化工原理实验讲义(版本)

化工原理实验实验讲义西南科技大学材料科学与工程学院材料基础中心实验室二○一三年十二月目录实验一、流体力学综合阻力实验A (2)实验二、固体流态化的流动特性实验 (6)实验三、除尘性能实验 (11)实验四、圆球法测固体材料导热系数 (13)实验一、流体力学综合阻力实验A实验前介绍双台综合阻力实验台（图1）为流体力学综合性多用途教学实验装置。

为双台型，可供两组学生同时进行实验。

利用本装置可进行下列实验：1．沿程阻力实验2．局部（阀门）阻力实验3．孔板流量计流量系数测定实验4．文丘里流量计流量系数测定实验实验装置实验台的结构简图如图1所示。

它主要由沿程阻力实验管路1、局部（阀门）阻力实验管路2、孔板流量计实验管路3和文丘里流量计实验管路4等四路实验管所组成，并有水泵及其驱动电机5，塑料储水箱6，有机玻璃回水水箱及计量水箱7（实测流量时用）、压差显示板8（图中未示出）和一些闸门组成的实验水循环系统和压差显示系统等，双台实验装置安装在一个底架9和管道支架10上。

文丘里实验管路为所有其它实验管路共用的出流通道。

图1 实验台结构简图工业应用以水泥工业的预热预分解系统为例：对于预热器系统来说，系统的阻力损失直接关系到能耗问题，因此在设计时就要充分考虑到局部阻力和沿程阻力等，所以了解这两种阻力的性质、可能出现的情况、以及如何减少这类损失等知识是很有必要的。

对于其他生产工艺来说都是同样的重要。

在生产中经常要对系统的稳定运行进行热工标定，即：测定管道内的流体速度，以检测系统是否正常稳定运行，并依此数据进行调节。

这就会用到流量计和毕托管等测定流体速度，所以掌握其操作方法对科学研究和指导生产都有着重要的意义。

（一）沿程阻力实验1．实验目的（1）测定流体在等直流管中流动状态下，不同雷诺数Re 时的沿程阻力系数，并确定它们 之间的关系。

（2）了解流体在管道中流动时能量损失的测量和计算方法。

2．实验方法和操作 (1) 实验前的准备。

① 熟悉实验装置中用于沿程阻力实验的具体结构及流程。

② 进行沿程阻力实施管路流体循环系统的试运转，并进行系统的排气处理；关闭局部阻力实验管路和孔板流量计（及毕托管）实验管路两端进水阀门和出水阀门，开启沿程阻力实验管路上两端的进水阀门（从水泵出口进水）和出水阀门；使沿程阻力实验管路和文丘里实验管路及其流体的出口和回水水箱（或计量水箱）形成沿程阻力实验系统的循环回路，然后启动水泵，用沿程阻力实验管路两端的阀门来调节流量（一般可开大进水阀门，再用出水阀门来控制和调节实验流量）。

实验系统形成正常的水循环后，应仔细排除实验管路中，也包括导压胶管中存留的空气，以提高测试精度。

③ 用玻璃温度计测出实验水温。

(2) 进行测试① 调节沿程阻力实验管路的出水阀门，先选定较小的流量，使沿程阻力实验系统的相应两根测压管所显示的压差h ∆约200 mm 水柱左右，以这个压差为起始测试点。

并在此工况下用计量水箱和秒表测量出相应的水流流量0Q 。

② 然后逐次适量开大出水阀门的开度，逐次测读相应的阻力压差i h ∆和流量i Q 。

建议实验做6~10个试验点，直至阻力压差达到接近最高的允许水柱高度为止。

③ 实验数据处理实验测试数据和计算所得结果可填入建议的表格1中。

根据达西公式，即可求出沿程阻力系数λ： 22gd hLu λ∆=； 相应的雷诺数Re ： Re udν=。

式中： d ——阻力试验管内径，m ；（本试验管内径d ＝16mm ）L ——试验管道测试段长度，m ； g ——重力加速度，m/s 2；h ∆——测试段的沿程水头损失h 1-h 2，mH 2O ；u ——实验工况下管道中流体的平均流速，m/s ；ν——水的运动粘度，m 2/s [可查表或从水的粘温曲线上求得] 。

