化工原理实验讲义

1、化工原理实验讲义化工与环境学院化学工程与控制系化工原理实验室编写说明近几年来， 本实验室的实验装置中的大部分都进行了更新或改造。 过去编写的实验讲义已经 不能适应目前的状况， 兄弟院校的相关实验教程也由于装置、 内容、 重点等方面的差异而有一定 的局限。 所以有必要重新编写一本适用的实验讲义。 这有助于提高实验教学质量， 改善教学效果。本实验讲义的大部分内容， 曾经以补充讲义电子版的形式提供给 2003 和 2004 级两个年级的 本科生 700 多名同学试用， 取得了比较满意的效果。 此次正式交付印刷， 又增补了一些必要的基 础知识，各个实验项目的思考题，以及选修实验项目的内容。第一、第二章

2、由毋俊生执笔，其余 章节由邓文生，康惠宝执笔，全书由刘文芳排版编辑。本次又根据 2011 年更换的设备，对流体 阻力测定、干燥实验、雷诺实验部分进行了修订，并对其它部分的一些笔误进行了更正。虽然编 者都具有较长期指导本实验课程的经历，但受知识结构、理解深度、认识水平等方面的局限，不 当之处在所难免。期望使用本讲义的老师和同学提出您的意见、建议和指正。2007 年 7 月 编2012 年 4 月修订目录第 1 章化工基础实验技术 21.1 温度的测量 21.2 压力的测量 31.3 流量的测量 5第 2 章实验数据分布及基本数据处理 92.1 实验数据的分布 92.2 实验数据的基本处理 92.

3、3 实验报告的基本要求 10第 3 章化工原理基本实验 123.1流体流动阻力的测定 123.2 离心泵特性曲线的测定 163.3 对流传热系数的测定 203.4 填料塔压降曲线和吸收系数的测定 233.5 精馏塔效率的测定 283.6 干燥速率曲线的测定 323.7 扩散系数的测定 353.8 液液萃取塔的操作 39第 4 章演示实验 424.1雷诺实验 424.2 机械能守恒与转换 454.3 边界层形成与分离 47第 5 章化工流动过程综合实验 48第 1 章 化工基础实验技术1.1 温度的测量1. 常用的温度计形式（1）膨胀式温度计 实用的膨胀式温度计有玻璃管液体温度计，双金属片温度计

4、和压力表式温度计。（2）玻璃管液体温度计 玻璃管液体温度计利用液体的体积与温度之间的关系，用毛细管内液体上升的高度来指示被测温度。一般测量范围在-100C +600 C。这种温度计结构简单，使用方便，测量精度较高（0.12.5级）。工作液体多使用汞和酒精，封装时充入惰性气体，以防止液柱断开。（ 3） 双金属片温度计 双金属片温度计制作成表盘指针形式。双金属片结合成一体，一端固定，另一端自由。由于不同金属的热膨胀系数的差异而产生弯曲变形，带动指针的位移。一般测量范围在-80C +600C。这种温度计结构简单，使用方便，但测量精度不高（ 12.5级）。（ 4） 压力表式温度计 压力表式温度计的工作

5、原理与机械式压力表相同。被封装在测温元件内的液体或气体，在定容条件下当温度变化时压力随着变化，带动与弹性元件相联接的指针的位移。一般测量范围在0 C +300 C。这种温度计结构也比较简单，但测量精度不高（ 12.5级）。（ 5） 热电偶温度计 电偶是由两种不同的导体在两端相联接组成的回路。两种导体之间的接触电势随温度的变化而变化， 同一种导体的两端温度不同时也会产生温差电势。当组成电偶的两种导体一定时，回路中的电势由电偶两 联接点的温度差决定，在电势与温度差之间建立起确定的关系。用来测定温度差的电偶称作热电偶。在热 电偶回路中接入测量电势的仪表就组成热电偶温度计。多数热电偶的电势与温度差之间

