MATLAB在化学工程与工艺
实验数据处理中的应用*
摘要]本文对MATLAB在化学工程与工艺实验中的应用进行了初步的尝试,传统的化工实验的数据
处理是相当复杂的,需要花费大量的人力物力,由于化工实验需要平行实验,数据处理过程的重复性也
非常大。借助MATLAB软件的应用,可以使人们从大量的数据处理当中解脱出来。本文以“化工原
理”实验为例,利用MATLAB软件编写一个数据处理程序:只需输入任意一组原始数据,就可以把实验
结果,数据模型以及作图一起显示出来。
[关键词]化学工程与工艺;专业实验;数据处理;Matlab
一、引言
化学工程与工艺专业实验是初步了解、学习
和掌握化学工程与工艺科学实验研究方法的一个
重要的实践性环节。专业实验不同于基础实验,
其目的不仅仅是为了验证一个原理、观察一种现
象或是寻求一个普遍适用的规律,而应当是为了
有针对性地解决一个具有明确工业背景的化学工
程与工艺问题。[1]化工实验的特点流程较长,规模
较大,数据处理也较为复杂。因此依靠计算机处
理数据会使繁琐的数据处理过程变得简单快捷,
大大提高工作效率。
数据处理是每一个化学工程实验必不可少的
步骤,也是至关重要的一个步骤。通过实验可以
建立过程模型、分析工艺技术的可行条件。但是
化工实验数据的处理往往并不是那么简单,它需
要通过复杂的数学计算,若仅仅依靠手工计算则
需要花费大量的时间,而且化工实验数据的处理
量很大、重现性很高,因此应用计算机来处理实验
数据可以大大提高工作效率。
化学工程与工艺专业是一个以实验为基础的
专业学科。实验的目的是通过有限的实验点去寻
找某一对象或某一过程中各参数之间的定量关
系,从而揭示某化工过程所遵循的客观规律。由
于人力、物力、时间等条件的限制,任何实验所能
完成的实验点都是有限的,如何根据这些有限的
实验点归纳出各参数之间的关系,便是实验数据
的处理问题。
由于化工过程的复杂性,实验过程中各参数
之间的关系往往是非线性的,数据处理或数据拟
合的工作量往往比较大,且计算过程也比较繁琐。
若能利用计算机进行数据处理,不仅处理结果的
准确度很高,而且还会省下很多不必浪费的人力
和时间,大大提高了工作效率。
Matlab是集数学计算、结果可视化和编程于
一身,能够方便地进行科学计算和大量工程运算
的工程软件。它具有简单易用、人机界面良好,能
使繁琐的科学计算和编程变得日益简单和准确有
效。[2]
本文以两个化工原理实验为例,阐述利用
Matlab软件处理化工实验数据与人工处理相比
较带来的方便,而且数据的结果更精确,误差更
小。
Matlab软件是一种简单易学的编写语言。
它具有支持多平台操作系统(Windows、Unix
等)、编写效率高、用途广泛、功能超强、程序极容
易维护等等优点。
二、数据处理程序的设计
(一)程序框图
由于化工实验有很多,而且每一个实验数据
的处理的步骤、公式都不一样,所以很难用一个程
序来描述。但是,每一个实验都有类似之处,因此
每一个程序都可以用如图2-1来描述。
这样则可以利用Matlab中的polyfit()函数
进行线性拟合,此即为本文编写数据处理程序的
基本原理。
3.基本数据库
从文献中只能查出特殊温度下的物性数据。
例如:10℃、20℃、30℃等。但是工业生产中的温
度就不可能那么凑巧和文献符合,因此,需要我们
进行计算。平时学习中遇到这样的问题,我们往
往是选两个相近的数据近似认为它们是线性关
系,然后采用内插或外推法计算出工作温度下的
物性常数。
本文中所编写的程序把温度与密度、温度与
粘度进行多项式拟合,使它们之间有两两对应关
系。即在程序运行后,只需输入工作温度,程序就
可以得到该温度下所需的物性常数。
(三)程序的调试与运行结果
1.流体阻力原始数据输入
三、结论
在化学工程与工艺实验中用Matlab软件处
理实验数据是很有必要的。以本文中的化工原理
实验为例,每一次实验都有大量的数据要处理,我
们只要处理自己的原始数据,但教师在批改时就
要把我们所有的实验数据都要计算,这个工作量
是很大的。有了数据处理程序,教师只需要输入
原始数据,运行程序后,就可了解学生的实验是否
做得好、实验数据处理结果是否准确,这就可以节
省很多的时间。在实际工程中,需要处理的数据
更多,计算公式更加复杂,有时为了导出计算公
式,还需要建立复杂的数学模型,手工计算基本是
不可能完成的。因此,把Matlab软件应用到化学
工程与工艺实验中进行实验数据的处理是十分必
要的。(责任编辑:张明德)
参考文献:
[1]房鼎业,乐清华,李福清主编.化学工程与工艺专业实
验[M].北京:化学工业出版社,2000.
