常用科研软件Origin在化工专业实验教学中的应用探索

唐石云，郭俊江，唐安江

(贵州理工学院，贵州 贵阳 550003)

化工专业实验是高等院校化学工程与工艺专业的一门独立专业实验课程，其主要任务是通过本课程的学习，一方面巩固所学的理论知识和进一步加深基础理论的认识，另一方面培养学生对实验现象进行分析、归纳和总结的能力，为今后从事有关的科研技术工作打下良好的基础。与基础的无机化学实验、物理化学实验、有机化学实验及分析化学实验相比，该实验课程实践性、专业性、综合性更强[1]。在化工专业实验教学过程中，往往需要对大批量的实验数据进行处理，不仅仅是记录和整理数据，还要对数据进行分析和计算，然后通过数据表格、图形及函数拟合来展示实验结果，说明实验现象原因，并做出总结和分析。传统的利用计算器、坐标纸等手工计算和作图不仅费时费力，而且还容易引入较多的不确定性及较大误差。此外，现在的化工专业实验常采用现代先进的科技仪器，比如流量计常采用数显的质量流量计，不再是普通机械式流量计；进料泵常采用更加精准的高压恒流柱塞泵等。这些仪器在使用之前都需要进行实际工况下的校准，这一步骤往往是许多学生所忽略的，致使老师难以客观评价学生的实验数据的好坏。

随着科技的发展，计算机辅助教学的优越性越来越引起人们的广泛关注，在现代教学中各高校已广泛开展各类计算机辅助教学平台，如慕课(MOOC)平台等[2]。将计算机用于辅助《化工专业实验》的教学是一项十分重要而有意义的工作，它可以使学生快速掌握通过计算机软件处理实验数据的方法，将数据转化为直观可视的图形、曲线，不仅便于学生分析数据的规律、数据变化的趋势，而且有利于减小手工制图的误差，提高绘图效率。目前可应用于实验教学的软件包括Excel、Matlab，SAS，Origin等，其中Origin是用于数据处理最为常用的软件之一。该软件主要有两大功能—数据分析和科学绘图。由于Origin软件采用直观的窗口菜单和操作工具栏，数据处理和绘图过程无需编写任何程序代码，使用时非常方便，因此深受各国科技工作者的喜爱而被广泛应用。比如，赵艳等探讨了Origin在大学化学实验中的相图绘制以及线性拟合[3]；孟卫等把Origin软件应用于物理化学实验，得到了规范可靠的结果同时提高了数据处理效率[4]；王忠巍等采用Origin分段拟合对化工原理精馏实验数据进行分析[5]；赵波介绍了Origin软件在化工原理离心泵实验教学中的应用[6]；张红医等采用Origin的求根附件快速准确地计算了酸碱溶液氢离子平衡浓度[7]。可见，Origin软件用于辅助实验教学已越来越广泛，然而其在化工专业实验教学中的应用尚未见报道。

本文针对化工专业实验教学过程中易被忽视的过程的教学步骤，结合具体的实验数据实例，介绍运用Origin软件如何把化工专业实验数据处理成直观可视的图形、曲线，并分析数据的规律、数据变化的趋势等。

1 Origin软件在化工专业准备实验中对仪器设备标定数据的处理应用实例

1.1 差压式气体质量流量计标定

差压式气体质量流量是通过测量层流元件的差压、压力、温度来计算流量。 将计算流量值与设定流量值进行比较，采用PID闭环控制调节阀门，使流过通道的流量与设定的流量相等。具有固有的线性、重复性好、精度高、无需预热、温漂小等优点，在现代化工专业实验设备中广泛使用。然而，该类型流量计出厂时流量标定往往是在标准状况(0℃，101.3 kPa)下进行，因此，实验前必须在实验室条件下进行重新标定。现以D07-7型气体质量流量计标定为例说明，在室温，101.3 kPa条件下采用皂沫流量计标定，实验数据见表1。其中，uo为设定流速，us为实际流速，t为时间，V为皂沫在时间t内所通过的体积。

表1 皂沫流量计标定差压式气体质量流量计实验数据

打开Origin9.0，点击File-New-workbook新建一个工作簿，将表1的u0和us列数据复制粘贴到新的工作簿中。选中u0列，右击选择Set As-X，设置其为X轴，同样方法设置us列为Y轴，按住Ctrl选择这两列需要拟合的数据，点击Plot-Symbol-Scatter，绘制散点图。在当前图形窗口下，选择Analysis-Fitting-Linear Fit，打开Linear Fit对话框，一般直接采用默认的设置就可以了，点击OK，拟合出来的曲线及拟合结果将直接显示，如图1所示。结果记录中显示了拟合直线的公式、斜率和截距的值以及其误差，相关系数和标准偏差等数据。线性拟合结果为Y=-1.23418+1.45827X，R = 0.99801，由R值的结果可以看出，曲线的拟合效果较好。实验时，通过拟合方程就可以根据实际需要的气体流量计算出需要设置的显示流量值。采用同样的方法我们可以对高压恒流柱塞泵流量标定。

