化工原理实验

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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，所以化工原理实验也是解决工程问题必不可少的重要部分。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来解决实际工程问题：实验研究法和数学模型法。对于实验研究法，在析因实验的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（这是化工原理实验的一个重要特点）。
　　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另一个特点）。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、流量计等设备和仪表。
　　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，应通过化工原理实验及实习等实践性环节，来深入理解和掌握课堂讲授的内容。我们针对这部分要求在每个实验后布置了思考题，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。同学们应在做实验和完成实验报告时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和仪表的结构、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并检查合格后方能进行实验。实验预习报告内容如下。
　　（1）实验目的及内容——做什么？
　　（2）实验意义及原理——为什么做？
　　（3）实验中必须测量哪些数据？列出数据记录简表——如何做？
　　四、化工原理实验报告内容
　　实验报告内容如下。
　　（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：列表记录实验数据及单位。
　　（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，并得出结论。
　　（8）分析与讨论：对实验中的问题进行分析。
　　（9）思考题的答案。
　　实验一　流体流动型态及临界雷诺数的测定
　　问题导读（预习思考）
　　●影响流体流动型态的因素有哪些？
　　●层流和湍流的区别可以从哪几个方面进行区分？
　　●在计算临界雷诺数时，需要知道或实测哪些物理参数？
　　●用雷诺数判断流动状态的意义何在？
　　一、实验目的
　　（1）通过雷诺实验装置，观察流体流动过程不同型态的特点及其转变过程。
　　（2）建立对层流（滞流）和湍流两种流动类型的直观感性认识。
　　（3）测定流型转变时的临界雷诺数。
　　（4）理解转子流量计的测量原理与校正方法。
　　二、实验原理
　　（一）流体流动状态
　　流体流动存在两种不同的型态（层流和湍流），其本质的区别是在轴心线上的质点是否既有轴向速度又有径向速度。主要决定因素为流体的密度ρ、黏度μ、流体流动的速度u，以及设备的几何尺寸（在圆形导管中为导管直径d）。
　　雷诺研究表明，上述因素可整理归纳为一个无因次的复合数群——雷诺数（Re），即：
　　（1.1）
　　式中，d，圆直管的内径，m；
　　ρ，一定温度条件下流体的密度，kg/m3；
　　μ，一定温度条件下流体的黏度，Pa s；
　　u，圆直管内流体平均流速，m/s。
　　雷诺数是判断流体流动类型的准则。经大量实验测得：当雷诺数小于某一下临界值时，流体流型恒为层流；当雷诺数大于某一上临界值时，流体流型恒为湍流；在上临界值与下临界值之间，则为不稳定的过渡区域，流型可能是层流，也可能是湍流，与外界条件的干扰情况有关。
　　对于圆形导管，当Re<2000时，流动类型为层流；当Re>4000时，流动类型为湍流；2000<Re<4000时，流动类型不稳定，是过渡区域。
　　（二）转子流量计工作原理