[2]李丽,王振领编著.MATLAB工程计算机应用[M].
北京:人民邮电出版社,2001.
[3]黄华江编著.实用化工计算机模拟———MATLAB在
化学工程中的应用[M].北京:化学工业出版社,2004.
[4]姚玉瑛主编.化工原理(新版)(上册)[M].天津:天津
大学出版社,2003.
化学是以实验为基础的学科,重视实验教学,挖掘实验全面的教育教学功能,在新课改的背景下愈显重要。下面是我为大家整理的化学实验毕业论文，供大家参考。
摘要:无机及分析化学实验作为生物专业大学阶段开设的第一门必修实验课，对他们后续理论课程和实验课程的学习有非常大的导向作用。笔者结合自己多年无机及分析化学实验的教学经验，针对当前无机及分析化学实验的教学现状，在培养良好的科学实验素养、与专业方向的衔接以及建立科学全面的成绩评定方面进行了探讨。
关键词:无机及分析化学;生物专业;实验教学
生物技术革命被认为是第六次科技革命的核心内容。现代生物学是在分子水平上建立的生物学，而化学是研究分子的科学，大化学革命是生命科学革命的重要基础[1]。因此，对于生物科学等近化学专业的学生而言，学习无机及分析化学对于他们学习基础知识和专业知识都是不可或缺的。国内外农学、生物、环境等一些近化学专业都陆续开设了这门课程，无机及分析化学实验是与之相对应的实验课程，是生命科学系学生进入大学学习的第一门实验课[2]。由于这些基础课程大部分是由化学学院讲授这门课程，所以在课时、实验内容和衔接方面存在诸多改进的空间。具体表现在以下几个方面:首先，学时少，目前只有24个学时实验，同类院校最少也是32学时，这样短的实验安排并不利于实验教学的开展;考核方法有待探讨;针对性不强，目前无法做到实验操作与生物科学专业学习的对接[3]。针对这些问题，有必要对这门实验课程的教学方法和教学效果进一步探讨，笔者结合自己多年的讲授经验，主要在以下方面作了探索。
1注重培养良好的科学实验素养
任何一门化学实验课的开设目的不仅仅是让学生掌握实验技术本身，更关键的是学生在一次次的实验中逐渐养成严谨的实验态度和素养。这些非智力性的科学实验思维对于学生在将来的职业生涯中树立严谨的工作作风和实事求是的科学态度也大有裨益[4]。但大一新生刚刚告别中学学习阶段，"重理论轻实验"的思想根深蒂固，笔者为新生讲授无机及分析化学实验过程中，发现很多同学以"应付"的态度对待实验课:预习报告按部就班的抄袭实验教材，实验过程中追求实验速度不注重实验细节，实验报告数据涂改和杂乱等现象比较普遍。因此，从一开始就应该端正他们的实验态度、培养严谨求实的科学实验素养，这对于大一新生后续课程的学习尤为关键。在学期开始前，开设的每个实验项目以书面形式传达到每个实验小组，上课前，每位学生要按照要求写好预习报告，实验原始数据要记录在实验报告上，实验完成后老师签字确认后才能离开。有些实验根据教材上的内容操作得不到预期的结果，其关键在于实验细节的操作需要注意，这时候就需要教师要亲自示范学生容易出现的错误操作，讲解操作的要点和注意事项。有个别实验的操作在实验教材上没有明确说明，而对实验成败非常关键的地方，我们在化学实验的教育理念中，更注重从细节处入手。如预习报告，数据处理时要养成正确的“有效数字”概念;在化学试验中，不但要有正确的分析方法和准确的实验操作，对分析结果进行正确的记录和处理对于学生养成严谨的科学态度也是非常关键的。
