化工课件福州大学化工原理实验指导.docx

化工2004/02化工原理实验福州大学化工原理实验室二OO四年二月实施科教兴国战略和可持续发展战略，迎接知识经济时代的到来，建设面向知识经济时代的国家创新体系，要求造就一支庞大的高素质的创造性人才队伍。因此，作为高级人才的培养基地，高等院校应当把创造力的教育和培养贯穿于各门课程教学及实践性教学环节中。实践性教学环节相对于课堂理论教学环节，更能贯穿对学生创造力的开发，其教学内容、方法、手段如何能适应创造性人才的培养要求尤为重要。传统的大学实验教学，其内容是以验证前人知识为主的验证型实验，其方法是教师手把手地教，这些都不利于培养学生的主动性和创造性。当今，大学实验教学改革中，普遍开设综合型、设计型、研究型实验，是对学生进行创造教育的重要思路和做法。在“211工程”重点建设的大学必须通过的本科教学评优工作指标中就明确要求综合型、设计型、研究型实验应占70%以上。化工原理实验是一门技术基础实验课，在培养化工类及相关专业的高级人才中起举足轻重的作用，被学校确定为我校参加本科教学评优工作重点建设的基础课程之一。福州大学投入247万元用于建设以“三型”实验为主的现代化的具有国内先进水平的化工原理实验室。目前，第期投入100万元的化工原理实验室建设工作已经完成，第二期投入147万元的建设工作正在进行中。已建成具有国内先进水平的实验装置18套，其中有6套是我校可北京化工大学、天津大学共同联合研制的，有2套是我们自行研制的。这些装置将化工知识与计算机技术紧密地结合起来，同时还融合了化学、电工电子、数学、物理及机械等多学科的知识，具有计算机数据采集、处理利控制等功能，能够针对不同专业的要求开出不同类型的“三型”实验。有了这些高新技术装备的实验装置，我们还必须花大力气进行化工原理实验内容、方法的改革，必须以当代教育思想、教育方法论及教育心理学为指导，研究以学生自主学习为主的启发式、交互式、研讨式、动手式的实验教学方法，从实验方案拟定、实验步骤设计、实验流程装配、实验现象观察、实验数据处理和实验结果讨论等方面有效地培养学生的创造性思维和实践动手能力。化工原理实验讲义就是为了适应化工原理实验教学内容、方法、手段的改革要求而编写的。化工原理实验讲义由施小芳高级实验师执笔主编，李微高级实验师、林述英实验师参与编写工作，阮奇教授主审。叶长桀等老师参加了编写讲义的讨论，并提出许多宝贵意见。在此，对本讲义在编写过程中给予热心帮助和支持的老师，表示衷心的感谢。本讲义在编写过程中，参阅了有关书籍、杂志、兄弟院校的讲义等大量资料，由于篇幅所限，未能一一列举，谨此说明。本讲义难免存在不妥之处，衷心地希望读者给予指数,使本讲义日臻完善。福州大学化工原理实验室2004.2.5第一篇化工原理实验基础知识绪论1第1章化工原理实验的研究方法101.1 直接实验法101.2 因次分析法101.3 数学模型法12第2章实验数据的误差分析152.1 误差的基本概念152.2 误差的表示方法172.3 “过失”误差的舍弃202.4 间接测量中的误差传递202.5 误差分析在阻力实验中的具体应用22第3章实验数据处理253.1 列表法253.2 图示法263.3 实验数据数学方程表示法29第4章计算机数据采集与控制394.1 概述394.2 计算机数据采集和控制的原理及构成394.3 智能仪表414.4 变频器43第5章正交试验设计方法455.1 试验设计方法概述455.2 正交试验设计方法的优点和特点465.3 正交表475.4 正交试验的操作方法495.5 正交试验结果分析方法495.6正交试验方法在化工原理实验中的应用举例51第二篇实验第6章化工原理计算机仿真实验55实验一离心泵仿真实验56实验二阻力仿真实验57实验三传热仿真实验58实验四流体流动形态的观察59实验五柏努利方程演示实验59实验六吸收仿真实验60实验七干燥仿真实验60实验八精微仿真实验61第7章化工原理实验63实验一流体阻力实验63实验二离心泵实验69实验三过滤实验74实验四传热实验81实验五吸收实验87实验六精镭实验99实验七干燥实验113附录1 AI708型仪表操作说明1232 变频器简易操作说明1243 阿贝折射仪使用说明1264 电子天平使用说明1285 液体比重天平使用说明130132主要参考文献第一篇化工原理实验基础知识绪论化工原理实验是化工、制药、环境、食品、生物工程等院系或专业教学计划中的一门必修课程。