化工原理實(shí)驗(yàn)講義

1、化工原理實(shí)驗(yàn)講義化工與環(huán)境學(xué)院化學(xué)工程與控制系化工原理實(shí)驗(yàn)室編寫說明近幾年來(lái)， 本實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)裝置中的大部分都進(jìn)行了更新或改造。 過去編寫的實(shí)驗(yàn)講義已經(jīng) 不能適應(yīng)目前的狀況， 兄弟院校的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教程也由于裝置、 內(nèi)容、 重點(diǎn)等方面的差異而有一定 的局限。 所以有必要重新編寫一本適用的實(shí)驗(yàn)講義。 這有助于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量， 改善教學(xué)效果。本實(shí)驗(yàn)講義的大部分內(nèi)容， 曾經(jīng)以補(bǔ)充講義電子版的形式提供給 2003 和 2004 級(jí)兩個(gè)年級(jí)的 本科生 700 多名同學(xué)試用， 取得了比較滿意的效果。 此次正式交付印刷， 又增補(bǔ)了一些必要的基 礎(chǔ)知識(shí)，各個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的思考題，以及選修實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的內(nèi)容。第一、第二章

2、由毋俊生執(zhí)筆，其余 章節(jié)由鄧文生，康惠寶執(zhí)筆，全書由劉文芳排版編輯。本次又根據(jù) 2011 年更換的設(shè)備，對(duì)流體 阻力測(cè)定、干燥實(shí)驗(yàn)、雷諾實(shí)驗(yàn)部分進(jìn)行了修訂，并對(duì)其它部分的一些筆誤進(jìn)行了更正。雖然編 者都具有較長(zhǎng)期指導(dǎo)本實(shí)驗(yàn)課程的經(jīng)歷，但受知識(shí)結(jié)構(gòu)、理解深度、認(rèn)識(shí)水平等方面的局限，不 當(dāng)之處在所難免。期望使用本講義的老師和同學(xué)提出您的意見、建議和指正。2007 年 7 月 編2012 年 4 月修訂目錄第 1 章化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù) 21.1 溫度的測(cè)量 21.2 壓力的測(cè)量 31.3 流量的測(cè)量 5第 2 章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布及基本數(shù)據(jù)處理 92.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布 92.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基本處理 92.

3、3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告的基本要求 10第 3 章化工原理基本實(shí)驗(yàn) 123.1流體流動(dòng)阻力的測(cè)定 123.2 離心泵特性曲線的測(cè)定 163.3 對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定 203.4 填料塔壓降曲線和吸收系數(shù)的測(cè)定 233.5 精餾塔效率的測(cè)定 283.6 干燥速率曲線的測(cè)定 323.7 擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定 353.8 液液萃取塔的操作 39第 4 章演示實(shí)驗(yàn) 424.1雷諾實(shí)驗(yàn) 424.2 機(jī)械能守恒與轉(zhuǎn)換 454.3 邊界層形成與分離 47第 5 章化工流動(dòng)過程綜合實(shí)驗(yàn) 48第 1 章 化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)1.1 溫度的測(cè)量1. 常用的溫度計(jì)形式（1）膨脹式溫度計(jì) 實(shí)用的膨脹式溫度計(jì)有玻璃管液體溫度計(jì)，雙金屬片溫度計(jì)

4、和壓力表式溫度計(jì)。（2）玻璃管液體溫度計(jì) 玻璃管液體溫度計(jì)利用液體的體積與溫度之間的關(guān)系，用毛細(xì)管內(nèi)液體上升的高度來(lái)指示被測(cè)溫度。一般測(cè)量范圍在-100C +600 C。這種溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)量精度較高（0.12.5級(jí)）。工作液體多使用汞和酒精，封裝時(shí)充入惰性氣體，以防止液柱斷開。（ 3） 雙金屬片溫度計(jì) 雙金屬片溫度計(jì)制作成表盤指針形式。雙金屬片結(jié)合成一體，一端固定，另一端自由。由于不同金屬的熱膨脹系數(shù)的差異而產(chǎn)生彎曲變形，帶動(dòng)指針的位移。一般測(cè)量范圍在-80C +600C。這種溫度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但測(cè)量精度不高（ 12.5級(jí)）。（ 4） 壓力表式溫度計(jì) 壓力表式溫度計(jì)的工作

