周立清 邓淑华
广东工业大学化工原理教研室
2003.8
目 录
绪论 1
第一章 实验基础知识 2
第二章 实验内容 7
实验一、流体流动阻力测定 7
实验二、离心泵特性曲线测定 12
实验三、恒压过滤常数测定实验 17
实验四 对流给热系数测定 22
实验七 干燥速率曲线的测定 26
实验八 酒精分离工艺过程操作与控制优化 29
注：实验五、六因设备正在更新的过度时期，暂略。
绪论
化工原理是研究化工生产过程中各种单元操作的工程学科。它紧密联系生产实际，是石油、化工、轻工等专业学生必修的一门专业基础课程。其教学目的是使学生学会用自然科学的原理考察、解释和处理工程实际问题。实验是教学中的一个重要的实践环节，通过实验，学生不但巩固了所学过的理论知识，而且还能在实验中增长不少新的知识，受到系统的、严格的工程实验训练，因而提高了动手能力和分析、解决问题的能力。迄今为止，面对生动而复杂的化工生产过程的现象，还不能只靠几个假定和定理，或者是演绎推导的方法便得到应用的理论。因此，不论是工程的可行性研究，新技术的开发和应用，或是工程设计的依据往往都有赖于以实验为基础的经验或半经验的公式，或者直接取实验放大的数据。这就是为什么要求学生必须掌握实验技能的原因，教师和学生都要把这一点作为衡量教学质量的一个重要方面。
本书着重介绍实验原理、实验装置和实验方法，简略介绍数据的处理及常用仪表的测量方法和计算机的应用。在这里要说明的一点是：由于本实验室的实验设备正处在更新的过渡时期，新的实验教材有待全部设备更新完毕后，才能完成修订工作，本指导书就目前已更新的设备编写了有关章节，其余待续。
第一章 实验基础知识
实验方法是化学工程研究方法中的一种。它是通过实验直接测定各变量之间的关系，以表格、线图或经验公式的形式表示。成功的实验来自于正确的方案和严谨的科学态度。所谓严谨的科学态度就是实事求是的工作态度加工正确的数据处理方法。正确的方案包括了从方案的制定到装置的设计、物系的选定及数据的读取这一全过程，做到“以小见大、由此及彼”，多、快、好、省实现规划的任务。
一、实验前的准备
实验开始首先要考虑如下的问题：为完成实验所提出的任务；采用什么样的装置；选用什么物系；流程应怎样安排；读取哪些数据；应该如何布点等。如果实验装置已经被规定，实验开始前，要弄清装置的原理和构造、看清流程、了解启动和使用方法(注意：未经指导教师许可，不要擅自开动！)。也要考虑实验要如何布点，和实验数据的读取。做好记录数据的表格。并预期可能出现的故障及其克服的办法。
二、怎样做好实验
为了提高学生素质能力，提高实验教学质量，化工原理实验采用仿真实验和上机实验操作相结合的教学方法。
仿真实验是让学生在计算机上做模拟实验，通过模拟实验，熟悉实验装置的组成、性能、实验操作步骤和注意事项，思考并回答有关问题，也强化了对基础理论的理解。上机实验要求学生正确使用设备、仔细观察现象，详细地记录数据。
读取数据时应注意：
1.凡是影响实验结果或者数据整理过程中所必须的数据都一定测取。它包括大气条件，设备有关尺寸，物料性质及操作数据等。
2.不是所有的数据都要直接测取。凡可以根据某一数据导出或从手册中查取的其他数据，就不必直接测定。例如：水的粘度、重度等物理性质，一般只要测出水温，即可查出，不必直接测定。
3.实验时一定要在现象稳定后才开始读数据。条件改变后，要稍等一会，待达到稳定才可读数。
4.同一条件下，至少要读取两次数据(研究不稳定过程除外)。在两次数据相近时，方可改变操作条件。每个数据在记录后都必须复核，以防读错或记错。
5. 根据仪表的精确度，正确地读取有效数字。必须记录直读的数据，而不是通过换算或演算以后的数据。读取的数据必须真实地反映客观实际，即使已经发现它是不合理的数据，也要如实地记录下来，待讨论实验结果进进行分析讨论。这样做，对我们分析问题以及核实情况有利。
实验过程中，除了读取数据外，还应做好下列各项：
1.从事操作者，必须密切注意仪表指示的值的变动，随时调节，务使整个操作过程都在规定条件下进行，尽量减少实验操作条件和规定操作条件之间的差距。操作人员不要擅离岗位。
2.读取数据以后，应立即和前次数据相比较，也要和其他有关数据相对照，分析相互关系是否合理。如果发现不合理的情况，应该立即同小组同学研究原因，是自己认识错误呢还是测定的数据有问题，以便及时发现问题，解决问题。
3.实验过程中还应注意观察过程现象，特别是发现某些不正常现象时更应抓紧时机，研究产生不正常现象的原因。
学生必须经历：预习——仿真实验——写出预习报告——实机操作——数据处理——交付实验报告，这些学习步骤。
三、怎样编写实验报告
实验报告是实验工作的总结，编写报告是对学生能力的训练。因此，学生应独立地完成实验报告。实验报告要求文字简明，说理充分，计算正确，图表清晰而且有分析讨论。虽然格式不强求完全一致，但都应包括以的内容。
实验题目
报告人及其合作者的姓名
实验任务
实验原理
实验设备及其流程，简要的操作说明
原始记录数据及整理后的数据（列出其中一组数据的计算示例）并列成表格
实验结果，用图线或用关系式标出
分析讨论：包括对实验结果的估计，误差的分析及其问题讨论，实验改进的建议等。
四、实验误差分析及数据处理
有效数字的概念
在测量和实验的数据处理中，应该用几位数字来表示测量和实验结果，这是一个很重要的问题。那种认为小数点后面的数字越多越准确或者是运算结果保留的位数越多越准确的想法是错误的。测量值所取的位数，应正确反映所用的仪器和测量的方法可能达到的精度。
记录测量数值时，一般只应也只能保留一位估计数字。例如：微压计的读数为125.7mmH2O，前三位数字125是准确知道的，0.7是估计读出的，为了能清楚地表示出数据的准确度和方便于运算，可将读取的数据写成指数的形式。在第一位有效数字后加小数点，而其数值的数量级则由10的幂次方来确定。比如刚才读的125.7mmH2O，可记为1.257×102mmH2O，它表示其有效安全数字为四位。这时即使有效安全数字末位为零，也要记取。例如：微压计读数恰为125.0mmH2O，可记为1.250×102mmH2O。