2整合实验内容，注重与专业方向有所衔接
目前我校针对生命科学系学生开设的无机及分析化学实验主要沿袭了无机化学实验和分析化学实验的内容，目的是使近化学类专业学生熟悉化学实验的基本知识，掌握化学实验的基本操作技能。但化学实验内容与生物专业的衔接还显得欠缺，学生的学习兴趣不浓，导致填鸭式实验课，整个实验课程结束了，前面的实验内容也就忘得差不多了。在教学过程中，有些学生会问"这些实验的目的是什么?"，"这些实验能够解决什么生物问题?"。其中一个原因是开设的实验课原先是针对化学专业学生所开设的，并没有很好地考虑专业衔接和融合。笔者认为加大化学实验项目与生物专业融合的方法是开设一些化学实验在生物学科中的应用性的实验项目。如根据课时和教学计划可以选择性开设葡萄糖含量的测定(碘量法)，土壤中腐殖质含量的测定(重铬酸钾法)，生理盐水中氯化钠含量的测定(银量法)，禾本植物叶子中叶绿素含量的测定(分光光度法)，缓冲溶液的配置等这些既有化学应用又有生物因素的实验项目。
3建立科学全面的成绩评定
为了真实客观地反映学生的实验水平，建立具体可行的成绩评定规则对于激发学生的学习积极性有很大帮助。实验课的成绩评定既要关注对基础实验知识的掌握，更要考虑体现出对于日常实验过程的重视。所以，实验课的成绩评定有两个方面的加权:所学实验基础知识笔试占40%，平时实验过程的成绩占60%。平时实验过程的成绩包括实验报告评分、实验操作、实验态度等因素。为了让学生养成独立思考的能力，实验报告中讨论部分更加看重学生通过实验课的心得和感受总结实验过程，如果只是参考学习资料的答案而没有结合自身实验去写讨论部分将影响实验报告最终成绩。另外，特别注重平时的实验过程也是非常必要的，记录实验数据时要求真实;实验完成以后老师要检查学生的实验数据并签字后才能离开实验室。通过这些具体措施，学生撰写实验报告的态度有很大程度改观，取得了良好的教学效果。总之，无机及分析化学实验是新生的第一门实验课，能否学好这门课程对后续课程有示范作用。通过端正学生实验态度，整合实验内容以及建立激励性考核办法可以促进实验教学改革的深入和达到推进素质教育改革目标。
参考文献
[1]徐光宪.大化学与技术革命是第六次科技革命最主要的核心内容[J].科技导报.2013，31(25)，3.
[2]谢建平，陈春华，谢东坡，等.化学生物农学类院系化学实验课程教学改革与管理探讨[J].安徽农业科学，2011，39(15):9444-9445.
[3]王丽红，朱团.无机及分析化学实验教学改革的研究[J].科技创新导报，2012(15):158.
[4]陈东莲，黄润均，袁爱群.分析化学实验教学中非智力因素的培养[J].教育与职业，2012(2):92-93.
