重庆三峡学院化学与环境工程学院 梁克中
绪论
一、化工原理实验的意义及目的
化工原理是一门研究化工生产过程的工程学科，主要研究生产过程中各种单元操作的规律，并用这些规律解决生产中的工程问题。该课程紧密联系化工生产实际，是化工类各专业学生的一门重要技术基础课。
化工原理实验是配合化工原理课堂理论教学设置的实验课，是教学中的实践环节。化工原理实验不同于基础课实验，具有典型的工程实际特点。实验都是按各单元操作原理设置的，其工艺流程、操作条件和参数变量，都比较接近于工业应用。研究问题的方法是用工程的观点去分析、观察和处理数据。实验结果可以直接用于或指导工程计算和设计。学习、掌握化工原理的实验及其研究方法，是学生从理论学习到工程应用的一个重要实践过程。所以化工原理实验在教学过程中是十分重要的。通过实验达到以下教学目的：
1．配合理论教学，通过实验从实践中进一步学习、掌握和运用学过的基本理论。 2．运用学过的化工基本理论，分析实验过程中的各种现象和问题，培养训练学生分析问题和解决问题的能力。
3．了解化工实验设备的结构、特点，学习常用实验仪器仪表的使用，使学生掌握化工实验的基本方法并通过实验操作，训练学生的实验技能。
4．通过实验数据的分析处理，计算机的应用，编写报告，培养训练学生实际计算和组织报告的能力。
5．通过实验培养学生良好的学风和工作作风，以严谨、科学、求实的精神对待科学实 验与开发研究工作。
二、化工原理实验研究方法
化学工程学科，如同其它工程学科一样，除了生产经验的总结之外，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、理论指导下的实验研究方法和数学模型法等几种。 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。一般是指对特定的工程问题，进行直接实验测定，从而得到需要的结果。这种方法得到的结果较为可靠，但它往往只能用到条件相同的情况，具有较大的局限性。例如物料干燥，已知物料的湿分，利用空气作干燥介质，在空气温度、湿度和流量一定的条件下，直接实验测定干燥时间和物料失水量，可以作出该物料的干燥曲线，如果物料和干燥条件不同，所得干燥曲线也不同。
对一个多变量影口向的工程问题，进行实验，为研究过程的规律，用网络法实验测定，即依次固定其它变量，改变某一个变量测定目标值。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。依这种方法组织实验，所需实验数目非常大，难以实现。所以实验需要在一定理论指导下进行，以减少工作量，并使得到的结果具有一定的普遍性。
2．因次分析法
因次分析法是化学工程实验研究广泛使用的一种方法。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，使研究工作困难，因为改变许多变量来做实验，这几乎是不可能的，而且实验结果也难以普遍使用。利用因次分析方法，可以大大减少工作量。
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因次分析法，所依据的基本原则是物理方程的因次一致性。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准数关系式，从而大大减少实验工作量，同时也容易将实验结果应用到工程计算和设计中。
因次分析法的具体步骤是：
(1)找出影响过程的独立变量； (2)确定独立变量所涉及的基本因次；
(3)构造变量和自变量间的函数式，通常以指数方程的形式表示； (4)用基本因次表示所有独立变量的因次，并写出各独立变量的因次式； (5)依据物理方程的因次一致性和π定理得出准数方程； (6)通过实验归纳总结准数方程的具体函数式。
例如流体在管内流动的阻力和摩擦系数λ的计算研究，是利用因次分析方法和实验得到解决的。实验得知，影响流体在管内流动阻力的因素有：管径d，管长l，流速u，流体的物性密度ρ和粘度μ及管壁的粗糙度ε，写成函数关系式为：
一ΔP = f (d，l，u，ρ，μ ，ε) (1)
由白金汉π定理指出，无因次数群数N，等于影响现象的变量数n减去基本因次数m，即N = n - m．由以上分析变量数n = 7个，表示这些物理变量的基本因次m = 3，有质量[M]，长度[L]和时间[θ]。由π定理可知可以整理得到4个无因次数群。将(1)式写成乘幂函数的形式，即：
一ΔP = K d a l b u cρd μ e ε f (2)
通过因次分析，将变量无因次化。式中各物理量的因次是： 一ΔP = [ML-1θ-2] ρ= [ML-3] d = l = [L] μ = [ML-1θ-1] u = [Lθ-1] ε = [L] 将各物理量的因次代人式(2)，则两端因次为：
ML-1θ-2 =La L b (Lθ-1) c(ML-3)d (ML-1θ-1) e L f 即 ML-1θ-2 =La+b+c-3d-e+f M d+eθ-c-e 根据物理方程因次一致原则，上式等号两侧各基本量的因次的指数必然相等，可得方程组：