如果是非直接测量值，即必须通过中间运算才得到结果的数据，可按有效数字的运算规则进行运算。
（1）加法运算：在各数中，以小数位数最少的数为准，其余各数均凑成比该数多一位。
例如：60.4+2.02+0.222+0.0467 60.4+2.02+0.22+0.05=62.69
（2）减法运算：当相减的数差得较远时，有效数字的处理与加法相同。但如果相减的数非常接近，这样相减则失去若干有效数字。因此除了保留应该保留的有效数字外，应从记数方法或测量方法加以改进，使之不出现两个相接近的数相减的情况。
（3）乘除法运算：在各数中，以有效数字位数的数为准，其余各数及积（或商）均凑成比该数多一位。
例如：603.21×0.32÷4.011 603.21×0.32÷4.01=48.1
（4）计算平均值：若为四个或超过四个数相平均，则平均值的有效数字位数可增加一位。
（5）乘方及开方运算：运算结果比原数据多保留一位有效数字。
例如：252=625，=2.19
（6）对数运算：取对数前后的有效数字位数应相等。例如： lg2.345=0.3701
lg2.3456=0.37025
实验数据的处理
化工原理实验测量多数是间接测量，实验数据一般处理的程序是：首先将直接测量结果按前后顺序列出表格，然后计算中间结果、间接测量结果及其误差。并且将这些结果列成表格，最后按实验要求或者将结果用图形表示出来，或者用经验公式表示。
（1）实验曲线的绘制：实验数据图形表示法的优点是直观清晰，便于比较，容易看出数据中的极值点、转折点、周期性以及其它特性。精确的图形还可以在不知数学表达式的情况下进行微积分运算。
根据数据作图，通常要考虑如下问题
坐标系的选择：化工常用的坐标有直角坐标、对数坐标和半对数坐标等。根据数的关系或预测 函数形式来进行选择。如是线性函数，采用直角坐标；如是幂函数，采用对数坐标以使图形线性化；指数函数则采用半对数坐标；若自变量或因变量中的一个最小与最大值之间数量级相差太大时，亦可以选用半对数坐标。
例如：对于y=aebx函数，可用y为对数分度，x为直线分度的半对数坐标，因为：
lny=lna+bx
而对于y=axb应采用双对数坐标，因为：
lgy=lga+blgx
应该清楚的看到，在对数坐标上，标出的数值为真数，原点应该是1而不是零，有由于1，10，100等的对数分别为0，1，2等，所以在坐标纸上，每一数量级的距离是相等的。由于是真数标值，所以求取直线的斜率时，不能直接用标度数值计算，而应该用它的对数。该斜率为K。
K=
坐标的分度：坐标的分度应与实验数据的有效数字大体相符，最适合的分度是使实验曲线坐标读数和实验数据具有同样的有效数字位数。其次，纵横坐标之间的比例不一定取得一致，应根据具体情况选择，使实验曲线的坡度介于30°～60°之间，这样的曲线，坐标读数准确度较高。
（2）经验公式的确定：经验公式法，又称数学模型法。它直观地描述了过程或现象的自变量和因变量之间的关系，也是一种重要的方法。尤其在广泛应用计算机的今天。
通常多采用图形比较法，既将实验数据绘成实验曲线，并与典型曲线相比，看实验曲线与哪种函数曲线相似，就取哪种函数为经验公式的类型。
（3）经验公式种待定系数的确定：凡可以在普通坐标系下把数据标绘成直线或经过适当变换后在对数坐标系上可化为直线时，均可以采用直线图解法求常数（求斜率或求截距后根据相关关系计算出来）。
除直线图解法外，还有分组平均法，最小二乘法等。直线图解法最简单，但精度较差；最小二乘法计算复杂，但精度较高。所以，如果使用电子计算机计算，采用最小二乘法可以达到又快又好的效果。
为了使实验数据整理又快又好，可以采用以下的办法。
于在同一条件下所得到的比较稳定（既波动不大）的数据，可先取其平均值再进行数据处理。
根据有效数字的运算规则，舍弃一些没有意义的数字。
采用常数归纳法使变量和因变量的关系更加直观，而且提高了计算速度。所谓常数归纳法就是将计算公式中的常数归纳为一个常数。
五 关于“设计型”实验
“设计型”实验属于“提高型”实验，在完成教学大纲规定的实验教学任务之外，为加强对学生独立动手能力和分析问题的能力而安排的实验。
“设计型”实验由学生设定实验流程和确定操作参数，在规定的时间内达到规定产量和质量的要求，最后尚需作初步的经济核算。
学生在全程实验课中必须完成至少一个设计型实验。有兴趣的学生可根据自己意愿与实验教师联系，在非实验时间安排多做。
第二章 实验内容
实验一、流体流动阻力测定
一、实验目的
1．掌握流体流经直管和管阀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λ与雷诺准数Re的关系，将所得的λ~Re方程与公认经验关系比较。
3．测定流体流经闸阀等管件时的局部阻力系数ξ。
4．学会压差计和流量计的使用方法。
5．观察组成管路的各种管件、阀件，并了解其作用。
二、基本原理
流体在管内流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地要消耗一定的机械能，这种机械能的消耗包括流体流经直管的沿程阻力和因流体运动方向改变所引起的局部阻力。
1．沿程阻力
流体在水平均匀管道中稳定流动时，阻力损失表现为压力降低。即
影响阻力损失的因素很多，尤其对湍流流体，目前尚不能完全用理论方法求解，必须通过实验研究其规律。为了减少实验工作量，使实验结果具有普遍意义，必须采用因次分析方法将各变量综合成准数关联式。根据因次分析，影响阻力损失的因素有，
(1)流体性质：密度ρ，粘度μ；
(2)管路的几何尺寸：管径d，管长l，管壁粗糙度ε；
(3)流动条件：流速μ。
可表示为：
组合成如下的无因次式：
令
则
式中，
——压降 Pa
hf——直管阻力损失 J/kg，
ρ——流体密度kg/m3
λ——直管摩擦系数，无因次
l——直管长度 m
d——直管内径 m
u——流体流速，由实验测定 m/s
λ——称为直管摩擦系数。滞流(层流)时，λ＝64／Re；湍流时λ是雷诺准数Re和相对粗糙度的函数，须由实验确定.
