Научный журнал
Международный журнал экспериментального образования

ISSN 2618–7159
ИФ РИНЦ = 0,431

ПОСТАНОВКА АКТИВНОГО И ИНТЕРАКТИВНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО КУРСУ «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ»

Рузанов С.Р. 1 Смирнов С.И. 1
1 ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Сформулированы задачи лабораторного практикума по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» и предложен вариант решения поставленных задач на примере лабораторной работы «Испытание лабораторного вакуум-фильтра». Выполнение лабораторной работы предполагает применение в изучении курса комплексного подхода с активной и интерактивной частью. Приводится схема лабораторной установки с указанием фиксируемых параметров. Представлены результаты выполнения студентами лабораторной работы по фильтрованию модельной суспензии и методика обработки опытных данных, в основу которой положена графическая и математическая обработка современными методами. Интерактивная часть работы предполагает изучение влияния широкого комплекса параметров, изменение которых затруднительно выполнить в лабораторных условиях. Предлагаемый в работе комплексный подход к выполнению лабораторного практикума способствует формированию у студентов инженерного мышления.
лабораторный практикум
фильтрование
константы фильтрования
интерактивный часть
1. Смирнов С.И., Рузанов С.Р. Особенности постановки лабораторного практикума по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6; URL: www.science-education.ru/120-16340 (дата обращения: 06.11.2015).
2. Гамбург К.С. Виртуальные стендовые лабораторные работы как инновационная форма контекстного обучения: дис.... канд. пед. наук: 13.00.01.  – М., 2006. – 186 с. РГБ ОД, 61:07-13/721.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.– М.: Химия, 2009. - 752 с.
4. Жужиков В.А. Фильтрование: Теория и практика разделения суспензий. – М.: Химия, 1980. – 400 с.
5. Малиновская и др. Разделение суспензий в химической промышленности. – М.: Химия, 1983. – 264 с.

Лабораторный практикум по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» [1] выполняется студентами с целью закрепления теоретических знаний, изучения современных методов экспериментального исследования гидромеханических, тепловых и массообменных процессов. При выполнении лабораторных работ студенты используют математические модели процессов, а также лабораторные установки, оснащенные датчиками для измерения различных параметров (температур, давлений, скорости, веса и т.д.). В лабораторных экспериментах определяются и исследуются кинетические закономерности изучаемых процессов. При моделировании исследуемых процессов и обработке результатов экспериментов применяются, как универсальные, так и специальные компьютерные программы [1].

Однако возможности традиционно используемых лабораторных установок ограничены, во-первых, временными рамками занятий, а во-вторых, не всегда позволяют изучать процессы с учетом всех влияющих факторов. Устранить этот недостаток позволяет использование в лабораторном практикуме информационных технологий – виртуальных лабораторных работ [2]. Причем виртуальный лабораторный практикум призван не заменить классический, а дополнить и расширить его за счет интерактивного обучения, а значит существенно повысить качество освоения дисциплины.

Рассмотрим сочетание активного и интерактивного (виртуального) лабораторного практикума на примере лабораторной работы «Испытание лабораторного вакуум-фильтра», которая знакомит студентов с одним из важнейших разделов гидромеханических процессов – «Разделение неоднородных систем методом фильтрования».

Схема лабораторной установки представлена на рис. 1.

ruz1.tiff

Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 – нутч-фильтр; 2 – царга; 3 – сборник фильтрата; 4 – распределитель жидкости; 5 – бачок для суспензии; 6 – вакуум-насос; 7 – брызгоуловитель; 8, 9, 10 – вентили; 11, 12 – краны; 13 – вакуумметр; 14 – водомерная линейка; 15 – термометр

Основными элементами установки являются: нутч-фильтр 1, включающий царгу 2, сборник фильтрата 3 и распределитель 4; бачок для суспензии с мешалкой – 5; вакуум-насос – 6; брызгоуловитель – 7. Царга 2 и сборник фильтрата 3 разделяются фильтрующей перегородкой и опорной решеткой и соединяются между собой с помощью фланцевого соединения. Для измерения объема фильтрата сборник 3 снабжен водомерной линейкой 14, а для измерения вакуума – вакуумметром 13. Температура суспензии в бачке замеряется с помощью термометра 15. Вакуум в установке создается вакуум-насосом 6. Установка оснащена брызгоуловителем 7 и запорной арматурой 8 –12.

Целью работы является определение констант фильтрования – удельного сопротивления осадка (индивидуальная характеристика осадка) и сопротивления фильтровальной перегородки (индивидуальная характеристика перегородки), которые необходимо знать при расчете и подборе промышленных фильтров для разделения суспензий.