　　转子流量计是常用的测量流量的仪表，又称浮子流量计，是变截面式流量计的一种，由金属转子和带有刻度的锥形透明管组成。测量流体的流量时，被测流体从锥形管下端流入，流体的流动冲击着转子，并对它产生一个作用力（这个力的大小随流量大小而变化）；当流量足够大时，所产生的作用力将转子托起，并使之升高。同时，被测流体流经转子与锥形管壁间的环形断面，这时作用在转子上的力有三个：流体对转子的动压力、转子在流体中的浮力和转子自身的重力。流量计垂直安装时，转子重心与锥形管管轴会重合，作用在转子上的三个力都沿平行于管轴的方向。当这三个力达到平衡时，转子就平稳地浮在锥形管内某一位置上。对于给定的转子流量计，转子大小和形状已经确定，因此它在流体中的浮力和自身重力都是已知常量，唯有流体对浮子的动压力是随来流流速的大小而变化的。因此当来流流速变大或变小时，转子将做向上或向下的移动，相应位置的流动截面积也发生变化，直到流速变成平衡时对应的速度，转子就在新的位置上稳定。对于一台给定的转子流量计，转子在锥形管中的位置与流体流经锥形管的流量大小成一一对应关系。
　　转子一般为陀螺形或纺锤形，读数时以陀螺形的上表面或纺锤形的中心为准，对应的刻度即为流量数值。流量计上的流量刻度是以20℃的清水作为介质，不同实测流量与不同转子高度一一对应。实际应用时由于流体的操作温度、流体的种类发生改变，因此需要在实验前对转子流量计进行标定，即以某一固定流量下的实测流量为横坐标，以转子流量计的读数为纵坐标，做一条标定曲线，实际流量则可通过标定曲线获得。
　　三、实验器材
　　（一）实验用具
　　量筒、秒表、水银温度计。
　　（二）实验仪器
　　本实验采用的装置为CEA-F01型雷诺实验仪。实验装置主要由稳压溢流水槽、实验导管和转子流量计等部分组成，如图1.1所示。自来水不断注入并充满稳压溢流水槽。稳压溢流水槽的水流经实验导管和流量计，最后排入下水道。稳压溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。实验中，实验导管中的水流量由流量调节阀V03控制。
　　图1.1　雷诺实验装置及流程
　　1. 示踪剂瓶；2. 稳压溢流水槽；3. 实验导管；4. 转子流量计；V01. 示踪剂调节阀；V02. 上水调节阀；V03. 流量调节阀；V04、V05. 泄水阀；V06. 排气阀
　　（三）实验试剂
　　示踪剂（蓝墨水）。
　　四、实验方法
　　（一）实验准备
　　（1）加适量示踪剂（蓝墨水）于贮瓶内备用。
　　（2）开启自来水阀门，用自来水充满稳压溢流水槽并保持溢流，以保证实验中具有稳定的压头。
　　（3）打开流量调节阀V03，检查管路是否有水流出，如果没有水流出，则需将转子流量计上方管路中的空气用反冲方法排出。
　　（4）用温度计测定水温。
　　（二）验证性实验
　　1. 标定转子流量计
　　在保证溢流的前提下调节出口阀门，使管路中流量由小依次增大，对转子流量计进行标定，转子流量计转子恒定在某一刻度时的读数作为指示流量，再以秒表计时，以量筒测量通过水的体积，计算水的实际体积流量作为标定流量，分别进行7组实验操作并记录于表1.1中，制作流量标定曲线。
　　2. 观察稳定的层流流型
　　将流量调至最小值（40L/h），再精细地调节示踪剂管路阀，使示踪剂（蓝墨水）的流速与实验导管内主体的流速相近（一般以略低于主体流体的流速为宜），直至能观察到一条平直的蓝色细流为止，并将流型现象记录于表1.2中。
　　3. 测定下临界雷诺数
　　以20L/h左右流量间隔逐渐增大水的流量，每调节到一个流量后，应略停片刻，使流体流动平稳，记下转子流量计所示流量，文字记录墨水线流动形态特征。流量增大直至实验导管内直线流动的墨水线开始发生波动时，记下水的流量和温度，并记录于表1.2中，以供计算下临界雷诺数据。
　　4. 测定上临界雷诺数
　继续以20L/h左右流量间隔缓慢地增加调节阀开度，使水流量平稳地增加。这时导管内流体的流型逐渐由层流向湍流过渡。当流量增大到某一数值后，示踪剂（蓝墨水）一进入实验导管，立即被分散呈烟雾状，这时表明流体的流型已进入湍流区域。记下转子流量计所示流量和水温，并记录于表1.2中，以供计算上临界雷诺数。这样的实验操作需反复进行数次（至少5或6次）以便取得较为准确的实验数据。
　　（三）自主性实验
　　（1）在层流流动时，利用示踪剂做出层流时速度沿径向分布的曲面，并画出该图形的平面图，研究速度沿径向分布规律。
　　（2）观察湍流流动时示踪剂的形状，绘制该形状的平面图，并沿径向根据流体流动状态分析流动区域。
　　（四）操作注意事项
　　（1）本实验用作示踪剂的蓝墨水，是从贮瓶经连接软管和注射针头注入实验导管的。应注意适当调节注射针头的位置，使针头位于管轴线上为佳；墨水的注射速度应与主体流体流速相近（略低些为宜），因此，随着水流速的增大，需相应地细心调节墨水注射流量，才能得到较好的实验效果。