正交實驗法在化工原理仿真實驗中的應用

王克良，李 靜，李 琳，繆應菊

(六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004)

化工原理實驗開設的目的是為了培養學生的實踐能力，目前國內很多高校都采用了仿真實驗和實體實驗相結合的模式[1-3]。化工原理實驗是連接化工原理理論知識和處理工程問題的橋梁，涉及到多種單元過程和設備[4]。對于化工實驗過程中影響實驗結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，采用科學的方法設計實驗，分析各個因素對實驗結果的影響，進而減少實驗工作量，又能減少實驗時間[5-6]。

正交實驗[7]是綜合考慮了多種操作條件對實驗目標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驗表，將不同的因素以及對應的不同水平條件考慮進去，以最少的實驗次數，找到對目標變量的影響規律，最終確定最佳操作條件組合。

本文以我校化工原理仿真實驗中的恒壓過濾測定實驗為例，探討了正交實驗法的應用。學生依據正交實驗的結果，能夠很清晰的分析和理解各個因素對實驗結果的影響程度。

1 恒壓過濾測定實驗

圖1 恒壓過濾測定實驗仿真界面

為了培養學生的綜合實驗能力以及處理、分析數據的能力，我校在化工原理仿真實驗中的恒壓過濾測定實驗中設置了正交實驗法，通過正交表的設計，讓學生們能夠對整個實驗過程中涉及到的參數有清晰的認識。

在恒壓過濾測定實驗中，首先學生應明確過濾是利用多孔介質(過濾介質)進行的液-固相(懸浮液)的一種分離過程，最終得到濾渣和濾液。過濾介質一般多采用孔隙適中的濾布或金屬絲網。隨著過濾的進行，濾渣厚度逐漸增加，過濾的阻力會越來越大，進而過濾速率也會越來越低[8]。如圖1所示，為恒壓過濾測定實驗的仿真界面。通過真空泵和閥門V103的開度來控制體系的壓強差。

2 正交實驗步驟

采用正交實驗的基本步驟如下[9]：

(1)依據實驗性質，確定目標變量；

(2)分析實驗，找出影響目標變量的幾個因素；

(3)確定不同因素的幾個水平條件；

(4)選用合理的正交表；

(5)表頭設計；

(6)制定實驗安排表；

(7)分析正交實驗結果。

通過講解整個過濾測定過程，讓學生明確影響過濾速率的四個操作條件，分別是壓強差、溫度、濾漿濃度、過濾介質。受實驗條件的限制，我們考慮壓強差和濾漿濃度為四水平，過濾溫度和過濾介質為兩水平，具體列于表1中。

表1 水平/因素表

3 正交實驗數據測定

按照表1對應的因素和水平，我們設計了采用混合水平正交實驗表L16(42×24)，總共需要做16組實驗，按照恒壓過濾方程關聯實驗數據，得到的過濾常數K的結果列于表2中。

表2 L16(42×24)正交實驗條件和結果

4 正交實驗結果分析

按照表2的實驗數據進行數據處理，得到的結果列于表3中。由表3正交實驗結果可以看出，對于過濾常數K，極差結果為：B>A>C>D，即對過濾常數K影響最大的因素是濾漿濃度，其次是壓強差，影響最小的是過濾介質。最優的條件組合為A3B3C1D2。

表3 正交實驗結果分析

表3(續)

5 結論

通過此次恒壓過濾測定實驗的訓練，學生們可以清楚地了解到正交實驗設計法如何應用，對于實驗過程中涉及的因素對于結果的影響程度大小有一個清晰的認識，通過合理設計正交表，可以找到最佳水平的組合。將正交實驗法應用于課程實驗中，可以有效提高學生的實驗能力，以及實驗數據分析的能力。