实验规划又称实验设计,从20世纪50年代起它作为数学的一个重要分支,以数理统计原理为基础,起初是在生物科学上发展起来的,其后就被迅速地应用到自然科学、技术科学和管理科学等各个领域,并取得了令人瞩目的成就。在化工实验过程中,怎样组织实验、实验点怎样安排、检测变量怎样选择、实验范围如何确定等,所有这些都属于实验规划的范畴。
对于任何科学研究,实验是最耗费时间、精力和物力的,整个研究过程的主要成本几乎也总是花在实验方面。所以一个好的实验设计,要能以最少的工作量获取最大的信息,这样不仅可以大幅度地节省研究成本,而且往往会有事半功倍的效果。反之,如果实验研究计划设计不周,不仅费时、费力、费钱,而且可能导致实验结论谬误。
化工中的实验工作五花八门,但一般来说,大致可以归纳为以下两大类型。
(1)析因实验(www.xing528.com)
影响某一过程或对象的因素可能有许多,如物性因素、设备因素、操作因素等,究竟有哪几种因素对该过程或对象有影响,哪些因素的影响比较大,需在过程研究中着重考察,哪些因素的影响比较小,可以忽略,此外,有些变量之间的交互作用也可能对过程产生不可忽视的影响,所有这些都是化工工作者在面对一个陌生的新过程时首先要考虑的问题。通常解决这一问题的途径有两个:一是根据有关化工基础理论知识加以分析,二是直接通过实验来进行鉴别。我们知道,由于化工过程的复杂性,即使经验十分丰富的工程技术人员也往往难以做出正确的判断,因此必须通过一定的实验来加深对过程的认识。从这一意义上说,析因实验也可称为认识实验。在过程新工艺的开发或新产品开发的初始阶段,往往需要借助析因实验。
(2)过程模型参数的确定实验
无论是经验模型还是机理模型,其模型方程式中都含有一个或数个参数,这些参数反映了过程变量间的数量关系,同时也反映了过程中一些未知因素的影响。为了确定这些参数,需要进行实验以获得实验数据,然后,即可利用回归或拟和的方法求取参数值。要说明的是,机理模型和半经验半理论模型是先通过对过程机理的分析建立数学模型方程,再有目的地去组织少量实验拟合模型参数。经验模型往往是先通过足够的实验研究变量间的相互关系,然后通过对实验数据的统计回归处理得到相互的经验关联式,而人们事先并无明确的目的要去建立什么样的数学模型。因此,所有的经验模型都可看成是变量间相互关系的直接测定的产物。
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