正交實(shí)驗(yàn)法在化工原理仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

王克良，李 靜，李 琳，繆應(yīng)菊

(六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

化工原理實(shí)驗(yàn)開設(shè)的目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，目前國(guó)內(nèi)很多高校都采用了仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)體實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的模式[1-3]。化工原理實(shí)驗(yàn)是連接化工原理理論知識(shí)和處理工程問題的橋梁，涉及到多種單元過程和設(shè)備[4]。對(duì)于化工實(shí)驗(yàn)過程中影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的條件很多情況下都是多方面的，如溫度、壓力、流量和濃度等。因此，采用科學(xué)的方法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分析各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，進(jìn)而減少實(shí)驗(yàn)工作量，又能減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間[5-6]。

正交實(shí)驗(yàn)[7]是綜合考慮了多種操作條件對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)變量影響效果的方法，不同于單因素變量法。通過選擇合適的正交實(shí)驗(yàn)表，將不同的因素以及對(duì)應(yīng)的不同水平條件考慮進(jìn)去，以最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，找到對(duì)目標(biāo)變量的影響規(guī)律，最終確定最佳操作條件組合。

本文以我?；ぴ矸抡鎸?shí)驗(yàn)中的恒壓過濾測(cè)定實(shí)驗(yàn)為例，探討了正交實(shí)驗(yàn)法的應(yīng)用。學(xué)生依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，能夠很清晰的分析和理解各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

1 恒壓過濾測(cè)定實(shí)驗(yàn)

圖1 恒壓過濾測(cè)定實(shí)驗(yàn)仿真界面

為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约疤幚怼⒎治鰯?shù)據(jù)的能力，我校在化工原理仿真實(shí)驗(yàn)中的恒壓過濾測(cè)定實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了正交實(shí)驗(yàn)法，通過正交表的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生們能夠?qū)φ麄€(gè)實(shí)驗(yàn)過程中涉及到的參數(shù)有清晰的認(rèn)識(shí)。

在恒壓過濾測(cè)定實(shí)驗(yàn)中，首先學(xué)生應(yīng)明確過濾是利用多孔介質(zhì)(過濾介質(zhì))進(jìn)行的液-固相(懸浮液)的一種分離過程，最終得到濾渣和濾液。過濾介質(zhì)一般多采用孔隙適中的濾布或金屬絲網(wǎng)。隨著過濾的進(jìn)行，濾渣厚度逐漸增加，過濾的阻力會(huì)越來越大，進(jìn)而過濾速率也會(huì)越來越低[8]。如圖1所示，為恒壓過濾測(cè)定實(shí)驗(yàn)的仿真界面。通過真空泵和閥門V103的開度來控制體系的壓強(qiáng)差。

2 正交實(shí)驗(yàn)步驟

采用正交實(shí)驗(yàn)的基本步驟如下[9]：

(1)依據(jù)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，確定目標(biāo)變量；

(2)分析實(shí)驗(yàn)，找出影響目標(biāo)變量的幾個(gè)因素；

(3)確定不同因素的幾個(gè)水平條件；

(4)選用合理的正交表；

(5)表頭設(shè)計(jì)；

(6)制定實(shí)驗(yàn)安排表；

(7)分析正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

通過講解整個(gè)過濾測(cè)定過程，讓學(xué)生明確影響過濾速率的四個(gè)操作條件，分別是壓強(qiáng)差、溫度、濾漿濃度、過濾介質(zhì)。受實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們考慮壓強(qiáng)差和濾漿濃度為四水平，過濾溫度和過濾介質(zhì)為兩水平，具體列于表1中。

表1 水平/因素表

3 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)定

按照表1對(duì)應(yīng)的因素和水平，我們?cè)O(shè)計(jì)了采用混合水平正交實(shí)驗(yàn)表L16(42×24)，總共需要做16組實(shí)驗(yàn)，按照恒壓過濾方程關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的過濾常數(shù)K的結(jié)果列于表2中。

表2 L16(42×24)正交實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果

4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到的結(jié)果列于表3中。由表3正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于過濾常數(shù)K，極差結(jié)果為：B>A>C>D，即對(duì)過濾常數(shù)K影響最大的因素是濾漿濃度，其次是壓強(qiáng)差，影響最小的是過濾介質(zhì)。最優(yōu)的條件組合為A3B3C1D2。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表3(續(xù))

5 結(jié)論

通過此次恒壓過濾測(cè)定實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練，學(xué)生們可以清楚地了解到正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法如何應(yīng)用，對(duì)于實(shí)驗(yàn)過程中涉及的因素對(duì)于結(jié)果的影響程度大小有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，通過合理設(shè)計(jì)正交表，可以找到最佳水平的組合。將正交實(shí)驗(yàn)法應(yīng)用于課程實(shí)驗(yàn)中，可以有效提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，以及?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的能力。