宋 莎, 黎亚明, 王艳力, 王 君

(哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

自制恒压过滤参数测定实验多功能设备的实践

宋 莎, 黎亚明, 王艳力, 王 君

(哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

介绍了恒压过滤参数测定实验的自制多功能设备的工作原理和设计流程,着重阐述了自制装置的组建过程和原有设备的结构区别,同时,结合其在恒压过滤参数测定实验教学中的具体应用,进一步展示了自制多功能设备的可行性和优越性。

自制多功能设备; 恒压过滤； 参数测定; 实验教学

化工原理实验设备是实现实验教学的物质基础和必要条件,在一定程度上反映学校的教学质量、科研水平、管理水平,也是学校综合实力的标志之一[1]。化工原理实验的装置一般比较贵,对大部分院校来说,实验装置数和实验个数都不是太多。不少院校对现有的设备进行日常维护和正常地完成实验教学工作,在经费上已显得捉襟见肘。目前,教育部在关于开展“十二五”高等学校实验教学示范中心建设工作的通知(2012第33号)[2]中明确提出实验室建设要突出“实验室资源整合、教学科研结合、校企联合”的“三合”特色。面对实验设备价格高,而教学与科研又在不断发展的情况,自制部分实验设备不能不说是一条经济实惠的好办法[3-6]。

恒压过滤参数测定实验是化工原理实验的必修实验项目之一,大多数理工科院校及实验教材中均选用小型工业的板框式过滤装置。在多年实验教学的过程中发现,此装置占地面积大,学生在拆卸板框过滤机时容易出现夹手现象,而且实验和洗涤流程共用一套管路,需要用多个阀门进行切换,操作工艺复杂,在一定程度上挫伤了学生实验的积极性。

我院化学实验教学中心针对恒压过滤参数测定实验装置进行重新设计,并对拓展该设备的多功能性进行探讨、优化,进而实现在同一台设备上进行恒压过滤参数测定、真空干燥、真空抽滤3个化工实验的装置自制,从而解决因经费不足或实验室面积有限,或因实验设备满足不了实验要求,或已有的化工原理实验设备利用率太低等原因[7]致使化工原理实验的教学质量无法保证的问题。

1 “恒压过滤参数的测定”实验原理及设备流程

过滤是以某种多孔物质为介质,使悬浮液中的固、液两相得到分离的操作。过滤操作是利用人为造成的压力差来使悬浮液通过多孔性过滤介质,悬浮液中的固体颗粒截留,滤液则穿过介质流出[8-9]。

过滤操作分为恒压过滤和恒速过滤,这在过滤过程中,由于固体颗粒不断被截留在介质表面上。滤饼厚度增加,液体流过固体颗粒之间的孔道时流体阻力增大，故在恒压过滤时,过滤速率逐渐下降。如果想保持过滤速率不变,就必须不断增加滤饼两侧的压力差。前者过滤压力不变,称为恒压过滤;后者过滤速率不变,称为恒速过滤。一般来说,影响过滤的因素有压强差、滤饼厚度还有滤饼的性质、悬浮液的温度、过滤介质的阻力等。

原恒压过滤参数的测定实验流程见图1,实物装置见图2所示。

图1 原恒压过滤实验流程示意图

图2 原恒压过滤实验装置图

图3和图4分别为我中心自制的恒压过滤实验流程示意图和装置实物图,本流程以真空泵提供动力源,选用漏斗式真空吸滤器进行过滤,控制简单,清洗也较原有的设备容易。进行恒压过滤实验时,阀门4是关闭状态,与真空抽滤器和干燥系统不发生影响;平时,此设备还可以供其他学生进行真空抽滤或真空干燥等化工类学生操作频率较高的药品前后期处理工作。设备下方箱体内,放置真空泵和干燥箱等设备,台面整洁，且节省了占地面积。

图3 自制设备的恒压过滤实验流程示意图

图4 自制恒压过滤实验装置图

2 实验步骤

2.1 原恒压过滤参数的测定实验的操作步骤

原实验流程示意见图1。

(1) 在滤液槽中配成2%～4%的碳酸钙滤液,启动电动搅拌器,将滤液槽内浆液搅拌均匀。

(2) 排好板框过滤器的板和框的位置和顺序,装好滤布,压紧板框待用。排列顺序为:固定头→非洗涤板→框→洗涤板→框→非洗涤板→可动头。

(3) 使阀门3处于全开、阀门4、6、11处于全关状态,启动旋涡泵,调节阀门3使压力表5达到规定值。

(4) 待压力表5稳定后,打开过滤入口阀6过滤开始。连续记录滤液量和相应的过滤时间,停止计时后立即关闭入口阀6。

(5) 打开阀门3使压力表5指示值下降;开启压紧装置卸下过滤框内的滤饼，并放回滤液槽内,将滤布清洗干净;放出计量桶内的滤液，并倒回槽内,以保证滤浆浓度恒定。

(6) 改变压力,从步骤2开始重复上述实验(在0.02、0.04、0.05、0.05 MPa下进行4次实验)。

(7) 每组实验结束后应用洗水管路对滤饼进行洗涤,测定洗涤时间和洗水量。

(8) 实验结束时,阀门11接上自来水、阀门4接通下水,关闭阀门3,对泵及滤浆进出口管进行冲洗。

2.2 自制设备的恒压过滤实验的操作步骤

(1) 滤浆槽中配置碳酸钙质量分数为10%的滤浆,启动搅拌器,搅拌均匀。

(2) 关闭过滤入口阀AF2和排液阀门AF3,启动真空泵,用AF1 调节真空度。

(3) 待真空表5稳定以后,打开AF2开始过滤,连续记录滤液量和相应的过滤时间,停止计时后立刻关闭AF2。

(4) 关闭AF1,使真空表读数降为0,用刷子将吸滤器上的滤饼刷回槽内,然后打开AF3,放出清液,将其倒回滤浆槽内,以保证滤浆浓度恒定。

(5) 改变压力从步骤4开始重复上述实验(在0.02、0.04、0.05、0.05 MPa下进行4次实验);

