化學與生物農學系
《化學工程基礎》
實驗指導書
陳紅亮編寫
適用專業：化學
安順學院
二oo 九年八月
前言化工基礎實驗作為理科化工基礎課程教學的重要組成部分，屬於工程實驗的範疇，面對的是複雜的工程問題，涉及諸多變數和大小各異的裝置與流程，是一門工程技術實驗課程。開設化工基礎實驗課程，可以對學生進行工程技術的基本技能，研究工程問題的思維方法及創新能力等綜合素質訓練，加深學生對化學工程基本原理和基本概念的理解，提高他們分析實際問題的能力，為學生今後在實際工作中設計新實驗和從事科學研究與開發工作打下良好的基礎。
學習化工實驗的研究方法，使學生在科學實驗方法和實驗技能等方面得到系統的訓練；理論聯絡實際，培養和提高學生在實踐中綜合應用所學的知識去發現問題、分析問題和解決問題的能力，以及創新意識和創新能力；培養科學的思維方法、科學態度和科學作風；加深對化工操作過程原理的理解，增強工程觀點，了解典型化工裝置的結構、效能和操作方法；掌握化工實驗的基本方法和測量技術；學習實驗資料處理的基本方法；正確書寫實驗報告，掌握正確表達實驗結果的方法。
實驗一、流體流動型態及臨界雷諾數的測定 1
實驗二、伯努利方程實驗 5
實驗三、管道流體阻力實驗 9
實驗四、套管換熱器液－液熱交換係數及膜係數的確定 14
實驗五、填料塔液側傳質膜係數的測定 21
實驗六填料塔連續精餾實驗 28
實驗一、流體流動型態及臨界雷諾數的測定
實驗學時：3
實驗型別：驗證
實驗要求：必修
一、實驗目的
研究流體流動的型態，對於化學工程的理論和工程實踐都具有決定性的意義。2023年雷諾（reynolds）首先在實驗裝置中觀察到實際流體的流動存在兩種不同型態——層流和湍流，以及兩種不同型態的轉變過程。
本實驗的目的，是通過雷諾試驗裝置，觀察流體流動過程的不同流型及其轉變過程，測定流型轉變時的臨界雷諾數。
二、實驗內容
1、觀察流體在管內流動的兩種不同形態，層流和湍流；
2、確定臨界雷諾數（re=dρu/μ）。
三、實驗原理、方法和手段
經許多研究者實驗證明：流體流動存在兩種截然不同的型態，主要決定因素為流體的
密度和粘度、流體流動的速度，以及裝置的幾何尺寸（在圓形導管中為導管直徑）。
將這些因素整理歸納為乙個無因次數群，稱該無因次數群為雷諾準數（或雷諾數），即
式中d一導管直徑，m
ρ一流體密度，kg·m-3；
μ一流體粘度，pa· s；
u一流體流速，m· s-1；
大量實驗測得：當雷諾準數小於某一下臨界值時，流體流動型態恒為層流；當雷諾數大於某一上臨界值時，流體流型恒為湍流。在上臨界值與下臨界值之間，則為不穩定的過渡區域。
對於圓形導管，下臨界雷諾數為2000，上臨界雷諾數為10000。一般情況下，上臨界雷諾數為4000時，即可形成湍流。
應當指出，層流與湍流之間並非是突然的轉變，而是兩者之間相隔乙個不穩定過渡區域，因此，臨界雷諾數測定值和流型的轉變，在一定程度上受一些不穩定的其他因素的影響。
四、實驗組織執行要求
根據本實驗的特點、要求和具體條件，採用「以學生自主訓練為主的開放模式組織教學」。
五、實驗條件
儀器：雷諾實驗儀、量筒（2000ml）。
試劑：蒸餾水（或軟水）、紅墨水。
六、實驗步驟
雷諾試驗裝置主要由穩壓溢流水槽、試驗導管和轉子流量計等部分組成，如下圖所示。自來水不斷注人並充滿穩壓溢流水槽。穩壓溢流水槽的水流經試驗導管和流量計，最後排入下水道。
穩壓溢流水槽的溢流水，也直接排入下水道。水流量由調節閥調節。
雷諾實驗裝置
1.示蹤劑瓶；2.穩壓溢流水槽；3．試驗導管； 4．轉子流量計；v01．示蹤劑調節閥；v02．上水調節閥；v03．水流量調節閥；v04，v05-洩水閥；v06一放風閥。
（一）實驗前準備工作：
1、實驗前，先用自來水充滿穩壓溢流水槽．將適量示蹤劑（紅墨水）加入貯瓶內備用，併排盡貯瓶與針頭之間管路內的空氣。
2、實驗前，先對轉子流量計進行標定，作好流量標定曲線。
3、用溫度計測定水溫。
（二）實驗操作步驟：
1、開啟自來水閥門，保持穩壓溢流水槽有一定的溢流量，以保證試驗時具有穩定的壓頭。
