢开启蒸汽调节阀，用旁路排出蒸汽管道内积存的冷凝水，用放气阀排尽夹套内的空气；3、缓慢地调节蒸汽阀，使蒸汽压力维持在实验值，稳定一段时间后读取水蒸气压力表读数、气量以及气体的进出口温度；4、改变空气流量和水蒸气压力，测定4～5组数据。

调节蒸汽阀的过程中，注意仪表的滞后性，待过程稳定后方可记录数据。

五、数据处理1、原始数据记录表装置编号六、思考题1．本实验中冷流体和蒸汽的流向对传热效果有什么影响？2．为什么实验开始时必须首先排尽夹套里的不凝性气体以及积存的冷凝水？3．实验中铜管壁面温度是接近水蒸气温度还是接近空气的温度？为什么？4．在实验中，有哪些因素影响实验的稳定性？5．影响传热系数K的因素有哪些？如何强化该传热过程？实验三填料吸收塔流体力学性能的测定一．实验目的1.了解填料吸收塔的结构和基本流程；2.了解填料吸收塔的操作方法；3.测定空塔气速、喷淋密度与填料层压降间的关系。

二、实验原理填料塔的流体力学性能主要包括气体通过填料层的压降、液泛气速、持液量及气液两种流体的分布等，本实验将测定不同喷淋密度下通过填料层的压降与空塔气速间的关系，并观察填料表面的液流状态及液泛现象。

三、实验装置如图6.1所示为本实验的流程，空气由风机供给，旁路阀用以调节空气流量，空气经油水分离器及转子流量计后进入塔底，从塔顶排气管排出。

水经调节阀及转子流量计后从塔顶喷洒入塔，经液封管排出。

气体通过填料层的压降用U型压差计测量。

图3.1 填料塔流程图四、实验步骤1.打开旁路阀，启动风机，由小到大逐渐调节空气的流量，记录干塔条件下不同空气流量时的填料层压降值。

2.打开进水阀以充分润湿填料，然后再调节水量至适宜值，为了保证填料的润湿，喷淋量不应少于50 L/h，记录不同气速下填料层的压降值，至塔内发生液泛为止，并记录液泛点气速。

改变喷淋密度，并观察压降与液泛气速的变化。

五实验数据记录六、思考题1.空气流量有转子流量计测定，如何换算成实际流量？2.液泛点气速与喷淋密度有何关系？为什么？。