自制恒壓過濾參數測定實驗多功能設備的實踐

宋 莎, 黎亞明, 王艷力, 王 君

(哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

自制恒壓過濾參數測定實驗多功能設備的實踐

宋 莎, 黎亞明, 王艷力, 王 君

(哈爾濱工程大學 材料科學與化學工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

介紹了恒壓過濾參數測定實驗的自制多功能設備的工作原理和設計流程,著重闡述了自制裝置的組建過程和原有設備的結構區別,同時,結合其在恒壓過濾參數測定實驗教學中的具體應用,進一步展示了自制多功能設備的可行性和優越性。

自制多功能設備; 恒壓過濾； 參數測定; 實驗教學

化工原理實驗設備是實現實驗教學的物質基礎和必要條件,在一定程度上反映學校的教學質量、科研水平、管理水平,也是學校綜合實力的標志之一[1]?；ぴ韺嶒灥难b置一般比較貴,對大部分院校來說,實驗裝置數和實驗個數都不是太多。不少院校對現有的設備進行日常維護和正常地完成實驗教學工作,在經費上已顯得捉襟見肘。目前,教育部在關于開展“十二五”高等學校實驗教學示范中心建設工作的通知(2012第33號)[2]中明確提出實驗室建設要突出“實驗室資源整合、教學科研結合、校企聯合”的“三合”特色。面對實驗設備價格高,而教學與科研又在不斷發展的情況,自制部分實驗設備不能不說是一條經濟實惠的好辦法[3-6]。

恒壓過濾參數測定實驗是化工原理實驗的必修實驗項目之一,大多數理工科院校及實驗教材中均選用小型工業的板框式過濾裝置。在多年實驗教學的過程中發現,此裝置占地面積大,學生在拆卸板框過濾機時容易出現夾手現象,而且實驗和洗滌流程共用一套管路,需要用多個閥門進行切換,操作工藝復雜,在一定程度上挫傷了學生實驗的積極性。

我院化學實驗教學中心針對恒壓過濾參數測定實驗裝置進行重新設計,并對拓展該設備的多功能性進行探討、優化,進而實現在同一臺設備上進行恒壓過濾參數測定、真空干燥、真空抽濾3個化工實驗的裝置自制,從而解決因經費不足或實驗室面積有限,或因實驗設備滿足不了實驗要求,或已有的化工原理實驗設備利用率太低等原因[7]致使化工原理實驗的教學質量無法保證的問題。

1 “恒壓過濾參數的測定”實驗原理及設備流程

過濾是以某種多孔物質為介質,使懸浮液中的固、液兩相得到分離的操作。過濾操作是利用人為造成的壓力差來使懸浮液通過多孔性過濾介質,懸浮液中的固體顆粒截留,濾液則穿過介質流出[8-9]。

過濾操作分為恒壓過濾和恒速過濾,這在過濾過程中,由于固體顆粒不斷被截留在介質表面上。濾餅厚度增加,液體流過固體顆粒之間的孔道時流體阻力增大，故在恒壓過濾時,過濾速率逐漸下降。如果想保持過濾速率不變,就必須不斷增加濾餅兩側的壓力差。前者過濾壓力不變,稱為恒壓過濾;后者過濾速率不變,稱為恒速過濾。一般來說,影響過濾的因素有壓強差、濾餅厚度還有濾餅的性質、懸浮液的溫度、過濾介質的阻力等。

原恒壓過濾參數的測定實驗流程見圖1,實物裝置見圖2所示。

圖1 原恒壓過濾實驗流程示意圖

圖2 原恒壓過濾實驗裝置圖

圖3和圖4分別為我中心自制的恒壓過濾實驗流程示意圖和裝置實物圖,本流程以真空泵提供動力源,選用漏斗式真空吸濾器進行過濾,控制簡單,清洗也較原有的設備容易。進行恒壓過濾實驗時,閥門4是關閉狀態,與真空抽濾器和干燥系統不發生影響;平時,此設備還可以供其他學生進行真空抽濾或真空干燥等化工類學生操作頻率較高的藥品前后期處理工作。設備下方箱體內,放置真空泵和干燥箱等設備,臺面整潔，且節省了占地面積。