化工原理实验属于工程实验范畴，与一般化学实验相比，不同之处在于它具有工程特点。每个实验项目都相当于化工生产中的个单元操作，通过实验能建立起一定的工程概念，同时，随着实验课的进行，会遇到大量的工程实际问题，对理工科学生来说，可以在实验过程中更实际、更有效地学到更多工程实验方面的原理及测试手段，可以发现复杂的真实设备与工艺过程同描述这过程的数学模型之间的关系，也可以认识到对于一个看起来似乎很复杂的过程，一经了解，可以只用最基本的原理来解释和描述。因此，在实验课的全过程中，学生在思维方法和创新能力方面都得到培养和提高，为今后的工作打下坚实的基础。一、化工原理实验教学目的化工原理实验教学的目的主要有以下几点：1 .巩固和深化理论知识在学习化工原理课程的基础上，进一步理解一些比较典型的已被或将被广泛应用的化工过程与设备的原理和操作，巩固和深化化工原理的理论知识。2 .提供一个理论联系实际的机会将所学的化工原理等化学化工的理论知识去解决实验中遇到的各种实际问题，同时学习在化工领域内如何通过实验获得新的知识和信息。3 .培养学生从事科学实验的能力实验能力主要包括：为了完成一定的研究课题，设计实验方案的能力；进行实验,观察和分析实验现象的能力和解决实验问题的能力；正确选择和使用测量仪表的能力；利用实验的原始数据进行数据处理以获得实验结果的能力；运用文字表达技术报告的能力等。学生只有通过一定数量的实验训练，才能掌握各种实验技能，为将来从事科学研究和解决工程实际问题打好坚实的基础。4 .培养科学的思维方法、严谨的科学态度和良好的科学作风，提高自身素质水平。二、化工原理实验的特点本课程内容强调实践性和工程观念，并将能力和素质培养贯穿于实验课的全过程。围绕化工原理课程中最基本的理论，开设有设计型、研究型和综合型实验，培养学生掌握实验研究方法，训练其独立思考、综合分析问题和解决问题的能力。实验设备采用计算机在线数据采集与控制系统，引入先进的测试手段和数据处理技术;实验室开放，除完成实验教学基本内容外，可为对化工原理实验感兴趣的同学提供实验场所，培养学生的科研能力和创新精神。本课程的部分实验报告采用小论文形式撰写，这类型实验报告的撰写是提高学生写作能力、综合应用知识能力和科研能力的一个重要手段，可为毕业论文环节和今后工作所需的科学研究和科学论文的撰写打下坚实的基础。三、化工原理实验教学内容与方法1 .化工原理实验教学内容化工原理实验教学内容主要包括实验理论教学、计算机仿真实验和典型的单元操作实验三大部分。(1)实验理论教学主要讲述化工原理实验教学的目的、要求和方法；化工原理实验的特点；化工原理实验的研究方法；实验数据的误差分析；实验数据的处理方法；与化工原理实验有关的计算机数据采集与控制基本知识等。(2)计算机仿真实验包括仿真运行、数据处理和实验测评三部分。(3)典型单元操作实验典型单元操作实验内容和地点如下表所示。实验内容实验地点阻力实验化工楼114室离心泵实验化工楼114室过滤实验化工楼113室传热实验化工楼208室吸收实验化工楼108室精得实验化工楼211室干燥实验化工楼208室2 .化工原理实验教学方法由于工程实验是一项技术工作，它本身就是一门重要的技术学科，有其自己的特点和系统。为了切实加强实验教学环节，将实验课单独设课。每个实验匀安排现场预习(包括仿真实验)和实验操作两个单元时间。化工原理实验工程性较强，有许多问题需事先考虑、分析，并做好必要的准备，因此必需在实验操作前进行现场预习和仿真实验。化工原理实验室实行开放制度，学生实验前必须预约。化工原理实验成绩实行结构成绩制，分为三部分：(1)预习情况、仿真实验、现场提问、实验操作共占20%,每项各占5%。(2)实验报告质量占30%。(3)期末笔试成绩占50%。期末笔试为闭卷考试，主要考核学生对工程实验研究方法掌握和应用的程度，包括以下几方面的内容：实验方法、实验原理、实验设计、实验操作、数据处理、实验分析、工程实践等几方面的内容。四、实验各环节要求化工原理实验包括实验预习；实验操作；测定、记录和数据处理、实验报告编写等四个主要环节，各个环节的具体要求如下：3 .