对因次[M] d + e = 1
对因次[L] a + b + c -3d –e + f = - 1 对因次[θ] - c – e = - 2
这样得到三个基本方程，有六个未知数，设用其中三个未知数b，e，f 来表示a，d，c，解此方程组，可得：
a = - b – e – f
d = 1 – e
c = 2 – e
求得的a，d，c代人方程(2)式，即得：
一ΔP = K d - b- e –f l b u 2 - eρ1 - e μ e ε f
将指数相同的各物理量归并在一起得：
一ΔP / u2ρ = K （l/ d） b （duρ/μ）- e （ ε/d） f
一ΔP = 2 K （l/ d） b （duρ/μ）- e （ ε/d） f （ u2ρ/2） 将此式与计算流体在管内摩擦阻力公式相比较， 一ΔP =λ（ l/ d）（ u2ρ/2） 整理得到研究摩擦系数λ的关系式，即：
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λ = 2 K （duρ/μ）- e （ ε/d） f 或 λ = φ（Re, ε/d） 由以上分析可以看出，在因次分析法的指导下，将一个复杂的多变量影响的管内流体阻力计算问题，简化为摩擦系数λ的研究和确定。具体的函数关系还必须依靠实验确定。
在传热过程的问题研究中，影响过程的物理量增加有热量、温度。在因次分析中温度也可作为基本因次被引入。如果热量不是用质量和温度来定义，热量也可以作为基本因次。利用因次分析方法，也可以得到许多各种传热过程的准数函数。
由此看来，因次分析方法是化工实验研究的有用工具，它指出了减少实验变量的方法，但在变量合并过程中，如何合并变量为有用准数，这是研究者必须十分注意的问题。在前例中是假设b，e，f指数，由指数方程求解a，d，c得到需要的有关准数ΔP／ρu2，l／d， duρ／μ，ε／d．若假设指数的条件不同，整理得到的准数形式也不同。另外还必须指出，应用因次分析的过程，必须对所研究的过程问题有本质的了解。如果有一个重要的变量被遗漏，那么就会得出不正确的结果，甚至导致谬误的结论。所以应用因次分析法必须持谨慎态度。
3．数学模型法
数学模型方法是近20年内产生、发展和日趋成熟的方法，但这一方法的基本要素，在化工原理各单元中早已应用。只是没上升为模型方法的高度。数学模型法是在对研究的问题有充分认识的基础上，将复杂问题作合理简化，提出一个近似实际过程的物理模型，并用数学方程(或微分方程)表示的数学模型，然后确定该方程的初始条件和边界条件，求解方程。高速大容量电子计算机的出现，使数学模型方法得以迅速发展，成为化学工程研究中的强有力工具。但这不意味着可以取消和削弱实验环节，相反，对工程实验提出了更高的要求，一个新的、合理的数学模型，往往是在现象观察的基础上，或对实验数据进行充分研究后建立提出的，新的模型必然引出一定程度的近似和简化，或引入一定参数，这一切都有待于实验进一步的修正、校核和检验。
三、实验要求
1．实验准备工作
实验前必须认真预习实验教材和化工原理教材有关章节，仔细了解所做实验的目的、要求、方法和基本原理。在全面预习的基础上写出预习报告(内容包括：目的、原理、预习中的问题)，并准备好做实验记录用的表格。
进入实验室后，要对实验装置的流程、设备结构、测量仪表做细致的了解，并认真思考实验操作步骤，测量内容与测定数据的方法。对实验预期的结果，可能发生的故障和排除方法，作一些初步的分析和估计。
实验开始前，小组成员应进行适当的分工，明确要求，以便实验中协调工作。设备启动前要检查、调整设备进入启动状态，然后再送电、送水或蒸汽之类启动操作。
2．实验操作、观察与记录
设备的启动与操作，应按教材说明的程序，逐项进行，对压力、流量；电压等变量的调节和控制，要缓慢进行，防止剧烈波动。
在实验过程中，应全神贯注地精心操作，要详细观察所发生的各种现象，例如物料的流动状态等，这将有助于对过程的分析和理解。
实验中要认真仔细地测定数据，将数据记录在规定的表格中。对数据要判断其合理性，在实验过程中如遇数据重复性差或规律性差等情况，应分析实验中的问题，找出原因加以解决。必要的重复实验是需要的，任何草率的学习态度都是有害的。
做完实验后，要对数据进行初步检查，查看数据的规律性，有无遗漏或记错，一经发现
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应及时补正。实验记录应请指导教师检查，同意后再停止实验并将设备恢复到实验前的状态。
实验记录：
实验记录是处理、总结实验结果的依据。实验应按实验内容预先制做记录表格，在实验过程中认真做好实验记录，并在实验中逐渐养成良好的记录习惯。记录应仔细认真，整齐清楚。要注意保存原始记录，以便核对。以下是几点参考意见：
(1)对稳定的操作过程，在改变操作条件后，一定要等待过程达到新的稳定状态，再开始读数记录。对不稳定的操作过程，从过程一开始，就应进行读数记录，为此就要在实验开始之前，充分熟悉方法并计划好记录的时刻或位置等。