(6) 实验结束后,关闭真空泵和搅拌器电源,移出滤液槽，吸滤器用清水清洗。

对比两套装置的操作步骤可以看出,自制的实验设备中以吸滤器(漏斗式真空吸滤器)代替了板框式过滤器,从而大大节省了拆装、准备的时间,同时采用可拆卸的滤液槽,省去了对管道切换、清洗的工序。

3 自制设备在实验教学中的实践和成效

3.1 教学实例分析

图5是在自制设备上得到的压力为0.04、0.06 MPa 下的恒压过滤曲线及其趋势线(图中q为流量)。与原有设备上获得的该实验结果相比较,自制设备得到的实验结果与其基本一致,回归准确率好。同一压力下,平均每组学生实验的完成时间由原来的37 min缩短到10 min左右,事故率降为0,学生反馈意见中普遍对自制的实验设备给予肯定。原有的板框式过滤装置作为辅助设备,授课时针对板框过滤机的结构对学生作为兴趣拓展介绍,既保证了教学效果,又丰富了教学内容。采用自制设备进行恒压过滤参数测定实验是成功的,其数据结果是准确可靠的,完全能够满足本科实验教学的要求。

图5 恒压过滤曲线及其趋势线

3.2 成效

经近2年的实验教学实践证明,自制设备运行正常,圆满完成了教学任务。通过对实验设备的重构,既实现了在同一台设备上进行恒压过滤参数测定、真空干燥、真空抽滤3个化工实验，体现了装置多功能性,又简化了恒压过滤参数测定实验的操作步骤,提高了操作安全性,避免了学生夹手的情况发生,增强了可视性,便于学生理解,从而极大调动了学生动手操作的兴趣,保证了实验的教学质量。在设备日常维护方面,形成恒压过滤参数测定装置自行设计、自行制造、自行保养、自行检修的“一条龙”模式,既降低了设备购买及检修的实验经费,又节省了等待厂家派专门的技术人员上门服务的时间。此外,通过此台设备的自制,成功申报了校级教改立项2项,申请国家专利1项[10],组织学生进行科技创新项目3项,进一步促进了我中心实验教师和技术人员教学改革能力及自身业务水平的提高。

4 结束语

通过设计、安装、调试等过程成功组建了恒压过滤参数测定实验的多功能设备。在实验教学实践中，该装置不但完全能够满足实验教学需要,而且具有操作拆卸方便、设备利用率高以及节省空间等优点。在实验教学中的实践证明,自制实验设备锻炼了实验教师队伍,推动了实验教学内容改革[11],同时使学生对实验内容有了更深入的理解和掌握,激发了学生学习的积极性和主动性,提高了理工科学生的动手能力和工程意识[12]。

References)

[1] 张利,李强.高等农业院校科技创新平台科学管理对策[J].农业科技管理,2009,28(5):48-50.

[2] 中华人民共和国教育部,财政部.关于开展“十二五”高等学校实验教学示范中心建设工作的通知[EB/OL].[2014-10-09].http://www.moe.edu.cn/publicfil-es/business/htmlfiles/moe/A08_sjhj/201203/133068.html.

[3] 蒙艳玫、秦钢年,卢福宁,等.构建新的实验教学体系 创建机械工程实验教学示范中心[J] .实验室研究与探索,2009,28(8):23- 28.

[4] 潘正官,谢佑国.自行研制实验设备创建高水平示范性实验室[J] .实验室研究与探索,2006,25(9):1152-1153.

[5] 胡芳,赵亮方.高校自制实验教学设备的体会[J].中国现代教育装备,2011(15):42-43.

[6] 廖庆敏,秦钢年,蒙艳玫.把自制设备作为实验教学示范中心的特色来建设[J].实验技术与管理，2010,27(7):121-123.

[7] 胡晓萍,王宛苹,宋开新.高校教学实验仪器设备利用率问题的研究[J].高校实验室工作研究,2012(1):74-75.

[8] 卫静莉.化工原理实验[M].北京:国防工业出版社,2003.

[9] 史贤林.化工原理实验[M].上海:华东理工大学出版社,2005.

[10] 黎亚明,宋莎,王君,等.一种真空控制装置:中国,CN103901906A[P].2014-07-02.

[11] 鲁梦阳,沈佐湘.利用自身优势自制实验设备的探索[J].实验技术与管理,2003,20(6):103-105.

[12]周童,曲占庆.走自制设备之路 提高师生实验创新能力[J].实验室研究与探索,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

哈尔滨工程大学2014年实验教学改革与实验技术研究项目(SYJG20141003)；哈尔滨工程大学2014年校级本科教育教学改革研究项目 (JG2014BYB35)

宋莎(1982—),女,辽宁锦州,硕士,讲师,主要从事化工实验教学及化工工艺流程模拟方面的工作.

E-mail：songsha2001@163.com

TQ016.5

B

1002-4956(2015)6- 0094- 03