2．局部阻力
局部阻力通常有两种表示方法，即当量长度法和阻力系数法。
当量长度法
流体流过某管件或阀门时，因局部阻力造成的损失，相当于流体流过与其具有相当管径长度的直管阻力损失，这个直管长度称为当量长度，用符号le表示。这样，就可以用直管阻力的公式来计算局部阻力损失，而且在管路计算时．可将管路中的直骨长度与管件、阀门的当量长度合并在一起计算，如管路中直管长度为乙各种局部阻力的当量长度之和为
，则流体在管路中流动时的总阻力损失 为
(3—6)
阻力系数法
流体通过某一管件或阀门时的阻力损失用流体在管路小的动能系数来表示，这种计算局部阻力的方法，称为阻力系数法。
即
式中，ξ——局部阻力系数，无因次；
u——在小截面管中流体的平均流速，m／s。
由于管件两侧距测压孔问的直管长度很短．引起的摩擦阻力与局部阻力相比，可以忽略不计。因此hf之值可应用柏努利方程由压差计读数求取。
三、实验装置与流程
1．实验装置
图1-1 实验装置流程图
实验装置如图1-1所示。主要部分由高位槽，不同管径、材质的管子，各种阀门或管件，转子流量计等组成。第一根为不锈钢管，第二根为镀锌铁管，分别用于光滑管和粗糙管湍流流体流动阻力的测定。第三根为镀锌铁管，其上装有待测管件(闸阀)，用于局部阻力的测定。最下边的第四根为内径6mm的细铜管，用于层流流动阻力的测定。
本实验的介质为水，由高位水塔供给(其位头约为25m)，经实验装置后的水通过地下管道流人泵房内水池．再用泵送至高位水塔循环使用。
水流量用装在测试装置尾部的转子流量计测量，直管段和管件的阻力分别用各自的倒U形压差计测量。
2．装置结构尺寸
装置结构尺寸如表1-1所示。
表1-1
名 称
材 质
管 内 径（mm）
测试段长度（m）
装置（1）
装置（2）
装置（3）
装置（4）
光滑管
不锈钢管
32.058
32.048
32.200
32.102
2
粗糙管
镀锌铁管
36.686
36.679
36.666
36.633
2
局部阻力
闸阀
26.648
28.598
28.606
28.615
2
四、实验步骤及注意事项
1．缓缓打开阀10、阀20、阀30与阀2，关闭阀3，做好倒U型压差计的排气准备工作。
2. 关闭阀30与阀2，开始排气，关闭进气阀门14、24和出水活栓以及平衡阀门13、23；打开高压侧阀门11、阀22和低压侧阀门12、阀21使高位水槽的水经过系统管路、导压管、高压侧阀门、倒U形管。低压侧阀门排出系统。关闭阀12、阀11，阀22、阀21，打开阀14、阀13，阀24、阀23。使玻璃管内的水排净并吸入空气，再关闭阀门14、24和出水活栓以及平衡阀门13、23，然后打开阀12、阀11，阀22、阀21，让水进入玻璃管至平衡水位（此时系统中的出水阀门3是关闭的，管路中的水再静止时U形中的水位是平衡的。），倒U型压差计的排气工作完成。
3．打开光滑管与粗糙管的压差变送器1151的排气阀门，进行1151的排气，排气完关闭排气阀门。开始实验。
4．当装置确定后，根据和u的实验测定值，可计算λ和ξ，在等温条件下，雷诺数Re=duρ/μ=Au，其中A为常数，因此只要调节流量调节阀，可得一系列λ~Re的实验点，绘出λ～Re曲线。
5．缓缓打开出水阀门3，调节好一个流量，待水稳定后，正确测取压差和流量等有关参数。然后再改变不同流量，正确读取不同流量下的测取压差和流量等有关参数。
6．根据本装置特点，应考虑好实验点的分布和测量次数。实验结束后，应将装置中的水排放干净。
7．关闭与实验无关的阀门，并关闭流量调节阀，稍开入口闸阀，对流程进行冲水排气。
五、实验报告
1．根据粗糙管实验结果，在双对数坐标纸上标绘出λ~Re曲线，对照化工原理教材上有关图形，即可估出该管的相对粗糙度和绝对粗糙度。
2．根据光滑管实验结果，对照柏拉修斯方程，计算其误差。
3．根据局部阻力实验结果，求出闸阀全开时的平均ξ值。
4．对实验结果进行分析讨论。
六、思考题
1．在对装置做排气工作时，是否一定要关闭流程尾部的流量调节阀?为什么?
