化工原理实验教材武汉科技大学化学工程与技术学院2003年目录实验一 流体静力学演示实验实验二 流体机械能转换实验——柏努利方程演示 4实验三 雷诺数的测定与流型观察实验四 管内流体流动阻力的测定 9实验五 离心泵性能实验——离心泵特性曲线的测定12试验六 离心泵汽蚀、气缚的演示实验1619试验七 传热实验试验八 板式精馏塔的操作及塔板效率实验25试验九 吸收实验29试验十 填料塔流体力学特性实验试验十一 板式塔演示实验37试验十二 干燥实验39实验一 流体静力学演示实验实验目的1. 通过本实验的演示，加强对静力学概念的理解；2. 掌握 U 型管压力计测量压力的使用方法；3. 了解 U 型管压力计中不同指示液对读数的影响；基本原理1. 压力：流体垂直作用于单位面积上的力称为压强，工业上习惯称为压力常用压力表所示读数，即表压力（表压），并非表内压力的实际值，即绝对压力（绝压） 而是表内压力比表外大气压力高出的值两者关系为：表压 = 绝压 — 大气压真空表的读数为大气压比所测压力的实际值高出的值，称为真空度（负压） 两者关系为真空度 = 大气压 — 绝压2．U 形管压差计：U 形管压差计是利用流体静力学平衡原理测流体静压力的仪器，为连通器应用的实例之一。
其读数的方法以图3.1-a和3.1- b两种情况为例：(a)(b)图 1.1 流体静力学平衡示意图图 1.1— a 表示容器内为正压，其绝对压力P = P + p gRa图 1.1— b 表示容器内为负压，其绝对压力P = P - p gRa其中：P ——绝对压力，N m 2大气压，m2p gR——表压，比m 2；p ——指示液密度，炮：m 3R 液位差，m；g——重力加速度，m：： S 2.若将图示中指示液改为密度为Pa或Pb、P c……的液体，则有p R = p R = p R = ……a a b b c c ……若已知Pa，则可求出ppb、 c实验装置（如图 1.2）图 1.2 静力学实验装置实验步骤1•打开阀门D，使大、小水箱内压力等于大气压然后关上阀门D,将小水箱置于适当位置, 使大水箱内压力大于大气压，读取各个测压管的数据2•打开阀门D，使大、小水箱内压力等于大气压然后关上阀门D,将小水箱置于适当位 置，使大水箱内压力小于大气压，读取各个测压管的数据讨论与计算1. 讨论U型管压力计测压原理，算出操作1、2两项时容器2内的绝对压力（Nm 2）2. 如何选用U型管压力计内的指示液？3. 测压导管长度，U型管直径对压力计读数有无影响？4. 若已知水的密度，能否通过以上操作分别求出四氯化碳和煤油的密度？5. 若要测大于 2个大气压或小于 10mmH 2O 的压力，此压力计是否依然适用？实验二 流体机械能转换实验——柏努利方程演示实验目的熟悉流动流体中各种能量和压头的概念及其互相转换关系，在此基础上掌握柏努利方程。
基本概念1. 流体在流动时具有三种机械能：即①位能，②动能，③压力能这三种能量可以互相转 换当管路条件改变时（如位置高低，管径大小），它们会自行转换如果是粘度为零的理想流 体，由于不存在机械能损失，因此在同一管路的任何二个截面上， 尽管三种机械能彼此不一定相 等，但这三种机械能的总和是相等的2. 对实际流体来说，则因为存在内摩擦，流动过程中总有一部分机械能因摩擦和碰撞而消 失，即转化成了热能而转化为热能的机械能，在管路中是不能恢复的对实际流体来说，这部 分机械能相当于是被损失掉了，亦即两个截面上的机械能的总和是不相等的， 两者的差额就是流 体在这两个截面之间因摩擦和碰撞转换成为热的机械能 因此在进行机械能衡算时，就必须将这 部分消失的机械能加到下游截面上，其和才等于流体在上游截面上的机械能总和3. 上述几种机械能都可以用测压管中的一段液体柱的高度来表示在流体力学中，把表示 各种机械能的流体柱高度称之为“压头”表示位能的，称为位压头；表示动能的，称为动压头 （或速度头）；表示压力的，称为静压头；已消失的机械能，称为损失压头（或摩擦压头）这 里所谓的“压头”系指单位重量的流体所具有的能量4. 当测压管上的小孔（即测压孔的中心线）与水流方向垂直时，测压管内液柱高度（从测 压孔算起）即为静压头，它反映测压点处液体的压强大小。
测压孔处液体的位压头则由测压孔的 几何高度决定5. 当测压孔由上述方位转为正对水流方向时，测压管内液位将因此上升，所增加的液位高 度，即为测压孔处液体的动压头， 它反映出该点水流动能的大小 这时测压管内液位总高度则为 静压头与动压头之和，我们称之为“总压头”6. 任何两个截面上位压头、动压头、静压头三者总和之差即为损失压头，它表示液体流经 这两个截面之间时机械能的损失实验装置（如图2.1）试验设备由玻璃管、测压管、活动测压头、水槽、水泵等组成活动测压头的小管端部封 闭，管身开有小孔，小孔位置与玻璃管中心线平齐， 小管与测压管相通， 转动活动测压头就可以 测量动、静压头管路分成四段，由两段不同直径的玻璃管所组成中间相对较粗管段的内径约为 34 毫米， 其余部分的内径约为13毫米第四段的位置，比第三段低约5毫米，阀A供调节流量之用1-水箱；2-水泵；•旁通阀；肛高位槽；5-回流管；6-摆头7-有机玻璃试验管；8-活动测头；9-测压管；A-阀门图 2.1 柏努利演示实验装置实验操作1. 关闭A阀，旋转测压管，观察并记录个测压管中的液位高度H2. 开动循环水泵，开阀 A 至一定大小，将测压孔转到正对水流方向及垂直水流方向，观察 并记录各测压管相应的液位高度 H1。