圖3 自制設備的恒壓過濾實驗流程示意圖

圖4 自制恒壓過濾實驗裝置圖

2 實驗步驟

2.1 原恒壓過濾參數的測定實驗的操作步驟

原實驗流程示意見圖1。

(1) 在濾液槽中配成2%～4%的碳酸鈣濾液,啟動電動攪拌器,將濾液槽內漿液攪拌均勻。

(2) 排好板框過濾器的板和框的位置和順序,裝好濾布,壓緊板框待用。排列順序為:固定頭→非洗滌板→框→洗滌板→框→非洗滌板→可動頭。

(3) 使閥門3處于全開、閥門4、6、11處于全關狀態,啟動旋渦泵,調節閥門3使壓力表5達到規定值。

(4) 待壓力表5穩定后,打開過濾入口閥6過濾開始。連續記錄濾液量和相應的過濾時間,停止計時后立即關閉入口閥6。

(5) 打開閥門3使壓力表5指示值下降;開啟壓緊裝置卸下過濾框內的濾餅，并放回濾液槽內,將濾布清洗干凈;放出計量桶內的濾液，并倒回槽內,以保證濾漿濃度恒定。

(6) 改變壓力,從步驟2開始重復上述實驗(在0.02、0.04、0.05、0.05 MPa下進行4次實驗)。

(7) 每組實驗結束后應用洗水管路對濾餅進行洗滌,測定洗滌時間和洗水量。

(8) 實驗結束時,閥門11接上自來水、閥門4接通下水,關閉閥門3,對泵及濾漿進出口管進行沖洗。

2.2 自制設備的恒壓過濾實驗的操作步驟

(1) 濾漿槽中配置碳酸鈣質量分數為10%的濾漿,啟動攪拌器,攪拌均勻。

(2) 關閉過濾入口閥AF2和排液閥門AF3,啟動真空泵,用AF1 調節真空度。

(3) 待真空表5穩定以后,打開AF2開始過濾,連續記錄濾液量和相應的過濾時間,停止計時后立刻關閉AF2。

(4) 關閉AF1,使真空表讀數降為0,用刷子將吸濾器上的濾餅刷回槽內,然后打開AF3,放出清液,將其倒回濾漿槽內,以保證濾漿濃度恒定。

(5) 改變壓力從步驟4開始重復上述實驗(在0.02、0.04、0.05、0.05 MPa下進行4次實驗);

(6) 實驗結束后,關閉真空泵和攪拌器電源,移出濾液槽，吸濾器用清水清洗。

對比兩套裝置的操作步驟可以看出,自制的實驗設備中以吸濾器(漏斗式真空吸濾器)代替了板框式過濾器,從而大大節省了拆裝、準備的時間,同時采用可拆卸的濾液槽,省去了對管道切換、清洗的工序。

3 自制設備在實驗教學中的實踐和成效

3.1 教學實例分析

圖5是在自制設備上得到的壓力為0.04、0.06 MPa 下的恒壓過濾曲線及其趨勢線(圖中q為流量)。與原有設備上獲得的該實驗結果相比較,自制設備得到的實驗結果與其基本一致,回歸準確率好。同一壓力下,平均每組學生實驗的完成時間由原來的37 min縮短到10 min左右,事故率降為0,學生反饋意見中普遍對自制的實驗設備給予肯定。原有的板框式過濾裝置作為輔助設備,授課時針對板框過濾機的結構對學生作為興趣拓展介紹,既保證了教學效果,又豐富了教學內容。采用自制設備進行恒壓過濾參數測定實驗是成功的,其數據結果是準確可靠的,完全能夠滿足本科實驗教學的要求。