2．如何检验测试系统内的空气已经被排除干净?
3．以水做介质所测得的λ～Re关系能否适用于其它流体?如何应用?
4．在不同设备上(包括不同管径)，不同水温下测定的λ~Re数据能否关联在同一条曲线上?
5．如果测压口、孔边缘有毛刺或安装不垂直，对静压的测量有何影响?
实验二、离心泵特性曲线测定
一、实验目的
1. 了解离心泵结构与特性，学会离心泵的操作；
2. 掌握离心泵特性曲线测定方法。
二、基本原理
离心泵的特性曲线是选择和使用离心泵的重要依据之一，其特性曲线是在恒定转速下泵的扬程H、轴功率N及效率η与泵的流量V之间的关系曲线，它是流体在泵内流动规律的外部表现形式。由于泵内部流动情况复杂，不能用数学方法计算这一特性曲线，只能依靠实验测定。
1．扬程H的测定与计算
在泵进、出口取截面列柏努利方程：
式中：p1,p2——分别为泵进、出口的压强 N/m2 ρ——流体密度 kg/m3
u1, u2——分别为泵进、出口的流量m/s g——重力加速度 m/s2
当泵进、出口管径一样，且压力表和真空表安装在同一高度，上式简化为：
由上式可知：只要直接读出真空表和压力表上的数值，就可以计算出泵的扬程。
2．轴功率N的测量与计算
轴的功率可按下式计算：
式中，N—泵的轴功率，W
M—泵的转矩，N.m
ω—泵的旋转角速度，1/s
n—泵的转速，r/min
P—测功臂上所加砝码的质量,Kg
L—测功臂长，m；本实验L=0.4867m
由上式可知：要测定泵的轴功率，需要同时测定泵轴的转矩M和转速n，泵轴的转矩采用马达天平法测量，泵轴的转速由XJP-20A数值式转速表直接读出。
3．效率η的计算
泵的效率η是泵的有效功率Ne与轴功率N的比值。有效功率Ne是单位时间内流体自泵得到的功，轴功率N是单位时间内泵从电机得到的功，两者差异反映了水力损失、容积损失和机械损失的大小。
泵的有效功率Ne可用下式计算：
Ne=HVρg
故
η=Ne/N=HVρg/N
4．速改变时的换算
泵的特性曲线是在指定转速下的数据，就是说在某一特性曲线上的一切实验点，其转速都是相同的。但是，实际上感应电动机在转矩改变时，其转速会有变化，这样随着流量的变化，多个实验点的转速将有所差异，因此在绘制特性曲线之前，须将实测数据换算为平均转速下的数据。换算关系如下：
流量
扬程
轴功率 N
效率
三、实验装置与流程
离心泵性能特性曲线测定系统装置工艺控制流程图如图2-1：
图2-1系统装置工艺控制流程图
四、实验步骤及注意事项
1．注意扭矩传感仪在实验开始时要将钩子取下，在测数据时再装上，每测量一组数据后立刻取下，当测下一组数据时再装上。
2．打开总电源空气开关，打开仪表电源开关，仪表上电；打开三相空气开关，把离心泵电源转换开关旋到‘直接’位置，即为由电源直接启动，这时离心泵停止按钮灯亮。
3．打开离心泵出口阀门，打开离心泵灌水阀，对水泵进行灌水。（注意：在打开灌水阀时要慢慢打开，且只打开一定的开度，不要开的太大，否则会损坏压力表的。）灌好水后关闭泵的出口阀与灌水阀门。
4．检查拉力传感器的挂绳有没有脱离水泵（如没有脱离，一定要让挂绳脱离水泵否则会拉坏拉力传感器的。）
5．实验软件的开启：打开“离心泵性能特性曲线测定实验.MCG”组态文件，出现提示输入工程密码对话框，输入密码1121后，进入组态环境，按“F5”键进入软件运行环境。按提示输入班级、姓名、学号、装置号后按“确定”进入“离心泵性能特性测定实验软件”界面，点击“恒定转速下的离心泵性能特性曲线测定”按钮，进入实验界面。
6．当一切准备就绪后，按下离心泵启动按钮，启动离心泵，这时离心泵启动按钮绿灯亮，开始进行离心泵实验。
7．打开泵的出水阀11（全开），这时流量达到最大值。
8．流量调节：（1）手动调节：通过手动调节流量调节球阀，改变流量的大小；（2）通过电动调节阀进行调节：可通过流量手自动控制仪表进行调节阀的手自动控制：①仪表手动调节：在仪表面板上进行，按照万迅仪表说明书第20页的操作方式将仪表调到手动操作模式，按上下键（^、v）进行调节，输出信号的增大或减小来控制调节阀开度的增大或减小，达到调节流量的目的；②仪表自动调节：在“恒定转速下的离心泵性能特性曲线测定”实验界面中，单击手动调节中按钮，则进入自动调节状态，直接单击设定输出按钮，输入调节阀开度值即可自动由调节阀控制流量。
9．手动调节做手动实验：调节流量调节阀门，将流量调到最大，等流量稳定时，往泵的电机力臂上加砝码，达到平衡时读出砝码的重量p。在仪表台上读出电机转速n，流量v，水温t，真空度p1和出口压力p2并记录；将流量改变，测得一组数据并记录；改变流量记录数据。
