常用科研軟件Origin在化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用探索

唐石云，郭俊江，唐安江

(貴州理工學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)是高等院校化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門獨(dú)立專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，其主要任務(wù)是通過本課程的學(xué)習(xí)，一方面鞏固所學(xué)的理論知識(shí)和進(jìn)一步加深基礎(chǔ)理論的認(rèn)識(shí)，另一方面培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)的能力，為今后從事有關(guān)的科研技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)。與基礎(chǔ)的無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)、有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，該實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐性、專業(yè)性、綜合性更強(qiáng)[1]。在化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，往往需要對(duì)大批量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，不僅僅是記錄和整理數(shù)據(jù)，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，然后通過數(shù)據(jù)表格、圖形及函數(shù)擬合來展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象原因，并做出總結(jié)和分析。傳統(tǒng)的利用計(jì)算器、坐標(biāo)紙等手工計(jì)算和作圖不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且還容易引入較多的不確定性及較大誤差。此外，現(xiàn)在的化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)常采用現(xiàn)代先進(jìn)的科技儀器，比如流量計(jì)常采用數(shù)顯的質(zhì)量流量計(jì)，不再是普通機(jī)械式流量計(jì)；進(jìn)料泵常采用更加精準(zhǔn)的高壓恒流柱塞泵等。這些儀器在使用之前都需要進(jìn)行實(shí)際工況下的校準(zhǔn)，這一步驟往往是許多學(xué)生所忽略的，致使老師難以客觀評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的好壞。

隨著科技的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的優(yōu)越性越來越引起人們的廣泛關(guān)注，在現(xiàn)代教學(xué)中各高校已廣泛開展各類計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)平臺(tái)，如慕課(MOOC)平臺(tái)等[2]。將計(jì)算機(jī)用于輔助《化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)》的教學(xué)是一項(xiàng)十分重要而有意義的工作，它可以使學(xué)生快速掌握通過計(jì)算機(jī)軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀可視的圖形、曲線，不僅便于學(xué)生分析數(shù)據(jù)的規(guī)律、數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)，而且有利于減小手工制圖的誤差，提高繪圖效率。目前可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的軟件包括Excel、Matlab，SAS，Origin等，其中Origin是用于數(shù)據(jù)處理最為常用的軟件之一。該軟件主要有兩大功能—數(shù)據(jù)分析和科學(xué)繪圖。由于Origin軟件采用直觀的窗口菜單和操作工具欄，數(shù)據(jù)處理和繪圖過程無需編寫任何程序代碼，使用時(shí)非常方便，因此深受各國(guó)科技工作者的喜愛而被廣泛應(yīng)用。比如，趙艷等探討了Origin在大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的相圖繪制以及線性擬合[3]；孟衛(wèi)等把Origin軟件應(yīng)用于物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)，得到了規(guī)范可靠的結(jié)果同時(shí)提高了數(shù)據(jù)處理效率[4]；王忠巍等采用Origin分段擬合對(duì)化工原理精餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5]；趙波介紹了Origin軟件在化工原理離心泵實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[6]；張紅醫(yī)等采用Origin的求根附件快速準(zhǔn)確地計(jì)算了酸堿溶液氫離子平衡濃度[7]?？梢姡琌rigin軟件用于輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)已越來越廣泛，然而其在化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用尚未見報(bào)道。

本文針對(duì)化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中易被忽視的過程的教學(xué)步驟，結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)例，介紹運(yùn)用Origin軟件如何把化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理成直觀可視的圖形、曲線，并分析數(shù)據(jù)的規(guī)律、數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)等。

1 Origin軟件在化工專業(yè)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)中對(duì)儀器設(shè)備標(biāo)定數(shù)據(jù)的處理應(yīng)用實(shí)例