5、原理與機(jī)械式壓力表相同。被封裝在測(cè)溫元件內(nèi)的液體或氣體，在定容條件下當(dāng)溫度變化時(shí)壓力隨著變化，帶動(dòng)與彈性元件相聯(lián)接的指針的位移。一般測(cè)量范圍在0 C +300 C。這種溫度計(jì)結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，但測(cè)量精度不高（ 12.5級(jí)）。（ 5） 熱電偶溫度計(jì) 電偶是由兩種不同的導(dǎo)體在兩端相聯(lián)接組成的回路。兩種導(dǎo)體之間的接觸電勢(shì)隨溫度的變化而變化， 同一種導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)。當(dāng)組成電偶的兩種導(dǎo)體一定時(shí)，回路中的電勢(shì)由電偶兩 聯(lián)接點(diǎn)的溫度差決定，在電勢(shì)與溫度差之間建立起確定的關(guān)系。用來(lái)測(cè)定溫度差的電偶稱作熱電偶。在熱 電偶回路中接入測(cè)量電勢(shì)的儀表就組成熱電偶溫度計(jì)。多數(shù)熱電偶的電勢(shì)與溫度差之間

6、成近似線性關(guān)系。這種溫度計(jì)一般測(cè)量范圍在 -200 C +1800 C,精度較高（0.51.0級(jí)）。低溫時(shí)也可使用，但精度較差。 使用時(shí)稍微麻煩一點(diǎn)，需要提供一個(gè)冷端參考溫度（恒溫低溫?zé)嵩矗┮约皽y(cè)量電勢(shì)的外加電路。這類溫度 計(jì)有的直接輸出電壓值，有的經(jīng)過儀表?yè)Q算（模數(shù)轉(zhuǎn)換）輸出攝氏溫度值。也可以把電壓信號(hào)輸出到其它 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口（如微機(jī)接口）進(jìn)行處理或顯示。（ 6） 熱電阻溫度計(jì) 利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值與溫度之間的確定關(guān)系制作的溫度計(jì)。它也需要外加電路來(lái)測(cè)量電阻。比 如用標(biāo)準(zhǔn)電壓源測(cè)電流或用標(biāo)準(zhǔn)電流源測(cè)電壓。但是不需要提供參考溫度。這種溫度計(jì)一般測(cè)量范圍在-200 C +650 C,精度較高

7、（0.53.0級(jí)）。低溫測(cè)量精度高于熱電偶溫度計(jì)。與熱電偶相比，測(cè)溫元件體 積較大，響應(yīng)較慢，抗沖擊性較差。這類溫度計(jì)一般經(jīng)過儀表?yè)Q算（模數(shù)轉(zhuǎn)換）輸出攝氏溫度值。也可以 把電壓信號(hào)輸出到其它模數(shù)轉(zhuǎn)換接口（如微機(jī)接口）進(jìn)行處理或顯示。（ 7） 非接觸式溫度計(jì)非接觸式溫度計(jì)采用檢測(cè)熱輻射強(qiáng)度的方法， 用來(lái)測(cè)量高溫對(duì)象。 又可區(qū)分為檢測(cè)單色輻射或全輻射。 由于在被測(cè)對(duì)象和檢測(cè)元件之間的介質(zhì)對(duì)輻射的吸收和反射的影響，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)量誤差。測(cè)量精度的 分級(jí)（1.01.5級(jí)）并不是很確切。通常用來(lái)測(cè)量600C以上的高溫。2. 溫度計(jì)讀數(shù)的校正由溫度計(jì)本身的特點(diǎn)所決定，需要對(duì)讀數(shù)進(jìn)行校正的主要是玻璃管液體溫

8、度計(jì)和熱電偶溫度計(jì)。（ 1 ） 玻璃管液體溫度計(jì)玻璃管液體溫度計(jì)的刻度雖然有半浸入、 全浸入和整體浸入三種標(biāo)定方式， 但最常見的是全浸入標(biāo)定，即溫度計(jì)浸入被測(cè)介質(zhì)的深度正好與毛細(xì)管內(nèi)的液位對(duì)齊。這樣的條件在測(cè)量過程中往往難以滿足，所以 在對(duì)溫度測(cè)量精度要求較高時(shí)，需要對(duì)溫度計(jì)讀數(shù)進(jìn)行修正。按照溫度計(jì)測(cè)量原理：VoK（t -to）（ 1-1）V =式中：V液體在溫度為t時(shí)的體積，Vo 溫度為to時(shí)的體積，K 工作液體相對(duì)于玻璃的體積熱膨脹系數(shù)（液體與玻璃的體積熱膨脹系數(shù)之差）若環(huán)境溫度為ti,則溫度計(jì)示值以下，被測(cè)介質(zhì)界 面以上暴露在環(huán)境中的那一段Hi （圖中標(biāo)注為N）是處于環(huán)境溫度ti。因?yàn)槊?/p>

