化工原理实验多媒体课件化工原理教学实验中心
2002年1月序言一、化工原理实验的特点
1.工程实验工程实验与基础实验的区别：
A.面对复杂的实际问题和工程问题；
B.采用的方法是经验的或半理论半经验的；
C.处理对象是复杂的(变量多、物料变化大、设备尺寸悬殊)。
工程实验经常采用的方法为：因次分析法和数学模型法。
因次分析法：
黑箱法，不需要对过程的深入理解，不需要采用真实的物料、真实流体或实际的设备尺寸，只需借助模拟物料(如空气、水、黄砂等)在实验室规模的小设备中，
经一些预备性的实验或理性的推断得出过程因素，从而加以归纳和概括成经验方程，
因次分析法的优点：
由小见大、由此及彼、减少工作量。
因次分析法原理：
(1).物理方程的一致性
(2).π定理：任一方程可写成无因次方程
(3),相似原理：工业上与实验室无因次准数相等
2,实验目的掌握处理工程问题的实验方法；理论联系实际。
3,实验允许误差
3~5%，甚至可达20%。
二、因次分析法
1．因次、基本因次、导出因次和无因次数因次：量纲，物理量单位的种类；
基本因次：基本物理量的因次；
导出因次：导出物理量的因次，例如：速度u
无因次数：因次为0，例如：雷诺数Re
2．物理方程因次一致性例如：
s [L]，u
0
[LT
-1
]，t [T]，g[LT
-2
]
2
0
2
1
gttus +=
3．π定理及因次分析法某一物理现象中有n个独立变量，x1，x2…xn，
因变量y可以用因次一致关系来表示：
y=F（x1，x2…xn），
或f（y，x1，x2…xn）=0
由于方程中各项因次一致，函数f可以改为
（n-m）个独立的无因次数间的关系。
f（π
1
，π
2
，π
3
…π
n-m
）=0
因次分析的步骤：
A.确定对所研究的物理现象有影响的独立变量，设有n
个，f（x1，x2…xn）=0；
B.选择基本因次，力学中[M],[L],[T]，并用基本因次表示出所有各变量的因次；
C.选择m个变量作为基本变量(相互独立),流体力学中可选ρ,d,u 为基本变量；
D.列出无因次数，一般形式为：
E.该物理现象可以用（n-m）个参数的函数F来表达；
F.改变无因次数进行实验，以求得F的具体实现形式。
c
C
b
B
a
Aii
xxxx=π
实例：某厂采用φ300的管道，将硫酸从A地输送到B地，距离为50m，求该段距离的阻力损失？
采用因次分析法：
[1]流体性质：密度ρ，粘度μ；设备的几何尺寸：管径d，
管长l，管壁粗糙度ε；流动条件：流速u；阻力损失hf；
f (hf,ρ,μ,d,l,ε,u)=0 七个变量，工作量10
6
[2]分析各变量的因次：ρ[ML
-3
]，μ[ML
-1
T
-1
]，d[L]，
l[L]，ε[L]，u[LT
-1
]，hf[L
2
T
-2
]；
[3]选定基本变量：ρ，d，u；
[4]确定无因次数：
[ML
-1
T
-1
][ML
-3
]
a
[LT
-1
]
b
[L]
c
=[M
0
L
0
T
0
]
cba
duμρπ =
1
解之得：a=-1，b=-1，c=-1
所以，改写为熟悉的形式：
同理可得：π
4
=hf/u
2
[5] 四个变量，工作量10
3
实验室选取：管径φ30的管子，可由π
2
计算出管长为：5米
π
2
=l/d,50/300 = L/30,L=5米由π
1
计算出流速u，由π
4
计算出hf
udρ
μ
π =
1
μ
ρ
π
ud
=
1
d
l
=
2
π
d
ε
π =
3
0),,,(
4321
=ππππF
流体流动阻力的测定一、实验目的和内容
1.目的
[1]熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦阻力系数的工程意义；
[2]学会压差计和流量计的使用方法；
[3]识别组成管路的各个管件、阀门，并了解其作用；
[4]学会用因次分析法分析规划实验。
2.内容
[1] 测定特定ε/d下直管摩擦系数和雷诺数的关系；
[2]测定流体流经阀门时的阻力系数。
二、基本原理
1.直管阻力采用因此分析法规划实验：
[1]影响因素：
物性因素（流体性质）：密度ρ，粘度μ；
设备因素（流动的几何尺寸）：管径d，管长l，粗糙度ε；
操作因素（流动条件）：流速u；
[2]分析各变量的因次：ρ[ML
-3
]，μ[ML
-1
T
-1
]，d[L]，
l[L]，ε[L]，u[LT
-1
]，P[ML
-1
T
-2
]；
[3]选定基本变量：ρ，d，u；
[4]确定无因次数：
π1＝μρ
a
u
b
d
c
[ML
-1
T
-1
][ML
-3
]
a
[LT
-1
]
b
[L]
c
=[M
0
L
0
T
0
]
解之得：a= -1，b= -1，c= -1
所以，改写为熟悉的形式：
同理可得：，
[5],即引入得：
udρ
μ
π =
1
μ
ρ
π
ud
=
1
d
l
=
2
π
d
ε
π =
3 2
4
u
P
ρ
π
=
0),,,(
4321
=ππππF
),,(
2
dd
lud
u
P ε
μ
ρ
ρ
=
2
),(),,(
2
2
u
d
ud
d
lP
dd
lud
u
P
=
=
ε
μ
ρ
ρ
ε
μ
ρ
ρ
2
2
u
d
lP
hf?=
= λ
ρ
)(Re,
d
ε
λ =
2.局部阻力流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计算阻力系数的方法，称阻力系数法。
即
2
2
u
h
e
ξ=
三、实验装置及流程门阀
9
四、操作步骤
1.开泵之前，首先打开平衡阀、关闭出口阀；
2.排气：总管排气、引压管排气和压差计排气；
3,检验排气是否完全；
4, 确定量程，布点，8-10点；
5,通过控制阀调节流量，记录数据；
6,打开平衡阀，结束实验。
