化工原理实验讲义 - 图文

重庆三峡学院化学与环境工程学院 梁克中

(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

5

重庆三峡学院化学与环境工程学院 梁克中

1．有效数据及有效数字运算规则 (1)有效数据

实验中测定的温度、流量、压力等数据是一类有单位的数字。这一类数据的特点是除了具有特定的单位外，其最后一位数字往往是由仪表的精度所决定的估计数字。如温度计的最小分度为l℃时，则其有效数字可取至l度以下一位数。如某温度可读至20．6℃，最后一位数字是一位带有误差的估计数，其余数为准确数。有效数为三位，含有一位估计数。通常测量某一参数，一般均可估计到最小分度的十分位。估计误差不超过最小分度的±0.5．按此记下有效数据。

(2)有效数字及其表示

测量精度是通过有效数字的位数来表示的。有效数字的位数应是除定位用的“0”以外，余数位都是有效数字。有效数字定义为：一个含m位数的近似数(m从左起非0位始)，其中准确数值为n位(n

(3)有效数字的运算规则 ①加减运算

在加减运算中，应取各数的小数位数与其中小数位最少者保持一致。例如24．64， 25．67，28．55，28．655，19．3相加应写成：

24．6 + 25．7 + 28．6 + 28．6 + 19．3 = 126．8 ②乘除运算

在乘除运算中各数保留位数，应与原来各数中有效数字位数最少的那个数一致。其积和商的有效数字具有相同的位数。例如0．0268，56．573，1．0645相乘则有

0．0268 X 56．6 X 1．06＝1．6078928

但只应取其积为1．61．

③对数运算

在对数运算中，其对数位数保持与真数有效数字位数一致。 ④平均值计算

四个或四个以上的数值计算平均值，其平均值有效数字位数可增加一位。

在以上计算有效数位数时，若计算过程有效数字的第一位大于或等于8，则可考虑有 效数字位数增加一位。

在有效数字的计算过程中，有效数字的取舍可按“四舍六入，遇五则偶舍奇入”的原则处理，即凡末位数有效数字后边的第一位数大于5则进位，小于5舍去不计，等于5时如前一位为奇数则进位, 前一位为偶数则舍去。

例如 27．0246 取四位得27．02 (四舍)

27．0246 取五位得27．025 (六入) 27．025 取四位得27．02 (偶舍) 27．035 取四位得27．04 (奇入)

2．实验数据的计算

由于计算机的普遍应用，实验数据的计算处理，完全可以编制程序由计算机完成，但 在编程之前或在编程运算之后，为了检查计算程序是否正确，必须掌握笔算的方法，而在 没有条件使用计算机时仍要进行笔算，故在此将化工原理实验数据计算的要求及技巧作以说明。

6

重庆三峡学院化学与环境工程学院 梁克中

(1)计算过程使用SI单位。注意有效数字，一般工程计算有效数字取三位，运算过程中可多保留一位不定数字。

(2)计算时应写出一组数据的完整计算过程，以便检查在计算方法和数字计算上有无错误。计算完一组数据后，就应该判断其结果是否合理，例如根据已有的流体力学知识，

孔板流量计的孔流系数Co，一般在0．6～0．8左右，如果计算结果为0．035或其它异常数字，首先应检查数据处理过程，发现问题及时纠正，可避免一错到底。如果是实验原因，可以重新实验测定。

(3)实验数据计算，按实验目的的要求归纳整理计算，由于实验数据较多，为了避免重复计算，减少计算错误，可以将计算式中可合并的常数加以合并，然后再逐一计算。例如 流体阻力实验，计算Re和λ值，可按以下方法进行。