9、細(xì)管的直徑是一定的，所以對(duì)于露出的這一部分，體積比也等于高度比，這時(shí)在溫度 計(jì)上讀出的高度就包含了一個(gè)差值？H，計(jì)算公式如下：?H = HiK（ti - t） - Hi（ 1-2）用？H對(duì)溫度計(jì)讀數(shù)進(jìn)行修正，即從溫度計(jì)讀數(shù)減去這個(gè)值。Hi由溫度計(jì)的刻度讀取，校正后的溫度：t* = t + ?H（ i-3）為了提高精度，以上步驟可重復(fù)幾次。（2）熱電偶溫度計(jì) 熱電偶溫度計(jì)需要提供低溫端標(biāo)準(zhǔn)參考溫度，一 般都是取水的冰點(diǎn)（水和冰的混合物）0C。這個(gè)條件滿足時(shí)，不需要進(jìn)行校正。對(duì)于不便于提供標(biāo)準(zhǔn)參考 溫度的場(chǎng)合，低溫端溫度即環(huán)境溫度（或其他方便的 設(shè)定溫度）。出廠時(shí)以標(biāo)準(zhǔn)溫度標(biāo)定的分度就需要進(jìn)行 校

10、正。從道理上講，如果所用熱電偶的電勢(shì)與溫度差 之間是嚴(yán)格的線性關(guān)系，則只需要把指示溫度（或由 所測(cè)電勢(shì)計(jì)算得到的溫度）加上冷端溫度與（低溫端 標(biāo)準(zhǔn)參考溫度）0 C之差，就能得到正確的測(cè)量溫度。但是一般熱電偶的電勢(shì)與溫差之間都不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，因此就需要先查得所使用的熱電偶冷端溫度與 0c之差所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)，把它加在測(cè)得的電勢(shì)之上，然后再用這個(gè)電勢(shì)的和查得所對(duì)應(yīng)的溫度。這樣的校 正工作當(dāng)然是必須知道所用熱電偶的電勢(shì)溫差特性曲線。用公式來(lái)表示：E（t,0） = E（to,O） + E（t,to）（ i-4）即攝氏溫度t-0所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)等于to-0所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)與 t-to所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)之和。3. 溫度

11、測(cè)量需要注意的若干問題籠統(tǒng)地說，首先要選擇符合測(cè)量范圍和測(cè)量精度的溫度計(jì)。其次應(yīng)保證溫度計(jì)的熱敏元件與被測(cè)介質(zhì) 有良好的接觸。若使用接觸式溫度計(jì)測(cè)量固體壁面的溫度則需要設(shè)置適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，選擇導(dǎo)熱系數(shù)大、熱穩(wěn) 定性好的液體作為媒介，在被測(cè)固體與測(cè)溫包之間建立起熱平衡。玻璃溫度計(jì)如果加了護(hù)套，則在被測(cè)介 質(zhì)與溫度計(jì)之間達(dá)到熱平衡就需要較長(zhǎng)的時(shí)間。要持續(xù)觀察一段時(shí)間，確信指示值已不再變化。使用配備 標(biāo)準(zhǔn)冷端的熱電偶溫度計(jì)時(shí)，確保電極浸泡在冰水混合物中。在使用玻璃水銀溫度計(jì)時(shí)應(yīng)多加小心，萬(wàn)一 破碎了要立即進(jìn)行處理，用硫粉覆蓋灑出的水銀，并輕輕翻動(dòng)以促進(jìn)其反應(yīng)。將反應(yīng)后的硫化汞及剩余的 硫粉回收，交廢藥廢

12、液回收站處理，以免污染環(huán)境，損害健康。i.2壓力的測(cè)量我們通常所說的壓力是指壓強(qiáng)，與英文中的pressure相對(duì)應(yīng)。在化工領(lǐng)域一般都是指流體的壓力。1. 常見的壓力測(cè)量方法客觀條件決定了我們?cè)跍y(cè)量流體的壓力時(shí)，一般都是測(cè)出實(shí)際的絕對(duì)壓力與大氣壓力的差值，稱之為 表壓。大氣的壓力并不是一個(gè)定值，隨著海拔高度、所處的緯度以及溫度的改變而改變。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓是緯 度 45 度海平面上攝氏 0 度時(shí)大氣的壓力。對(duì)于測(cè)量表壓來(lái)說標(biāo)準(zhǔn)大氣壓并沒有什么幫助。不過，在需要 時(shí)，我們可以用水銀氣壓計(jì)方便地測(cè)出所在地大氣的壓力，然后得到準(zhǔn)確的絕對(duì)壓力。（1） 液柱測(cè)壓方法 像托里斥利實(shí)驗(yàn)?zāi)菢拥难b置基本上可以認(rèn)為是垂直

