Excel解决化工问题的常用功能简介

大学化学

2010年6月

计算机与化学

Excel解决化工问题的常用功能简介

曹玲

(昌吉学院化学系 昌吉831100)

摘要 Excel在解决化工问题上的优越性主要通过常用的10项功能来体现。本文介绍使用这10项功能的经验。

Excel软件是国际公认的优秀软件。在国外,理工科高等院校已经开始将Excel列为大学生、研究生必须掌握的基本技能和必备工具。研究设计单位也将Excel作为解决具体工程问题的标准软件。由于它具有通用性强、易学性好、功能强大等特点,在解决化工问题中凸现优势。对于某些复杂的化工问题,若通过手工计算,即使采用简化模型,工作量也相当庞大,且精确度低,耗时,重现性差;而用其他工程软件,如应用较为广泛的Matlab,计算精度虽高,但需要编程,对使用者要求较高。利用Excel的功能,可方便快捷地解决问题。本文通过化工案例介绍了Excel在化工计算中的常用功能。1 函数

函数是Excel实现计算功能的有力工具,它预装的各种函数多达245个,不仅有常用的工程数学函数,而且还有财务函数、逻辑函数、时间函数、统计函数、时间和日期、文本、查找信息、数据库等9大类函数。

函数的输入方法有4种:¹直接在/编辑栏0中输入函数;º利用编辑栏公式按钮/=0;»选择/插入0、/函数0指令;¼用鼠标单击/粘贴函数0图标/fx0。这里仅例举IF函数。IF函数是执行真假值判断,根据任意值或表达式进行逻辑计算,判断结果的真假,返回不同结果。可以使用函数IF对数值和公式进行条件检测。语法格式是:IF(logical_tes,tvalue_if_true,value_if_false)。如表1所示,在D6单元格中选用相应的操作线方程计算y2,可根据各板液相组成和进料组成,判断是精馏段还是提馏段。2 相对地址和绝对地址引用

Excel工作表上的单元格是一个基本单位,为了使用方便,Excel为每一单元格赋予引用地址,单元格的引用地址都以列标和行号表示。相对引用时,将公式向右或向下复制时列标和行号跟着变化;绝对引用时,将公式向右或向下复制时列标和行号固定不变。例如,在例题1精馏设计计算中,用逐板计算法确定塔内两相组成分布时,第2块塔板以下的计算就是借助公式的绝对和相对应用,通过填充柄简单的复制操作来完成。3 填充柄

Excel中填充柄为位于选定右下角的小黑块。将鼠标指向填充柄时,鼠标的形状变为黑十

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字。拖动填充柄可以将内容复制到相邻单元格中。利用填充柄对公式的填充实际上是一种复制操作,故对一个公式进行填充操作时,Excel会对公式中相对引用的单元作相应的调整。

图1 理论板数和进料位置的确定计算结果

例题1:利用精馏塔分离苯-甲苯混合液,已知条件见图1中单元格B4~B9。确定:¹

所需要的理论塔板数;º加料板位置。

首先,在B10中输入式/=(B5-B6)/(B4-B6)0计算F/D。结果F/D=5.424。然后,确定理论塔板数N和进料位置NF。在表1D5中输入Y1=XD=0.98,在E5中输入式/=D5/($B$8-($B$8-1)*D5)0计算X1。为选用相应的操作线方程计算y2,在D6中输入/=IF(E5>$B$4,$B$9*E5/($B$9+1)+$B$5/($B$9+1),IF(E5>$B$6,($B$9+$B$10)*E5/($B$9+1)-($B$10-1)*$B$6/($B$9+1),\"End\"))0。在E6中输入/=D6/($B8-($B$8-1)*D6)0计算X2。在F6中输入/=IF(E6>$B$4,\"精馏段\IF(E6>$B$6,\"提馏段\",\"End\"))0,提示该塔板所处的位置。选定D6~F6,拖拽填充柄直至/End0。同时,G5~G14标明塔板序号。理论塔板数N=10,进料位置NF=8。4 重新计算

/重新计算0可在/工具0的下拉菜单/选项0中找到,选中/反复操作0复选框即可,它主要用于解决循环引用问题,计算精度及迭代次数均可调整。 例题2:如图2中所示,浓度为20%(质量百分数,下同)的KNO3水溶液以1000kg/h流量送入蒸发器,在某温度下蒸出一部分水而得到浓度为50%的KNO3水溶液,再送入结晶器冷却析出含有4%水分的KNO3晶体并不断取走。浓度为37.5%的KNO3饱和母液则返回蒸发器循环处理,该过程为连续稳定过程,试求:各物流的总流率及各物流中KNO3的质量流率。

在Excel中列出工艺说明,在C列中输入每条说明对应的数值。标上所有物流组分的名称。输入各列流率计算公式,如图2所示。此时,打开/工具0,/选项0中的/重新计算0,选中/迭代计算0选项框,单击/确定0后Excel自动开始迭代,直到单元格所有值都收敛。计算结果如图3所示。5 单变量求解

/单变量求解0可在/工具0的下拉菜单中找到,适用于已经知道公式的结果,但不知道这44[1]