图1 差压式气体质量流量计标定线性

1.2 炉温分布的标定

表2 不同设定温度下三段式控温管式炉炉温标定实验数据

众所周知，反应温度对化学反应的影响至关重要。在化工专业实验中，常用到马弗炉、管式炉等加热设备对反应提供能量，采用标准热电偶可以对炉温分布进行标定，以确定其恒温区。现以ø300×500 mm、加热功率1.5 kW的三段式控温管式炉炉温标定为例说明。表2为不同设定温度下(500～800 ℃)，采用标准Pt热电偶标定得到的实验数据。其中，D为距离炉入口的距离，T为温度。

图2 炉温分布曲线

打开Origin9.0，点击File-New-workbook新建一个工作簿，将表2的数据复制粘贴到新的工作簿中。一般系统会默认第一列为X轴，其他列均为Y轴。按住Ctrl+A全选，依次点击Plot，Line+Symbol，Line+Symbol，绘制点线图。双击图中曲线，弹出Plot Details对话框，在Connect中选择B-Spline可使图中线条圆滑。最后双击坐标轴可在Axis对话框中对坐标轴的相关参数进行修改，并使用左边的工具条突出想从图中获取的关键信息使图形更加美观，如图2所示。从图2中可以直观地看出，实验中管式炉的设定温度与实际温度偏差可达30℃左右，其恒温区长度随着设定温度的增加而缩短，由于散热的差异恒温区在图中呈现出梯形。实验时，通过恒温区的温度和长度我们可选择合适的位置设计反应。

2 Origin软件在化工专业实验—催化剂颗粒内扩散有效因子测定实验数据处理应用实例

催化剂颗粒内扩散有效因子测定采用气固相催化苯加氢法，用镍催化剂在固定床反应器中合成环己烷。在Ni/Al2O3固体催化剂作用下，苯加氢反应方程式为：

此反应可近似看成单一不可逆放热反应，在氢气大大过量的情况下可视为拟一级反应。实验中，宏观反应速率RA、转化率xA、催化剂质量W、苯的摩尔流率FA0有如下关系：

可见，宏观反应速率可由xA～W/FA0作图，曲线上任意一点的斜率就对应于该转化率下的宏观反应速率。在此实验中，我们通过改变苯和氢气的进料流量测定了同一温度下反应器出口组成，从而求得苯的转化率xA，结果如表3所示。其中，T为反应温度，UH2为H2流量，U0为苯流量，xA为苯的转化率，W/FA0为空速。

表3 苯加氢测定催化剂颗粒内扩散有效因子实验数据

图3 转化率与空速的关系曲线

启动Origin9. 0后，在其提供的空表中输入上述的实验数据，在A(X)列输入空速W/FA0，在B(Y)列中输入相应的转化率xA。按住Ctrl选择这两列需要拟合的数据，点击Plot-Symbol-Scatter，绘制散点图。在当前图形窗口下，选择Analysis-Fitting-Polynomial Fit，打开Polynomial Fit多项式拟合对话框，一般直接采用默认的设置就可以了，点击OK，拟合出来的多项式曲线及拟合结果将直接显示，如图3所示。结果记录中显示了拟合多项式曲线的公式、截距以及其误差，相关系数、残差平方和等数据。拟合多项式为Y=-2.47474+0.78997X- 0.00215X2，R = 0.94917。由R值的结果可以看出，曲线的拟合效果较好。可见，随着空速的增加，转化率逐渐增大，最后趋于平缓。

3 结语

随着时代的进步，传统方法计算和作图已渐渐不适于高校现代化的化工专业实验教学，先进的仪器仪表、实验设备虽然使实验过程变得简洁便利，但是这往往让我们更容易忽略实验前对仪器设备的实际工况校准，致使实验数据的好坏难以评价。采用计算机应用于实验的辅助教学是时代发展的必然结果。以上应用实例表明，运用Origin软件进行化工专业实验数据的绘图及曲线拟合无需编程，操作简便、直观易用、容易掌握。Origin软件在化工专业实验数据处理方面快捷方便，提高了实验数据分析效率，利于全方位实验教学，可在化工专业实验数据的分析及处理当中全面推广。