2、用放風閥放去流量計內的空氣，再少許開啟轉子流量計後的調節閥，將流量調至最小值，以便觀察穩定的層流流型，再精細地調節示蹤劑管路閥，使示蹤劑（紅墨水）的注水流速與試驗導管內主體流體的流速相近，一般略低於主體流體的流選為宜。精心調節至能觀察到一條平直的紅色細流為止。
3、緩慢地逐漸增大調節閥的開度，使水通過試驗導管的流速平穩地增大．直至試驗導管內直線流動的紅色細流開始發生波動時，記下水的流量和溫度，以供計算下臨界雷諾數據．
4、繼續緩慢地增加調節閥開度，使水流量平穩地增加。這時，導管內的流體的流型逐步由層流向湍流過渡。當流量增大到某一資料值後，示蹤劑（紅墨水）一進入試驗導管，立即被分散呈煙霧狀，這時標明流體的流型已進入湍流區域．記下水的流量和溫度資料，以供計算上臨界雷諾數。
這樣實驗操作需反覆進行數次（至少5－6次），以便取得較為準確的實驗資料。
（三）實驗操作注意事項。
1、本實驗示蹤劑採用紅墨水．它由紅墨水貯瓶，經連線軟管和注射針頭，注入試驗導管。應注意適當調節注射針頭的位置。使針頭位於管軸線上為佳。
紅墨水的注射速度應與主體流體流速相近（略低些為宜），因此，隨著水流速的增大，需相應地細心調節紅墨水注射流量，才能得到較好的實驗效果。
2、在實驗過程中，應隨時注意穩壓水槽的溢流水量，隨著操作流量的變化，相應調節自來水給水量，防止穩壓槽內液面下降或氾濫事故的發生。
3、在整個實驗過程中，切勿碰撞裝置，操作時也要輕巧緩慢，以免干擾流體流動過程的穩定性。實驗過程有一定滯後現象，因此，調節流量過程切勿操之過急，狀態確實穩定之後，再繼續調節或記錄資料。
（四）實驗結果整理
（1）實驗裝置基本引數
試驗導管內徑d= mm
（2）實驗資料記錄及整理
七、思考題
1、什麼是雷諾數？有何意義？
2、速度分布曲線是什麼型狀？
3、最大流速和平均流速的關係？
實驗二、伯努利方程實驗
實驗學時：3
實驗型別：驗證
實驗要求：必修
一、實驗目的
當流體在導管內作定態流動時，導管各截面之間的各種形式機械能相互轉化，這種變化的變化規律，可由機械能衡算基本方程來表達。本實驗通過測定流動流體不同截面上的各種壓頭，弄清它們之間能量的互相轉化關係，加深對伯努利方程、連續性方程的理解與認識。
二、實驗內容
1、理解流動流體中各種能量和壓頭的概念及其相互轉換關係，在此基礎上得出的柏努利方程：
2、水在異徑管內流動，測定不同流速下，不同截面處的靜壓能、動能與阻力損失,了解測速管的結構和沖壓頭的測試方法。
三、實驗原理、方法和手段
對於不可壓縮流體，在導管內作定常流動，系統與環境又無功的交換時，若以單位質量流體為衡算基準，則對確定的系統即可列出機械能衡算方程：
若以單位重量流體為衡算基準時，則又可表達為
不可壓縮流體的機械能衡算方程，應用於各種具體情況下的作適當的簡化，例如：
1、當流體為理想液體時，於是式(1)和(2)可簡化為
2、當液體流經的系統為一水平裝置的管道時，則(1)和(2)式又可簡化為
3、當流體處於靜止狀態時，則(1)和(2)式又可簡化為
四、實驗組織執行要求
根據本實驗的特點、要求和具體條件，採用「以學生自主訓練為主的開放模式組織教學」。
五、實驗條件
儀器：伯努利方程實驗儀、量筒（2000ml）。
試劑：蒸餾水（或軟水）、紅墨水。
六、實驗步驟
雷諾實驗裝置
1．穩壓水槽；2.試驗導管；3.出口調節閥；4.靜壓頭測量管；5．沖壓頭測量管
實驗前，先緩慢開啟進水閥，將水充滿穩壓溢流水槽，並保持有適量流水流出，使槽內液面平穩不變，最後，設法排盡裝置內的氣泡。
1、關閉實驗導管出口調節閥，觀察和測量液體處於靜止狀態下個測試點（a、b和c三點）的壓強。
2、開啟實驗導管出口調節閥，觀察比較液體在流動情況下測試點的壓頭變化。
3、緩慢開啟實驗導管的出口條件閥，測量流體在不同流量下的各測試點的靜壓頭、動壓頭和損失壓頭。
實驗過程中必須注意如下幾點：
1、實驗前一定要將實驗導管和測壓管中的空氣泡排除乾淨，否則會影響準確性。
2、開啟進水閥或調節閥時，一定要緩慢，並隨時注意裝置內的變化。
3、實驗過程中需根據測壓管量程範圍，確定最小和最大流量。
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