3. 不改变测压孔位置，继续开大 A 阀，观察测压管液位变化并记录各测压管液位的相应 高度 H2记录表格测压点次别及H值123456操作阀A测压孔轴线 方向1H关任意2Hi开正对水流与水流方向 垂直3H2再开大正对水流与水流方向 垂直思考题（要求在实验报告上写出答案 ）1. 关闭A阀，各测压管旋转时，液位高度有无变化？这一现象说明什么？这一高度的物理 意义又是什么？2. 当测压孔正对水流方向时，各测压管的液位高度 H 的物理意义是什么？3. 为什么H>H1 （对同一点而言）？为什么距离水槽越远，（H-H1 ）的差值越大？其物理 意义是什么？4. 测压孔正对水流方向，开大阀A,流速增大，动压头增大，为什么测压管的液位反而下 降？5. 将测压孔由正对水流方向，转至与水流方向垂直，为什么各测压管的液位下降？下降的 液位代表什么压头？ 2、3两点及4、5 两点各自下降的液位是否相等？这一现象说明了什么？实验三 雷诺数的测定与流型观察实验目的1. 观察流动类型，测定并计算临界雷诺数 Re；2. 观察速度分布基本原理1. 流体在管内流动时，一般情况下，不是处于滞流（层流）就是处于湍流（紊流）状态 滞流时，流体质点运动互相平行， 不同流体层间的质点彼此不发生穿插混合。
湍流时，流体质点 向各个方向作不规则运动，但流体主体仍向某一规定方向流动判定流型的准数称为雷诺准数， 以Re表示圆直管中，Re<2000时属于层流；Re >4000时则属于湍流Re在2000至4000之 间时，流动处于一种过渡状态，可能为层流，也可能为湍流，或是二者交替出现，为外界条件所 左右一般情况下把滞流变为湍流的临界情况的 Re 称为上临界 Re 数而把由湍流变为滞流的临 界情况的 Re 称为下临界 Re 数二者一般是不相等的 Re 以下式表示：du pR =—-e 卩因为流体的粘度和密度与流体的温度有关，所以在测定 Re 数的过程中，还必须知道流体的 温度，流体在管道内流动，若已知d、p、|j，则测定出由滞流变为湍流时的临界速度即可计算 出临界雷诺数 Re 的值实验观察过程中，影响流动状态的因素很多，入口条件、有无振动现象、流量计调节速度 快慢等都会对流体流动造成影响2. 流体进入圆管，以均匀一致的速度u流动，由于流体粘性的影响，相邻的流体层间产生 摩擦力，使流体流动速度发生变化，在垂直流体流动方向产生速度梯度 du/dy ，从而形成速度分 布层流时速度分布为抛物线，湍流时则为指数曲线 （顶部较平坦）。
实验时，通过红墨水示踪， 即可观察到不同的流动型态 实验装置（如图3.1）一—溢流水A-进阀；R-进水墨水旋塞；1-高忖-槽；2-稳流装置；3-溢流裝宣：■1-溢流管：&说管：卜转子流量讣：「高位墨水瓶：8-液位將示计图 3.1 雷诺数实验装置如图所示，，实验时水由高位水槽 1 进入实验玻璃管，水量由 C 阀控制，槽内设有进水稳 流装置2及溢流装置3，以维持液面平稳恒定，多余的水由溢流管4排出，以保证C阀开度不变 时通过实验管的水流量不变，即稳定流动实验操作1. 打开阀C,水由高位槽进入实验管5,经转子流量计6排出由转子流量计读出通过实 验管的流量2. 用阀 B 控制高位墨水瓶 7 的墨水注入量装置前面附有算图，可以由流量计的读数以及水温直接查知所测的雷诺准数这样由玻璃 管观察流动状态的同时就可知道管内雷诺数的大小实验四 管内流体流动阻力的测定实验目的1. 测定液体在直管内流动时的摩擦阻力，并确定管路一定时摩擦系数与雷诺数之间的关 系；2. 熟悉压力的测量及转子流量计的构造及使用；3. 学会在双对数坐标纸上标绘入与Re的关系曲线基本原理流体在管路内流动时，由于存在摩擦阻力，须克服内摩擦力作功，损失一部分能量。
流体 阻力可分为直管阻力与局部阻力两类流体通过直管的阻力可用下式计算：l u 2h 八一f d 2 g将此式写为压头的形式：A P . l u2=h = XP g f d 2 gAp=A h式中pg , Ah为压力计的压差（m水柱）在一定的管路中，测定两点间的压强差，在已知1、d、p、u的情况下，利用上两式即可求出摩擦系数 X 变换流速，测出不同 Re 数下的摩擦系数，得到某一相对粗糙度时该段管路 X ~Re的关系为 Re 与的函数，即X =fRe，ed)在滞流时，X 与 Re 无关，对圆管而言，在湍流时摩擦系数 X与 Re 及都有关当Re=3000〜100000时，光滑管内入与Re的关系可用下式表示:0.3164九=Re 0.25在完全湍流区九则与Re的大小无关，只受'd的影响实验装置（如图4.1）实验步骤1. 熟悉实验装置及流程，观察倒 U 型压差计与管道的连接状况及测压点在管道上的位置2. 关闭B、C、D阀（A阀不动），启动电泵，利用倒U型压差计上的放气夹和阀D调节压 差计的液柱高度，近似稳定在压差计的中间偏上一点的位置打开阀C,观察转子流量计流量最 。