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实验室基于视图的电子学习门户虚拟实验室传质操作
Agarwal;;Ramgopal Uppaluri;;Anil Verma CSI Transactions on ICT
摘要：章中,介绍了虚拟实验室质量传递的独特概念,一个练习,由IIT古瓦哈蒂的赞助下人力资源和发展(MHRD)国家通过ICT教育任务。虚拟实验室质组成八种不同虚拟实验室模块,涵盖各个方面的传质操作,化学工程的一个关键主题教育和实践。虽然都是基于仿真模块,除了最基本的虚拟实验室模拟,虚拟实验室模块本质上包括所有方面的虚拟实验室教育即理论,实验过程中,动画、测验等虚拟实验室环境启用一种改进的化学工程的学习,学习往往是更好的通过实践和反复实验/观察在真实世界的场景中。此外,野外小径和用户友好的工作坊也被组织获得实时反馈,这些都是非常有利于提高质量的技术内容以及学习虚拟实验室质量传递。从而探索可能性进一步创造性的组件框架在化学工程发展。
关键字
虚拟实验室——虚拟仪器——虚拟仪器-传质模拟
1 绪论
传质操作构成过程工程教育和实践的一个重要课题。从扩散到蒸馏、萃取膜技术,过程工程师需要掌握传质操作安全、有效地设计和操作各种设备。实验室演习是本科教育的不可或缺的要素。通过这些组件,将获得知识通过现实世界的经验,而不是经常在教室教的理论教育。教育的一个基本特征在科学/工程/技术是研究理论与实践之间必须有一个共识,或者换句话说,哲学的背景下自然现象和实际问题有关。本科教育也应该展开创意组件在一个独立的个体。重复理论没有进一步发展其应用程序的指令可能会导致缺乏兴趣的话题。因此,现代教育需要包含两个系统学习的好处,理论的学习和实践经历。通过这种方式,一个可以实现融合的方法,巩固自己的知道各种自然现象从这些自然和技术开发现象。因此,学生将能够唤醒他/她创造性的推动力为不断增长的社会需求和发展的技能在过程工程逐步解决更复杂的问题。根据社会需求的快速变化,学生需要装备的技术深度和教学技能提高。开发一个装备精良的实验室是一个大的挑战,特别是对于新成立的大学和机构,因为有限的预算几乎不可能完成。因此,虚拟化可以是有益的初步学习降低成本。
重 复实验和观 察是独一无二的重要研究方法。通过反复实验/观察,一个假设最终成为理论和法律。因此,重复实验必须被鼓励在任何时候在年轻一代灌输研究组件。重复实验需要人力,人力资源,时间和耐心。建立法律科学/技术不需要重复几次,但可以模拟。另一方面,一个重要问题,本科教育中不容忽视的是,一个学生只有一个实验只有一次在实验室,而且实验可能起不到让学生判断理论的有效性，这个问题是非常严重的。
这个作为虚拟化的核心问题,古瓦哈蒂已经能够开发虚拟实验室质量传递的赞助下人力资源和发展(MHRD)国家通过ICT教育任务。
2方法
2.1开发
经过详细调查虚拟仪器已被确认是最有效和高效的虚拟平台传质实验室。虚拟仪器是一种容易学习,适应和应用资源。的一些功能包括图形用户界面(GUI),内置工程数据库的软件功能,硬件接口,数据分析和可视化。它允许用户选择他们自己的输入价值观和操纵他们的方式就像一个真正的实验室。
2.2虚拟仪器
这是一个全面的开发环境,工程师和科学家提供一个GUI平台易于使用,交流和发展。虚拟仪器[1]使我们能够获取、分析和现在现实世界数据。虚拟仪器激发我们去解决问题,加快我们的生产力,给了我们信心不断创新,创建和部署测量和控制系统。图形化编程环境。虚拟仪器(VI)包括两个部分:前面板,如图1所示是用户操作和开发人员的框图程序开发的伴随前面板。所有模块都使用这个图形化开发环境。随机化程序被内置在软件发展的探索虚拟实验代码生成变形数据,在真实实验室实验中观测到的。模型实验已经从真正的实验目标。