图2 初始计算各流率计算公式示意

图3 物料衡算计算结果

个结果所需的输入值。进行单变量求解时,Excel通过不断改变单元格中的数值,直到从属于这个单元格的公式返回预期的结果。单变量求解只给出一个解,尽管有几个解,单变量求解只提供和初始值相同符号的解。例如,在进行双组分理想体系泡露点计算时,借助单变量求解功能,可避免试差计算。

[2]

例题3:以乙苯-苯乙烯二元理想体系为例。已知:塔板压力p=8kPa,气相组成y=0.595(乙苯摩尔分数)。进行露点t的试算。

具体计算过程如图4所示,首先,给出初始值t0=50,于B1,在B2、B3、B4、B5和B6中依次输入对应公式。EXCEL自动计算结果(图4)。因为f(t)X0,启动工具菜单中的/单变量求解0,以B6为目标单元格,目标值=0,B1为可变单元格。/确定0后,EXCEL重新计算。计算结果如图5所示。蒸气温度t=65.31e,平衡液相组成x=0.5104。6 单元格的定义

在Excel中,能够赋予单元格或单元格区域一个名字,并且在公式中得到应用。在化工计算中有相当多的数据是预先给定的,将名字替换引用地址,对于执行操作而言是相当便利的,并且能够进一步保障引用的正确性。

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图4 Excel首次计算结果示意图5 露点计算结果

7 规划求解

/规划求解0是一个Excel程序,使用时需要先进行加载。在/工具0菜单上,单击/加载宏0。在/可用加载宏0框中,选中/规划求解0旁边的复选框,然后单击/确定0。如果/规划求解0未列出,可单击/浏览0进行查找。如果出现一条消息,指出计算机上当前没有安装规划求解,可单击/是0进行安装。加载规划求解后,/规划求解0命令会添加到/工具0菜单中。

/规划求解0适用于需要同时改变多个单元格中的数值,并且要求同时满足某些给定的约束条件,以获得目标单元格中的指定值,待操作的各个单元格必须通过工作表上的公式相关

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联。下面用文献的算例进行计算。

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例题4:界面温度的求取,某炉壁由下列3种材料组成,各材料的导热系数K#K)i(W#m和厚度D外表面温度分别为930e和55e,求单位面积的热损失i(m)如图6所示。已测得内、q和各层间接触面的温度t2、t3。

图6 规划求解参数对话框

首先,利用Excel的/绘图0工具绘制传热示意图。为保持图的美观,各参数的符号和单位全用/文本框0添加,参数的数值单独输入到单元格中,此时单元格C3与D6是空白。然后根据公式q=E$t/ED计算整个串联过程单位面积的热损失q,如在C14单元格输入:=

KAm

(B2-E8)/(B9/B10+C9/C10+D9/D10);再分别计算耐火砖、保温砖和建筑砖的热损失q1、q2和q3,在C15单元格输入:=(B2-C3)/(B9/B10),C16和C17单元格中的公式与C15类似。因为是稳态一维传热过程,故有f(t)=(q1-q)+(q2-q)+(q3-q)。在C18中输入:=(C14-C15)^2+(C16-C14)^2+(C17-C14)^2。这时,C18单元格数值X0,启动/规划求462

2

2

解0工具,设置目标单元格为/$C$180,目标值为/00,可变单元格为/$C$3,$D$60,如图6所示。计算结果如图7所示。

图7 界面温度的求解结果

8 控件

Excel的控件分为两种类型:ActiveX控件和/窗体0工具栏控件。ActiveX控件能向用户提供选项或运行使任务自动化的宏或脚本。可在MicrosoftVisualBasicforApplications中编写控件的宏,或在Microsoft脚本编辑器中编写脚本。如复选框、文本框、命令按钮等都是ActiveX控件。可以实现计算过程的自动化。例如:在传热过程中,由于操作工况不同、流向不同(逆流或并流)时,对数平均温度的计算公式也会有所不同,这时可采用/宏0制作开关的功能。

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采用该功能不必在计算过程中再更改公式,因此非常方便。9 数组公式

对于求解线性方程组,利用数组公式求解是最为合适的。如文献[5]在进行烟道气组成求解过程中。根据物料衡算,得到6个线性方程式。然后利用数组公式,很方便地求得答案。10 图表功能

利用Excel可通过插入图表、添加趋势线进行一元线性回归。对于多元线性回归,可利用Excel软件的回归分析功能进行,即利用/工具0菜单中的/数据分析0命令进行。而多元非线性回归则较复杂,必须经过适当的转换,将某些非线性经验公式转化为线性形式。再借助Exce的l图表功能,进行回归处理。

Excel的功能强大,为化工计算众多的复杂问题提供了简捷、准确的计算途径,使得计算过程快速、准确,省去了编写程序的麻烦,大大提高了工作效率。

参 考 文 献

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马凤云,曹玲,黄雪莉.计算机与应用化学,2006,23(3):275曹玲,马凤云,叶枫.计算机与应用化学,2005,22(10):921

陈敏恒,丛德滋,方图南,等.化工原理(上册).第2版.北京:化学工业出版社,2000陆红伟.工程软件在化工单元操作中应用研究.大学硕士学位论文,2005刘俏.大连民族学院学报,2004,6(3):14

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