五、原始数据记录表格设备常数,d= L= ε/d = T(
O
C )=
No
数据处理离心泵特性曲线的测定一、实验目的和内容
1.目的
[1]熟悉离心泵操作，了解离心泵的结构和特性；
[2]学会离心泵特性曲线的测定方法。
2.内容测定一定转速下泵的特性曲线二、基本原理
1.特性曲线的测定泵的特性主要是指：一定转速下，泵的流量、扬程、功率和效率。
理想流体、叶片无限多，定常流动时，可推导出扬程的理论计算公式。但由于：（1）叶片不是无限多；
（2）摩擦阻力和局部阻力损失；
（3）流量变化引起冲击损失，因此扬程难以理论求解，故对每台泵的特性必须用试验求得。
泵的效率为有效功率和轴功率只比：
而，但N
轴不易测量，所以我们用N
电代替，即总效率
ee
gVHN ρ=
g
uu
hHH
g
uu
h
g
P
g
P
He
22
2
1
2
2
0
2
1
2
2
0
12
+++=
++?=
真压
ρρ
轴
N
N
e
=η
电总
N
N
e
=η
泵特性曲线测试流程
1 水槽 2 真空表 3 排气阀 4 离心泵 5 功率表 6 压强表 7 引水阀 8 温度计 9 涡轮流量计 10 控制阀三、实验装置及流程四、操作步骤
1.关闭出口阀和功率表开关。
2.引水灌泵，泵排气，启动泵。
3.打开出口阀及功率表，确定流量量程，分配15
个点。
4.每次调节稳定后，读取各表数据，特别不要忘记流量为0时的各表数据。
5 关泵，停止实验。
数据处理
1.坐标分度的确定作图时如果比例尺选择不当，可能导致错误的变量关系判断，造成函数关系的失真。标绘实验数据曲线时，应考虑X和Y的误差，获得所研究的变量之间的函数关系，具有唯一性。
通常选择的比例尺使2△X=2mm，2△y=2mm。根据该原则可求得坐标比例M：
Mx=1/△X，My=1/△y。
对于间接测量值：y=f(x1,x2…)，由泰勒级数展开：
进而可以求得比例尺。
例如：Y=2X
2
+3，当△X=0.2,X=2时，求△Y
解：△Y=4X×△X=4×2×0.2=0.8
....3
3
2
2
1
1
+?
+?
+?
=? x
x
f
x
x
f
x
x
f
y
比例尺的选择：
（1）流量误差及坐标比例尺（P
30
页）
示值误差：
Q=脉冲数/仪表常数*时间频率显示仪最小读数误差为1，涡轮流量计仪表常数为278.15，则
△Q1=1/278.15=3.595*10
-3
l/s
系统误差：
△Q2=[(1+0.0005)*(1+0.005)-1]*(10-1.6)*1000/3600=2.339*10
-2
l/s
△Q=max(△Q1,△Q2)=2.339*10
-2
l/s
M
Q
=1/2.339*10
-2
=42.75mm/(l/s),所以选比例尺为40mm/(l/s).
(2)扬程的误差及坐标比例尺（P
30
页）
压力表：
仪表误差：量程*精度=0.6*0.015=0.009MPa
示值误差：最小分度*估计值=0.02*1/5=0.004MPa
真空表：
仪表误差：量程*精度= 0.1*0.015=0.0015MPa
示值误差：最小分度*估计值= 0.002*1/5=0.0004MPa
△He=0.009*10
6
/(9.81*1000)+ 0.0015*10
6
/(9.81*1000)
=1.07mH
2
O
M
He
=1/1.07=0.93mm/(mH
2
O),所以选比例尺为1mm/(mH
2
O).
真压
HHHe?+?=?
过滤实验一、实验目的和内容
1.目的
（1）掌握过滤问题的简化工程处理方法，及过滤常数的测定；
（2）了解过滤设备的构造和操作方法。
2.内容测定恒压操作下过滤常数K、q
e
。
二、实验基本原理过滤是借多孔介质让通过它的气-固或液固悬浮液留下固体，
而让流体通过的过程。过滤得以实现的本质是因为流体在小剪应力作用下能发生形变，而固体不宜发生形变。过滤是流体通过固体颗粒层的流动，只是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进行而不断增加，因此在势能差不变的情况下，单位时间通过过滤介质的液体量也在不断下降，即过滤速度不断降低。过滤速度
ττ d
dq
Ad
dV
u ==
影响过滤速度的因素很多，包括势能差、滤饼厚度、滤饼和悬浮液的性质、悬浮液的温度、过滤介质的阻力等，故难以用严格的流体力学方法处理。比较过滤过程与流体通过固定床的流动可知：过滤速率即为流体经过固定床的表观速度u。同时，液体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动属于低雷诺数范围。因此，可利用流体通过固定床压降的简化数学模型，寻求q与t的关系。
在低雷诺数下，可采用康采尼方程：
L
P
Kad
dq
u
×
==
με
ε
τ '
1
)1(
22
3
对于不可压缩滤饼，由上式可以导出过滤速率的计算式：
)(2)(
ee
qq
K
qqr
P
d
dq
+
=
+
=
φμτ
在恒压操作时，上述微分方程积分后可得：
τKqqq
e
=+ 2
2
由该式可知：过滤设备、过滤条件一定时，过滤一定滤液量所需要的时间，或者在过滤时间、过滤条件一定，可计算所需的过滤设备的大小。
过滤设备：板框式过滤机、回转真空过滤机、离心式过滤设备、
动态过滤设备
K，qe只有通过实验才能测定。
将上述方程变形：
e
q
K
q
Kq
21
+=
τ
。
若在恒压过滤之前的t1时间内已通过单位过滤面的滤液量为q1，
则该式变化为：
ee
q
K
qq
K
qq
K
qq
Kqq
2
)(
1
)(
2
)(
1
111
1
1
++=++?=
ττ
，
从此式可以方便地求出K，qe。
1 配料桶 2 供料泵 3 接自来水 4 接压缩空气 5 压力表 6 高位槽 7 接下水道 8 过滤机 9 计量桶过滤装置流程三.
