化工原理實驗講義

1、化工原理實驗講義化工與環(huán)境學(xué)院化學(xué)工程與控制系化工原理實驗室編寫說明近幾年來， 本實驗室的實驗裝置中的大部分都進行了更新或改造。 過去編寫的實驗講義已經(jīng) 不能適應(yīng)目前的狀況， 兄弟院校的相關(guān)實驗教程也由于裝置、 內(nèi)容、 重點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驗講義。 這有助于提高實驗教學(xué)質(zhì)量， 改善教學(xué)效果。本實驗講義的大部分內(nèi)容， 曾經(jīng)以補充講義電子版的形式提供給 2003 和 2004 級兩個年級的 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， 又增補了一些必要的基 礎(chǔ)知識，各個實驗項目的思考題，以及選修實驗項目的內(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，對流體 阻力測定、干燥實驗、雷諾實驗部分進行了修訂，并對其它部分的一些筆誤進行了更正。雖然編 者都具有較長期指導(dǎo)本實驗課程的經(jīng)歷，但受知識結(jié)構(gòu)、理解深度、認識水平等方面的局限，不 當之處在所難免。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)實驗技術(shù) 21.1 溫度的測量 21.2 壓力的測量 31.3 流量的測量 5第 2 章實驗數(shù)據(jù)分布及基本數(shù)據(jù)處理 92.1 實驗數(shù)據(jù)的分布 92.2 實驗數(shù)據(jù)的基本處理 92.

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

4、和壓力表式溫度計。（2）玻璃管液體溫度計 玻璃管液體溫度計利用液體的體積與溫度之間的關(guān)系，用毛細管內(nèi)液體上升的高度來指示被測溫度。一般測量范圍在-100C +600 C。這種溫度計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量精度較高（0.12.5級）。工作液體多使用汞和酒精，封裝時充入惰性氣體，以防止液柱斷開。（ 3） 雙金屬片溫度計 雙金屬片溫度計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，帶動指針的位移。一般測量范圍在-80C +600C。這種溫度計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但測量精度不高（ 12.5級）。（ 4） 壓力表式溫度計 壓力表式溫度計的工作

5、原理與機械式壓力表相同。被封裝在測溫元件內(nèi)的液體或氣體，在定容條件下當溫度變化時壓力隨著變化，帶動與彈性元件相聯(lián)接的指針的位移。一般測量范圍在0 C +300 C。這種溫度計結(jié)構(gòu)也比較簡單，但測量精度不高（ 12.5級）。（ 5） 熱電偶溫度計 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)體之間的接觸電勢隨溫度的變化而變化， 同一種導(dǎo)體的兩端溫度不同時也會產(chǎn)生溫差電勢。當組成電偶的兩種導(dǎo)體一定時，回路中的電勢由電偶兩 聯(lián)接點的溫度差決定，在電勢與溫度差之間建立起確定的關(guān)系。用來測定溫度差的電偶稱作熱電偶。在熱 電偶回路中接入測量電勢的儀表就組成熱電偶溫度計。多數(shù)熱電偶的電勢與溫度差之間

6、成近似線性關(guān)系。這種溫度計一般測量范圍在 -200 C +1800 C,精度較高（0.51.0級）。低溫時也可使用，但精度較差。 使用時稍微麻煩一點，需要提供一個冷端參考溫度（恒溫低溫熱源）以及測量電勢的外加電路。這類溫度 計有的直接輸出電壓值，有的經(jīng)過儀表換算（模數(shù)轉(zhuǎn)換）輸出攝氏溫度值。也可以把電壓信號輸出到其它 模數(shù)轉(zhuǎn)換接口（如微機接口）進行處理或顯示。（ 6） 熱電阻溫度計 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。它也需要外加電路來測量電阻。比 如用標準電壓源測電流或用標準電流源測電壓。但是不需要提供參考溫度。這種溫度計一般測量范圍在-200 C +650 C,精度較高

7、（0.53.0級）。低溫測量精度高于熱電偶溫度計。與熱電偶相比，測溫元件體 積較大，響應(yīng)較慢，抗沖擊性較差。這類溫度計一般經(jīng)過儀表換算（模數(shù)轉(zhuǎn)換）輸出攝氏溫度值。也可以 把電壓信號輸出到其它模數(shù)轉(zhuǎn)換接口（如微機接口）進行處理或顯示。（ 7） 非接觸式溫度計非接觸式溫度計采用檢測熱輻射強度的方法， 用來測量高溫對象。 又可區(qū)分為檢測單色輻射或全輻射。 由于在被測對象和檢測元件之間的介質(zhì)對輻射的吸收和反射的影響，會產(chǎn)生相應(yīng)的測量誤差。測量精度的 分級（1.01.5級）并不是很確切。通常用來測量600C以上的高溫。2. 溫度計讀數(shù)的校正由溫度計本身的特點所決定，需要對讀數(shù)進行校正的主要是玻璃管液體溫

8、度計和熱電偶溫度計。（ 1 ） 玻璃管液體溫度計玻璃管液體溫度計的刻度雖然有半浸入、 全浸入和整體浸入三種標定方式， 但最常見的是全浸入標定，即溫度計浸入被測介質(zhì)的深度正好與毛細管內(nèi)的液位對齊。這樣的條件在測量過程中往往難以滿足，所以 在對溫度測量精度要求較高時，需要對溫度計讀數(shù)進行修正。按照溫度計測量原理：VoK（t -to）（ 1-1）V =式中：V液體在溫度為t時的體積，Vo 溫度為to時的體積，K 工作液體相對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,則溫度計示值以下，被測介質(zhì)界 面以上暴露在環(huán)境中的那一段Hi （圖中標注為N）是處于環(huán)境溫度ti。因為毛