摘要：针对无机化学实验课程教学中存在的问题，为适应21世纪科技发展对人才素质的要求，以开放式实验教学的模式代替传统式实验教学的模式。以学生为主导地位，让学生进行开放式实验，使学生由被动学习转为主动学习,从而提高学生综合素质和实际操作能力。
关键词：开放式无机化学实验教学改革
化学是以实验为基础的科学，而实验教学又是化学理论教学的重要组成部分，要学好化学就必须做好实验教学。化学的四大分支学科之一的无机化学是以无机化学实验为基础的一门学科。无机化学实验是长江师范学院化学化工学院和生命科学与技术学院各专业跨入大学校园后所接触的第一门基础实验课程，是老师与学生在教学科研相结合所要经历的一个阶段。无机化学实验具有独特性：一是所用仪器设备、药品种类等都很多;二是需要学生掌握的基本操作虽然简单但是多样化;三是实验现象复杂。为了提高学生的综合能力，让学生有机会多练习实验操作，必须对以往传统的实验教学模式进行改革，让实验由封闭式转向开放式，让学生开展多开放性、设计性实验，以达到培养高素质人才来适应社会发展的需要。
1传统实验教学模式
无机化学实验经过多年的教学实践改革后，形成了一套比较成熟的传统实验教学模式。正是这种传统的实验教学模式使得实验教学存在很多难以解决的教学问题，比如在实验教学过程中，教学形式是单一的讲解式，而且所讲内容也是沿用了好多年的陈旧内容;教学课件使用多年，没有一点创新;学生也只是按老师的要求照方抓药，没有一点学习热情，也没有学习主动性，更谈不上在做实验的过程中有创造性思维了;实验中能力培养差;实验设备利用不合理;培养出来的学生根本不能达到当今社会对人才需要的要求。随着社会的发展需要，高综合素质人才需要越来越多，那么，还按传统的实验教学模式是培养不出当今社会所需的高素质人才的。所以，为了能够满足当今社会人才的需要，就必须打破传统的实验教学模式，改变这种扼杀学生创新思维能力培养的教学模式，尽快实现改革创新，以便能更好地给学生以发展空间。
2开放式的教学模式
为了培养高素质、高能力的创新型人才，本课题组对化学化工学院2012级、2013级、2014级一年级学生的无机化学实验课程的教学模式进行了改革。主要从实验内容、实验时间、组织方式、教学评价等方面进行开放。
2.1实验内容的开放
传统的实验教学内容都是由老师指定的单一的基础类实验，这样就不利于学生的个性化发展。实行教学改革后，开放式实验教学内容发生很大的变化。老师将根据新的课程目标提出多个实验模块，包括基础类、验证类、综合类、设计类、自主类等等。基础类和验证类实验是每位学生必须做且必须掌握的实验项目，主要是对学生进行基本能力的训练，为综合类、设计类、自主类奠定基础的。综合类和设计类包括必选和任选实验，必选实验是在教师提出的必选实验项目中，学生自己选择若干个实验，自己设计实验方案并完成实验;任选实验模块是由教师提出一些解决实际问题的综合实验，教师只是提出问题而不提供具体的解决方案，学生在综合运用所学知识的基础上，根据实验室的实验资源拟定切实可行的解决方案并独立完成实验，从而激发学生的学习热情，发展创新思维。自主类实验是由学生根据自己的情况，自己选题，自己拟定实验方案，自主完成的实验，很具有个性化发展。
2.2实验时间的开放
时间上的开放分为定时开放和预约性开放：定时开放是指学生在工作时间进入实验室做实验;预约性开放是指周末和寒暑假时学生采用集体预约和个人预约相结合的方式进入实验室做实验。
2.3教学组织的开放
开放式实验教学成功与否，关键在于指导教师的组织。具体方案是：首先给学生分成若干小组，每组选派一名组长，组长负责管理本小组成员并分配任务。各小组查阅大量文献后提出问题，接着同小组讨论问题，最后自拟题目提出实验设计方案并交由老师审核。老师审核如果实验方案没新意就不能通过，学生将重新立定方案;如果有新意，审核通过，学生再与老师预约实验时间并完成实验，提交实验报告。整个组织实验过程都由学生自己完成，学生占主导地位，老师只起到引导作用。但是有一点是老师必须及时了解和掌握学生实验的整体情况，保证师生之间的信息反馈。