实验装置二、操作要点
1.过滤机的安装
7层顺序：支座—支承板－滤布-垫圈－框—分布板—盖子
2.各部件洗干净后安装，注意螺丝对角上。
3.进料少许，排气（注意安全）。
4.选定实验操作压强（0.08Mpa～0.11Mpa），维持液面，不超过计量桶2/3。
5.待计量桶中开始有液体滴出，开始记时，两只秒表，交替记时。
6.记录数据，每间隔2CM/1CM，记录到10组数据（1.5MIN/CM以上）。
7.关阀门，清洗过滤机。
五、数据处理数学模型法一、概述数学模型法是解决工程问题的一种实验规划方法，它要求对过程有深刻的认识，能做出高度的概括，即能得出足够简化而又不过于失真的模型，然后获得描述过程的数学方程。
二、数学模型法解决工程问题的大致步骤
(1)通过预实验认识过程，设想简化模型；
(2)通过实验检验简化模型的等效性；
(3)通过实验确定模型参数。
给热系数册测定一、实验目的和内容
1.目的
1)了解间壁式传热元件的研究和给热系数测定的实验组织方法；
2)掌握借助于热电偶测量壁面温度的方法；
3)学会给热系数测定的实验数据处理方法；
4)了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。
2,内容
1)测定饱和水蒸汽在垂直或水平圆管外冷凝时的给热系数；
2)测定冷水在圆管内作强制湍流时的给热系数,并确定Nu、
Re和Pr之间的关系。
二、实验基本原理间壁式传热装置的传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，
它是由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热三个传热过程所组成。
由传热速率方程知，单位时间、单位传热面所传递的热量q=K(T-t)，而对流传热所传的热量，对于冷、热流体可由牛顿冷却定律表示，也可以分别表示为：q=α
h
(T-t
w1
)和
q=α
c
(t
w2
-t)，在以冷流体侧的传热面为基准面的传热系数为
hh
c
m
c
c
A
A
A
A
K
+?+
αλ
δ
α
1
1
＝
δ
传热过程示意图热流体冷流体由于传热过程十分复杂，影响因素极多，目前尚不能通过解析法得到给热系数的关系式，故采用因此分析法来确定给热系数的影响因素。
影响因素：1)固体壁面的特征尺寸：l
2)流体的物理性质：ρ、μ、cp、λ
3)强制对流的流速：u
4)产生自然对流的升力经无因此化处理，得：
),,,,,,( Tguclf
p
βλμρα＝
321
0
PrRe
aaa
GraNu =
在强制对流时，可以忽略自然对流的影响，则：
Nu=a
0
Re
a1
Pr
a2
冷水被加热时,a2=0.4,即Nu/Pr
0.4
=a
0
Re
a1
其中：
λ
αl
Nu =，为努塞尔准数，描述对流给热的大小；
μ
ρul
=Re，为雷诺准数，描述流体流动状态；
λ
μ
p
r
C
p =，为普朗特准数，描述流体的物性；
2
23
μ
ρβ Tlg
Gr
=，为格拉斯霍夫准数，描述自然对流的运动状态。
在定常给热时，由能量衡算得：
Q＝Gcp(t2-t1)=DR-Q
损
由传热速率方程可分别表示为：
Q=α
h
A
h
T
mh
Q=α
c
A
c
T
mc
Q=KA
c
T
m
蒸汽下水下水下水上水下水下水疏水器给热系数测定流程放气阀三.实验装置流程图四、操作要点
1)先开冷水，然后开蒸汽；
2)开蒸汽后，排除不凝气；
3)控制蒸汽压力在0.5 Mpa;
4)第1组数据稳定时间为10～15min。
5) 调节冷水流量在350-1000 L/Hr
五、数据处理填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定一、实验目的和内容
1.目的
)了解填料吸收塔的结构和流程；
)了解吸收剂进口条件变化对吸收操作结果的影响；
)掌握吸收传质系数Kya的测定方法。
2.内容测定气体出口浓度y1、y2，计算组分回收率、传质推动力和传质系数。
)改变清水流量(L)；
)改变空气流量(G)；
)改变清水进口温度(T)。
二、基本原理
1.填料塔
)填料分类：
散堆填料（拉西环、阶梯环、鲍尔环、矩鞍形、环矩鞍）
规整填料（孔板波纹填料、丝网波纹填料
)填料的作用：
增大汽液接触面积；
增大汽液接触面的湍动程度。
)填料性能评价指标：
比表面积、空隙率、压降
(1)拉西环
A．名称：拉西环
B．开发年代：1914，1915，1916
C．开发者或开发单位：德国
F.Rasching,Rasching AG
(2)金属矩鞍环名称：英特洛克斯金属填料（Intalox Metal Tower Packing
），IMTP，金属矩鞍环开发年代：1977年开发者或开发单位：美国诺顿公司（NORTON）
(3)鲍尔环名称：鲍尔环（Pall Ring）
开发年代：1948年，1952年开发者或开发单位：德国BASF公司
(4)短阶梯环名称：短阶梯环开发年代：1986年开发者或开发单位：美国GLITSCH.CO
2.Kya的求取
G=G
空气
/（1-y1),m=0.5855e
0.0518t
注意：
各变量的单位：L，
G均为kmol/m2.h
L=l ×ρ/（M×A）
G按照PV=nRT求取。
3.操作调节
G改变对过程的影响（G增大）
L改变对过程的影响（L增大）
T改变对过程的影响（T升高）
三、实验装置及流程四、操作要点
1.实验点的分布
2.实验开始时，先开水，后开气，压力定值器定在0.2kgf/cm2。
3.取样时，先取出口，后取进口。
4.数据处理时，气体转子流量计需要校正。
5.加热电压175V。
一、实验目的和内容
1.目的
)熟悉板式塔的结构和精馏流程；