(2)记录数据应是直接读取原始数值，不要经过运算后再记录，例如秒表读数1分38秒，就应记为l，38”，不要记为98”．又如U型压差计两臂液柱高差，应分别读数记录，不应只读取或记录液柱的差值，或只读取一侧液柱的变化乘2倍。
(3)根据测量仪表的精度，正，确读取有效数字。例如l／10℃分度的温度计，读数为22．24℃时，其有效数字为四位，可靠值为三位。读数最后一位是带有读数误差的估计值，尽管带有误差，在测量时还应进行估计。
(4)对待实验记录应取科学态度，不要凭主观臆测修改记录数据，也不要随意弃舍数据，对可疑数据，除有明显原因，如读错，误记等情况使数据不正常可以弃舍之外，一般应在数据处理时检查处理。数据处理时可以根据已学知识，如热量衡算或物料衡算为根据，或根据误差理论弃舍原则来进行。
(5)记录数据应注意书写清楚，字迹工整。记错的数字应划掉重写，应避免涂改的方法，涂改后的数字容易误读或看不清楚。
3．实验报告
实验结束后，应及时处理数据，按实验要求，认真地完成报告的整理编写工作。实验报告是实验工作的总结，编写组织报告也是对学生工作能力的培养，因此要求学生各自独立完成这项工作。
实验报告应包括以下内容： (1)实验题目；
(2)实验的目的或任务； (3)实验的基本原理；
(4)实验设备及流程(绘制简图)，简要操作说明； (5)原始记录数据；
(6)数据整理方法及计算示例，实验结果可以用列表、图形曲线或经验公式表示； (7)分析讨论。
实验报告应力求简明，分析说理清楚，文字书写工整，正确使用标点符号。图表要整齐地放在适当位置，报告要装订成册。
报告中应写出学生姓名、班级、实验日期、同组人和指导教师姓名。 报告应在指定时间交指导教师批阅。
四、实验课堂纪律和注意事项
(1)准时进实验室，不得迟到或早退，不得无故缺课。
(2)遵守课堂纪律，严肃认真地进行实验。实验室不准吸烟，不准打闹说笑或进行与实验无关的活动。
(3)对实验设备及仪器等在没弄清楚使用方法之前，不得开动。与本实验无关的设备和仪表不要乱动。
(4)爱护实验设备、仪器仪表。注意节约使用水、电、汽及药品。
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(5)保持实验现场和设备的整洁，禁止在设备、仪器和台桌等处乱写，乱画。衣物、书包不得挂在实验设备上，应放在指定的地方。
(6)注意安全及防火。电动机开动前，应观察电机及运转部件附近有无人员在工作。合上电闸时，应慎防触电。注意电机有无怪声和严重发热现象。精馏实验附近不准动用明火。
(7)实验结束后，同学应认真清扫现场，并将实验设备、仪器等恢复到实验前状态，经检查合格后方可以离开实验室。
最后，要严格遵守实验室的规章制度，确保人身安全及设备的完好，使得实笋教学正常进行。
第一章 实验数据的处理
实验进行大量的数据测定工作，如何采集实验数据，直接关系到实验结果的可靠性为实验者所关心。实验获得的大量原始数据，通常需要进行计算处理，才能得到可以应用的结果，如列表、作图或整理成经验公式。也便于与课本或前人研究结果对比分析，对实验结果作出评价。下面介绍这方面的基本知识。
第一节 实验数据的采集与计算
1．1．1 实验数据的采集
为了保证实验获得正确的处理结果，实验时应注意正确采集原始数据。除了认真检查实验装置设备减少系统误差外，应精心操作，认真读取和记录数据，减少人为的过失误差，力求原始数据的准确性。因此，在实验数据采集和记录过程中，需要从以下几方面努力。
1．正确地选择测试参数
实验时应正确地选定所测参数，测定那些与研究对象相关的独立变量，例如测定实验系统的介质流量、温度、压力及组成。介质的物性可从资料中查得。中间变量可以通过直接测量，然后通过计算获得。应该指出：这里测定与研究的是对象的主要参数，而不是全部参数。
2．采集的数据应正确地反应对应的关系 对稳态实验操作过程，不仅应注意保证局部数据的准确性，而且要注意与其它数据的联系。所以，一定要在达到稳态的条件下，才可读取数据，否则由于未达到稳定，其数据不具有真实对应关系。而对不稳定实验，则应按实验过程规划好读数的时间或位置，应该取同一瞬时值。
3．正确地读取及记录数据
首先认真注意仪表指示的量程、分度单位等，按正确方法读取数据。通常在一定条件下，仔细读取两次以达到自检的目的。记录要字迹清楚避免涂改，并注明单位。对所采集的数据要及时复验，运用所学的知识，分析判断其趋势是否正确，发生异常，应及时采取措施，加以排除。此外，要根据事先拟定的数据采集方案，检查是否漏采数据，以减少工作的反复。
4．选择实验点的适宜分布
为了保证实验数据在处理过程中正确地反映各变量间的关系或在标绘成图形时分布合理，采集数据时应注意选点的分布。通常变量间呈线性关系时，实验点可以均布。在对数坐标中呈线性关系的，其对数值为均布。若按其真数布点时，应随其数值增大应加大间隔。
对于变量间存在非线性关系的情况下，应随实验进行观察适时布点，即变化缓慢时，可加大取点间隔，若变化比较敏感或比较激烈时，则应减小间隔，以便正确反映变化过程中的转折点。
1．1．2 实验数据的计算
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