6、成近似线性关系。这种温度计一般测量范围在 -200 C +1800 C,精度较高（0.51.0级）。低温时也可使用，但精度较差。 使用时稍微麻烦一点，需要提供一个冷端参考温度（恒温低温热源）以及测量电势的外加电路。这类温度 计有的直接输出电压值，有的经过仪表换算（模数转换）输出摄氏温度值。也可以把电压信号输出到其它 模数转换接口（如微机接口）进行处理或显示。（ 6） 热电阻温度计 利用导体或半导体的电阻值与温度之间的确定关系制作的温度计。它也需要外加电路来测量电阻。比 如用标准电压源测电流或用标准电流源测电压。但是不需要提供参考温度。这种温度计一般测量范围在-200 C +650 C,精度较高

7、（0.53.0级）。低温测量精度高于热电偶温度计。与热电偶相比，测温元件体 积较大，响应较慢，抗冲击性较差。这类温度计一般经过仪表换算（模数转换）输出摄氏温度值。也可以 把电压信号输出到其它模数转换接口（如微机接口）进行处理或显示。（ 7） 非接触式温度计非接触式温度计采用检测热辐射强度的方法， 用来测量高温对象。 又可区分为检测单色辐射或全辐射。 由于在被测对象和检测元件之间的介质对辐射的吸收和反射的影响，会产生相应的测量误差。测量精度的 分级（1.01.5级）并不是很确切。通常用来测量600C以上的高温。2. 温度计读数的校正由温度计本身的特点所决定，需要对读数进行校正的主要是玻璃管液体温

8、度计和热电偶温度计。（ 1 ） 玻璃管液体温度计玻璃管液体温度计的刻度虽然有半浸入、 全浸入和整体浸入三种标定方式， 但最常见的是全浸入标定，即温度计浸入被测介质的深度正好与毛细管内的液位对齐。这样的条件在测量过程中往往难以满足，所以 在对温度测量精度要求较高时，需要对温度计读数进行修正。按照温度计测量原理：VoK（t -to）（ 1-1）V =式中：V液体在温度为t时的体积，Vo 温度为to时的体积，K 工作液体相对于玻璃的体积热膨胀系数（液体与玻璃的体积热膨胀系数之差）若环境温度为ti,则温度计示值以下，被测介质界 面以上暴露在环境中的那一段Hi （图中标注为N）是处于环境温度ti。因为毛

9、细管的直径是一定的，所以对于露出的这一部分，体积比也等于高度比，这时在温度 计上读出的高度就包含了一个差值？H，计算公式如下：?H = HiK（ti - t） - Hi（ 1-2）用？H对温度计读数进行修正，即从温度计读数减去这个值。Hi由温度计的刻度读取，校正后的温度：t* = t + ?H（ i-3）为了提高精度，以上步骤可重复几次。（2）热电偶温度计 热电偶温度计需要提供低温端标准参考温度，一 般都是取水的冰点（水和冰的混合物）0C。这个条件满足时，不需要进行校正。对于不便于提供标准参考 温度的场合，低温端温度即环境温度（或其他方便的 设定温度）。出厂时以标准温度标定的分度就需要进行 校

10、正。从道理上讲，如果所用热电偶的电势与温度差 之间是严格的线性关系，则只需要把指示温度（或由 所测电势计算得到的温度）加上冷端温度与（低温端 标准参考温度）0 C之差，就能得到正确的测量温度。但是一般热电偶的电势与温差之间都不是严格的线性关系，因此就需要先查得所使用的热电偶冷端温度与 0c之差所对应的电势，把它加在测得的电势之上，然后再用这个电势的和查得所对应的温度。这样的校 正工作当然是必须知道所用热电偶的电势温差特性曲线。用公式来表示：E（t,0） = E（to,O） + E（t,to）（ i-4）即摄氏温度t-0所对应的电势等于to-0所对应的电势与 t-to所对应的电势之和。3. 温度

11、测量需要注意的若干问题笼统地说，首先要选择符合测量范围和测量精度的温度计。其次应保证温度计的热敏元件与被测介质 有良好的接触。若使用接触式温度计测量固体壁面的温度则需要设置适当的结构，选择导热系数大、热稳 定性好的液体作为媒介，在被测固体与测温包之间建立起热平衡。玻璃温度计如果加了护套，则在被测介 质与温度计之间达到热平衡就需要较长的时间。要持续观察一段时间，确信指示值已不再变化。使用配备 标准冷端的热电偶温度计时，确保电极浸泡在冰水混合物中。在使用玻璃水银温度计时应多加小心，万一 破碎了要立即进行处理，用硫粉覆盖洒出的水银，并轻轻翻动以促进其反应。将反应后的硫化汞及剩余的 硫粉回收，交废药废