1.1 差壓式氣體質(zhì)量流量計(jì)標(biāo)定

差壓式氣體質(zhì)量流量是通過測(cè)量層流元件的差壓、壓力、溫度來計(jì)算流量。 將計(jì)算流量值與設(shè)定流量值進(jìn)行比較，采用PID閉環(huán)控制調(diào)節(jié)閥門，使流過通道的流量與設(shè)定的流量相等。具有固有的線性、重復(fù)性好、精度高、無需預(yù)熱、溫漂小等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備中廣泛使用。然而，該類型流量計(jì)出廠時(shí)流量標(biāo)定往往是在標(biāo)準(zhǔn)狀況(0℃，101.3 kPa)下進(jìn)行，因此，實(shí)驗(yàn)前必須在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行重新標(biāo)定?，F(xiàn)以D07-7型氣體質(zhì)量流量計(jì)標(biāo)定為例說明，在室溫，101.3 kPa條件下采用皂沫流量計(jì)標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。其中，uo為設(shè)定流速，us為實(shí)際流速，t為時(shí)間，V為皂沫在時(shí)間t內(nèi)所通過的體積。

表1 皂沫流量計(jì)標(biāo)定差壓式氣體質(zhì)量流量計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

打開Origin9.0，點(diǎn)擊File-New-workbook新建一個(gè)工作簿，將表1的u0和us列數(shù)據(jù)復(fù)制粘貼到新的工作簿中。選中u0列，右擊選擇Set As-X，設(shè)置其為X軸，同樣方法設(shè)置us列為Y軸，按住Ctrl選擇這兩列需要擬合的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊Plot-Symbol-Scatter，繪制散點(diǎn)圖。在當(dāng)前圖形窗口下，選擇Analysis-Fitting-Linear Fit，打開Linear Fit對(duì)話框，一般直接采用默認(rèn)的設(shè)置就可以了，點(diǎn)擊OK，擬合出來的曲線及擬合結(jié)果將直接顯示，如圖1所示。結(jié)果記錄中顯示了擬合直線的公式、斜率和截距的值以及其誤差，相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差等數(shù)據(jù)。線性擬合結(jié)果為Y=-1.23418+1.45827X，R = 0.99801，由R值的結(jié)果可以看出，曲線的擬合效果較好。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過擬合方程就可以根據(jù)實(shí)際需要的氣體流量計(jì)算出需要設(shè)置的顯示流量值。采用同樣的方法我們可以對(duì)高壓恒流柱塞泵流量標(biāo)定。

圖1 差壓式氣體質(zhì)量流量計(jì)標(biāo)定線性

1.2 爐溫分布的標(biāo)定

表2 不同設(shè)定溫度下三段式控溫管式爐爐溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

眾所周知，反應(yīng)溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響至關(guān)重要。在化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)中，常用到馬弗爐、管式爐等加熱設(shè)備對(duì)反應(yīng)提供能量，采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶可以對(duì)爐溫分布進(jìn)行標(biāo)定，以確定其恒溫區(qū)?，F(xiàn)以?300×500 mm、加熱功率1.5 kW的三段式控溫管式爐爐溫標(biāo)定為例說明。表2為不同設(shè)定溫度下(500～800 ℃)，采用標(biāo)準(zhǔn)Pt熱電偶標(biāo)定得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。其中，D為距離爐入口的距離，T為溫度。

圖2 爐溫分布曲線

打開Origin9.0，點(diǎn)擊File-New-workbook新建一個(gè)工作簿，將表2的數(shù)據(jù)復(fù)制粘貼到新的工作簿中。一般系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)第一列為X軸，其他列均為Y軸。按住Ctrl+A全選，依次點(diǎn)擊Plot，Line+Symbol，Line+Symbol，繪制點(diǎn)線圖。雙擊圖中曲線，彈出Plot Details對(duì)話框，在Connect中選擇B-Spline可使圖中線條圓滑。最后雙擊坐標(biāo)軸可在Axis對(duì)話框中對(duì)坐標(biāo)軸的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，并使用左邊的工具條突出想從圖中獲取的關(guān)鍵信息使圖形更加美觀，如圖2所示。從圖2中可以直觀地看出，實(shí)驗(yàn)中管式爐的設(shè)定溫度與實(shí)際溫度偏差可達(dá)30℃左右，其恒溫區(qū)長(zhǎng)度隨著設(shè)定溫度的增加而縮短，由于散熱的差異恒溫區(qū)在圖中呈現(xiàn)出梯形。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過恒溫區(qū)的溫度和長(zhǎng)度我們可選擇合適的位置設(shè)計(jì)反應(yīng)。