2.4教学评价的开放
开放式实验教学，考试形式应该多种多样。实验成绩的评定不再是单一的平时实验报告的成绩总评，而是平时成绩和每次项目考核相结合。具体的评价方式是：学期课程总成绩=平时成绩(20%)+项目考核总成绩(80%)。平时成绩按统一标准从实验态度、出勤情况、预习等方面进行评定。每次项目考核成绩由实际操作、数据记录、回答问题、实验结果、完成书面报告等方面评定。每次项目操作过程中及操作完毕后，老师根据学生实验操作情况、回答老师提出的有关实验内容的问题情况和实验结果成功与否即时给出每次项目操作成绩。书面报告成绩给出以实验报告为依据。所占分值为：每次项目考核成绩=项目操作成绩(60%)+书面报告(40%)。项目考核总成绩等于多次项目考核成绩的平均值。
3结语
通过对2012级,2013级,2014级连续三年的各专业的无机化学实验教学模式进行改革，在无机化学实验教学上取得了很好的效果。整个教学在教学主体、教学内容、教学方法和教学目的等方面都发生了翻天覆地的变化。整个改革过程学生是最大的收益者，学生成为了教学的主体，不再是机械式的操作者，这样就使得学生的协作能力、设计能力、创新能力以及团队合作精神等综合素质都有很大程度的提高。这一教学模式的改革，很好的培养了大一学生的独立思考的能力，使得学生在从高中到大学阶段的过渡期发生了一个质的飞越，让学生明白了学习不是被动而是主动的，同时也很好的发展了学生的个性，为学生的以后学习阶段打下了良好的基础。
参考文献：
[1]史锐,成冰.浅谈无机化学实验教学改革与实践[J].辽宁中医药大学学报,2007,9(4):206.
[2]曹高娟,蒋文静.农林院校《实验化学》教学改革初步建议[J].教育改革,2011,9(24).
[3]赵新华主编.无机化学实验(第四版)[M].高等教育出版社,2014.
可发性聚苯乙烯（EPS）通称聚苯乙烯和苯乙烯系共聚物，是一种树脂与物理性发泡剂和其它添加剂的混合物。可发性PS可被加工成低密度的泡沫塑料剂品。最常见的可发性聚苯乙烯是含有作为发泡剂的戊烷的透明PS粒料。由可发性聚苯乙烯制出泡沫塑料制品有几个专门步骤，这也是许多塑料树脂的一种特性。可发性PS可用来制造各种制品如咖啡杯、吸收能量的汽车用减震器或300 ft3大的泡沫塑料块。EPS的主要用途是一次性饮料杯、抗震包装以及隔热材料。
化学与性能
可发性聚苯乙烯是小颗粒状树脂，直径一般为0．01－0．1in。大多数这种颗粒是悬浮聚合生成的珠粒，而较大直径的颗粒也可通过切粒得到。采用的珠粒大小决定于最终泡沫制品的最小壁厚。较大的粒子膨胀制成低密度泡沫制品比较容易，较小的粒子则较易制成填充均匀的部件。
加工
可发性PS的加工分二步。第一步为预发泡或简单发泡，设定最终产品的密度。在此过程中含有发泡剂的聚合物颗粒在加热条件下软化，发泡剂挥发。其结果是每个珠粒内产生膨胀，形成许多泡孔。泡孔的数量（最终密度）由加热温度和受热时间来控制。这个过程中，珠粒必须保持分散和自由流动状态。工业化生产时，发泡过程是将可发性 PS直接置于蒸汽中进行的，一般通过珠粒和蒸汽在搅拌釜中的连续混合完成反应，反应设备（象Rodman预发泡机）是以保持外界压力常压敞口的，并使已发泡的珠粒从顶端溢出。有的生产厂为了保证停留时间更均衡或是当某些可发性DPS需要比较高的温度时采用间歇釜。发泡以后珠粒要经熟化处理，使空气逐步掺入到泡孔中。
