化工原理与化工基础实验指导书新版.docx
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化工原理与化工基础实验指导书新版
化工原理实验指导书
广西大学化学化工学院
二00五年十二月
目录
第一部分工程实验方法与数据处理4
第一章一般工程实验方法4
第二章测量误差8
第三章实验数据的处理方法15
第二部分实验内容22
第一章演示实验22
实验一流体静力学实验22
实验二流体机械能转换实验27
实验三流动型态与雷诺准数测定31
实验四板式塔冷膜流体力学性能演示实验35
第二章基础实验36
实验一管道流动阻力的测定36
实验二流量计的校核42
实验三离心泵特性曲线的测定46
实验四过滤实验50
实验五传热实验55
实验六精馏实验61
实验七吸收实验67
实验八干燥实验75
实验九仿真实验80
附录84
（一）常用压差计指示液的密度（20℃）84
（二）水的物理性质（摘）84
（三）干空气的物理性质（760mmHg）（摘）85
（四）铜—康铜热电偶温度导热电势关系85
（五）乙醇水溶液在常温常压下的物性数据86
（六）乙醇水溶液在常压下的气液平衡数据……………………………….87
前言
化工原理与实验方法目前仍是解决化工生产问题的重要手段。
在化工领域理论研究跟不上生产发展的速度，故还存在许多无法用纯数学方法解决的问题，例如流体运动过程中的阻力系数，热量传递中的传递系数，质量传递中的传质系数等。
这些是生产设计中不可缺少的数据，但还得依赖实验手段去解决。
化工原理实验方法是使用摸拟和探索的方法。
例如用空气和水作流体可摸拟许多气体和液体的流动规律；用饱和水蒸汽作加热剂，用水或空气作冷却剂，在小型换热器内作实验，就可探索到同类大设备内的传热规律；又如在小塔内做精馏和吸收实验，同样可探索得同类大塔内的传质规律。
故实验摸索的规律可用指导生产。
正确的实验方法与电算技术相结合便成为解决问题的科学方法。
本实验指导书内容精简扼要，设备流程图简单清晰，便于学生自学。
在内容安排上首先介绍测量误差和数据处理方法，以及一般工程实验方法，目的是给学生掌握实验基础知识；在实验内容中，分为演示实验、基础实验和选做实验三部分，演示实验由教师示范给学生观摩，基础实验为必做实验，选做实验由学生根据自己的情况，利用业余时间完成。
可充分满足实验教学大纲的要求，各指导老师可根据情况精简。
怎样才能做好每一次实验呢？
过去的经验是：
学生预习指导书和熟悉实验设备，写出预习报告，教师在实验前作重点、难点内容辅导，实验操作有严密的岗位分工和正确的记录，实验数据通过计算检查，写出符合要求并有独立见解的实验报告。
本书是在1989年版的化工原理实验指导书的基础上，加以改编，补充了不少新内容。
2005年12月
实验守则
1、为了保证安全和顺利完成实验，不应赤足进入实验室；实验室内禁止吸烟；不得在追逐打闹，以免造成不必要的伤害。
2、实验前必须预习实验指导书，弄清本次实验的目的、原理和方法，写好预习报告，以保证任务的顺利完成。
3、在教师的指导下，认真弄清本次实验的设备流程、仪表使用方法和需要测量的数据，并选出实验组长和落实各人岗位责任后才能启动设备。
4、实验过程中必须注意设备、仪表的维护，节约水、电和药品。
如有损坏设备和仪表，必须填报破损单交指导教师酌情处理，若有不服从指导教师的指导和不报告而造成事故者，上报校、院处理。
5、非属本次实验的仪表和设备，如需使用，必须事先请示有关人员。
6、实验结果应交指导教师检查，经教师同意后才能结束实验。
7、实验完毕，将设备和仪表复原，并进行必要的清理和卫生工作。
第一部分工程实验方法与数据处理
第一章一般工程实验方法
