化工原理实验/秦正龙
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作者编者:秦正龙//刘飒//龙洲洋//陈国建//黄芳敏 著作
出版社科学出版社
ISBN9787030539113
出版时间2017-08
装帧平装
开本16开
定价39元
货号1201568496
上书时间2024-11-20
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目录
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前言
第1章 绪论 1
1.1 化工原理实验的教学目标 1
1.2 化工原理实验的特点 1
1.3 化工原理实验的内容 2
1.4 化工原理实验各环节的要求 2
第2章 化工原理实验研究方法 5
2.1 直接实验法 5
2.2 因次分析法 5
2.3 数学模型法 8
2.4 过程变量分离法 10
第3章 实验数据的测量及处理 12
3.1 实验数据的测量 12
3.2 实验数据的误差分析 14
3.3 实验数据的处理 17
3.4 Excel在化工原理实验数据处理中的应用 22
3.5 Origin在化工原理实验数据处理中的应用 31
第4章 化工基本物理量的测量 40
4.1 压力的测量 40
4.2 流量的测量 43
4.3 温度的测量 49
4.4 功率的测量 51
4.5 折射率的测量 52
第5章 化工原理基础实验 55
实验一 雷诺实验 55
实验二 伯努利方程实验 59
实验三 孔板流量计的校核 64
实验四 管路流体阻力的测定 69
实验五 流体输送实验 76
实验六 离心泵特性曲线的测定 84
实验七 恒压过滤常数的测定 89
实验八 气-气列管换热实验 98
实验九 填料塔吸收系数的测定 103
实验十 精馏过程分离实验 109
实验十一 干燥速率曲线的测定 114
第6章 化工原理计算机仿真实验 121
实验十二 流量计性能测定仿真实验 122
实验十三 离心泵串并联仿真实验 124
实验十四 正交试验法在过滤研究实验中的应用仿真实验 127
实验十五 液-液传热仿真实验 129
实验十六 填料塔吸收（氨-水）仿真实验 131
实验十七 精馏塔仿真实验 133
参考文献 136
附录 137
附录1 法定单位计量及单位换算 137
附录2 干空气的物理性质（101.3kPa） 138
附录3 水的物理性质 139
附录4 水在不同温度下的黏度 140
附录5 水的饱和蒸气压（-20～100℃） 140
附录6 饱和水蒸气表（以温度为准） 142
附录7 饱和水蒸气表（以压力为准） 143
附录8 一些二元物系的气-液平衡组成 145
附录9 某些气体溶于水的亨利系数 146
附录10 乙醇-水体系浓度与折射率的关系（25℃） 147
附录11 常见气体的扩散系数 147
附录12 常用流体流速范围 148
附录13 IS型单级单吸离心泵规格（摘录） 149
内容摘要
本书共六章，主要内容包括绪论、化工原理实验研究方法、实验数据的测量及处理、化工基本物理量的测量、化工原理实验、化工原理计算机仿真实验等。本书理论联系实际，强调工程观点和方法论，侧重实验方法的建立和实验设计，同时还适当介绍了与仪器仪表和计算机技术相结合的化工知识，可有效地培养学生的创造性思维和动手实践能力，具有较强的可读性和实用性。
精彩内容
第1章 绪论
化工原理实验是化学工程与工艺、环境工程、制药工程、材料科学与工程等专业一门重要的工程实践课程。化工原理实验的研究对象和研究方法与物理、化学等基础学科明显不同，它是运用自然科学的基本原理和工程实验方法解决化工及相关领域的工程实际问题。显然，化工原理是建立在实验基础上的学科，它不仅有自身的理论体系，也有一些专门的研究方法。由于对化工生产中众多因素之间的关系尚未完全清楚，所以化工原理课程中很多处理问题的方法和结论都是通过实验归纳获得的。为了更好地反映生产的实际过程，化工原理实验一般是在小试、接近中试装置的规模上进行的，比基础化学实验更接近生产实际，但又有别于生产实际装置，它要求有更完善的测试条件，以便对变量之间的关系进行测试、探索，并对过程进行观察分析。教师在实验教学中要注重引导学生利用化工过程技术和设备、实验教学法和现代数控技术等知识，分析、设计和操控典型的化工单元操作过程，进而全面培养学生的思维方法，提高其动手和创新能力及大工程观意识。
1.1 化工原理实验的教学目标
化工原理实验的教学目标主要包括以下几点。
（1）巩固和深化理论知识。通过化工原理实验加深学生对理论教学中相关基本理论的理解，使学生的知识得到充实和提高。
（2）提供理论联系实际的机会。学习运用所学的化工原理等化学化工的理论知识解决实验中遇到的具体问题，同时学习如何通过实验获取新知识。