13、單管測(cè)壓裝置，現(xiàn)在使用的氣壓計(jì)仍然是這種結(jié) 構(gòu)。單管測(cè)壓裝置也可以把直管傾斜放置，以提高測(cè)量精度。最常用的還是 U 形管壓差計(jì)，包括正 U 形 管和倒 U 形管。 U 形管也可以通過串聯(lián)以擴(kuò)大量程。根據(jù)流體靜力學(xué)原理，由管內(nèi)液柱的高度差計(jì)算得到 管兩端的壓力差，是最原始也是最可靠的方法。只是由于在要求大的測(cè)量范圍時(shí)，工作介質(zhì)要用水銀，對(duì) 環(huán)境和健康有害。所以除非必要，一般應(yīng)避免使用水銀。（2） 彈性元件測(cè)壓方法 實(shí)際應(yīng)用中最常見的壓力表就屬于彈性元件測(cè)壓方法。彈性元件中最常用的是單圈和多圈彈簧管，可以用于測(cè)量低壓、中壓、高壓和真空度。單圈彈簧管測(cè)量范圍可以從0 O.lkPa直到0 105 kP

14、a。但是由于壓力表在測(cè)量下限和上限附近的測(cè)量精度都不高， 所以推薦的使用范圍是在測(cè)量上限的 1/3 到 2/3之間。 即使用范圍只是壓力表量程的 1/3。壓力表的精度等級(jí)范圍很大， 從 0.01 直到 2.5。對(duì)于特定的介質(zhì)必須要 使用規(guī)定的專用壓力表，如氧氣壓力表、氨氣壓力表、耐腐蝕壓力表等。壓力表的指示值是表壓（與環(huán)境 大氣壓的差值） 。（3）電信號(hào)測(cè)量方法電信號(hào)測(cè)壓儀表由壓力傳感器和顯示器組成。 在化工上常用的是差壓變送器， 它的測(cè)量對(duì)象是壓力差。它是一種電感式差壓傳感器，變送器有兩個(gè)測(cè)壓接口，一個(gè)接高壓，一個(gè)接低壓。兩個(gè)測(cè)壓室之間是一個(gè) 撓性膜片，隨著壓差的變化而移動(dòng)。膜片上方的金屬片

15、起銜鐵的作用，它與馬蹄形鐵芯之間的空隙隨壓差 的變化而變化?？障洞髸r(shí)磁阻增大，空隙小時(shí)磁阻減小。鐵芯上線圈的電感隨磁阻的增大而減小。若把線 圈的電阻看作定值，則線圈的阻抗隨電感的增大而增大。對(duì)于簡(jiǎn)單的電感式壓差傳感器，對(duì)線圈電路施加 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流源，則電壓隨阻抗線性變化。經(jīng)過標(biāo)定之后，可以用電壓表顯示壓差，也可以輸出到其它接 口。對(duì)于較為復(fù)雜的差動(dòng)式壓差傳感器，工作原理是相同的，只是由兩個(gè)開口相對(duì)的對(duì)稱鐵芯組成，銜鐵 位于兩個(gè)鐵芯之間，發(fā)生偏移時(shí)，距一個(gè)鐵芯的空隙增大，而距另一個(gè)鐵芯的空隙減小。兩個(gè)電感電路與 兩個(gè)電阻電路組成電橋。為電感電路施加一個(gè)電壓源，橋路上的輸出電壓隨銜鐵與兩個(gè)鐵芯之間

16、的空隙的 變化而變化，在輸出電壓與被測(cè)壓差之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)量精度高于單電感傳感器。這類傳感器的輸出 電壓與壓差之間成近似線性關(guān)系，測(cè)量范圍較小時(shí)，線性關(guān)系較好。2. 壓力測(cè)量需要注意的若干問題彈性元件和電信號(hào)測(cè)壓方法都是屬于間接的測(cè)量方法，因此它們都需要標(biāo)定。壓力表是標(biāo)準(zhǔn)化的，在 出廠時(shí)都經(jīng)過標(biāo)定。若有疑問，可用標(biāo)準(zhǔn)壓力核對(duì)。差壓變送器在出廠時(shí)也經(jīng)過標(biāo)定，但是它的工作穩(wěn)定 性比不上壓力表，一般在安裝以后需要進(jìn)行再標(biāo)定。它本身提供零點(diǎn)調(diào)節(jié)和比例調(diào)節(jié)。使用一段時(shí)間之后 可能產(chǎn)生新的偏差， 因此需要經(jīng)常進(jìn)行核對(duì)。 對(duì)于同時(shí)配置 U 形管壓差計(jì) （測(cè)量小壓差） 和壓差變送器 （測(cè) 量大壓差）的場(chǎng)合，可用 U