9、細管的直徑是一定的，所以對于露出的這一部分，體積比也等于高度比，這時在溫度 計上讀出的高度就包含了一個差值？H，計算公式如下：?H = HiK（ti - t） - Hi（ 1-2）用？H對溫度計讀數(shù)進行修正，即從溫度計讀數(shù)減去這個值。Hi由溫度計的刻度讀取，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 熱電偶溫度計需要提供低溫端標準參考溫度，一 般都是取水的冰點（水和冰的混合物）0C。這個條件滿足時，不需要進行校正。對于不便于提供標準參考 溫度的場合，低溫端溫度即環(huán)境溫度（或其他方便的 設(shè)定溫度）。出廠時以標準溫度標定的分度就需要進行 校

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

11、測量需要注意的若干問題籠統(tǒng)地說，首先要選擇符合測量范圍和測量精度的溫度計。其次應(yīng)保證溫度計的熱敏元件與被測介質(zhì) 有良好的接觸。若使用接觸式溫度計測量固體壁面的溫度則需要設(shè)置適當?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，在被測固體與測溫包之間建立起熱平衡。玻璃溫度計如果加了護套，則在被測介 質(zhì)與溫度計之間達到熱平衡就需要較長的時間。要持續(xù)觀察一段時間，確信指示值已不再變化。使用配備 標準冷端的熱電偶溫度計時，確保電極浸泡在冰水混合物中。在使用玻璃水銀溫度計時應(yīng)多加小心，萬一 破碎了要立即進行處理，用硫粉覆蓋灑出的水銀，并輕輕翻動以促進其反應(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壓力的測量我們通常所說的壓力是指壓強，與英文中的pressure相對應(yīng)。在化工領(lǐng)域一般都是指流體的壓力。1. 常見的壓力測量方法客觀條件決定了我們在測量流體的壓力時，一般都是測出實際的絕對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定值，隨著海拔高度、所處的緯度以及溫度的改變而改變。標準大氣壓是緯 度 45 度海平面上攝氏 0 度時大氣的壓力。對于測量表壓來說標準大氣壓并沒有什么幫助。不過，在需要 時，我們可以用水銀氣壓計方便地測出所在地大氣的壓力，然后得到準確的絕對壓力。（1） 液柱測壓方法 像托里斥利實驗?zāi)菢拥难b置基本上可以認為是垂直

13、單管測壓裝置，現(xiàn)在使用的氣壓計仍然是這種結(jié) 構(gòu)。單管測壓裝置也可以把直管傾斜放置，以提高測量精度。最常用的還是 U 形管壓差計，包括正 U 形 管和倒 U 形管。 U 形管也可以通過串聯(lián)以擴大量程。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量范圍時，工作介質(zhì)要用水銀，對 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） 彈性元件測壓方法 實際應(yīng)用中最常見的壓力表就屬于彈性元件測壓方法。彈性元件中最常用的是單圈和多圈彈簧管，可以用于測量低壓、中壓、高壓和真空度。單圈彈簧管測量范圍可以從0 O.lkPa直到0 105 kP

14、a。但是由于壓力表在測量下限和上限附近的測量精度都不高， 所以推薦的使用范圍是在測量上限的 1/3 到 2/3之間。 即使用范圍只是壓力表量程的 1/3。壓力表的精度等級范圍很大， 從 0.01 直到 2.5。對于特定的介質(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）電信號測量方法電信號測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， 它的測量對象是壓力差。它是一種電感式差壓傳感器，變送器有兩個測壓接口，一個接高壓，一個接低壓。兩個測壓室之間是一個 撓性膜片，隨著壓差的變化而移動。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。空隙大時磁阻增大，空隙小時磁阻減小。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。對于簡單的電感式壓差傳感器，對線圈電路施加 一個標準電流源，則電壓隨阻抗線性變化。經(jīng)過標定之后，可以用電壓表顯示壓差，也可以輸出到其它接 口。對于較為復(fù)雜的差動式壓差傳感器，工作原理是相同的，只是由兩個開口相對的對稱鐵芯組成，銜鐵 位于兩個鐵芯之間，發(fā)生偏移時，距一個鐵芯的空隙增大，而距另一個鐵芯的空隙減小。兩個電感電路與 兩個電阻電路組成電橋。為電感電路施加一個電壓源，橋路上的輸出電壓隨銜鐵與兩個鐵芯之間

16、的空隙的 變化而變化，在輸出電壓與被測壓差之間建立對應(yīng)關(guān)系，測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，測量范圍較小時，線性關(guān)系較好。2. 壓力測量需要注意的若干問題彈性元件和電信號測壓方法都是屬于間接的測量方法，因此它們都需要標定。壓力表是標準化的，在 出廠時都經(jīng)過標定。若有疑問，可用標準壓力核對。差壓變送器在出廠時也經(jīng)過標定，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行再標定。它本身提供零點調(diào)節(jié)和比例調(diào)節(jié)。使用一段時間之后 可能產(chǎn)生新的偏差， 因此需要經(jīng)常進行核對。 對于同時配置 U 形管壓差計 （測量小壓差） 和壓差變送器 （測 量大壓差）的場合，可用 U