1.1因次分析法：
1.1.1基本概念
因次（又称为量纲），表示了物理量单位的种类。
如质量可用千克，克，磅，市斤
不同的计量单位，而这些单位均属同一类单位，即质量类，所以计量质量的各单位具有同一因次，以[M]表示。
依次其余物理量也如此。
在力学范畴，取长度，时间和质量为基本量，其因次则称为基本因次，分别以[L]，[θ]及[M]表示；在热力学范畴一般还加上温度作为基本量，其因次为[T]。
其余各物理量均为导出量，它们的因次则称为导出因次，如速度u的因次为[Lθ-1]，压力p因次为[Mθ-2L-1]等。
1.1.2因次分析法
不同种类的物理量不能相加减，换句话说：
能相加减或列入同一等式的各物理量必需
因次相同，这称为物理方程的因次一致性，它是因次分析法的基本原则。
π定理是因次分析法的基础，其基本思想是：
方程中的各项的因次是相同的，或两边因次一致。
因次分析法的具体步骤已在课堂理论教学中介绍，现举一例说明根据无因次变量进行模拟实验：
现有一空气管路，内径为300mm，管内安装一孔径为150mm的孔板，空气温度为200℃，常压，最大气速10m/s，估计孔板的阻力损失与什么有关？
为了测定该孔板在上述最大气速下的阻力损失，可在内径为30mm的水管上进行模拟实验。
为此需确定实验用孔板的孔径应为多少？
若水温为20℃，则水的流速应为多少？
如测得模拟孔板的阻力损失Δp为20mmHg，那么实际孔板的阻力损失为多少？
解：
根据理论和经验分析，流经孔板的阻力损失hf与管内径d，，孔板直径do，流体密度ρ及粘度μ，流速u有关，故写成隐函数关系：
目标是将上式化成无因次形式。
（1）隐函数关系式中的独立变量数n=6。
（2）力学范畴的基本因次：
质量M；长度L；时间T，基本因次数m=3。
（3）用三个基本因次来表示各变量的因次：
hf
d
Do
μ
ρ
u
[L2T-2]
[L]
[L]
[ML-1T-1]
[ML-3]
[LT-1]
（4）选择m各变量为基本变量，在此m=3，这3各变量的因次应包含了三各基本因次M；
L；T，如选hf，d，do就不合适，在此选d，u，ρ。
（5）
列出无因次（0因次）——的π准数，本例共可有（n-m）=6-3=3个π准数，视三个基本变量为已知，并以未知指数的形式表示，剩余未知的三个变量指数为1，写成：
将各变量的因次带入以上三式，在此以第一式为例：
方程左边同底数合并得：
方程左右两边指数对应相等，求出：
a=0；b=-2；c=0
则：
同理可求出：
（6）原隐函数方程化为了准数关系式：
这个待定函数的无因次表达式为：
（7）
按上式进行模拟实验：
从上式可知，无论介质和管径如何，只要（do/d），（duρ/μ=Re）相等，则左边阻力损失项（hf/u2）就必然相等。
因此，模拟实验所用孔板的开孔直径应保证几何相似成比例：
在此水的物性：
ρ=1000kg/m3；μ=1×10-3Pa.s；
空气的物性：
水的流速应保证Re相等。
模拟孔板的阻力损失：
利用阻力数群相等，得实际孔板阻力损失：
从此例看出：
经过因次分析，已将原来阻力hf与五个自变量的关系转变成了两个无因次数群变量的函数关系，使实验工作大大简化。
1．2数学模型法：
它是解决工程问题的另一中实验方法，与因次分析不同的是，需要对过程规律有较深刻的认识，能高度概括出简单而又不失真的数学模型，进一步获得能够客观描述过程的数学方程。
与因次分析法相同之处在于它也离不开实验，在模型中所引入的参数要通过实验测定，模型的合理性也由实验来验证。
基本方法是：
（1）先进行欲实验并认识过程，设想并归纳出简化模型；
（2）通过实验来验证简化模型的等效性；
（3）由实验确定模型参数。