10．电动调节阀做自动实验：关闭流量手动调节阀门，打开电动调节阀前面的阀门，打开电动调节阀电源开关，给电动调节阀上电；用流量自动调节仪：①仪表手动调节：在仪表手动状态下按向上键（^）增大输出到最大，使调节阀开到最大。然后等流量稳定时，把扭矩传感器的挂钩挂在电机力臂上，旋转下面的圆盘，使力臂保持平衡。等数据稳定后，按下软件的“数据采集”按钮采集数据。采集完数据，把扭矩传感器的挂钩御下。用向下键（v）减小流量，在不同流量下分别按下“数据采集”按钮采集数据；②仪表自动调节：在软件界面中单击“手动调节中”按钮，则进入自动调节状态（“自动调节中”），单击“设置输出”按钮，输入100，把调节阀开到最大。等流量稳定后，把扭矩传感器的挂钩挂在电机力臂上，旋转下面的圆盘，使力臂保持平衡。等数据稳定后，按下软件的“数据采集”按钮采集数据。采集完数据，把扭矩传感器的挂钩御下。改变设置输出的大小，改变不同的流量，采集不同流量下的数据。
11．根据实验装置的测量范围，合理确定实验点，同时注意流量不能低于5㎡/h。
12．实验完毕，一定先把扭矩传感器的挂钩取下，让挂钩与力臂脱离，按下仪表台上的水泵停止按钮，停止水泵的运转。关闭水泵出口阀。单击“退出实验”。回到“离心泵性能特性测定实验软件”界面，再单击“退出实验”按钮退出实验系统。
拔下电机的电源插头，读取实验水温，记录泵的牌号规格，整理实验数据。
五、实验报告
1．在同一张坐标纸上描绘一定转速下的H～V、N～V、η～V曲线
2．分析实验结果，判断泵较为适宜的工作范围。
六、思考题
1．试从所测实验数据分析，离心泵在启动时为什么要关闭出口阀门？
答：从实验数据看，V越小，H越大，轴功率最低。离心泵在启动时关闭出口阀门，可使轴功率低，以免电机烧坏。
2．启动离心泵之前为什么要引水灌泵？如果灌泵后依然启动不起来，你认为可能的原因是什么？
答：离心泵之前灌泵是为了防止发生气缚现行。灌泵后仍启动不起来，可能的原因有：泵内密封系统坏了，造成泵内循环或泵内有东西阻塞了通道。：
3．为什么用泵的出口阀门调节流量？这种方法有什么优缺点？十分还有其他方法调节流量？
答：出口阀门调节流量方便且易控制。缺点是造成能量损失。其它方法调节流量的方法：旁路流量调节法或改变电机转速。
4．泵启动后，出口阀如果打不开，压力表读数是否会逐渐上升？为什么？
答：泵启动后，出口阀门不开，压力表读数会逐渐上升，达到一定值后将不会再上升。因为转速一定后，流量一定，则压力一定。
5．正常工作的离心泵，在其进口管路上安装阀门是否合理？为什么？
答：不合理。离心泵进口处阻力越小越好，以免发生气蚀
6．试分析，用清水泵输送密度为１２００Ｋｇ／ｍ的盐水（忽略密度的影响），在相同流量下你认为泵的压力是否变化？轴功率是否变化？
答：泵的压力和轴功率均随密度而增大：因为H＝△P/ρg，H不随ρ变化，则△P∝ρ，
Ne=HVρg，H、V均不随ρ变化，则Ne∝ρ。
实验三、恒压过滤常数测定实验
一、实验目的
1．熟悉板框压滤机的构造和操作方法；
2．通过恒压过滤实验,验证过滤基本原理；
3．学会测定过滤常数K、qe、τe及压缩性指数S的方法；
4．了解操作压力对过滤速率的影响；
5．学会有关测量与控制仪表的使用方法。
二、基本原理
过滤是以某种多控物质作为介质来处理悬浮乳液的操作。在外力的作用下，悬浮液中的液体通过介质的孔道而固体颗粒被截流下来，从而实现固液分离，因此，过滤操作本质上是流体通过固体颗粒通过床层的流动，所不同的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，故在恒压过滤操作中，起过滤速率不断降低。
影响过滤速度的主要因素除压强差△p，滤饼厚度L外，还有滤饼和悬浮页液的性质，悬浮液温度，过滤介质的阻力等，故以应用流体力学的方法处理。
比较过滤过程与流体经过流动床的流动可知：过滤速度即为流体通过固定床的表现速度u。同时，流体细小颗粒构成的滤饼空隙中的流动是地雷诺数范围，因此，可利用流体通过固定床压降的简化模型，寻求滤液量与时间的关系，应用层流时泊肃叶公式不难推导出过滤速度计算式：
式中，u——过滤速度，m/s
K’——康采尼常数，层流时，K?=5.0;
ε---床层的空隙率，m/m
a---颗粒的比表面积，m/m
△p---过滤的压强差，Pa
μ---滤液的粘度，Pa.s
L---床层厚度，m
由此可导出过滤基本方程式为：
式中，V——滤液体积，m
τ——过滤时间，s
A——过滤面积
S——滤饼压缩性指数，无因次。一般情况下S=0～1，对不可压缩滤饼S=0
