MATLAB在化学工程与工艺实验数据处理中的应用

MATLAB在化学工程与工艺

实验数据处理中的应用

朱　涛,徐文艳

(上海师范大学生命与环境科学学院,上海201418)

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[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;MatlabTheApplicationofMATLABinDataProcessingof

ChemicalEngineeringExperiments

ZhuTao,XuWenyan

Abstract:AnattemptbyusingMATLABinexperimentsofChemicalEngineeringhasbeenmade.Thetraditionalwayofworkingouttheexperimentdataisverycomplicatedanditwilltaketoomuchtime.Becauseofparallelexperiments,toomuchrepetitionappearsindataprocessing.ByusingthetoolMAT2LAB,peoplecanbefreedfrommanualwork.InthisessayanexperimentofUnitOperationsisdescribedtoshowhowtodotheprocessing.

Keywords:ChemicalEngineering;Dateprocessing;Matlab;SpecialExperiments

　　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

[1]

程与工艺问题。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

[作者简介]朱涛(19822),男,现在化工企业从事研发工作;徐文艳(19672),女,硕士,讲师。

3基金项目:应用化学教育高地项目,(玉)JY601。

　　　　　MATLAB在化学工程与工艺实验数据处理中的应用61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,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

图2-1

　　(二)程序的编制

1.数据的输入

数据的输入是利用提示输入函数input来实现的,具体的方式是(以输入温度为例):t=input(′);[3]而程序中所用请输入工作温度(摄氏度):′

到的数组则都是以矩阵的形式输入。

2.数据处理与作图

在科学研究与工程实践中,常常测量得到许多离散的实验数据和工业数据,这些数据通常需要经过各种拟合方法以得到连续光滑的曲线。其中,最常用的就是最小二乘法曲线拟合。

本文也是采用最小二乘法进行实验数据的拟合。已知离散实验数据(xi,yi),用最小二乘法可以拟合因变量y和自变量x之间的函数关系y=

f(x),其基本思路是,在给定点xi上使残差平方

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

[2]效。

和

∑(f(x)

i

-yi)最小。由于观测数据往往带

2

有实验误差,而最小二乘拟合方法并不要求拟合函数y=f(x)经过所有的实验点(xi,yi),只要求残差平方和最小,因此,用最小二乘法来拟合实验

[3]

数据是非常合适的。

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

流体流动阻力的测定实验是把实验得出的原始数据,通过计算机程序计算得到一系列摩擦系

)与雷诺准数(Re)的离散点,然后通过最小数(λ

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。

二乘法拟合出两者之间的模型。并作出相应的图形。

)与雷诺准数(Re)从文献可知:摩擦系数(λ

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

是成双对数关系[4],即肯定符合

λ=aReb+c

其中,a、b、c都为常数,故可假定c=0。则上式可化为:

λ=aReb

两边取对数:

λ=blogRe+logalog

(2-3)(2-2)(2-1)

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。

62MATLAB在化学工程与工艺实验数据处理中的应用　　　　　　　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

　　作图:

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

　　2.结果:

要的。

参考文献:

(责任编辑:张明德)

[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.