预习环节要满足达到实验目的中所提出的要求，仅靠实验原理部分是不够的，必须做到以下几点：(1)认真阅读实验讲义，复习课程教材以及参考书的有关内容，为培养能力，应试图对每个实验提出问题，带着问题到实验室现场预习。(2)到实验室现场熟悉设备装置的结构和流程。(3)明确操作程序与所要测定参数的项目，了解相关仪表的类型和使用方法以及参数的调整、实验测试点的分配等。(4)进行仿真实验和仿真实验测评。4 .实验操作环节一般以34人为小组合作进行实验，实验前必须作好组织工作，做到既分工、又合作，每个组员要各负其责，并且要在适当的时候进行轮换工作，这样既能保证质量，又能获得全面的训练。实验操作注意事项如下：(1)实验设备的启动操作，应按教材说明的程序逐项进行，设备启动前必须检查：(a)对泵、风机、压缩机、真空泵等设备，启动前先用手扳动联轴节，看能否正常转动。(b)设备、管道上各个阀门的开、闭状态是否合乎流程要求。上述两点皆为正常时.，才能合上电闸，使设备运转。(2)操作过程中设备及仪表有异常情况时，应立即按停车步骤停车并报告指导教师，对问题的处理应了解其全过程，这是分析问题和处理问题的极好机会。(3)操作过程中应随时观察仪表指示值的变动，确保操作过程在稳定条件下进行。出现不符合规律的现象时应注意观察研究，分析其原因，不要轻易放过。(4)停车前应先后将有关汽源、水源、电源关闭，然后切断电机电源，并将各阀门恢复至实验前所处的位置(开或关)。5 .测定、记录和数据处理：(1)确定要测定哪些数据凡是对实验结果有关或是整理数据时必需的参数都应一-测定。原始数据记录表的设计应在实验前完成。原始数据应包括工作介质性质、操作条件、设备几何尺寸及大气条件等.并不是所有数据都要直接测定，凡是可以根据某参数推导出或根据某参数由手册查出的数据，就不必直接测定。例如水的粘度、密度等物理性质，一般只要测出水温后即可查出，因此不必直接测定水的粘度、密度，而应该改测水的温度。(2)实验数据的分割：殷来说，实验时要测的数据尽管有许多个，但常常选择其中一个数据作为自变量来控制，而把其它受其影响或控制的随之而变的数据作为因变量，如离心泵特性曲线就把流量选择作为自变量，而把其它同流量有关的扬程、轴功率、效率等作为因变量。实验结果又往往要把这些所测的数据标绘在各种坐标系上，为了使所测数据在坐标上得到分布均匀的曲线，这里就涉及到实验数据均匀分割的问题。化工原理实验最常用的有两种坐标纸；直角坐标和双对数坐标，坐标不同所采用的分割方法也不同。其分割值X与实验预定的测定次数以及其最大、最小的控制量Xmax/min之间的关系如下：(a)对于直角坐标系：X - X毛=Xmin 垃="=七+ Ar77-1(b)对于双对数坐标：/. Ax = I n x/+1= xz - Ar*min >(3)读数与记录(a)待设备各部分运转正常，操作稳定后才能读取数据，如何判断是否已达稳定？般是经两次测定其读数应相同或十分相近。当变更操作条件后各项参数达到稳定需要一定的时间，因此也要待其稳定后方可读数，否则易造成实验结果无规律甚至反常。(b)同一操作条件卜一，不同数据最好是数人同时读取，若操作者同时兼读几个数据时,应尽可能动作敏捷。(c)每次读数都应与其它有关数据及前一点数据对照，看看相互关系是否合理？如不合理应查找原因，是现象反常还是读错了数据？并要在记录上注明。(d)所记录的数据应是直接读取的原始数值，不要经过运算后记录，例如秒表读数1分23秒，应记为1'38',不要记为83"。(e)读取数据必须充分利用仪表的精度，读至仪表最小分度以卜一位数，这个数应为估计值。如水银温度计最小分度为0.1,若水银柱恰指22.4时，应记为22.40C。注意过多取估计值的位数是毫无意义的。碰到有些参数在读数过程中波动较大，首先要设法减小其波动。在波动不能完全消除情况下，可取波动的最高点与最低点两个数据，然后取平均值，在波动不很大时可取一次波动的高低点之间的中间值作为估计值。(f)不要凭主观臆测修改记录数据，也不要随意舍弃数据，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舍弃之外，一般应在数据处理时检查处理。(g)记录完毕要仔细检查一遍，有无漏记或记错之处，特别要注意仪表上的计量单位。