例如： Re的计算 Re = duρ/ μ

式中管径d，流体密度ρ和粘度μ ，在对同一物料，同一设备，在恒定温度条件下进行实验 时均为定值，可合并为常数A ＝ dρ/ μ，故有

Re = Au

A值确定后，改变u值可算出及Re 值。

又例如：管内摩擦系数λ值的计算，由直管阻力计算公式，

2 ΔP = λlρu / 2d 得 λ = 2dΔP / lu2ρ = B'ΔP / u2

B'= 2d /lρ

又实验中流体压降ΔP，用U型压差计读数R测定，则

ΔP = gR(ρo – ρ) = B''R 式中常数 B'' = g(ρo – ρ) 将代入上式整理为

λ = B' B''R/ u2 = B R/ u2

式中常数B为 B = 2d g(ρo – ρ) / lρ 仅有变量R和u，这样λ的计算非常方便。

第二节 实验数据的处理方法

实验数据处理，就是将实验测得的一系列数据，经过计算整理后，用最适宜的方式表 示出来，在化工原理实验中，常用列表法、图示法和函数式表示法三种形式表示。

1．2．1 实验数据列表法

将实验数据，按着自变量因变量的关系，以一定顺序列出数据表，即为列表法。列表法有许多优点，如简单易作，数据易比较，形式紧凑，同一表格内可以表示几个变量间关系等。

实验数据列表可分为记录表和综合结果表两类。记录表是实验记录和实验数据初步整理的表格。表中数据可分为三类：原始数据、中间结果数据和最终结果数据。它是一种专门的表格，根据实验内容设计。例如流体阻力实验，原始数据需要记录流量，直管阻力测量时U型压差计的测量读数，中间结果计算流速，压降，最终计算流体的雷诺数Re和摩擦系数λ值等。实验综合结果表，只反映变量之间的关系，表达实验最终结果。该表简明扼要，只

7

重庆三峡学院化学与环境工程学院 梁克中

包括研究变量的关系，如表达不同ε／d条件下λ与Re的关系。

在拟制使用实验数据表时，应注意以下几个问题：

(1)表格设计要力求简明扼要，一目了然，便于阅读和使用。记录、计算项目满足实验要求。

(2)表头应列出变量的名称、符号、单位。同时要层次清楚、顺序合理。 (3)记录数字应注意有效数字位数，要与测量仪表的精度相匹配。

(4)数字较大或较小时应采用科学记数法表示，阶数部分即10 ± n记录在表头。

用列表法表示实验数据，其变化规律和趋势不明显，不能满足进一步分析研究的需要。 如若用于计算机还需进一步处理，但列表法是图示法和函数表示法的基础。

1．2．2 实验数据的图示法

用图形表示实验结果，可以明显地看出数据变化的规律和趋势，有利于分析讨论问题，利用图形表示还可以帮助选择函数的形式，是工程上常用的方法。作图过程应遵循一些基本要求，否则达不到预期结果，如对同一组数据，选择不同坐标系，则可得到不同的图形。若选择的不适宜会导致错误结论。为保证图示法获得的曲线能正确地表示实验数据变量之间的关系，便于使用，在图形标绘上应注意以下几方面问题：

1．坐标系的选择

对同一组实验数据，应根据经验判断该实验结果应具有的函数形式，或由因变量与自变量变化规律及幅度的大小，选择适宜的坐标系。在适宜坐标系中可获得更简明规律性更好的曲线。而常用坐标系有三种：普通直角坐标(笛卡儿坐标)，单对数坐标和双对数坐标。但本质上还都是直角坐标，仅是其分度方法不同。坐标选择可依以下两点原则。

(1) 根据数据间的函数关系选择坐标

例如符合线性方程y = a + bx关系的数据，选普通直角坐标，标绘可获得一条直线符 合，y = ax n关系的数据，选普通直角坐标标绘是一条曲线。若选取双对数坐标标绘则可获 得一条直线。由于直线的使用、处理都比较方便，所以总希望所选用的坐标能使数据标绘后得到直线形式。对于指数函数，如y = a x 或by = ax，则可选用单对数坐标，亦可获得一直 线关系。

(2)根据数据变化的大小选择坐标

如果实验数据的两个变量，两者变化幅度较小，则应选择普通直角坐标。若数量级变化很大，一般是选用双对数坐标来表示。如果实验数据的两个变量，其中一个变量的数量级变化很大，而另一个变化较小，一般是使用单对数坐标表示。例如管内流体摩擦系数λ与Re数的关系，由于λ的变化从0．008～0．1，Re从102一108变化，两个变量的数量级变化都很大，所以用双对数坐标表示。又如流量计实验测得孔流系数Co和及Re数的一组数据 变化如下表l—l所示。

表1—1 孔板流量计实验结果

Co Re 0.660 5ⅹ103 0.652 104 0.635 5ⅹ104 0.550 105 0.55 5ⅹ105 0.55 106 Co变化甚小，Re数变化较大，所以可选用单对数坐标表示比较合适。

2．坐标纸的使用

(1)标绘实验数据，应选适当大小的坐标纸，使其与图形适宜匹配并能正确表示实验数据大小和范围。

(2)依使用的习惯自变量取横轴，因变量取纵轴，按使用要求注明各轴代表的物理量和单位。

8