)理论联系实际，掌握精馏塔的操作；
)学会精馏塔效率的测定方法。
2.内容
（1）全回流操作，并测定全塔效率；
（2）对15%~20%（v）的水和乙醇混合液进行精馏分离，达到塔顶馏出液乙醇浓度大于90%（v），塔釜残液乙醇浓度小于5%
（v）；并在规定时间内完成300ml的塔顶采出量。
二、基本原理
1.板式塔的结构、分类及特点总体逆流，板上错流泡罩塔———筛板塔———浮阀塔
2.维持稳定的精馏精馏过程连续操作的条件
（1）物料平衡———总物料平衡和各组分平衡
（2）精馏塔应有足够的分离能力———塔板数和回流比
（3）维持正常的气液负荷量，避免发生以下不正常的操作状况：
严重的液沫夹带现象；严重的漏液现象；溢流液泛
3.产品不合格的原因及调节方法
（1）物料不平衡
Dx
D
>Fx
F
-Wx
W
表现：釜温合格，而顶温上升原因：顶底产品采出比例不当调节方法：不变加热蒸汽压，减小塔顶采出，加大塔釜出料和进料量
Dx
D
<Fx
F
-Wx
W
表现：釜温不合格，而顶温合格原因：顶底产品采出比例不当调节方法：不变回流量，加大塔顶采出，加大加热蒸汽压
（2）分离能力不够引起产品不合格的现象及调节方法表现：塔顶温度升高，塔底温度降低。
调节方法：加大回流比
4,灵敏板对于物料不平衡和分离能力不够造成的产品不合格现象，可早期通过灵敏板温度的变化得到预测。
全塔温度分布：
某一板的温度变化明显
5.板效率全塔效率定义：%100
1
×
=
N
N
T
η
三、流程图四、操作要点
1,预热开始后，要及时开启冷凝水的冷却水阀，当釜液沸腾后要注意控制加热量；
2,排除管道内的不凝气；
3,要注意釜内压强和灵敏板温度，塔釜操作压力约20KPa，
灵敏板温度约78~81℃；
4,取样应在稳定操作时进行。
5.全回流状态下的数据处理
（1）注意塔顶和塔釜浓度换算成mol浓度；
（2）作图求解理论塔板数
。
一、实验目的和内容
1.目的
)了解液液设备的结构和特点；
)掌握液液萃取塔的操作；
)掌握传质单元高度的测定方法，并分析外加能量对液液萃取塔传质单元高度和通量的影响。
2.内容
测定不同频率下的萃取效率（传质单元高度）；
在最大频率下，测定本实验装置的最大通量或液泛速度。
二、基本原理
1.液液萃取设备的特点液液系统：比重差小；界面张力小强化过程的惯性力不大；分散的两相分离困难需要外加能量；分层空间。
2.液液萃取塔的操作
（1）分散相的选择
A.流量大的一相作为分散相；
B.表面张力正系统，按传质方向选择，选择传质方向为从分散相向连续相传递；
C.将不润湿设备的作为分散相；
D.此外，从成本、安全考虑，应将成本高的，易燃物料作为分散相。
（2）分层空间的选择当轻相为分散相时，分层空间在上面；当重相为分散相时，分层空间在下面。
（3）液滴的分散外加能量大，液滴小，相际接触面积大，有利于传质；但是能量过大，增加轴向混合，而且使液滴过小，
其内循环消失，传质系数下降，对传质不利。
3.液液萃取设备内的传质
（1）H=H
OR
×N
OR
H
OR
以萃余相为基准的传质单元高度，表示设备传质性能的好坏；
N
OR
传质单元数，表示过程分离难易的程度。
对于稀溶液，传质单元数可近似用下式表示：
∫
=
1
2
*
x
x
OR
xx
dx
N
m
RF
OR
x
xx
N
=
积分可得：
K
x
x
K
x
x
K
x
x
K
x
x
x
S
R
E
F
S
R
E
F
m
=?
ln
)()(
其中：
其中：X
S
=0，X
F
、X
R
分析获得，再由
F（X
F
-X
R
）=S（X
E
-X
S
）求XE
（2）液泛最小的分散相液滴处于相对静止状态时的连续相流率。
三、
流程图四、操作要点
1.通过调节振动电压调节振动频率：
30、60、90、120V
2.选用相比4：4。
3.取样用化学滴定法分析浓度，分析X
F
、X
R
。
25ml油相+等量水+酚酞指示剂，用0.01mol/l的NaOH溶液滴定，油相由无色变为粉红色。
4,其中，X为质量百分比浓度。
萃余相萃取相
XX 2.2=
一、实验目的和内容
1.目的
)掌握测定物料干燥速度曲线的工程意义；
)熟悉实验用干燥设备的流程、工作原理及实验组织方法；
)了解影响干燥速度曲线的因素。
2.内容
测定一定干燥条件下的物料干燥速度曲线。
二、基本原理干燥操作是采用某种方式将热量传给含水物料，
使含水物料中水分蒸发分离的操作，干燥操作同时伴有传热和传质。
掌握干燥速度曲线可以：当干燥面积一定，对于确定的湿物料，确定干燥时间；或者干燥时间一定，确定干燥面积。
物料的含水量w,c(湿基含水量、干基含水量）转换
：
w
w
c
=
1
将非常湿的物料置于一定的干燥条件（一定的温度
、湿度和风速）的大量热空气中，测定被干燥物料的质量和温度随时间的变化，可得干燥曲线图。
干燥过程分为如下三个阶段：
Ⅰ物料预热阶段( 低于热风的湿球温度)
Ⅱ恒速干燥阶段(等于热风的湿球温度)
Ⅲ降速干燥阶段(高于热风的湿球温度)
干燥速率即水分汽化率N
A
可用单位干燥面积汽化的水量表示：
smkg
Ad
dW
N
A
./
2
τ
=
干燥速率也可以用单位时间内所汽化的水量表示：
skgkg
dG
dW
N
c
A
./
'
τ
=
其中：G
C
表示干物料质量
dW=-G
C
dC
所以
τd
dC
N
A
=
'
因此在干燥曲线图中含水率曲线对时间的斜率就是，将对C标绘可得干燥速度曲线。
'
A
N
'
A
N
流化干燥流程图
1 气体转子流量计
2 电加热器
3 电流表
4 电压表
5 取样器
6 过滤袋
7 流化床
8 温度计
三、流程图四、操作要点
1.调节风量12~14m
3
/hr，加热到98℃(加热电压
120～130V)。
2,取样分析时间安排：0，5，5，5，5，10，10，