R——滤饼比阻，1/m,r=
——单位压差下的比阻，1/m,r=r
V——滤饼体积与相应滤液体积之比，无因次。
Ve——虚拟滤液体积，
恒压过滤时，令,, ,对上式积分可得
式中，q——单位过滤面积的滤液体积，
qe——单位过滤面积的虚拟滤液体积，
τe——虚拟过滤时间，s
K——滤饼常数，由物料特性及过滤压差所决定，
K，qe，τe三者总称为过滤常数。利用恒压过滤方程进行技计算时，必须首先需要知道K，qe，τe，它们只有通过实验才能确定。
对上式微分可得
该式表明以为纵坐标，以q为横坐标作图可得一直线，直线斜率为2/K，截距为2 qe /K。在实验测定中，为便于计算，可用替代，把上式改写成：
在恒压条件下，用秒表和量筒分别测定一系列时间间隔及对应的滤液体积，由此算出一系列在直角坐标系中绘制的函数关系，得一直线。有直线的斜率便可求出和，再根据，求出
改变实验所用的过滤压差，可测得不同的k植，由的定义式两边取对数得
在实验压差范围内，若为常数，则的关系在直角坐标上应是一条直线，直线的斜率为（1-s）可得滤饼呀说性指数s，进而可得物料特性常数k。
三、实验装置与流程
恒压过滤常数的测定流程示意图如图3-1、3-2所示：
图3-1 恒压过滤
图3-2 板框压虑机过滤流程图
四、实验步骤及注意事项
1．打开总电源空气开关，打开仪表电源开关，打开24V电源开关，这样仪表上电了。
2．配制含CaCO3 8%~13%(wt.%)的水悬浮液。
3．开启空气压缩机，打开阀3，阀4，将压缩空气通入配料水槽，使CaCO3悬浮液搅拌均匀。
4．正确装好滤板、滤筐及滤布。滤布使用前先用水浸湿。滤布要绑紧，不能起绉（用丝杆压紧时，千万不要把手压伤，先慢慢转动手轮使板筐合上，然后再压紧）。
5．关闭阀2在压力料槽排气阀16打开的情况下，打开阀6，使料浆自动由配料桶流入压力料槽至1/2～1/3处，关闭阀4。
6．通过压缩空气至压力料槽，使容器内料浆不断搅拌，压力料槽的排气阀要不断排气但又不能喷浆。
7．打开1＃电磁阀，打开阀7、阀10 、阀12，开始实验。
8．手动实验：每次实验应在滤液从汇集管刚流出的时刻作为开始时刻。，每次ΔV取为800ml左右。记录相应的过滤时间Δt。要熟练双秒表轮流读数的方法。量筒交替接液时不要流失滤液。等量筒内滤液静止后读出ΔV值和记录Δt值。测量8～10个读数即可停止实验。打开3＃电磁阀和阀9做中等压力实验。打开2＃电磁阀和阀8做大压力实验。
8．滤液量自动测量仪：打开“恒压过滤系数特性测试曲线实验.MCG”组态文件，出现提示输入工程密码对话框，输入密码1121后，进入组态环境，按“F5”键进入软件运行环境。按提示输入班级、姓名、学号、装置号后按“确定”进入“恒压过滤常数测定实验软件”界面，点击“恒压过滤常数测定实验”按钮，进入实验界面。当一切准备就绪后单击“开始按钮”开始实验，当测好所需的实验次数后单击“停止”按钮停止实验。若实验完毕单击“退出实验”。回到“恒压过滤常数测定实验软件”界面，再单击“退出实验”按钮退出实验系统。
9．实验完毕关闭阀12，打开阀4，将压力料槽的悬浮液压回配料桶，关闭阀4。
10．关闭阀2，打开排气阀16。
11．关闭空气压缩机电源，关闭24VDC电源，关闭仪表电源。
五、实验报告
1．有恒压过滤实验数据求过滤常数K，qe，τe
2．比较几种压差下的K，qe，τe值，讨论压差变化对以上参数数值的影响。
3．在直角坐标纸上绘制关系曲线，求出S 及k
4．写出完整的过滤方程式，弄清其中各个参数的符号及意义。
六、思考题
1．通过实验你认为过滤的一维模型是否适用？
2．当操作压强增加一倍，其K值是否也增加一倍？要得到同样的过滤液，其过滤时间是否缩短了一半？
3．影响过滤速率的主要因素有哪些？
4．滤浆浓度和操作压强对过滤常数K值有何影响？
5．为什么过滤开始时，滤液常常有点浑浊，而过段时间后才变清？
6．若要做滤饼洗涤，管线应怎样安排？需增加什么设备？
实验四 对流给热系数测定
一、实验目的
观察水蒸气在水平管外壁上的冷凝现象；
测定空气或水在园直管内强制对流给热系数；
测定蒸汽在水平管外冷凝给热系数；
掌握热电偶测温方法。
二、基本原理
在套管换热器中，环隙通以水蒸气，内管管内通以空气或水，水蒸气冷凝放热以加热空气或水，在传热过程达到稳定后，有如下公式：
VρCP(t2-t1)=α0A0(T-TW)m=αiAi(tw-t)m
V：被加热流体体积流量，m3/s
A0、Ai：内管的外壁、内壁的传热面积，m2
ρ：被加热流体密度，kg/m3