（3）通过化工原理实验基本技能的训练，学生掌握化工实验的基本方法和实用技术，培养从事科学实验研究的能力。
（4）培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。
（5）培养学生科学的思维方法、严谨的科学态度和优良的科学作风，提高自身专业素养。
（6）随着科技的发展，不断引进新的化工实验技术，包括虚拟仿真实验技术，进而使学生开阔视野，培养创新意识。
1.2 化工原理实验的特点
化工原理实验与其他实验一样，可以帮助学生验证课堂理论以加深对理论的理解与认识，所以它具有一般实验的全部特点。但与其他实验相比，化工原理实验还具有两个自身特点。
（1）工程性。学生在化工原理实验中逐渐脱离使用烧杯、烧瓶和试管等玻璃仪器，开始使用金属设备、金属管道和工程测量仪表等工程装置；另外，实验的影响因素由比较单一变为复杂；同时，实验也由间歇操作逐渐转变为连续操作等。所以，化工原理实验室类似于化工厂的小型车间，化工原理实验具有非常明显的工程性。
（2）社会性。学生在进行化工原理实验时通常需要多人组成一个实验小组合作完成，只有小组内的各位成员合理分工、协同工作才能真正做好实验。所以，从这个层面来说，化工原理实验具有较强的社会性。
1.3 化工原理实验的内容
化工原理实验的内容主要包括实验理论教学和实践教学两大部分。
（1）实验理论教学。
实验理论教学主要介绍化工原理实验的特点、实验教学目的、实验的研究方法、实验数据的测量方法、误差分析和处理方法等基本知识。
（2）实践教学。
实践教学主要涉及十几个典型单元操作实验：雷诺实验、流体流动阻力的测定、离心泵特性曲线的测定及传热、吸收、精馏、干燥等单元操作。
1.4 化工原理实验各环节的要求
实验的成败以及能否反映客观实际，除与实验的设计及装置的可靠性有关外，实验操作是否正确也是十分重要的因素，这是由实验者本身的素质和态度决定的。素质只有通过长期训练及本身的努力才能提高；而态度更是实验者主观能动作用是否真正发挥的体现。
为了达到教学目的，对学习化工原理实验提出了以下几方面要求。
1.4.1 课前预习
（1）认真阅读实验教材，明确实验的目的、内容及注意事项，带着问题到实验室进行实验。
（2）根据实验的具体任务，研究实验方法及其理论根据，分析应该测取哪些数据，并估计实验数据的变化规律。
（3）在实验室现场结合实验教材，仔细查看设备流程、主要设备的构造、仪表种类及安装位置等；了解设备启动、使用方法及设备流程的特点。
（4）拟订实验方案，掌握操作顺序、操作条件及设备的启动程序；知道如何调整操作条件，实验数据应如何布点。
（5）写出预习报告，包括实验目的、实验原理、装置流程示意图、实验步骤和注意事项等。
1.4.2 实验操作、数据记录与处理
实验操作是实验教学的核心环节。学生只有通过亲自动手操作才能理解单元操作设备及流程，了解如何进行过程的优化，分析各种非正常现象产生的原因，并学会采取相应措施解决遇到的问题。
进行实验时，要认真记录实验数据，养成科学研究工作所必需的良好习惯。实验数据的记录不仅是书写报告和发表论文的原始资料，而且是可供查阅的永久记录。实验数据记录具体要求如下。
（1）实验中应密切关注仪表示数的变化，随时调节，以保证过程的稳定性。一定要注意过程稳定后方可取样或读取数据。所以，实验条件改变后，要等待一段时间，数据稳定之后才能取样或读数。
（2）准备好完整的原始数据记录表，记下各项物理量的名称、符号和计量单位，要保证数据的完整性。
（3）凡是影响实验结果或与实验相关的数据均应测取，包括大气压、室温、水温、设备有关尺寸、物料性质等，不应遗漏。需注意：并非所有的数据都是能够直接测取的，如通过测水温就查得水的黏度和密度。
（4）同一条件下至少应读取两次数据，而且只有当两次读数相近时才能改变操作条件。
（5）数据记录必须真实地反映仪表的精度，一般要记录至仪表最小分度以下一位数。每个数据记录后，应立即复核，以免发生读错或写错数字等事故。
（6）如果出现不正常情况及数据有明显误差时，应在备注栏中注明。小组成员应与教师一起认真讨论，研究异常现象发生的原因，及时发现问题、解决问题，或者对现象做出合理的分析、解释。
（7）实验过程中切忌只顾埋头操作和读数，忽略对实验现象的观察和描述。
（8）实验完毕后，所记录的数据须经实验指导教师检查合格签字后，才可结束实验；实验数据若有短缺或不合理，应补全或重做。数据的整理与处理注意事项如下。
（1）原始记录只可进行整理，绝不可以随便修改。
（2）经仔细判断确实为过失误差造成的不正确数据须注明后方可剔除，不记入结果。
（3）数据处理过程应有计算示例。
（4）实验结果及结论可用列表法、图解法或回归分析法说明，具体的数据处理方法详见第3章。
1.4.3 实验报告的书写要求