2 Origin軟件在化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)—催化劑顆粒內(nèi)擴(kuò)散有效因子測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理應(yīng)用實(shí)例

催化劑顆粒內(nèi)擴(kuò)散有效因子測(cè)定采用氣固相催化苯加氫法，用鎳催化劑在固定床反應(yīng)器中合成環(huán)己烷。在Ni/Al2O3固體催化劑作用下，苯加氫反應(yīng)方程式為：

此反應(yīng)可近似看成單一不可逆放熱反應(yīng)，在氫氣大大過量的情況下可視為擬一級(jí)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)中，宏觀反應(yīng)速率RA、轉(zhuǎn)化率xA、催化劑質(zhì)量W、苯的摩爾流率FA0有如下關(guān)系：

可見，宏觀反應(yīng)速率可由xA～W/FA0作圖，曲線上任意一點(diǎn)的斜率就對(duì)應(yīng)于該轉(zhuǎn)化率下的宏觀反應(yīng)速率。在此實(shí)驗(yàn)中，我們通過改變苯和氫氣的進(jìn)料流量測(cè)定了同一溫度下反應(yīng)器出口組成，從而求得苯的轉(zhuǎn)化率xA，結(jié)果如表3所示。其中，T為反應(yīng)溫度，UH2為H2流量，U0為苯流量，xA為苯的轉(zhuǎn)化率，W/FA0為空速。

表3 苯加氫測(cè)定催化劑顆粒內(nèi)擴(kuò)散有效因子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 轉(zhuǎn)化率與空速的關(guān)系曲線

啟動(dòng)Origin9. 0后，在其提供的空表中輸入上述的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在A(X)列輸入空速W/FA0，在B(Y)列中輸入相應(yīng)的轉(zhuǎn)化率xA。按住Ctrl選擇這兩列需要擬合的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊Plot-Symbol-Scatter，繪制散點(diǎn)圖。在當(dāng)前圖形窗口下，選擇Analysis-Fitting-Polynomial Fit，打開Polynomial Fit多項(xiàng)式擬合對(duì)話框，一般直接采用默認(rèn)的設(shè)置就可以了，點(diǎn)擊OK，擬合出來的多項(xiàng)式曲線及擬合結(jié)果將直接顯示，如圖3所示。結(jié)果記錄中顯示了擬合多項(xiàng)式曲線的公式、截距以及其誤差，相關(guān)系數(shù)、殘差平方和等數(shù)據(jù)。擬合多項(xiàng)式為Y=-2.47474+0.78997X- 0.00215X2，R = 0.94917。由R值的結(jié)果可以看出，曲線的擬合效果較好?？梢姡S著空速的增加，轉(zhuǎn)化率逐漸增大，最后趨于平緩。

3 結(jié)語

隨著時(shí)代的進(jìn)步，傳統(tǒng)方法計(jì)算和作圖已漸漸不適于高?，F(xiàn)代化的化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，先進(jìn)的儀器儀表、實(shí)驗(yàn)設(shè)備雖然使實(shí)驗(yàn)過程變得簡(jiǎn)潔便利，但是這往往讓我們更容易忽略實(shí)驗(yàn)前對(duì)儀器設(shè)備的實(shí)際工況校準(zhǔn)，致使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的好壞難以評(píng)價(jià)。采用計(jì)算機(jī)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)的輔助教學(xué)是時(shí)代發(fā)展的必然結(jié)果。以上應(yīng)用實(shí)例表明，運(yùn)用Origin軟件進(jìn)行化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的繪圖及曲線擬合無需編程，操作簡(jiǎn)便、直觀易用、容易掌握。Origin軟件在化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方面快捷方便，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析效率，利于全方位實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可在化工專業(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及處理當(dāng)中全面推廣。