(T-TW)m：水蒸气与外壁间的对数平均温度差，℃
CP：被加热流体平均比热，J/(kg℃)
(tw-t)m：内壁与流体间的对数平均温度差，℃
αi、α0：水蒸气对内管外壁的流量给热系数和流体对内管内壁的对流给热系数W/(m2℃)
t2、t1：被加热流体进、出口温度，℃
T1、T2：蒸汽进、出口温度，℃
Tw1、Tw2、tw1、tw2：外壁和内壁上进、出口温度，℃Tw2
当内管材料导热性能很好，即λ值很大，且管壁厚度很薄时，可认为Tw1＝tw1，Tw2＝tw2，即为所测得的该点的壁温。
则：
若能测得被加热流体的V、t2、t1，内管的换热面积A0或Ai，以及水蒸气温度T，壁温Tw1、Tw2，即可计算实测的水蒸气（平均）冷凝给热系数和实测的流体在管内的（平均）冷凝给热系数。
在水平管外，蒸汽冷凝给热系数（膜状冷凝）的半经验式：
α0：蒸汽在水平管外的冷凝给热系数，W/(m2℃)
λ：水的导热系数，W/(m2℃) g：重力加速度，9.81m/s2
ρ：水的密度，kg/m3 μ：水的粘度，Ns/m2
d0：内管外经，m r：饱和蒸汽的冷凝潜热，J/kg
?t：蒸汽的饱和温度和壁温之差，℃
定性温度：除冷凝潜热为蒸汽饱和温度外，其余均取液膜温度，即tm=(ts+tw)/2，其中：tw=(Tw1+Tw2)/2。
流体在直管内强制对流时的给热系数的半经验式：
湍流时：
αi：流体在直管内强制对流时的给热系数，W/(m2℃)
λ：流体的导热系数，W/(m2℃) di：内管内径，m
Re：流体在管内的雷诺数，无因次 Pr：流体的普朗特数，无因次
定性温度：均为流体的平均温度，即t=(t1+t2)/2
过渡流时：αi’＝φαi，φ为修正系数，
三、实验装置与流程
1．实验装置
实验装置如图1所示。
图1 水蒸气～水换热流程图
来自蒸汽发生器的水蒸气进入玻璃套管换热器，与来自高位水槽的水进行热交换，冷凝水经疏水器排入地沟。冷水经涡轮流量计进入套管换热器内管（紫铜管），热交换后流入下水道。若空气～水蒸气体系热交换，其流程与上述相仿，就是把输水管改为输空气管线，空气由叠式离心风机供给。
2．设备与仪表规格
（1）紫铜管规格：直径φ16×1.5mm，长度L=1010mm
（2）外套玻璃管规格：直径φ112×6mm，长度L=1010mm
（3）涡轮流量变送器规格：LW－10型（液体）
（4）流量指示积算仪规格：XSF－40型
（5）直流数字毫伏表规格：PZ39/1型
（6）油浸转换开关（十二点）规格：WKR－121型
（7）压力表规格：0～0.4MPa
（8）保温瓶
（9）铜～康铜热电偶，其温度与毫伏表显示的毫伏数之间的关系查附录。
四、实验步骤与注意事项
（一）实验步骤
1．打开总电源空气开关，打开仪表及巡检仪电源开关，给仪表上电。
2．开启变频器电源开关（水蒸气－空气装置）或电动调节阀电源开关（水蒸气－水装置），让套管换热器里冲有一定量的水或空气。
3．打开阀1，排蒸汽发生器到装置管段的冷凝水，直到听到有蒸汽的响声后关闭阀1。
4．当一切准备好后，打开蒸汽进口阀2，蒸汽压力调到0.03Mpa，并保持蒸汽压力不变。 （可通过调节排不宁性气体阀以及阀2的实现。）
5．调节冷流体进口阀3，改变冷流体的流量到一定值，等稳定后记录实验数值；改变流量，记录不同流量下的实验数值。
6．记录7～8组实验数据，完成实验，关闭蒸汽进口阀2与冷流体进口阀3，关闭仪表电源、巡检仪电源及电动调节阀或风机电源。
7．关闭蒸汽发生器。
8．打开实验软件，把实验数据输入，进行实验数据处理。
（二）注意事项
1．一定要在套管换热器内管输以一定量的水，方可开启蒸汽阀门，且必须在排除蒸汽管线上原先积存的凝结水后，方可把蒸汽通入套管换热器中。
2．刚开始通入蒸汽时，要仔细检查蒸汽阀门的开度，使蒸汽徐徐流入换热器中，逐渐加热，由冷态转变为热态不得少于20分钟，以防止玻璃管因突然受热、受压而爆裂。
3．操作过程中，蒸汽压力一般控制在0.05MPa（表压）以下，否则可能造成玻璃管爆裂和填料损坏。
4．测定各参数时，必须是在稳定传热状态下，随时注意惰气的排空和压力表读数的调整。每组数据应重复2～3次，确认数据的再现性、可靠性。
五、实验报告
1．将冷流体给热系数的实验值与理论值列表比较，计算各点误差，并分析讨论。
2．说明蒸汽冷凝给热系数的实验值和冷流体给热系数实验值的变化规律。
3．按冷流体给热系数的模型式：。确定式中常数A及m。
六、思考题
1．实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响?