例如在计算流体流经管路的局部阻力损失这一问题时，所用的当量长度法。
首先进行物理模型的简化，将管件或阀门等的局部阻力与长度为le（虚拟的直管长度）的直管阻力相当，然后模仿直管阻力的计算公式：
经实验验证这一模型是合理的。
1．3直接实验方法；
当因次分析和数学模型等常用方法无法解决问题时，只能采用直接实验方法。
它是对所研究的对象进行直接的观测和实验，从而得出结论。
结果应是可靠的，但往往是在实验的特定条件下成立，而且测试手段的局限性，结果只能得出个别量之间的规律，难以抓住问题的全部及实质。
同时此法还是最费时费力的。
1.4计算机模拟方法
随着社会的进步，计算机以及个人计算机水平的提高，计算机模拟方法已经成为现实。
利用计算机进行数学模型计算和模拟工程实验，既可节省财力，又可节省人力，应该说是最优的方法，经计算机模拟后，在进行必要的实验，最终达到要求。
这种方法一般要求人员具有较好的数学基础和计算机软件开发能力。
第二章测量误差
测量误差是指对某一物理量观测时，测量值与真实值之差。
如某天的大气压为759.8mmHg，各高矮二人的观测值分别为759.6mmHg和760mmHg，则读数误差为±0.2mmHg；又如某转子流量计的流量（Q）和转子读数（R）的关系为Q=2R，则流量误差为读数误差的2倍，这是函数误差。
误差存在于实验中，我们学习本章的任务是：
了解误差的来源，排除误差对测量的影响，掌握误差的基本计算方法。
2．1误差的来源和分类
误差按其来源可分为三大类，即系统误差、过失误差和随机误差。
1．系统误差
系统误差又包括：
仪表质量、环境变化、主观性和实验方法等方面带来的误差。
1、仪表质量低带来的误差：
主要表现为刻度不准。
例如某温度表精度为2.5级，量程为0~200℃，则该表的最大测量误差为200×2.5%=±5℃。
2、环境变化给测量带来的误差：
一般仪表的校正是在大气压760mmHg、室温20℃下进行的，若使用环境多变，则会给测量带来误差。
3、主观性带来的误差：
如本章开头所述，高矮二人读同一大气压有±0.2mmHg误差，原因是一个俯视另一个仰视而造成观测误差。
4、实验方法方面：
主要指设备安装不正确和实验依据的方法不正确而带来的误差。
系统误差可以避免和纠正。
2．过失误差
这是由于实验者粗心大意的过失行为所造成的误差。
如操作失误、读错或记错数据等，常表现为误差值特别大，这种误差必须排除。
图1-2-1误差分布曲线
x—误差值；y—误差出现次数
3．随机误差（偶然误差）
在排除了系统误差和过失误差之后，在测量中仍发现有误差存在，起初只对它作有限次数观测，发现误差值大小和正负无规律，后来对它作足够多次的观测分析后发现，误差值服从统计学规律。
人们称这种误差为随机误差（或偶然误差）。
它的规律性如图1-2-1所示，极大和极小的误差值出现的次数很少，而接近于零的误差值出现的次数最多；正误差和负误差出现的次数相等，因此误差值的算术平均趋向于零。
2．2随机误差的计算
下面将对五个方面的问题进行计算，每个问题的计算内容包括有：
（1）绝对误差=（测量值）－（真实值）≈（测量值）－（平均值）
（2）相对误差（%）=
（3）真实值和平均值的估算
1．单点一次测量误差值的估算
对于一个未知量只用仪表测量一次情况，测量结果只有1个数据，因此没有可计算的真实值和平均值，这种情况的测量误差可引用仪表误差进行估算。
[例]用量程为0~200℃，精度0.5级的温度计测量某点温度，不管读数如何：
最大误差=200×0.5%=±1℃
相对误差=0.5%
此外，也可引用仪表最小刻度值读数
作为最大误差进行估算。
2．单点多次测量误差值的计算
