化工原理与化工基础实验指导书新版.docx

1、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 6

2、7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

3、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

4、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

5、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

6、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，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L-1，压力p因次为M-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。 定理是因次分析法的基

7、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p为20 mmHg，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，流体密度及

8、粘度，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：hfdDouL2T-2LLML-1T-1ML-3LT-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，。（5） 列出无因次（0因次）的准数，本例共可有（n-m）=6-3=3个准数，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

9、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），（du/=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：=1000kg/m3；=110-3Pa.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

10、因次数群变量的函数关系，使实验工作大大简化。12 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

11、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。13 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，

12、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。21 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

13、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0200，则该表的最大测量误差为2002.5%=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

14、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。22 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）（

15、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0200，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=2000.5%=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

16、） 绝对误差 相对误差 d1=x1xm 1=d1/xm100% dn=xnxm n=dn/xm100%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Z1Zn代替dZ1dZn，上式变为 (5)式中：y函数误差Z1，Zn直接测量误差 误差

17、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y最大相对误差y=az(a为常数)(az)y=zn(nzn-1z)y=z1+z2(z1+z2)y=z1-z2(z1+z2)，(z1z2)y=z1z2(z1z2+z2+z1)()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

18、算： （7）式中：x=xxmx值的偏差 y=yymy值的偏差 xm，ymx，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： 1r1 当：r1 完全顺态相关 r0 顺态相关 r0 不相关 r0 逆态相关 r1 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：um/s： 0.093 0.097 0.104 0.111 0.120Re ： 1860 1940 2080 2220 2400试求相关系数。解：计算平均值： um=0.105 Rem=2100计算误差值： u=(uum)： -0.012 -0.008 -0.001 0.006

19、 0.015Re=(ReRem)： -240 -160 -20 120 300（uRe）： 2.88 1.28 0.02 0.72 4.5u2104： 1.44 0.64 0.01 0.36 2.35Re210-4： 5.76 2.56 0.04 1.44 9.0 （uRe）=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31 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

20、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： 0.012125.61.06=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A10n形式。例：23000=2.30104

21、；0.000645=6.4510-4（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=aebx 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，

22、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。32 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

23、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28，图中横坐标始点为104，若读数是4，则x=4104；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。在坐标图上n和的求取 值求法：在y=xn中，当时，=y0可在图中找到时的纵坐标读数便为值；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33 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

24、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

25、 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.12345678x138101315172087y3.04.06.07.08.09.010.011.058.0数据整理表x219641001692252694001257xy31248.070.0104.0135.0170.0220.0762.0由上表得： x=87 y=58.0x2=1257 xy=7

26、62.0 n=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.12345678Re50100300600100051031042104Nu0.460.791.93.35.01831.555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11 实验目的1、掌握U形压差计的应用；2、利用U

27、形压差计组测定液体密度。12 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2-1-1-1 U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）=200.0mm液柱 （D）

28、图：R=R2（右）R1（左）=300.0100.0=200.0mm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（p1p2）和读数R的关系，对图（D）可根据流体静力学方程推导得：p1p2=（s）gR N/m2 （1）式中：s指示液密度kg/m3流体密度kg/m3g重力加速度=9.8N/kgR压差计读数m液柱若流体为空气，指示液为水，因s，则式（2）可简化为：p1p2=sgR N/m2 （2）若p2=a（大气压），则p1p2=p（表压），式（2）可简化为：p=sgR 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=2gR2 N/m2 （4）若已知指示液1的密度1和两压差计读数R1和R2，则指示液2的密度2可从式（4）求得：2=1R1/R2 kg/m3 （5）因液体密度随温度的变化而改变，故1和2之值应在同一环境温度下测定。