12、液回收站处理，以免污染环境，损害健康。i.2压力的测量我们通常所说的压力是指压强，与英文中的pressure相对应。在化工领域一般都是指流体的压力。1. 常见的压力测量方法客观条件决定了我们在测量流体的压力时，一般都是测出实际的绝对压力与大气压力的差值，称之为 表压。大气的压力并不是一个定值，随着海拔高度、所处的纬度以及温度的改变而改变。标准大气压是纬 度 45 度海平面上摄氏 0 度时大气的压力。对于测量表压来说标准大气压并没有什么帮助。不过，在需要 时，我们可以用水银气压计方便地测出所在地大气的压力，然后得到准确的绝对压力。（1） 液柱测压方法 像托里斥利实验那样的装置基本上可以认为是垂直

13、单管测压装置，现在使用的气压计仍然是这种结 构。单管测压装置也可以把直管倾斜放置，以提高测量精度。最常用的还是 U 形管压差计，包括正 U 形 管和倒 U 形管。 U 形管也可以通过串联以扩大量程。根据流体静力学原理，由管内液柱的高度差计算得到 管两端的压力差，是最原始也是最可靠的方法。只是由于在要求大的测量范围时，工作介质要用水银，对 环境和健康有害。所以除非必要，一般应避免使用水银。（2） 弹性元件测压方法 实际应用中最常见的压力表就属于弹性元件测压方法。弹性元件中最常用的是单圈和多圈弹簧管，可以用于测量低压、中压、高压和真空度。单圈弹簧管测量范围可以从0 O.lkPa直到0 105 kP

14、a。但是由于压力表在测量下限和上限附近的测量精度都不高， 所以推荐的使用范围是在测量上限的 1/3 到 2/3之间。 即使用范围只是压力表量程的 1/3。压力表的精度等级范围很大， 从 0.01 直到 2.5。对于特定的介质必须要 使用规定的专用压力表，如氧气压力表、氨气压力表、耐腐蚀压力表等。压力表的指示值是表压（与环境 大气压的差值） 。（3）电信号测量方法电信号测压仪表由压力传感器和显示器组成。 在化工上常用的是差压变送器， 它的测量对象是压力差。它是一种电感式差压传感器，变送器有两个测压接口，一个接高压，一个接低压。两个测压室之间是一个 挠性膜片，随着压差的变化而移动。膜片上方的金属片

15、起衔铁的作用，它与马蹄形铁芯之间的空隙随压差 的变化而变化。空隙大时磁阻增大，空隙小时磁阻减小。铁芯上线圈的电感随磁阻的增大而减小。若把线 圈的电阻看作定值，则线圈的阻抗随电感的增大而增大。对于简单的电感式压差传感器，对线圈电路施加 一个标准电流源，则电压随阻抗线性变化。经过标定之后，可以用电压表显示压差，也可以输出到其它接 口。对于较为复杂的差动式压差传感器，工作原理是相同的，只是由两个开口相对的对称铁芯组成，衔铁 位于两个铁芯之间，发生偏移时，距一个铁芯的空隙增大，而距另一个铁芯的空隙减小。两个电感电路与 两个电阻电路组成电桥。为电感电路施加一个电压源，桥路上的输出电压随衔铁与两个铁芯之间

16、的空隙的 变化而变化，在输出电压与被测压差之间建立对应关系，测量精度高于单电感传感器。这类传感器的输出 电压与压差之间成近似线性关系，测量范围较小时，线性关系较好。2. 压力测量需要注意的若干问题弹性元件和电信号测压方法都是属于间接的测量方法，因此它们都需要标定。压力表是标准化的，在 出厂时都经过标定。若有疑问，可用标准压力核对。差压变送器在出厂时也经过标定，但是它的工作稳定 性比不上压力表，一般在安装以后需要进行再标定。它本身提供零点调节和比例调节。使用一段时间之后 可能产生新的偏差， 因此需要经常进行核对。 对于同时配置 U 形管压差计 （测量小压差） 和压差变送器 （测 量大压差）的场合，可用 U