~床层温度60 ℃。
3,每隔5min记录一次床层温度。
4,每个试样：瓶重、湿料重、干料重。
2002年1月序言一、化工原理实验的特点
1.工程实验工程实验与基础实验的区别：
A.面对复杂的实际问题和工程问题；
B.采用的方法是经验的或半理论半经验的；
C.处理对象是复杂的(变量多、物料变化大、设备尺寸悬殊)。
工程实验经常采用的方法为：因次分析法和数学模型法。
因次分析法：
黑箱法，不需要对过程的深入理解，不需要采用真实的物料、真实流体或实际的设备尺寸，只需借助模拟物料(如空气、水、黄砂等)在实验室规模的小设备中，
经一些预备性的实验或理性的推断得出过程因素，从而加以归纳和概括成经验方程，
因次分析法的优点：
由小见大、由此及彼、减少工作量。
因次分析法原理：
(1).物理方程的一致性
(2).π定理：任一方程可写成无因次方程
(3),相似原理：工业上与实验室无因次准数相等
2,实验目的掌握处理工程问题的实验方法；理论联系实际。
3,实验允许误差
3~5%，甚至可达20%。
二、因次分析法
1．因次、基本因次、导出因次和无因次数因次：量纲，物理量单位的种类；
基本因次：基本物理量的因次；
导出因次：导出物理量的因次，例如：速度u
无因次数：因次为0，例如：雷诺数Re
2．物理方程因次一致性例如：
s [L]，u
0
[LT
-1
]，t [T]，g[LT
-2
]
2
0
2
1
gttus +=
3．π定理及因次分析法某一物理现象中有n个独立变量，x1，x2…xn，
因变量y可以用因次一致关系来表示：
y=F（x1，x2…xn），
或f（y，x1，x2…xn）=0
由于方程中各项因次一致，函数f可以改为
（n-m）个独立的无因次数间的关系。
f（π
1
，π
2
，π
3
…π
n-m
）=0
因次分析的步骤：
A.确定对所研究的物理现象有影响的独立变量，设有n
个，f（x1，x2…xn）=0；
B.选择基本因次，力学中[M],[L],[T]，并用基本因次表示出所有各变量的因次；
C.选择m个变量作为基本变量(相互独立),流体力学中可选ρ,d,u 为基本变量；
D.列出无因次数，一般形式为：
E.该物理现象可以用（n-m）个参数的函数F来表达；
F.改变无因次数进行实验，以求得F的具体实现形式。
c
C
b
B
a
Aii
xxxx=π
实例：某厂采用φ300的管道，将硫酸从A地输送到B地，距离为50m，求该段距离的阻力损失？
采用因次分析法：
[1]流体性质：密度ρ，粘度μ；设备的几何尺寸：管径d，
管长l，管壁粗糙度ε；流动条件：流速u；阻力损失hf；
f (hf,ρ,μ,d,l,ε,u)=0 七个变量，工作量10
6
[2]分析各变量的因次：ρ[ML
-3
]，μ[ML
-1
T
-1
]，d[L]，
l[L]，ε[L]，u[LT
-1
]，hf[L
2
T
-2
]；
[3]选定基本变量：ρ，d，u；
[4]确定无因次数：
[ML
-1
T
-1
][ML
-3
]
a
[LT
-1
]
b
[L]
c
=[M
0
L
0
T
0
]
cba
duμρπ =
1
解之得：a=-1，b=-1，c=-1
所以，改写为熟悉的形式：
同理可得：π
4
=hf/u
2
[5] 四个变量，工作量10
3
实验室选取：管径φ30的管子，可由π
2
计算出管长为：5米
π
2
=l/d,50/300 = L/30,L=5米由π
1
计算出流速u，由π
4
计算出hf
udρ
μ
π =
1
μ
ρ
π
ud
=
1
d
l
=
2
π
d
ε
π =
3
0),,,(
4321
=ππππF
流体流动阻力的测定一、实验目的和内容
1.目的
[1]熟悉测定流体流经直管和管件时的阻力损失的实验组织方法及测定摩擦阻力系数的工程意义；
[2]学会压差计和流量计的使用方法；
[3]识别组成管路的各个管件、阀门，并了解其作用；
[4]学会用因次分析法分析规划实验。
2.内容
[1] 测定特定ε/d下直管摩擦系数和雷诺数的关系；
[2]测定流体流经阀门时的阻力系数。
二、基本原理
1.直管阻力采用因此分析法规划实验：
[1]影响因素：
物性因素（流体性质）：密度ρ，粘度μ；
设备因素（流动的几何尺寸）：管径d，管长l，粗糙度ε；
操作因素（流动条件）：流速u；
[2]分析各变量的因次：ρ[ML
-3
]，μ[ML
-1
T
-1
]，d[L]，
l[L]，ε[L]，u[LT
-1
]，P[ML
-1
T
-2
]；
[3]选定基本变量：ρ，d，u；
[4]确定无因次数：
π1＝μρ
a
u
b
d
c
[ML
-1
T
-1
][ML
-3
]
a
[LT
-1
]
b
[L]
c
=[M
0
L
0
T
0
]
解之得：a= -1，b= -1，c= -1
所以，改写为熟悉的形式：
同理可得：，
[5],即引入得：
udρ
μ
π =
1
μ
ρ
π
ud
=
1
d
l
=
2
π
d
ε
π =
3 2
4
u
P
ρ
π
=
0),,,(
4321
=ππππF
),,(
2
dd
lud
u
P ε
μ
ρ
ρ
=
2
),(),,(
2
2
u
d
ud
d
lP
dd
lud
u
P
=
=
ε
μ
ρ
ρ
ε
μ
ρ
ρ
2
2
u
d
lP
hf?=
= λ
ρ
)(Re,
d
ε
λ =
2.局部阻力流体通过某一管件或阀门的阻力损失用流体在管路中的动能系数来表示，这种计算阻力系数的方法，称阻力系数法。
即
2
2
u
h
e
ξ=
三、实验装置及流程门阀
9
四、操作步骤
1.开泵之前，首先打开平衡阀、关闭出口阀；
2.排气：总管排气、引压管排气和压差计排气；
3,检验排气是否完全；
4, 确定量程，布点，8-10点；
5,通过控制阀调节流量，记录数据；