热成型是EPS发泡的第二步。首先．将熟化的预发泡珠粒放入具有特定型腔的模具中。对于小型的和复杂结构的产品，成型时要采用文氏管作用设备（如灌料枪）．借助空气流将珠粒吹至模腔中。大型的产品可依自身重力充满模腔。将充满粒料的模腔密闭并加热，珠粒受热软化，使泡孔膨胀。珠粒发泡膨胀至填满相互间的空隙，并粘结成均匀的泡沫体。此时这个泡沫体仍然是柔软的并承受泡孔内热气体的压力。从模具中取出制品之前，须使气体渗出泡孔和降低温度使制品形状稳定，这一般是采用向模具内壁喷水的方法。
由于成型模具是双层壁的，因此发泡PS的成型被称为“蒸气室成型”。模具内壁尺寸即为实际制品的尺寸，模具内壁上有气孔．以使蒸汽透过泡沫体并使热气扩散出去。双层壁之间的空间形成蒸汽室，其中通入用于加热珠粒的蒸汽。对于多数制品，发泡PS的成型压力低于276kPa。模具为铝制并按制品要求铸成一定形状。发泡PS的成型由于成型压力低、成型设备成本低，因此是一种经济的生产方法。
应用
发泡PS的主要用途是建筑工业用绝热材料，一次性用具（主要为咖啡杯）和抗震保护性包装材料。
隔热制品采用EPS是因其具有恒定的低热导率、低密度和低加工成本。EPS茶杯是由于EPS易发泡成薄形制品和具保温性。泡沫的吸震性、低成本和可成形性使EPS成为保护性包装材料的选择对象。
泡沫聚烯烃制品单位厚度吸收的冲击能更多，因此它可作为更易碎物品的包装以及用于吸震部件如有些新型汽车的减震系统。
泡沫塑料产品的性能取决于原料聚合物，但受泡沫的密度影响很大。一个密度为 11b／ft3的 PS泡沫产品其中 97％的体积是空气，这种产品的机械性能较差。泡沫体中所含的空气分隔成数百万个泡孔，正是它们的存在使聚合物泡沫材料具有许多有价值的特性。这些特性包括绝热性、吸收能量、漂浮性、高的刚度／重量比以及单位体积成本低等等。如表回所示，泡沫PS的大多数性能都与其密度有很明显的函数关系，因此生产者可不需重新设计模具，只根据加工工艺简单变化的需要对实际操作做些微小调整。PS泡沫的其它性能同样取决于聚合物的类型和发泡时用的数量。由于发泡PS产品的机械强度可由发泡密度来调节，因此有时通过选用另外一种泡沫聚合物来获得需要的强度。一个例子是获得不是属于强度方面的性能，如使PS提高其本身不具备的耐高温性和耐溶剂性；另一个例子是采用聚烯烃或烯烃／苯乙烯共聚体，可提高柔软性或伸长率，但强度提高不多。
答案补充 可发性聚苯乙烯（EPS）以颗粒的形式通过把发泡剂加入苯乙烯单体（SM）中并在压力（蒸汽或开水）被加入时发泡剂在空气中扩散、挥发的过程中使其发泡而制成。出口技术的范围是EPS（可发性聚苯乙烯）树脂的制造方法和相关制造设备。
技术特点：
A. 重量轻
可发性聚苯乙烯（EPS）的密度可根据发泡量级进行调节。可发性聚苯乙烯（EPS）易于处理因为它的重量只有水的1/30�0�01/80；具有优良的耐冲击性；在作为包装材料时，可解决重量问题。
B. 耐冲击性
如果具有足够的密度和厚度，它能够吸收外部冲击，并可被广泛地用作耐冲击包装材料。
C. 耐热
发泡颗粒中数量庞大的封闭腔室及较低导热性使它拥有良好的隔热效果，可广泛地用于隔离材料。
D. 防潮（水）
湿气通过毛细管被吸收，但可发性聚苯乙烯（EPS）发泡剂的腔室不是打开的而是封闭的，所以水不会通过发泡颗粒浸入。如果发泡剂在水中很长时间，湿气仅渗透表面而不会深入。
E. 机械加工性
加工方便的可发性聚苯乙烯（EPS）模制塑料产品可以很容易地被热射线、刀具或锯所切割，并很容易地被钉子、胶和玻璃纸带粘俯。答案补充 技术应用范围：
EPS（可发性聚苯乙烯）树脂在发泡过程中形成封闭的腔室结构，且空气流入腔室。因此，它具有较好的节能、防潮和隔音效果。它较好的耐冲击性使它能够被用于隔离材料，比如三隔板、专威特（Dryvit）板、墙壁屋顶隔离材料和冲击声音隔离等。它的应用范围可延伸至土木工程、园艺和其他特殊目的文秘杂烩网