В основе лабораторной работы лежит основное кинетическое уравнение фильтрования [3]

rus1.wmf, (1)

где Vф – объем фильтрата, м3; F – площадь фильтрования, м2; t – продолжительность фильтрования, с; Dр – разность давлений, Па; m – вязкость жидкой фазы суспензии, Па×с; Rф.п – сопротивление фильтровальной перегородки, м-1; rос – удельное сопротивление осадка (сопротивление, оказываемое потоку фильтрата равномерным слоем осадка толщиной 1 м), м-2; xос – удельный объем осадка (объем осадка, отнесенный к объему фильтрата), м3/м3.

На лабораторной установке фильтрование идет в режиме фильтрования с постоянным перепадом давления Dр = const. Для этого режима фильтрования после разделения переменных и интегрирования уравнения (1) получим

rus2.wmf. (2)

В уравнении (2) величина Vф/F представляет собой удельный объем фильтрата – количество фильтрата на единицу поверхности фильтрования. Если обозначить эту величину через q, уравнение (2) примет вид

rus3.wmf, (3)

где А, В – коэффициенты уравнения, включающие константы фильтрования и определяемые по формулам

rus4.wmf, (4)

rus5.wmf. (5)

Уравнение (3) может быть преобразовано в линейную зависимость:

rus6.wmf. (6)

Эта зависимость на практике используется для нахождения констант фильтрования.

Первичными экспериментальными данными в работе являются данные по накоплению фильтрата в сборнике с течением времени Vф = f(t). По результатам обработки этих данных с использованием электронных таблиц EXCEL строят график зависимости (6) в координатах t/q и q. На рис. 2 в качестве примера приведены результаты обработки одного из опытов.

На рис. 2 приведено уравнение, которое с достаточной точностью описывает зависимость t/q = f(q). Следует отметить, что аналогичный подход к обработке экспериментальных данных, получаемых студентами, используется и при выполнении других лабораторных работ [1].

Искомые константы фильтрования легко определяются через численные значения коэффициентов:

– А = 689,58 (тангенс угла наклона прямой);

– В = 546,43 (отрезок, отсекаемый прямой на оси ординат).

ruz2.tiff

Рис. 2. График к определению констант фильтрования

По величине коэффициента А определяется удельное сопротивление осадка rос

rus7.wmf, (7)

Сопротивление фильтрующей перегородки Rф.п определяется по коэффициенту В 

rus8.wmf. (8)

Так для условий экспериментов, представленных на рис. 2, значения констант фильтрования составляют

rос = 1,96 · 1012 м–2;

Rф.п. = 1,98 · 1010 м–1.

Полученные значения констант сопоставляются студентом с аналогичными характеристиками в справочных материалах по фильтрованию [4, 5].

Интерактивная (виртуальная) часть работы выполняется на компьютере. Виртуальная модель лабораторной работы разработана в среде Flash (рис. 3).

Программа обеспечивает:

• интерактивное ознакомление с выполнением лабораторной работы (рис. 4);

• ответы на простейшие тесты (рис. 5), по результатам которых программа дает разрешение на выполнение интерактивной части;

• задачу первичных исходных параметров процесса в достаточно широком диапазоне (рис. 6);

• выполнение интерактивного варианта лабораторной работы аналогично последовательности выполнения активной работы, при этом получаем тех же самые опытные величины (рис. 7).

ruz3.tiff

Рис. 3. Заставки виртуальной работы

ruz4.tif

Рис. 4. Методические материалы к работе

ruz5.tif

Рис. 5. Тестовые материалы к работе

ruz6.tif

Рис. 6. Задача первичных исходных данных

ruz7.tif

Рис. 7. Результаты интерактивной части работы

Обработка результатов интерактивной части лабораторной проводится студентами так же, как и активной. Строится график зависимости t/q = f(q) (рис. 2) и определяются по формулам (7) и (8) константы фильтрования rос и Rфп. Результаты расчетов констант сравниваются с величинами, заложенными в алгоритм программы, и характеризующими конкретные виды осадка и фильтровальной перегородки.

Проведение интерактивной части работы при разных исходных данных позволяет наглядно продемонстрировать студентам зависимость констант от вида осадка и фильтровальной перегородки, и их не зависимость от условий проведения опытов.

Такой комплексный вариант выполнения лабораторных работ позволяет расширить возможности традиционно используемого лабораторного практикума и в ходе его выполнения изучать процессы с учетом всех определяющих их факторов, что, в свою очередь, развивает творческий подход студентов к работе в лаборатории.


Библиографическая ссылка

Рузанов С.Р., Смирнов С.И. ПОСТАНОВКА АКТИВНОГО И ИНТЕРАКТИВНОГО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО КУРСУ «ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ» // Международный журнал экспериментального образования. – 2015. – № 12-3. – С. 336-341;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=9122 (дата обращения: 16.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074