由误差分布曲线知，误差值的算术平均趋向于零，故测量值的算术平均趋于真实值，以下计算即以算术平均值代替真实值，设对真实值为X的某量，多次测量的结果是：
x1，x2……，xn
测量值的算术平均
（1）
绝对误差相对误差
d1=x1－xmδ1=d1/xm×100%
┇┇
┇┇
dn=xn－xmδn=dn/xm×100%
对绝对误差（简称误差）进行综合平均：
1、算术平均误差：
（2）
式中：
——第
次测量误差
——测量次数
要取测量误差的绝对值代入计算，否则
2、标准误差（均方根误差）
有限次测量：
（3）
无限次测量：
（4）
标准误差
，常用于比较观测值对真实值的分散程度，若
值小，分散度就小，测量的准确性就高。
3．函数误差值的计算
函数误差又叫间接测量误差，它是由直接测量误差传递而来，设物理
是物理量
、
、……、
的函数，记为：
对上式全微分：
以增量△y代替dy，以△Z1…△Zn代替dZ1…dZn，上式变为
（5）
式中：
△y——函数误差
△Z1，△Zn…——直接测量误差
——误差传递系数
式（5）为函数绝对误差计算的一般式，式中说明误差值受直接测量误差和误差传递系数两个方面的影响。
若将式（5）两边除以y则得函数相对误差计算式：
（6）
在式（5）和式（6）中，若直接测量误差△Z1代入绝对值，则所得函数误差为最大误差值，常用函数式误差列出下表供查用。
表1-2-1
函数式
最大绝对误差Δy
最大相对误差
y=az
（a为常数）
±（a·Δz）
±
y=zn
±（nzn-1·Δz）
±
±
y=z1+z2
±（Δz1+Δz2）
±
y=z1-z2
±（Δz1+Δz2）
±
，（z1≠z2）
y=z1z2
±（Δz1·Δz2+Δz2+Δz1）
±
±（
）
±
4．相关系数
若两个量的误差之间有相应的关系时称有相关系，表示相关程度的数值叫相关系数。
设两个相关的量为x和y，相关系数可用下式计算：
（7）
式中：
Δx=x－xm——x值的偏差
Δy=y－ym——y值的偏差
xm，ym——x，y的平均值
在相关关系中，两个误差值相互一起增或减的叫顺态相关，增减相反叫逆态相关。
相关系数r的数值范围是：
－1≤r≥1
当：
r＝1完全顺态相关
r＞0顺态相关
r＝0不相关
r≤0逆态相关
r＝－1完全逆态相关
例某流动型态实验在过渡流时测有如下数据：
u[m/s]：
0.0930.0970.1040.1110.120
Re：
18601940208022202400
试求相关系数。
解：
计算平均值：
um=0.105Rem=2100
计算误差值：
Δu=（u－um）：
-0.012-0.008-0.0010.0060.015
ΔRe=（Re－Rem）：
-240-160-20120300
（Δu·ΔRe）：
2.881.280.020.724.5
Δu2×104：
1.440.640.010.362.35
ΔRe2×10-4：
5.762.560.041.449.0
∑（Δu·ΔRe）=9.4
=0.0217
=433.6
故
属于完全顺态相关。
第三章实验数据的处理方法
3．1有效数字与实验数据的处理原则
1．有效数字的定义
（1）一个近似数，四舍五入后的所有数字（左边的零除外）都是有效数。
（2）用仪表测量的读数，连估计的那一位数在内算有效数。
2．有效数字计算法则
（1）加减法则——进行加减时，各数所保留的小数点后的位数，应与所给各数中小数位数最少的相同。
例：
将13.55，0.0082，1.632三数相加，处理方法是：
13.55+0.01+1.63=15.19
（2）乘除法则——进行乘除时，各数保留的位数应以有效数字位数最少的那个为准。
例：
将0.0121，25.64，1.0578三数相乘，处理方法是：