6,打开平衡阀，结束实验。
五、原始数据记录表格设备常数,d= L= ε/d = T(
O
C )=
No
数据处理离心泵特性曲线的测定一、实验目的和内容
1.目的
[1]熟悉离心泵操作，了解离心泵的结构和特性；
[2]学会离心泵特性曲线的测定方法。
2.内容测定一定转速下泵的特性曲线二、基本原理
1.特性曲线的测定泵的特性主要是指：一定转速下，泵的流量、扬程、功率和效率。
理想流体、叶片无限多，定常流动时，可推导出扬程的理论计算公式。但由于：（1）叶片不是无限多；
（2）摩擦阻力和局部阻力损失；
（3）流量变化引起冲击损失，因此扬程难以理论求解，故对每台泵的特性必须用试验求得。
泵的效率为有效功率和轴功率只比：
而，但N
轴不易测量，所以我们用N
电代替，即总效率
ee
gVHN ρ=
g
uu
hHH
g
uu
h
g
P
g
P
He
22
2
1
2
2
0
2
1
2
2
0
12
+++=
++?=
真压
ρρ
轴
N
N
e
=η
电总
N
N
e
=η
泵特性曲线测试流程
1 水槽 2 真空表 3 排气阀 4 离心泵 5 功率表 6 压强表 7 引水阀 8 温度计 9 涡轮流量计 10 控制阀三、实验装置及流程四、操作步骤
1.关闭出口阀和功率表开关。
2.引水灌泵，泵排气，启动泵。
3.打开出口阀及功率表，确定流量量程，分配15
个点。
4.每次调节稳定后，读取各表数据，特别不要忘记流量为0时的各表数据。
5 关泵，停止实验。
数据处理
1.坐标分度的确定作图时如果比例尺选择不当，可能导致错误的变量关系判断，造成函数关系的失真。标绘实验数据曲线时，应考虑X和Y的误差，获得所研究的变量之间的函数关系，具有唯一性。
通常选择的比例尺使2△X=2mm，2△y=2mm。根据该原则可求得坐标比例M：
Mx=1/△X，My=1/△y。
对于间接测量值：y=f(x1,x2…)，由泰勒级数展开：
进而可以求得比例尺。
例如：Y=2X
2
+3，当△X=0.2,X=2时，求△Y
解：△Y=4X×△X=4×2×0.2=0.8
....3
3
2
2
1
1
+?
+?
+?
=? x
x
f
x
x
f
x
x
f
y
比例尺的选择：
（1）流量误差及坐标比例尺（P
30
页）
示值误差：
Q=脉冲数/仪表常数*时间频率显示仪最小读数误差为1，涡轮流量计仪表常数为278.15，则
△Q1=1/278.15=3.595*10
-3
l/s
系统误差：
△Q2=[(1+0.0005)*(1+0.005)-1]*(10-1.6)*1000/3600=2.339*10
-2
l/s
△Q=max(△Q1,△Q2)=2.339*10
-2
l/s
M
Q
=1/2.339*10
-2
=42.75mm/(l/s),所以选比例尺为40mm/(l/s).
(2)扬程的误差及坐标比例尺（P
30
页）
压力表：
仪表误差：量程*精度=0.6*0.015=0.009MPa
示值误差：最小分度*估计值=0.02*1/5=0.004MPa
真空表：
仪表误差：量程*精度= 0.1*0.015=0.0015MPa
示值误差：最小分度*估计值= 0.002*1/5=0.0004MPa
△He=0.009*10
6
/(9.81*1000)+ 0.0015*10
6
/(9.81*1000)
=1.07mH
2
O
M
He
=1/1.07=0.93mm/(mH
2
O),所以选比例尺为1mm/(mH
2
O).
真压
HHHe?+?=?
过滤实验一、实验目的和内容
1.目的
（1）掌握过滤问题的简化工程处理方法，及过滤常数的测定；
（2）了解过滤设备的构造和操作方法。
2.内容测定恒压操作下过滤常数K、q
e
。
二、实验基本原理过滤是借多孔介质让通过它的气-固或液固悬浮液留下固体，
而让流体通过的过程。过滤得以实现的本质是因为流体在小剪应力作用下能发生形变，而固体不宜发生形变。过滤是流体通过固体颗粒层的流动，只是这个固体颗粒层的厚度随着过滤过程的进行而不断增加，因此在势能差不变的情况下，单位时间通过过滤介质的液体量也在不断下降，即过滤速度不断降低。过滤速度
ττ d
dq
Ad
dV
u ==
影响过滤速度的因素很多，包括势能差、滤饼厚度、滤饼和悬浮液的性质、悬浮液的温度、过滤介质的阻力等，故难以用严格的流体力学方法处理。比较过滤过程与流体通过固定床的流动可知：过滤速率即为流体经过固定床的表观速度u。同时，液体在细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动属于低雷诺数范围。因此，可利用流体通过固定床压降的简化数学模型，寻求q与t的关系。
在低雷诺数下，可采用康采尼方程：
L
P
Kad
dq
u
×
==
με
ε
τ '
1
)1(
22
3
对于不可压缩滤饼，由上式可以导出过滤速率的计算式：
)(2)(
ee
K
qqr
P
d
dq
+
=
+
=
φμτ
在恒压操作时，上述微分方程积分后可得：
τKqqq
e
=+ 2
2
由该式可知：过滤设备、过滤条件一定时，过滤一定滤液量所需要的时间，或者在过滤时间、过滤条件一定，可计算所需的过滤设备的大小。
过滤设备：板框式过滤机、回转真空过滤机、离心式过滤设备、
动态过滤设备
K，qe只有通过实验才能测定。
将上述方程变形：
e
q
K
q
Kq
21
+=
τ
。
若在恒压过滤之前的t1时间内已通过单位过滤面的滤液量为q1，
则该式变化为：
ee
q
K
K
K
Kqq
2
)(
1
)(
2
)(
1
111
1
1
++=++?=
ττ
，
从此式可以方便地求出K，qe。
1 配料桶 2 供料泵 3 接自来水 4 接压缩空气 5 压力表 6 高位槽 7 接下水道 8 过滤机 9 计量桶过滤装置流程三.