圖5 恒壓過濾曲線及其趨勢線

3.2 成效

經近2年的實驗教學實踐證明,自制設備運行正常,圓滿完成了教學任務。通過對實驗設備的重構,既實現了在同一臺設備上進行恒壓過濾參數測定、真空干燥、真空抽濾3個化工實驗，體現了裝置多功能性,又簡化了恒壓過濾參數測定實驗的操作步驟,提高了操作安全性,避免了學生夾手的情況發生,增強了可視性,便于學生理解,從而極大調動了學生動手操作的興趣,保證了實驗的教學質量。在設備日常維護方面,形成恒壓過濾參數測定裝置自行設計、自行制造、自行保養、自行檢修的“一條龍”模式,既降低了設備購買及檢修的實驗經費,又節省了等待廠家派專門的技術人員上門服務的時間。此外,通過此臺設備的自制,成功申報了校級教改立項2項,申請國家專利1項[10],組織學生進行科技創新項目3項,進一步促進了我中心實驗教師和技術人員教學改革能力及自身業務水平的提高。

4 結束語

通過設計、安裝、調試等過程成功組建了恒壓過濾參數測定實驗的多功能設備。在實驗教學實踐中，該裝置不但完全能夠滿足實驗教學需要,而且具有操作拆卸方便、設備利用率高以及節省空間等優點。在實驗教學中的實踐證明,自制實驗設備鍛煉了實驗教師隊伍,推動了實驗教學內容改革[11],同時使學生對實驗內容有了更深入的理解和掌握,激發了學生學習的積極性和主動性,提高了理工科學生的動手能力和工程意識[12]。

References)

[1] 張利,李強.高等農業院?？萍紕撔缕脚_科學管理對策[J].農業科技管理,2009,28(5):48-50.

[2] 中華人民共和國教育部,財政部.關于開展“十二五”高等學校實驗教學示范中心建設工作的通知[EB/OL].[2014-10-09].http://www.moe.edu.cn/publicfil-es/business/htmlfiles/moe/A08_sjhj/201203/133068.html.

[3] 蒙艷玫、秦鋼年,盧福寧,等.構建新的實驗教學體系 創建機械工程實驗教學示范中心[J] .實驗室研究與探索,2009,28(8):23- 28.

[4] 潘正官,謝佑國.自行研制實驗設備創建高水平示范性實驗室[J] .實驗室研究與探索,2006,25(9):1152-1153.

[5] 胡芳,趙亮方.高校自制實驗教學設備的體會[J].中國現代教育裝備,2011(15):42-43.

[6] 廖慶敏,秦鋼年,蒙艷玫.把自制設備作為實驗教學示范中心的特色來建設[J].實驗技術與管理，2010,27(7):121-123.

[7] 胡曉萍,王宛蘋,宋開新.高校教學實驗儀器設備利用率問題的研究[J].高校實驗室工作研究,2012(1):74-75.

[8] 衛靜莉.化工原理實驗[M].北京:國防工業出版社,2003.

[9] 史賢林.化工原理實驗[M].上海:華東理工大學出版社,2005.

[10] 黎亞明,宋莎,王君,等.一種真空控制裝置:中國,CN103901906A[P].2014-07-02.

[11] 魯夢陽,沈佐湘.利用自身優勢自制實驗設備的探索[J].實驗技術與管理,2003,20(6):103-105.

[12]周童,曲占慶.走自制設備之路 提高師生實驗創新能力[J].實驗室研究與探索,2010,29(2):168-169.

Practice of self-made and multi-purpose equipment based on “Measurement of Constant Pressure Filtration Parameter” experiment

Song Sha, Li Yaming, Wang Yanli, Wang Jun

(College of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

The process of designing and the operating principle of a self-made and multi-purpose equipment based on “Measurement of Constant Pressure Filtration Parameter” are introduced,and the process of construction and the structural difference between self-made equipment and old equipment are elaborated on in details.According to the practice in “Measurement of Constant Pressure Filtration Parameter” experimental teaching,the feasibility and the superiority of the self-made and multi-purpose equipment are showed.

self-made and multi-purpose equipment; Constant Pressure Filtration； Measurement of Parameter experiment;experimental teaching

2014- 10- 16 修改日期：2014- 12- 12

哈爾濱工程大學2014年實驗教學改革與實驗技術研究項目(SYJG20141003)；哈爾濱工程大學2014年校級本科教育教學改革研究項目 (JG2014BYB35)

宋莎(1982—),女,遼寧錦州,碩士,講師,主要從事化工實驗教學及化工工藝流程模擬方面的工作.

E-mail：songsha2001@163.com

TQ016.5

B

1002-4956(2015)6- 0094- 03