无影响。因为Q=αA△tm，不论冷流体和蒸汽是迸流还是逆流流动，由于蒸汽的温度不变，故△tm不变，而α和A不受冷流体和蒸汽的流向的影响，所以传热效果不变。
2．蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么措施？
不冷凝气体的存在相当于增加了一项热阻，降低了传热速率。冷凝器必须设置排气口，以排除不冷凝气体。
3．实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷凝水？
冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了一项热阻，降低了传热速率。在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。
4．实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？为什么？
壁温是靠近蒸汽侧温度。因为蒸汽的给热系数远大于冷流体的给热系数，而壁温接近于给热系数大的一侧流体的温度，所以壁温是靠近蒸汽侧温度。
5．如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对α关联式有何影响？
基本无影响。因为α∝(ρ2gλ3r/μd0△t)1/4，当蒸汽压强增加时，r 和△t均增加，其它参数不变，故 (ρ2gλ3r/μd0△t)1/4变化不大，所以认为蒸汽压强对α关联式无影响。
实验七 干燥速率曲线的测定
一、实验目的
1．熟悉常压厢式干燥器的构造和操作；
2．测定在恒定操作条件（即热空气温度、湿度、流速不变）下的湿物料干燥速率曲线；
3．测定该物料的临界湿含量X0；
学会有关测量和控制仪器的使用方法。
二、基本原理
单位时间被干燥物料的单位表面上除去的水分量即干燥速率，即
kg/(m2s)
式中， GC为湿物料中的干物料的质量，kg；
X为湿物料的干基含水量，kg水/kg干料；
A为干燥面积，m2；
DW为湿物料被干燥掉的水分，kg；
dτ干燥时间，s。
当湿物料和热空气接触时，被预热升温并开始干燥，在恒定干燥条件下，若水分在表面的汽化速率小于或等于从物料内层向表面层迁移的速率时，物料表面仍被水分完全润湿，干燥速率保持不变，称为等速干燥阶段或表面汽化控制阶段。
当物料的含水量降至临界湿含量以下时，物料表面仅部分润湿，且物料内部水分向表层的迁移速率又低于水分在物料表面的汽化速率时，干燥速率就不断下降，称为降速干燥阶段或内部扩散阶段。
三、实验装置与流程
1．装置流程
实验装置如图所示。
图1 干燥装置流程图
放置在称重传感器上的毛毡含水10～15g左右水。它通过固定在铜支架上的夹子固定，并放置在称重传感器上，由于称重传感器的量程只有0~200克，所以在放铜支架的时候应非常的小心，以防止过重而损坏称重传感器。空气用鼓风机送入电加热器，经加热的空气流入干燥室，加热干燥料盘中的湿物料后，经排出管道排入大气中。随着干燥过程的进行，物料失去的水分量通过称重传感器和智能仪表显示出来。
2．主要设备及仪器
鼓风机：370W
电加热器：2KW，两根
干燥室：280mm×280mm×1250mm
干燥盘：150mm×75mm×20mm
称重传感器：SM-18型
毛毡
支架
孔板流量计
单相调压模块：0~150℃
四、实验步骤与注意事项
1．实验步骤
（1）开启仪表电源。
（2）开启风机。
（3）过一分钟后按启动按钮启动电加热管，进行加热。其中一根电加热管的电压是恒定的，另一根的电压可通过手动或仪表自动调节单相调压模块调节电压值。
（4）手动调节电压时把手自动转换开关打到手动位置，通过手动旋钮调节；
（5）仪表自动调节电压时把手自动转换开关打到自动位置，在仪表上设置SV=目标温度值即可实现温度的自动控制。
（6）当温度达到70℃时开始记录实验数据，每隔两分钟记录一次数据，直到数据基本不变化为止。
（7）停止电加热管，关闭风机电源，关闭仪表电源。
（8）把数据输入到数据处理软件里进行分析处理。
2．注意事项
（1）在放置带毛毡的支架时，一定要轻拿轻放，以免损坏称重传感器。
（2）在启动电加热管之前一定要先开风机。
五、实验报告
1．将原始数据列表。
2．根据干燥曲线绘制干燥速率曲线。
3．求取物料的临界湿含量。
4．对实验结果进行讨论。
六、思考题
1．实验过程中干、湿球温度计是否变化？为什么？
2．恒定干燥条件是指什么？
3．如何判断实验已经结束？
实验八 酒精分离工艺过程操作与控制优化
——综合设计型工程实验
1.实验目的
(1).熟悉酒精生产过程的工艺。
(2).系统掌握板式塔的操作方法与控制原理。
(3).学会利用所理论知识去分析分离操作过程中遇到的工程实际问题，并找出解决问题的方法。
(4).通过对系统的经济评价，加强工程经济意识。
2.生产指标
(1).处理能力 ： 0.007~0.015m3/h，乙醇含量20%~25%(V%)
(2).塔顶产品质量： ≥91%(V%)
(3).乙醇回收率： ≥92%
3.经济指标
原料成本：工业下脚料，工业废料 ~500元/吨（18~25%）
工业酒精市售参考价： ~5500元/吨 (95%)
能源形式：电能 ~1.00元/度
冷却剂： 水 ~1.00元/吨
4.现场设备条件
(1).精馏塔1：塔径Ф68，塔板11块，冷凝器面积0.4m2，配料槽，高位槽，送液泵，产品贮槽，流量计，热电偶测温装置，电器控制仪表。
(2).精馏塔2：塔径Ф76，塔板15块，冷凝器面积0.36m2，配料槽，送液泵，产品贮槽，流量计，热电偶测温装置，电器控制仪表。
(3).样品检测仪表：温度计，酒精计。
5.要求
(1).进行工艺计算：
全塔物料衡算；
确定精馏塔的工艺操作参数；
③.全塔热量衡算；
(2).写出预习实验报告：
物料衡算及结果；
确定塔的工艺操作参数（列表）；
③.实验流程和实验操作步骤；
6.实验报告要求
(1).物料衡算的计算过程，以及实验结果是否符合要求；
(2).热量衡算的计算过程；
(3).提馏段、精馏段等操作线方程、最小回流比、全塔效率；
(4).经济效益衡算；
(5).实验结果讨论（含经济指标评价）；
(6).实验见解与体会。
7.实验中应注意问题
(1).当你计算的数据与实际有偏差时，应进行数据校正，调整操作参数。
(2).在实验过程中，若产品质量指标达不到要求时，应如何解决。当产品质量指标达到要求，而产量指标达不到要求时，又如何解决。
(3).实验过程中，应用所学过的理论知识，通过分析、讨论，去解决实验中遇到工程实际问题。
(4).在实验中应注意安全，也要大胆地进行独立操作。通过实际操作，掌握工业生产的操作方法。