表1[注] d= m ； L= m ； 水温： ℃。

可根据测算得到的Re 和λ值，在双对数坐标纸上标绘出两者的关系点和关系曲线，并可与教材上的曲线相比较，作出分折和讨论。

（二）局部阻力实验l. 实验目的掌握用实验方法测定阀门管件在流体流经管路时的局部阻力系数ξ。

2. 实验方法和操作实验方法和操作与上述沿程阻力实验基本相同，只是换用带有四个测压口的局部阻力实验管路系统测出阀门（球阀）的局部阻力损失j h ∆，然后计算出阀门的局部阻力系数ξ。

阀门局部阻力试验管路如图2所示。

测试时，为了消除沿程阻力的影响，先测出h Ⅰ－h Ⅳ＝△h 1和h Ⅱ－h Ⅲ＝△h 2 两个E （净）来，再用计算的方法求得只是阀门局部所引起的阻力损失j h ∆：212j h h h ∆=∆-∆图2 阀门局部阻力试验管路3. 试验数据处理试验测试数据和计算结果可填入建议的表格2中。

项测 目试 阀 结 门 果 开 度流量及流速测压管水头(m)局部水头损失 (m) 局部阻力系数备注接水 体积V(m 3)接水时间t(s) 体积 流量Q(m 3/s) 平均流速u(m/s) h Ⅰ h Ⅱ h Ⅲ h Ⅳj h ∆ξ全开12 3 30°12 3 45°12 3阀门局部的阻力系数可由下式求得：22j g h u ξ=⨯∆式中 g ——重力加速度，m/s 2；j h ∆——局部水头损失，m ；u ——管路中流体的平均流速，m/s 。

在不同的球阀开度(全开、30º、45º)下，测得相应的局部水头损失，从而可以获得相应的局部阻力系数ξ。

4. 思考题1.沿程阻力损失的大小与哪些因素有关？2.分析发生局部阻力损失的主要部位在哪里？工程中怎样减小局部阻力损失？实验二、固体流态化的流动特性实验在化学工业中，经常有流体流经固体颗粒的操作，诸如过滤、吸附、浸取、离子交换以及气固、液固和气液固反应等。

凡涉及这类流固系统的操作，按其中固体颗粒的运动状态，一般将设备分为固定床、移动床和流化床三大类。

近年来，流化床设备得到愈来愈广泛的应用。

固体流态化过程又按其特性分为密相流化和稀相流化。

密相流化床又分为散式流化床和聚式流化床。

一般情况下，气固系统的密相流化床属于聚式流化床，而液固系统的密相流化床成于散式流化床。

一、实验目的1．通过实验观察固定床向流化床转变的过程，以及聚式流化床和散式流化床流动特性的差异；2．实验测定流化曲线和临界流化速度，并实验验证固定床压降和流化床临界流化速度的计算公式。

3．通过本实验希望能初步掌握流化床流动特性的实验研究方法，加深对流体流经固体颗粒层的流动规律和固体流态化原理的理解。

二、实验原理1、固体流态化现象：为便于学习，以气-固系统为例，设有一圆形容器，在容器下部装有一块气体分布板，在分布板上面堆积一层固体颗粒（即床层），当气体自下而上通过这样一个固体颗粒床层时，随着气体流速的变化会出现不同的现象，如图1所示。

图1 固体流态化现象（不同流速时床层的变化）图2 临界流化速度的实测法当流速较低时，固体颗粒静止不动，颗粒之间仍保持接触，床层空隙率及高度都不变．流体只在颗粒间的缝隙中通过，这种床称为固定床（如图1 a）。

继续增大流速，当气体流过固体颗粒产生的摩擦力（即曳力）与固体颗粒的浮力之和等于颗粒自身重力时，颗粒开始松动，颗粒位置也稍加调整，床层略有膨胀，但颗粒还不能自由运动，仍处于接触状态，这种床称为切始或临界流化床（图1 b）。