实验装置二、操作要点
1.过滤机的安装
7层顺序：支座—支承板－滤布-垫圈－框—分布板—盖子
2.各部件洗干净后安装，注意螺丝对角上。
3.进料少许，排气（注意安全）。
4.选定实验操作压强（0.08Mpa～0.11Mpa），维持液面，不超过计量桶2/3。
5.待计量桶中开始有液体滴出，开始记时，两只秒表，交替记时。
6.记录数据，每间隔2CM/1CM，记录到10组数据（1.5MIN/CM以上）。
7.关阀门，清洗过滤机。
五、数据处理数学模型法一、概述数学模型法是解决工程问题的一种实验规划方法，它要求对过程有深刻的认识，能做出高度的概括，即能得出足够简化而又不过于失真的模型，然后获得描述过程的数学方程。
二、数学模型法解决工程问题的大致步骤
(1)通过预实验认识过程，设想简化模型；
(2)通过实验检验简化模型的等效性；
(3)通过实验确定模型参数。
给热系数册测定一、实验目的和内容
1.目的
1)了解间壁式传热元件的研究和给热系数测定的实验组织方法；
2)掌握借助于热电偶测量壁面温度的方法；
3)学会给热系数测定的实验数据处理方法；
4)了解影响给热系数的因素和强化传热的途径。
2,内容
1)测定饱和水蒸汽在垂直或水平圆管外冷凝时的给热系数；
2)测定冷水在圆管内作强制湍流时的给热系数,并确定Nu、
Re和Pr之间的关系。
二、实验基本原理间壁式传热装置的传热过程是冷热流体通过固体壁面（传热元件）进行热量交换，
它是由热流体对固体壁面的对流传热，固体壁面的热传导和固体壁面对冷流体的对流传热三个传热过程所组成。
由传热速率方程知，单位时间、单位传热面所传递的热量q=K(T-t)，而对流传热所传的热量，对于冷、热流体可由牛顿冷却定律表示，也可以分别表示为：q=α
h
(T-t
w1
)和
q=α
c
(t
w2
-t)，在以冷流体侧的传热面为基准面的传热系数为
hh
c
m
c
c
A
A
A
A
K
+?+
αλ
δ
α
1
1
＝
δ
传热过程示意图热流体冷流体由于传热过程十分复杂，影响因素极多，目前尚不能通过解析法得到给热系数的关系式，故采用因此分析法来确定给热系数的影响因素。
影响因素：1)固体壁面的特征尺寸：l
2)流体的物理性质：ρ、μ、cp、λ
3)强制对流的流速：u
4)产生自然对流的升力经无因此化处理，得：
),,,,,,( Tguclf
p
βλμρα＝
321
0
PrRe
aaa
GraNu =
在强制对流时，可以忽略自然对流的影响，则：
Nu=a
0
Re
a1
Pr
a2
冷水被加热时,a2=0.4,即Nu/Pr
0.4
=a
0
Re
a1
其中：
λ
αl
Nu =，为努塞尔准数，描述对流给热的大小；
μ
ρul
=Re，为雷诺准数，描述流体流动状态；
λ
μ
p
r
C
p =，为普朗特准数，描述流体的物性；
2
23
μ
ρβ Tlg
Gr
=，为格拉斯霍夫准数，描述自然对流的运动状态。
在定常给热时，由能量衡算得：
Q＝Gcp(t2-t1)=DR-Q
损
由传热速率方程可分别表示为：
Q=α
h
A
h
T
mh
Q=α
c
A
c
T
mc
Q=KA
c
T
m
蒸汽下水下水下水上水下水下水疏水器给热系数测定流程放气阀三.实验装置流程图四、操作要点
1)先开冷水，然后开蒸汽；
2)开蒸汽后，排除不凝气；
3)控制蒸汽压力在0.5 Mpa;
4)第1组数据稳定时间为10～15min。
5) 调节冷水流量在350-1000 L/Hr
五、数据处理填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定一、实验目的和内容
1.目的
)了解填料吸收塔的结构和流程；
)了解吸收剂进口条件变化对吸收操作结果的影响；
)掌握吸收传质系数Kya的测定方法。
2.内容测定气体出口浓度y1、y2，计算组分回收率、传质推动力和传质系数。
)改变清水流量(L)；
)改变空气流量(G)；
)改变清水进口温度(T)。
二、基本原理
1.填料塔
)填料分类：
散堆填料（拉西环、阶梯环、鲍尔环、矩鞍形、环矩鞍）
规整填料（孔板波纹填料、丝网波纹填料
)填料的作用：
增大汽液接触面积；
增大汽液接触面的湍动程度。
)填料性能评价指标：
比表面积、空隙率、压降
(1)拉西环
A．名称：拉西环
B．开发年代：1914，1915，1916
C．开发者或开发单位：德国
F.Rasching,Rasching AG
(2)金属矩鞍环名称：英特洛克斯金属填料（Intalox Metal Tower Packing
），IMTP，金属矩鞍环开发年代：1977年开发者或开发单位：美国诺顿公司（NORTON）
(3)鲍尔环名称：鲍尔环（Pall Ring）
开发年代：1948年，1952年开发者或开发单位：德国BASF公司
(4)短阶梯环名称：短阶梯环开发年代：1986年开发者或开发单位：美国GLITSCH.CO
2.Kya的求取
G=G
空气
/（1-y1),m=0.5855e
0.0518t
注意：
各变量的单位：L，
G均为kmol/m2.h
L=l ×ρ/（M×A）
G按照PV=nRT求取。
3.操作调节
G改变对过程的影响（G增大）
L改变对过程的影响（L增大）
T改变对过程的影响（T升高）
三、实验装置及流程四、操作要点
1.实验点的分布
2.实验开始时，先开水，后开气，压力定值器定在0.2kgf/cm2。
3.取样时，先取出口，后取进口。
4.数据处理时，气体转子流量计需要校正。
5.加热电压175V。
一、实验目的和内容
1.目的
)熟悉板式塔的结构和精馏流程；
)理论联系实际，掌握精馏塔的操作；
)学会精馏塔效率的测定方法。
2.内容
（1）全回流操作，并测定全塔效率；