3验证和电子学习浓缩
3.1实验调查
对于每个模块我们与我们的专家进行了许多实验设备购买从KC工程师[2]或自主制作的。在得到一组重复的数据后，我们可以比较获得的实验数据和标准数据认为可用。然后我们评估的最大和最小百分比误差的实验数据。最后,嵌入的错误以及随机化程序编程环境,代码是使用综合开发环境开发的虚拟仪器。用于访问用户的虚拟仪器代码下载运行在线引擎[3],然后去模拟器运行选项卡并执行实验或者也可以在网上的视频虚拟模拟器。软件允许用户选择他们自己的输入值和操纵他们的方式类似于一个真正的实验室。根据用户的输入和数据虚拟化，将生成最终的结果。
4模块
我们的目标是提供远程接入的一般化学工程实验室餐饮本科层次的学生的需求,以及研究学者研究生水平。在这方面,重要的是要注意,这是常见的误解虚拟化,虚拟化保证完全理解。每个模块包含的任何部分:模拟,利用实验的测量数据,交互式动画,激动人心的测验,附加的web资源,实验视频讲座,虚拟仪器视频和自我评估。虚拟实验室也可以访问在线[4]。视频也可以进行实验的在线视频选项卡的网站访问。测验也插在门户网站为用户可视化的百分比基本知识他/她有关于这个话题讨论的模块简要摘要蒸气在空气中扩散,流经多孔介质,传质有或没有化学反应,二元汽液平衡,塔盘效率,强制通风盘式干燥机、水冷却塔和扶轮干燥机。在虚拟虚拟仪器快照,绿色背景的框指定用户输入/测量;箱子有粉红色背景指定用户的计算数据和与蓝色背景框指定虚拟数据。提出了各种虚拟实验室模块的简要描述如下。
4.1蒸气在空气中扩散
快照如下面的图2所示的主页是虚拟仪器计算模拟器。按下开始按钮显示在图我们从实验开始会话。高亮显示的图2中的灰色部分一个指定的各个选项卡的实验。当我们前进,我们将看到我们后覆盖标签选项卡来完成实验。第二个选项卡指定实验的目的如下:
(a)有机蒸汽的扩散系数测定四氯化碳在空气中。
(b)研究温度对扩散系数的影响。下一个选项卡上指定的实验设置和实际
(a)所需的水浴温度水平(25 - 50 C),等到洗澡达到设定温度。
(b)与四氯化碳填补丁字管2厘米内的毛细腿。记下的初始扩散高度从高端液体在毛细管(X0)。
(c)与空气或使连接真空泵和允许一个温和的电流在毛细管的空气流动。
(d)记录液体的高度(X)的毛细管后每30分钟。
(e)重复步骤(一)——(d)为不同的温度。
(f)情节扩散系数与绝对温度对双对数图并确定斜率。它应该躺在1.5和1.8之间。
接下来的几个选项卡指定要使用的虚拟虚拟仪器程序由用户完成实验:
步骤1这个步骤包括工艺流程图(图2 c所示)组成的描述整个虚拟过程和完成所需的合适的公式计算。用户必须遵循所有的步骤从蒸汽压(5、6)计算扩散系数的计算。第二步开始实际的虚拟实验。在这个步骤中,用户必须首先选择一个合适的温度和相应的用户计算蒸汽压和相应的四氯化碳浓度数据使用流程中所提到的公式图2 c所示。步骤3 相似的实验组成的用户输入和虚拟输出,但在不同的操作条件进行。这里输入的是时间,初始主刻度读数和游标刻度读数。时间应该是多种多样的每次运行后而刻度读数应保持不变。第4步完成后六组虚拟实验,用户的斜率计算图t /(x - x0)和(x - x0)t对应时间和(x - x0)对应于液面下降在时间t和扩散系数使用虚拟数据之间。最终用户要求输入这些计算值的空间提供了一个粉红色的背景。步骤5下一个选项卡是用来比较。所有的标准和虚拟数据包括最后虚拟扩散系数数据将自动显示在这一步。步骤6 用户输入他/她的计算扩散系数的值,然后比较虚拟数据。这一步让用户知道他/她是虚拟和标准的数据的偏差。这是实验的最后一步，是实际数据的偏离用户数据可能的原因。
4.2通过多孔介质流