0.0121×25.6×1.06=0.328
（3）数字舍进原则——当有效数字位数确定后，多余的数字应舍去，舍去的原则可用四舍五入法。
例：
28.635取三位时为28.6，取四位时为28.64。
3．实验数据的记录与整理
（1）记录的数据应是有效数字。
（2）对于数量很大或很小的数应写成A×10n形式。
例：
23000=2.30×104；0.000645=6.45×10-4
（3）当记录的数据很多时应列成表格，表内数据要编号，并标写名称和单位，单位要写在名称栏内。
（4）记录数据代入有关公式的计算结果应列成数据整理表，表内数字也应符合有效数字原则。
（5）把整理后的数据用公式或曲线表达其规律性。
4．曲线坐标的选择
（1）坐标纸大小的选定以作出的图形便于阅读为宜。
（2）坐标纸类型的选定：
当验证前人的实验结果时，因实验数据的规律为已知，首先选用前人的坐标类型，常用的坐标类型如下：
y=nx+b直线方程选用直角坐标纸
y=axn指数方程选用双对数坐标纸
y=a·ebx以e为底的指数方程选用半对数坐标纸
其它方程略。
凡是新实验所得数据，无法判断其规律性时可按下列顺序试选坐标纸：
直角坐标→双对数坐标→半对数坐标→其它坐标。
3．2实验方程的一般关联方法
1．直线方程y=mx+b的关联
式中m是直线的斜率，b是y轴上的截距（见图2），在图上选取直线上的两点，利用它们的坐标值就可算得m；b值可在图上读数，也可用式
（2）计算。
（1）
（2）
2．指数方程y=axn的关联
1、将指数方程两边取对数后变为直线方程，即
logy=loga+nlogx
相当于Y=B+nX（3）
式（3）为一直线方程，可用直线坐标图关联，再用反对数求解。
2、用双对数坐标图关联
双对数坐标纸的特点见图3，它是一个图纸单元，纵横两坐标的始末数码分别为10n和10n+1，n可为正、负整数或零，两个坐标内相应的分度为逐渐变小距离的9个分度，每条分度线标上数字2~8，图中横坐标始点为104，若读数是4，则x=4×104；图中纵坐标始点为10，若读数为5，则y=50。
若将指数方程式的y和x的关系描在图3上则可得一条直线，该直线的“斜率”为n，“截距”为α。
在坐标图上n和α的求取
α值求法：
在y=αxn中，当
时，α=y0可在图中找到
时的纵坐标读数便为α值；也可在直线上选取两点的坐标值，代入指数方程中求取。
图1-3-1直角坐标图图1-3-2双对数坐标图
3．3最小二乘法
对实验数据用图解法关联出直线方程的系数，从解工程问题的角度看，方法简便，大多数图解结果能满足工程上要求。
若从误差角度看，图解法的准确性较差，因此人们又使用较精确的最小二乘法。
如图1-3-3所示，设实验数据应关联出的真实方程（或最佳方程）为
，那么对某值x的方程应是
。
但由于测量误差导致测量点
偏离最佳直线，设
点之函值为
，测量误差（偏差）为：
（4）
为使系数m和b能准确，希望各测量点偏差值d1+d2+……di+……尽可能小，但由于各点偏差值有正有负，抵消后不能说明问题，故要求偏差的平方和为最小，即：
为最小，这种使偏差二乘方之和为最小的方法叫最小二乘法，此法求系数m和b的过程如下：
1、计算偏差
偏差平方
偏差平方和
（5）
式中：
n——实验点数
2、分析式（5）知u为m、b的函数f（m，b）
u=f（m，b）
为使u值为最小必须满足
即满足
图1-3-3最小二乘法推导
整理上式：
（6）
（7）
将式（6）和式（7）联解得：
（省去总和中数字i,n）
（8）
（9）
最小二乘法用于直线方程求系数，也适用于指数方程求指数，但要把指数方程变为式（3）的型式才能进行计算。
例由实验测得下列数据，试用最小二乘法整理数据，求取直线方程式。
NO.