当流速高于初始流化的流速时，颗粒全部悬浮在向上流动的气流中，即进入流化状态，气体以鼓泡方式通过床层。

随着流速的增加，固体颗粒在床层中的运动也愈加激烈，这时气-固系统具有类似于液体的特性，随容器形状而变，宋层高度也增高，但有明显的分界面（图1c ），这时床层称为流化床。

当流速高到某一极限值时，流化床分界面消失，颗粒分散悬浮在气流中，被气流所带走，这种状态称为气流输送或稀相输送床（图1-1 d ）。

2、临界流化速度的实测法临界流化速度是颗粒层由固定床转变为流化床时流体的速度，也是流化操作的最低速度，故也称最小流化速度。

确定临界流化速度的最好办法就是实验测定方法。

用增加流速法使床层自固定床缓慢地进入流化床，同时记录相应的流体流速和床层压降，在双对数坐标上标绘各点（如图2），然后将固定床区和流化床区的点分别划线，得到两条直线的交点即是临界流化点，其横坐标的值即为临界流化速度U mf 。

图中的U bf 为起始流化速度，此时床层中已有部分颗粒开始被流化，U tf 为完全流化速度，此时床层中所有颗粒全部进入流化状态。

对于颗粒分布较窄的床层，三者非常接近，很难区分。

3、两个参数介绍膨胀比：流化床的床高f H 与静床层的高度0H 之比。

称为膨胀比，即0f R H H =流化数：流化床实际采用的流化速度f u 与临界流化速度,f m u 之比称为流化数，即,f m f K u u =三、实验装置本实验装置采用气－固和液－固系统两套设备并列。

设备主体均采用圆柱形的自由床。

内部分别填充球粒状硅胶和玻璃微珠。

分布器采用筛网和填满玻璃球的圆柱休。

柱顶装有过滤网，以阻止固体颗粒带出设备外。

床层上均有测压口与压差计相接。

图3 液固系统流程图 图4 气固系统流程图1—高位稳压水槽；2—水调节阀；3—孔板流量计； 1－放空阀；2－空气调节阀；3－孔板流量计； 3´—倒置U 形差计；4—U 形压差计；5—滤网； 4－孔板流量计的压差计；5－压差计；6－滤网； 6—床体；7—固体颗粒层；8—分布器 7床体；8－固体颗粒层；9－分布器液固系统的流程如图3所示。

水自循环水泵或高位稳压水槽，经调节阀和孔板流量计；由设备底部进入。

水进入设备后，经过分布器分布均匀，由下而上通过颗粒层，最后经顶部滤网排入循环水泵。

水流量由调节阀调节，并由孔板流量计的压差计显示读数。

气固系统的流程如图4所示。

空气自风机经调节阀和孔板流量计，由设备底部进入。

空气进入设备后，经分布器分布均匀，由下而上通过颗粒层，最后经顶部滤网排空。

空气流量由调节阀和放空阀联合调节，并由孔板流量计的压差计显示读数。

四、实验方法本实验可分两步进行：第一步，观察并比较液固系统流化床和气固系统流化床的流动状况；第二步，实验测定空气或水通过固体颗粒层的特性曲线。

在实验开始前，先按流程图检查各阀门开闭情况，将水调节阀和空气调节阀全部关闭，空气放空阀完全打开。

然后，再启动循环水泵和风机。

待循环水泵和风机运转正常后，先徐徐开启水调节阀，使水流量缓慢增大，观察床层的变化过程；然后再徐徐开启空气调节阀和关小放空阀，联合调节改变空气流量，观察床层的变化过程。

完成第一步实验操作后，先关闭水调节阀，再停泵，继续进行第二步实验操作。

若测定不同空气流速下，床层的压力降和床层高度，实验可在流量由小到大，再由大到小反复进行。

实验完毕，先打开放空阀，后关闭调节阀，再停机。

实验过程中应特别注意下列事项：（1）循环水泵和风机的启动和关机必须严格遵守上述操作步骤。