实验完毕，须将原始数据记录表格交指导教师检查并签字，认为准确无误后方可结束实验。(4)数据的整理及处理：(a)原始记录只可进行整理，绝不可以随便修改。经判断确实为过失误差造成的不正确数据须注明后可以剔除不计入结果。(b)采用列表法整理数据清晰明了，便于比较，一张正式实验报告一般要有四种表格:原始数据记录表、中间运算表、综合结果表和结果误差分析表。中间运算表之后应附有计算示例，以说明各项之间的关系。(c)运算中尽可能利用常数归纳法，以避免重复计算，减少计算错误。例如流体阻力实验，计算Re和入值，可按以下方法进行。例如：Re的计算Re =蚣其中4、0在水温不变或变化甚小时可视为常数，合并为4=亚，故有Re = AuA的值确定后，改变w值可算出Re值。又例如，管内磨擦系数入值的计算，由直管阻力计算公式(12得八4二g=8呼I p iC u式中常数B'=-I P又实验中流体压降尸，用U型压差计读数R测定，则P = gR(p0-p)=8"R式中常数8"=g3-0)将AP代入上式整理为DRu w式中常数8为B=±2gSL0 I P仅有变量R和"，这样人的计算非常方便。(d)实验结果及结论用列表法、图示法或回归分析法来说明都可以，但均需标明实验条件。列表法、图示法和回归分析法详见第三章实验数据处理。4、编写实验报告实验报告根据各个实验要求按传统实验报告格式或小论文格式撰写，报告的格式详见本章第五部分。实验报告应按规定时间上交，否则报告成绩要扣分；不交实验报告者不允许参加期末笔试。五、实验报告的编写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一个重要组成部分。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，因此化工原理的实验报告可以按传统实验报告格式或小论文格式撰写。1、传统实验报告格式本课程实验报告的内容应包括以卜几项：(1)实验名称，报告人姓名、班级及同组实验人姓名，实验地点，指导教师，实验日期，上述内容作为实验报告的封面。(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)实验的理论依据(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，在流程图的卜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，并在前面加上序数词，以使条理更为清晰。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从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经过整理、计算、加工成表格或图的形式。表格要易于显示数据的变化规律及各参数的相关性；图要能直观地表达变量间的相互关系。(9)数据处理计算过程举例以某一-组原始数据为例，把各项计算过程列出，以说明数据整理表中的结果是如何得到的。(10)实验结果的分析与讨论实验结果的分析与讨论是作者理论水平的具体体现，也是对实验方法和结果进行的综合分析研究，是工程实验报告的重要内容之一，主要内容包括：(a)从理论上对实验所得结果进行分析和解释，说明其必然性；(b)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；(c)分析误差的大小和原因，指出提高实验结果的途径；(d)将实验结果与前人和他人的结果对比，说明结果的异同，并解释这种异同；(e)本实验结果在生产实践中的价值和意义，推广和应用效果的预测等；(f)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。(11)实验结论结论是根据实验结果所作出的最后判断，得出的结论要从实际出发，有理论依据。(12)参考文献(同以下小论文格式部分)2、小论文格式科学论文有其独特的写作格式，其构成常包括以下部分：标题，作者，单位，摘要，关键词，前言(或引言、序言)，正文，结论(或结果讨论)，致谢，参考文献等。(1)标题标题又叫题目，它是论文的总纲，是文献检索的依据，是全篇文章的实质与精华，也是引导读者判断是否阅读该文的一个依据。