1
2
3
4
5
6
7
8
∑
x
1
3
8
10
13
15
17
20
87
y
3.0
4.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
58.0
数据整理表
x2
1
9
64
100
169
225
269
400
1257
xy
3
12
48.0
70.0
104.0
135.0
170.0
220.0
762.0
由上表得：
∑x=87∑y=58.0
∑x2=1257∑xy=762.0n=8
将上述数据分别代入式（8）和式（9）得：
直线方程式为：
y=0.422x+2.66
也可以算出按上式计算的y值与实验值偏差平方和
，而用图解法算出的偏差平方和0.1080。
练习题：
在某传热过程中，传热膜系数用下式计算：
Nu=ARem
式中：
Nu——努塞尔特准数Re——雷诺准数
在实验中测得各项数据整理得如下：
NO.
1
2
3
4
5
6
7
8
Re
50
100
300
600
1000
5×103
104
2×104
Nu
0.46
0.79
1.9
3.3
5.0
18
31.5
55
试用最小二乘法求公式系数A和m，并整理出该式。
第二部分实验内容
第一章演示实验
实验一流体静力学实验
1．1实验目的
1、掌握U形压差计的应用；
2、利用U形压差计组测定液体密度。
1．2实验原理
U形液体压差计是用等内径玻璃管弯制成U形，中央配上刻度标尺，管内注入指示液而构成，如图2-1-1-1所示。
（A）（B）（C）（D）
图2-1-1-1U形液柱压差计
在标尺刻度上，刻度为[mm]，但多以[cm]标写。
在标写中，有的基准[0]在尺的中间，如图中（A）和（B），有的基准[0]标在尺的下端，如图中（C）和（D）。
对于（A）图，指示液面应灌至[0]位，对于（C）图，指示液位灌至标尺中部为宜。
有压差读数时，必须记录左、右液位高度，然后相减而得差值R，要读至[毫米]下估计的那一位。
例（B）图：
R=R2（右）－R1（左）=100.0－（－100.0）=200.0[mm液柱]
（D）图：
R=R2（右）－R1（左）=300.0－100.0=200.0[mm液柱]
对指示液的选择，要求指示液的密度大于待测流体的密度，且指示液不与流体互溶，不与流体起化学反应。
假若流体为水，常用汞、四氯化碳和二氯乙烷等作指示液。
假若流体为空气，则常用水作指示液。
关于压强差（p1—p2）和读数R的关系，对图（D）可根据流体静力学方程推导得：
p1—p2=（ρs—ρ）gR[N/m2]
（1）
式中：
ρs——指示液密度[kg/m3]
ρ——流体密度[kg/m3]
g——重力加速度=9.8[N/kg]
R——压差计读数[m液柱]
若流体为空气，指示液为水，因ρs>>ρ，则式
（2）可简化为：
p1—p2=ρsgR[N/m2]
（2）
若p2=ρa（大气压），则p1－p2=p（表压），式
（2）可简化为：
p=ρsgR[N/m2]（3）
利用压差计组来测定液体的密度如图2-1-1-2所示，根据式（3）可写出：
p=p1gR1=ρ2gR2[N/m2]（4）
若已知指示液1的密度ρ1和两压差计读数R1和R2，则指示液2的密度ρ2可从式（4）求得：
ρ2=ρ1·R1/R2[kg/m3]（5）
因液体密度随温度的变化而改变，故ρ1和ρ2之值应在同一环境温度下测定。
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