这个实验的目的是研究膜支持和膜流动特性[7]。按下开始按钮在主页上的虚拟仪器计算模拟与实验会议。我们开始当我们前进,我们将看到,我们正选项卡标签后完成实验。概述过程如上所述:膜是一层的材料作为选择性两个阶段之间的障碍,仍然不透水特定粒子,分子或物质暴露在驱动力的作用。克努森扩散和溶液扩散是突出的机制。克努森扩散是一种扩散途径,发生在一个长孔狭窄直径(2-50海里)因为分子经常与孔壁发生碰撞。通过密集的气体运输(无孔的)聚合物膜发生扩散机制的解决方案。气体溶解在聚合物膜的高压侧,通过聚合物相扩散,使解除吸附或蒸发在低压端。
下一个选项卡中规定实验过程如上所述:
设置构成聚四氟乙烯管状细胞与平面圆形聚四氟乙烯基地板,陶瓷膜
膜保留在聚四氟乙烯套管,用环氧树脂密封。
设置的出口连接到气体流量计使用硅管用于测量气体流速在不同转移膜压力差异。
接下来的几个选项卡指定要使用的虚拟虚拟仪器程序由用户完成实验
步骤1这个步骤显示支持属性计算的流程图。快照所示的流程图清晰地定义了公式和计算膜的步骤支持属性的平均孔隙半径与压力和孔隙度用户输入。
步骤2下一个选项卡同样展示了流片的膜膜性质的计算。显然指定的计算公式和步骤膜膜性质的平均孔隙半径,渗透系数和孔隙度
下一个选项卡功能的实际实验装置包括渗透细胞,膜架和压缩机。
步骤3这个选项卡提供用户交互和学习从而使计算用户感觉真正的实验。这个选项卡的重点是第一个计算属性的支持。压力这个步骤是输入用户修复和流率和渗透系数(k)的虚拟输出
将生成的代码。
步骤4在未来基于虚拟输出选项卡上一步用户计算图的斜率和截距之间的渗透系数(k)平均压力、孔隙半径和孔隙度使用合适的公式提供的工艺流程图。
步骤5这一步涉及用户的数据之间的比较和虚拟数据。所有的虚拟数据计算也会为他/她的评估显示给用户。
步骤6从这一步开始计算膜膜性质。这个步骤是输入压力和流量和渗透系数(k)
虚拟输出。
步骤7在接下来的选项卡为膜比较是做电影的属性。根据上一步的虚拟输出用户计算斜率和
拦截,渗透率之间的图因子(k)和平均压力、孔隙半径和孔隙度使用合适的公式。
步骤8下一个选项卡显示用户的数据之间的比较和膜膜的虚拟数据属性的决心。
第9步最后实验的结束标签是给用户是基于评估他的表现在前面的步骤。
4.3质量传递有或没有化学反应这个实验的目的是:
(一)研究溶解在氢氧化钠水溶液的苯甲酸。
(b)比较观察为传质增强因子与预测的电影和边界层模型。
(c)传质和化学反应(固液系统):溶解氢氧化钠水溶液中的苯甲酸
固液传质中扮演一个重要的角色在一些工业操作。解散可能有或没有发生化学反应。解散是伴随着固液反应,需要知道增强由于同声传质反应的速度和比较它与增强预测的基础上,电影和边界层模型。这里的系统研究是溶解在氢氧化钠水溶液的苯甲酸。
图4所示的实验装置由一个
苯甲酸的气缸安装在不锈钢杆,直流电动机。旋转的操作范围是10至30 rpm。气缸是沉浸在水溶液中已知浓度的氢氧化钠在500毫升装了三分之二的能力。苯甲酸气缸的位置调整,液面高于顶部表面约3厘米的顶面。苯甲酸的尺寸可能是固定在直径2 - 3厘米,长度5 - 7厘米的圆柱可以由浇注熔融苯甲酸所需模具的尺寸与4 - 5毫米不锈钢杆位于模具的中心在一个垂直的位置。
实际的程序如下:
(一)记录苯甲酸缸的尺寸(外径、长度的酸缸和不锈钢杆外径)然后解决它在一个垂直的位置与直流电动机。
(b)填满容器已知浓度的氢氧化钠水溶液2/3rd的体积。记录的体积氢氧化钠水溶液(v)补充道。
(c)启动水浴和修复溶解温度、周围50摄氏度。
(d)修复苯甲酸圆筒容器内的氢氧化钠水溶液和启动马达固定转速N rpm。
(e)运行10分钟的实验。
(f
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