因此要求标题能准确地反映论文的中心内容。(2)作者和单位署名作者只限于那些选定研究课题和制定研究方案，直接参加全部或主要研究工作，做出主要贡献并了解论文报告的全部内容，能对全部内容负责解答的人。工作单位写在作者名下。(3)摘要(abstract)撰写摘要的目的是让读者一目了然本文研究了什么问题，用什么方法，得到什么结果,这些结果有什么重要意义，是对论文内容不加注解和评论的概括性陈述，是全文的高度浓缩，一般是文章完成后，最后提炼出来的。摘要的长短一般几十个字至300字为宜。(4)关键词(Key words)关键词是将论文中起关键作用的、最说明问题的、代表论文内容特征的或最有意义的词选出来，便于检索的需要。可选38个关键词。(5)前言前言，又叫引言、导言、序言等，是论文主体部分的开端。前言一般包括以下几项内容：(a)研究背景和目的：说明从事该项研究的理由，其目的与背景是密不可分的，便于读者去领会作者的思路，从而准确地领会文章的实质。(b)研究范围：指研究所涉及的范围或所取得成果的适用范围。(c)相关领域里前人的工作和知识空白：实事求是地交代前人已做过的工作或是前人并未涉足的问题，前人工作中有什么不足并简述其原因。(d)研究方法：指研究采用的实验方法或实验途径。前言中只提及方法的名称即可，无须展开细述。(e)预想结果和意义：扼要提出本文将要解决什么问题以及解决这些问题有什么重要意义。前言贵在言简意明，条理清晰，不与摘要雷同。比较短的论文只要一小段文字作简要说明，则不用“引言”或“前言”两字。(6)正文部分这是论文的核心部分。这一部分的形式主要根据作者意图和文章内容决定，不可能也不应该规定一个统一的形式，下面只介绍以实验为研究手段的论文或技术报告，包括以下几部分：(a)实验原材料及其制备方法。(b)实验所用设备、装置和仪器等。(c)实验方法和过程，说明实验所采用的是什么方法，实验过程是如何进行的，操作上应注意什么问题。要突出重点，只写关键性步骤。如果是采用前人或他人的方法，只写出方法的名称即可；如果是自己设计的新方法，则应写得详细些。在此详细说明本文的研究工作过程，包括理论分析和实验过程，可根据论文内容分成若干个标题来叙述其演变过程或分析结论的过程，每个标题的中心内容也是本文的主要结果之一。或者说整个文章有一个中心论点，每个标题是它的分论点，它是从不同角度、不同层次支持、证明中心论点的一些观点，他们又可以看作是中心论点的论据。（7）实验结果与分析讨论这部分内容是论文的重点，是结论赖以产生的基础。需对数据处理的实验结果进一步加以整理，从中选出最能反映事物本质的数据或现象，并将其制成便于分析讨论的图或表。分析是指从理论（机理）上对实验所得的结果加以解释，阐明自己的新发现或新见解。写这部分时应注意以下几个问题：（a）选取数据时，必须严肃认真，实事求是。选取数据要从必要性和充分性两方面去考虑，决不可随意取舍，更不能伪造数据。对于异常的数据，不要轻易删掉，要反复验证,查明是因工作差错造成的，还是事情本来就如此，还是意外现象。（b）对图和表，要精心设计、制作，图要能直观地表达变量间的相互关系；表要易于显示数据的变化规律及各参数的相关性。（c）分析问题时，必须以事实为基础，以理论为依据。总之，在结果与分析中既要包含所取得的结果，还要说明结果的可信度、再现性、误差，以及与理论或分析结果的比较、经验公式的建立、尚存在的问题等等。（8）结论（结束语）结论是论文在理论分析和计算结果（实验结果）中分析和归纳出的观点，它是以结果和讨论（或实验验证）为前提，经过严密的逻辑推理做出的最后判断，是整个研究过程的结晶，是全篇论文的精髓。据此可以看出研究成果的水平。（9）致谢致谢的作用主要是为了表示尊重所有合作者的劳动。致谢对象包括除作者以外所有对研究工作和论文写作有贡献、有帮助的人，如：指导过论文的专家、教授；帮助搜集和整理过资料者；对研究工作和论文写作提过建议者等。（10）参考文献参考文献反映作者的科学态度和研究工作的依据，也反映作者对文献掌握的广度和深度，可提示读者查阅原始文献，同时也表示作者对他人成果的尊重。一般来说，前言部分所列的文献都应与主题有关；在方法部分，常需引用一定的文献与之比较；在讨论部分，要将自己的结果与同行的有关研究进行比较，这种比较都要以别人的原始出版物为基础。