实验报告是实验工作的全面总结和系统概括，是实践环节中不可缺少的重要组成部分。化工原理实验具有显著的工程性，属于工程技术科学的范畴，它研究的对象是复杂的实际问题和工程问题。完整的实验报告一般应包括以下几方面内容。
（1）封面：实验名称、报告人姓名、学号、专业、实验地点、指导教师、实验日期等详细信息。
（2）实验目的和内容：简明扼要地说明为什么要进行本实验，实验要解决什么问题。
（3）实验原理：简要说明实验所依据的基本原理，包括实验涉及的主要概念，实验依据的重要定律、公式及据此推算的重要结果，要求准确、充分。
（4）实验装置流程示意图：简单地画出实验装置流程示意图和测试点、控制点的具体位置及主要设备、仪表的名称。标出设备、仪器仪表及调节阀等的标号，在流程图的下方写出图名及与标号相对应的设备、仪器等的名称。
（5）实验操作要点：根据实际操作程序划分为几个步骤，并在前面加上序号，使条理更为清晰。对于操作过程的说明应简单明了。
（6）注意事项：对于容易引起设备或仪器仪表损坏、容易发生危险以及一些对实验结果影响比较大的操作，应在注意事项中注明，以引起注意。
（7）原始数据记录：记录实验过程中由测量仪表所读取的数值。读数方法要正确，记录数据要准确，要根据仪表的精度决定实验数据的有效数字的位数。
（8）数据处理：数据处理是实验报告的重点内容之一，要求将实验原始数据进行整理、计算，并将其制成便于分析讨论的表和图，而且图、表要易于显示数据的变化规律及各参数的相关性。
（9）实验结果的分析与讨论，主要内容包括：从理论上对实验所得结果进行分析和解释，说明其必然性；对实验中的异常现象进行分析讨论，说明影响实验的主要因素，分析误差的大小和原因，讨论如何提高实验精度；由实验结果提出进一步的研究方向或对实验方法及装置提出改进建议等，分析实验结果在生产实践中的价值和意义。
（10）实验结论：结论是根据实验结果所做出的最后判断，得出的结论要从实际出发，有理论依据。
第2章 化工原理实验研究方法
化学工程实验研究的困难在于所涉及的物料众多，如物质、组成、相态、温度、压力均可能有所不同，设备数量众多，形状尺寸相差悬殊，如采用通常的实验研究方法，必须遍及所有的流体和一切可能的设备几何尺寸，其繁杂的实验工作量和实验难度难以想象。那么，能否用模拟物料进行实验，在物料种类上由此及彼？能否只在小设备上进行实验，在设备尺寸上由小见大？能否只做少量的探索性实验，从而归纳方程用于工业设计？与其他工程学科一样，化学工程学科除了总结生产经验之外，实验研究是学科建立和发展的重要基础。多年来，化工原理在发展过程中形成的研究方法有：直接实验法、因次分析法、数学模型法和过程变量分离法等几种。
2.1 直接实验法
直接实验法是解决工程实际问题最基本的方法，其优点是针对特定的工程问题直接进行实验测定，所得到的结果较为可靠；缺点是往往只能用于条件相同的情况，具有较大的局限性。
对一个由多变量影响的工程问题，若采用直接实验法，通常是先只改变其中的某一个变量而将其他变量固定进行实验，然后再改变测定目标值。如果变量数为m个，每个变量改变条件数为n次，按这种方法规划实验，所需实验次数为nm次。依照这种方法组织实验，所需实验数目非常大，费时费钱，难以实现。
因此，针对工程实验的特殊性，必须采取有效的实验方法，减少工作量，并使得到的结果具有一定的普遍性。因次分析法就是一种能解决上述问题的有效研究方法，在化工原理实验中被广泛地使用。
2.2 因次分析法
在流体力学和传热过程的问题研究中，出现许多影响这些过程的变量，如设备的几何条件、流体流动条件、流体的物性变化等。利用直接实验法测定，研究工作将非常困难，因为通过改变许多变量来完成实验，几乎是不可能完成的，而且实验结果也不具有普适性。利用因次分析法，可以大大减少工作量。因次分析法通过将变量组合成无因次数群，从而减少实验自变量的个数，大幅度地减少实验次数，因此在化工实验中应用广泛。
2.2.1 因此分析法的基本原理
（1）因次一致性原则：凡是根据基本的物理规律导出的物理量方程，其中各项的因次必然相同。
（2）白金汉（Buckingham）π定理：设影响该现象的物理量数为i个，这些物理量的基本因次数为j个，则该物理现象可用N=i–j个独立的无因次数群关系式表示，这类无因次数群称为准数。
因次分析法是将多变量函数整理为简单的无因次数群的函数，然后通过实验归纳整理出关系图或准数关系式。
基本因次：彼此独立，不能相互导出。
导出因次：由基本因次导出。例如，在力学领域内基本因次有三个，通常为长度L、时间θ、质量M，其他力学的物理量的因次都可以由这三个因次导出并写成幂指数乘积的形式：
式中：a、b、c为常数。如果基本因次的指数均为零，则这个物理量称为无因次数或无因次数群，反映流体流动状态的雷诺数就是无因次数群。
2.2.2 因次分析法的具体步骤
（1）找出影响过程的独立变量。
（2）确定独立变量所涉及
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