正交实验法在化工原理仿真实验中的应用

王克良，李 静，李 琳，缪应菊

(六盘水师范学院 化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004)

化工原理实验开设的目的是为了培养学生的实践能力，目前国内很多高校都采用了仿真实验和实体实验相结合的模式[1-3]。化工原理实验是连接化工原理理论知识和处理工程问题的桥梁，涉及到多种单元过程和设备[4]。对于化工实验过程中影响实验结果的条件很多情况下都是多方面的，如温度、压力、流量和浓度等。因此，采用科学的方法设计实验，分析各个因素对实验结果的影响，进而减少实验工作量，又能减少实验时间[5-6]。

正交实验[7]是综合考虑了多种操作条件对实验目标变量影响效果的方法，不同于单因素变量法。通过选择合适的正交实验表，将不同的因素以及对应的不同水平条件考虑进去，以最少的实验次数，找到对目标变量的影响规律，最终确定最佳操作条件组合。

本文以我校化工原理仿真实验中的恒压过滤测定实验为例，探讨了正交实验法的应用。学生依据正交实验的结果，能够很清晰的分析和理解各个因素对实验结果的影响程度。

1 恒压过滤测定实验

图1 恒压过滤测定实验仿真界面

为了培养学生的综合实验能力以及处理、分析数据的能力，我校在化工原理仿真实验中的恒压过滤测定实验中设置了正交实验法，通过正交表的设计，让学生们能够对整个实验过程中涉及到的参数有清晰的认识。

在恒压过滤测定实验中，首先学生应明确过滤是利用多孔介质(过滤介质)进行的液-固相(悬浮液)的一种分离过程，最终得到滤渣和滤液。过滤介质一般多采用孔隙适中的滤布或金属丝网。随着过滤的进行，滤渣厚度逐渐增加，过滤的阻力会越来越大，进而过滤速率也会越来越低[8]。如图1所示，为恒压过滤测定实验的仿真界面。通过真空泵和阀门V103的开度来控制体系的压强差。

2 正交实验步骤

采用正交实验的基本步骤如下[9]：

(1)依据实验性质，确定目标变量；

(2)分析实验，找出影响目标变量的几个因素；

(3)确定不同因素的几个水平条件；

(4)选用合理的正交表；

(5)表头设计；

(6)制定实验安排表；

(7)分析正交实验结果。

通过讲解整个过滤测定过程，让学生明确影响过滤速率的四个操作条件，分别是压强差、温度、滤浆浓度、过滤介质。受实验条件的限制，我们考虑压强差和滤浆浓度为四水平，过滤温度和过滤介质为两水平，具体列于表1中。

表1 水平/因素表

3 正交实验数据测定

按照表1对应的因素和水平，我们设计了采用混合水平正交实验表L16(42×24)，总共需要做16组实验，按照恒压过滤方程关联实验数据，得到的过滤常数K的结果列于表2中。

表2 L16(42×24)正交实验条件和结果

4 正交实验结果分析

按照表2的实验数据进行数据处理，得到的结果列于表3中。由表3正交实验结果可以看出，对于过滤常数K，极差结果为：B>A>C>D，即对过滤常数K影响最大的因素是滤浆浓度，其次是压强差，影响最小的是过滤介质。最优的条件组合为A3B3C1D2。

表3 正交实验结果分析

表3(续)

5 结论

通过此次恒压过滤测定实验的训练，学生们可以清楚地了解到正交实验设计法如何应用，对于实验过程中涉及的因素对于结果的影响程度大小有一个清晰的认识，通过合理设计正交表，可以找到最佳水平的组合。将正交实验法应用于课程实验中，可以有效提高学生的实验能力，以及实验数据分析的能力。