对引用的文献按其在论文中出现的顺序，用阿拉伯数字连续编码，并顺序排列。被引用的文献为期刊论文的单篇文献时，著录格式为：“顺序号作者.题名J.刊名，出版年，卷号（期号），引文所在的起止页码”，例如1。被引用的文献为图书、科技报告等整本文献时，著录格式为：“顺序号作者.文献书名M.版本（第一版本不标注）.出版地址：出版者，出版年”,例如21刘晓华，李淞平.螺旋线圈强化管内单相流体传热的研究J.石油化工高等学校学报，2001,141.1.1 ,57-59.2赵汝溥，管国锋.化工原理M.北京：化学工业出版社，1999.7190-191(11)附录附录是在论文末尾作为正文主体的补充项目，并不是必需的。对于某些数量较大的重要原始数据、篇幅过大不便于作正文的材料、对专业同行有参考价值的资料等可作为附录,放在论文的最后(参考文献之后)。(12)外文摘要对于正式发表的论文，有些刊物要求要有外文摘要。通常是将中文标题(Topic).作者(Author)x摘要(Abstract)及关键词(KeyWords)译为英文。排放位置因刊物而异。用论文形式撰写化工原理实验的实验报告，可极大地提高学生写作能力、综合应用知识能力和科研能力。可为学生今后撰写毕业论文和工作后撰写学术论文打卜坚实的基础，是一种综合素质和能力培养的重要手段，应提倡这种形式的实验报告。但无论何种形式的实验报告，均应体现出它的学术性、科学性、理论性、规范性、创造性和探索性。论文和参考文献的格式，具体可参考国家标准：GB7713-87科学技术报告、学位论文和学术论文的编写格式和GB7714-87文后参考文献著录规则。第1章化工原理实验的研究方法工程实验不同于基础课程的实验，后者采用的方法是理论的、严密的，研究的对象通常是简单的、基本的甚至是理想的，而工程实验面对的是复杂的实验问题和工程问题，对象不同，实验研究方法必然不一样，工程实验的困难在于变量多，涉及的物料千变万化，设备大小悬殊，困难可想而知。化学工程学科，如同其它工程学科一样，除了生产经验总结以外，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、因次分析法和数学模型法三种。1.1 直接实验法这是一种解决工程实际问题的最基本的方法，对特定的工程问题直接进行实验测定，所得到的结果也较为可靠，但它往往只能用到条件相同的情况，具有较大的局限性。例如过滤某种物料，已知滤浆的浓度，在某恒压条件下，直接进行过滤实验，测定过滤时间和所得滤液量，根据过滤时间和所得滤液量两者之间的关系，可以作出该物料在某一压力卜的过滤曲线。如果滤浆浓度改变或过滤压力改变，所得过滤曲线也都将不同。对个多变量影响的工程问题，为研究过程的规律，往往采用网格法规划实验，即依次固定其它变量，改变某一变量测定目标值。比如影响流体阻力的主要因素有：管径d、管长1、平均流速u、流体密度P、流体粘度U、及管壁粗糙度e ,变量数为6,如果每个变量改变条件次数为10次，则需要做IO,次实验，不难看出变量数是出现在幕上，涉及变量越多，所需实验次数将会剧增，因此实验需要在一定的理论指导下进行，以减少工作量，并使得到的结果具有一定的普遍性。因次分析法是化工原理广泛使用的一种研究方法。1.2 因次分析法因次分析法所依据的基本理论是因次一致性原则和白金汉(Buckingham)的贝定理。因次一致性原则是：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。白金汉的n定理是：用因次分析所得到的独立的因次数群个数，等于变量数与基本因次数之差。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算图或准数关系式，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。使用因次分析法时应明确因次与单位是不同的，因次又称量纲，是指物理量的种类，而单位是比较同一种类物理量大小所采用的标准，比如：力可以用牛顿、公斤、磅来表示,但单位的种类同属质量类。因次有两类：一类是基本因次，它们是彼此独立的，不能相互导出；另一类是导出因次，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。