（2）对15%~20%（v）的水和乙醇混合液进行精馏分离，达到塔顶馏出液乙醇浓度大于90%（v），塔釜残液乙醇浓度小于5%
（v）；并在规定时间内完成300ml的塔顶采出量。
二、基本原理
1.板式塔的结构、分类及特点总体逆流，板上错流泡罩塔———筛板塔———浮阀塔
2.维持稳定的精馏精馏过程连续操作的条件
（1）物料平衡———总物料平衡和各组分平衡
（2）精馏塔应有足够的分离能力———塔板数和回流比
（3）维持正常的气液负荷量，避免发生以下不正常的操作状况：
严重的液沫夹带现象；严重的漏液现象；溢流液泛
3.产品不合格的原因及调节方法
（1）物料不平衡
Dx
D
>Fx
F
-Wx
W
表现：釜温合格，而顶温上升原因：顶底产品采出比例不当调节方法：不变加热蒸汽压，减小塔顶采出，加大塔釜出料和进料量
Dx
D
<Fx
F
-Wx
W
表现：釜温不合格，而顶温合格原因：顶底产品采出比例不当调节方法：不变回流量，加大塔顶采出，加大加热蒸汽压
（2）分离能力不够引起产品不合格的现象及调节方法表现：塔顶温度升高，塔底温度降低。
调节方法：加大回流比
4,灵敏板对于物料不平衡和分离能力不够造成的产品不合格现象，可早期通过灵敏板温度的变化得到预测。
全塔温度分布：
某一板的温度变化明显
5.板效率全塔效率定义：%100
1
×
=
N
N
T
η
三、流程图四、操作要点
1,预热开始后，要及时开启冷凝水的冷却水阀，当釜液沸腾后要注意控制加热量；
2,排除管道内的不凝气；
3,要注意釜内压强和灵敏板温度，塔釜操作压力约20KPa，
灵敏板温度约78~81℃；
4,取样应在稳定操作时进行。
5.全回流状态下的数据处理
（1）注意塔顶和塔釜浓度换算成mol浓度；
（2）作图求解理论塔板数
。
一、实验目的和内容
1.目的
)了解液液设备的结构和特点；
)掌握液液萃取塔的操作；
)掌握传质单元高度的测定方法，并分析外加能量对液液萃取塔传质单元高度和通量的影响。
2.内容
测定不同频率下的萃取效率（传质单元高度）；
在最大频率下，测定本实验装置的最大通量或液泛速度。
二、基本原理
1.液液萃取设备的特点液液系统：比重差小；界面张力小强化过程的惯性力不大；分散的两相分离困难需要外加能量；分层空间。
2.液液萃取塔的操作
（1）分散相的选择
A.流量大的一相作为分散相；
B.表面张力正系统，按传质方向选择，选择传质方向为从分散相向连续相传递；
C.将不润湿设备的作为分散相；
D.此外，从成本、安全考虑，应将成本高的，易燃物料作为分散相。
（2）分层空间的选择当轻相为分散相时，分层空间在上面；当重相为分散相时，分层空间在下面。
（3）液滴的分散外加能量大，液滴小，相际接触面积大，有利于传质；但是能量过大，增加轴向混合，而且使液滴过小，
其内循环消失，传质系数下降，对传质不利。
3.液液萃取设备内的传质
（1）H=H
OR
×N
OR
H
OR
以萃余相为基准的传质单元高度，表示设备传质性能的好坏；
N
OR
传质单元数，表示过程分离难易的程度。
对于稀溶液，传质单元数可近似用下式表示：
∫
=
1
2
*
x
x
OR
xx
dx
N
m
RF
OR
x
xx
N
=
积分可得：
K
x
x
K
x
x
K
x
x
K
x
x
x
S
R
E
F
S
R
E
F
m
=?
ln
)()(
其中：
其中：X
S
=0，X
F
、X
R
分析获得，再由
F（X
F
-X
R
）=S（X
E
-X
S
）求XE
（2）液泛最小的分散相液滴处于相对静止状态时的连续相流率。
三、
流程图四、操作要点
1.通过调节振动电压调节振动频率：
30、60、90、120V
2.选用相比4：4。
3.取样用化学滴定法分析浓度，分析X
F
、X
R
。
25ml油相+等量水+酚酞指示剂，用0.01mol/l的NaOH溶液滴定，油相由无色变为粉红色。
4,其中，X为质量百分比浓度。
萃余相萃取相
XX 2.2=
一、实验目的和内容
1.目的
)掌握测定物料干燥速度曲线的工程意义；
)熟悉实验用干燥设备的流程、工作原理及实验组织方法；
)了解影响干燥速度曲线的因素。
2.内容
测定一定干燥条件下的物料干燥速度曲线。
二、基本原理干燥操作是采用某种方式将热量传给含水物料，
使含水物料中水分蒸发分离的操作，干燥操作同时伴有传热和传质。
掌握干燥速度曲线可以：当干燥面积一定，对于确定的湿物料，确定干燥时间；或者干燥时间一定，确定干燥面积。
物料的含水量w,c(湿基含水量、干基含水量）转换
：
w
w
c
=
1
将非常湿的物料置于一定的干燥条件（一定的温度
、湿度和风速）的大量热空气中，测定被干燥物料的质量和温度随时间的变化，可得干燥曲线图。
干燥过程分为如下三个阶段：
Ⅰ物料预热阶段( 低于热风的湿球温度)
Ⅱ恒速干燥阶段(等于热风的湿球温度)
Ⅲ降速干燥阶段(高于热风的湿球温度)
干燥速率即水分汽化率N
A
可用单位干燥面积汽化的水量表示：
smkg
Ad
dW
N
A
./
2
τ
=
干燥速率也可以用单位时间内所汽化的水量表示：
skgkg
dG
dW
N
c
A
./
'
τ
=
其中：G
C
表示干物料质量
dW=-G
C
dC
所以
τd
dC
N
A
=
'
因此在干燥曲线图中含水率曲线对时间的斜率就是，将对C标绘可得干燥速度曲线。
'
A
N
'
A
N
流化干燥流程图
1 气体转子流量计
2 电加热器
3 电流表
4 电压表
5 取样器
6 过滤袋
7 流化床
8 温度计
三、流程图四、操作要点
1.调节风量12~14m
3
/hr，加热到98℃(加热电压
120～130V)。
2,取样分析时间安排：0，5，5，5，5，10，10，
~床层温度60 ℃。
3,每隔5min记录一次床层温度。
4,每个试样：瓶重、湿料重、干料重。