卜质量M,其它力学的物理量的因次都可以由这三个因次导出并可写成塞指数乘积的形式。现设某个物理量的导出因次为Q：式中a、b、c为常数。如果基本因次的指数均为零，这个物理量称为无因次数(或无因次数群)，如反映流体流动状态的雷诺数就是无因次数群。1.1.2 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的基本因次；(3)构造因变量和自变量的函数式，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，并出各独立变量的因次式;(5)依据物理方程的因次一致性原则和n定理得到准数方程；(6)通过实验归纳总结准数方程的具体函数式。1.1.3 因次分析法举例说明以获得流体在管内流动的阻力和摩擦系数入的关系式为例。根据摩擦阻力的性质和有关实验研究,得知由于流体内摩擦而出现的压力降 P与6个因素有关，写成函数关系式为：=(1-1)这个隐函数是什么形式并不知道，但从数学上讲，任何非周期性函数，用募函数的形式逼近是可取的，所以化工上一般将其改为下列金函数的形式：P = Kdalhuc pd pesf(1-2)尽管上式中各物理量上的幕指数是未知的，但根据因次致性原则可知，方程式等号右侧的因次必须与AP的因次相同；那么组合成几个无因次数群才能满足要求呢？由式(1-1)分析，变量数=7(包括AP),表示这些物理量的基本因次相=3(质量M、长度L、时间©),因此根据白金汉的“定理可知,组成的无因次数群的数目为 N=-加=4 o 通过因次分析，将变量无因次化。式(1-2)中各物理量的因次分别是：AP =ML-I6>2d = l=Lu=L0-'p =ML3ju =Mr'0'' s =L将各物理量的因次代入式(1-2),则两端因次为：ML-'0-2= KLa (L0l)c (Mr3)d (ML7'0'')e Lf根据因次一致性原则，上式等号两边各基本量的因次的指数必然相等，可得方程组：对基本因次Md + e =对基本因次La+b + c-?>d-e-f =-对基本因次即-c-e =-2此方程组包括3个方程，却有6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 =-h-c +3d + e - f - d =-ec =2-e将求得的a、d、c代入方程(2)式，即得：AP = Kd-if lbu2e p'-yeEf将指数相同的各物理量归并在一起得： d = -e c = 2-e(1-3)(1-4)(1-5)(1-6)(1-7)(1-8)将此式与计算流体在管内摩擦阻力的公式相比较，整理得到研究摩擦系数人的关系式，即或人仍号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的管内流体阻力的计算问题，简化为摩擦系数人的研究和确定。它是建立在正确判断过程影响因素的基础上，进行了逻辑加工而归纳出的数群。上面的例子只能告诉我们：人是Re与的函数，至于它们之间的具体形式，归根到底还得靠实验来实现。通过实验变成种算图或经验公式用以指导工程计算和工程设计。著名的莫狄(Moody)摩擦系数图即“摩擦系数A与Re、£/d 的关系曲线”就是这种实验的结果。许多实验研究了各种具体条件下的摩擦系数人的计算公式，其中较著名的，如适用于光滑管的柏拉修斯(Blasius)公式：0.3164Re小其它研究结果可以参看有关教科书及手册。因次分析法有二点值得注意：(1)最终所得数群的形式与求解联立方程组的方法有关。在前例中如果不以b、e、f 来表示a、d、c而改为以d、e、f表示a、b、c,整理得到的数群形式也就不同。不过，这些形式不同的数群可以通过互相乘除，仍然可以变换成前例中所求得的四个数群。（2）必须对所研究的过程的问题有本质的了解，如果有一个重要的变量被遗漏或者引进一个无关的变量，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的态度。从以上分析可知：因次分析法是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，此外另一个极为重要的特性是，若按式（1-1）进行实验时，为改变°和，实验中必须换多种液体；为改变”，必须改变实验装置（管径）。而应用因次分析所得的式（1-5）指导实验时，要改变八0/只需改变流速；要改变d,只需改变测量段的距离，即两测压点的距离。从而可以将水、空气等的实验结果推广应用于其他流体，将小尺寸模型的实验结果应用于大型实验装置。因此实验前的无因次化工作是规划一个实验的一种有效手段，在化工上广为应用。1 .3数学模型法1.1.1 数学模型法主要步骤数学模型法是在对研究的问题有充分认识的基础上，按以下主要步骤进行工作：（1）将复杂问题作合理又不过于失真的简化，提出一个近似实际过程又易于用数学方程式描述的物理模型；（2）对所得到的物理模型进行数学描述即建立数学模型，然后确定该方程的初始条件和边界条件，求解方程。（3）通过实验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数。1.1.2 数学模型法举例说明以求取流体通过固定床的压降为例。固定床中颗粒间的空隙形成许多可供流体通过的细小通道，这些通道是曲折而且互相交联的，同时:这些通道的截面大小和形状又是很不规则的，流体通过如此复杂的通道时的压降自然很难进行理论计算，但我们可以用数学模型法来解决2 .物理模型流体通过颗粒层的流动多呈爬流状态，单位体积床层所具有的表面积对流动阻力有决定性的作用。这样，为解决压降问题，可在保证单位体积表面积相等的前提下，将颗粒层内的实际流动过程作如下大幅度的简化，使之可以用数学方程式加以描述：将床层中的不规则通道简化成长度为Le的一组平行细管，并规定：（1）细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面；（2）细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积。根据上述假定，可求得这些虚拟细管的当量直径心,4x通道的截面积""润湿周边（1-9）分子、分母同乘4，则有,4x床层的流动空间（IO,“=细管的全部内表面“以In?床层体积为基准，则床层的流动空间为£,每n?床层的颗粒表面即为床层的比表面a8,因此，c aB a (1-e)按此简化的物理模型，流体通过固定床的压降即可等同于流体通过一组当量直径为乙，长度为人的细管的压降。3 .数学模型上述简化的物理模型，已将流体通过具有复杂的几何边界的床层的压降简化为通过均匀圆管的压降。对此，可用现有的理论作了如下数学描述：(1-12)式中与为流体在细管内的流速。与可取为实际填充床中颗粒空隙间的流速，它与空床流速(表观流速)的关系为：(M3)U =6M将式(1-11).(1-13)代入式(1-12)得AP/)(Sa8Lpu?(1-14)细管长度%与实际长度L不等，但可以认为乙与实际床层高度L成正比，即生=常数，并将其并入摩擦系数中，于是L式中L /A.=8 Lpu(1-15)上式即为流体通过固定床压降的数学模型，其中包括个未知的待定系数万。2称为模型参数，就其物理意义而言，也可称为固定床的流动摩擦系数。4 .模型的检验和模型参数的估值上述床层的简化处理只是一种假定，其有效性必须经过实验检验，其中的模型参数£亦必须由实验测定。康采尼和欧根等均对此进行了实验研究，获得了不同实验条件下不同范围的力与Re'的关联式。由于篇幅所限，详细内容请参考有关书籍。1.3.3数学模型法和因次分析法的比较对于数学模型法，决定成败的关键是对复杂过程的合理简化，即能否得到个足够简单即可用数学方程式表示而又不失真的物理模型。只有充分地认识了过程的特殊性并根据特定的研究目的加以利用，才有可能对真实的复杂过程进行大幅度的合理简化，同时在指定的某一侧面保持等效。上述例子进行简化时，只在压降方面与实际过程这一侧面保持等效。对于因次分析法，决定成败的关键在于能否如数地列出影响过程的主要因素。它无须对过程本身的规律有深入理解，只要做若干析因分析实验，考察每个变量对实验结果的影响程度即可。在因次分析法指导下的实验研究只能得到过程的外部联系，而对过程的内部规律则不甚了然。然而，这正是因次分析法的一大特点，它使因次分析法成为对各种研究对象原则上皆适用的一般方