Excel解決化工問(wèn)題的常用功能簡(jiǎn)介

曹玲

(昌吉學(xué)院化學(xué)系 新疆昌吉831100)

計(jì)算機(jī)與化學(xué)

Excel解決化工問(wèn)題的常用功能簡(jiǎn)介

曹玲

(昌吉學(xué)院化學(xué)系 新疆昌吉831100)

Excel在解決化工問(wèn)題上的優(yōu)越性主要通過(guò)常用的10項(xiàng)功能來(lái)體現(xiàn)。本文介紹使用這10項(xiàng)功能的經(jīng)驗(yàn)。

Excel軟件是國(guó)際公認(rèn)的優(yōu)秀軟件。在國(guó)外，理工科高等院校已經(jīng)開(kāi)始將Excel列為大學(xué)生、研究生必須掌握的基本技能和必備工具。研究設(shè)計(jì)單位也將Excel作為解決具體工程問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)軟件。由于它具有通用性強(qiáng)、易學(xué)性好、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，在解決化工問(wèn)題中凸現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于某些復(fù)雜的化工問(wèn)題，若通過(guò)手工計(jì)算，即使采用簡(jiǎn)化模型，工作量也相當(dāng)龐大，且精確度低，耗時(shí)，重現(xiàn)性差;而用其他工程軟件，如應(yīng)用較為廣泛的Matlab，計(jì)算精度雖高，但需要編程，對(duì)使用者要求較高。利用Excel的功能，可方便快捷地解決問(wèn)題。本文通過(guò)化工案例介紹了Excel在化工計(jì)算中的常用功能。

1 函數(shù)

函數(shù)是Excel實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能的有力工具，它預(yù)裝的各種函數(shù)多達(dá)245個(gè)，不僅有常用的工程數(shù)學(xué)函數(shù)，而且還有財(cái)務(wù)函數(shù)、邏輯函數(shù)、時(shí)間函數(shù)、統(tǒng)計(jì)函數(shù)、時(shí)間和日期、文本、查找信息、數(shù)據(jù)庫(kù)等9大類(lèi)函數(shù)。

函數(shù)的輸入方法有4種:①直接在“編輯欄”中輸入函數(shù);②利用編輯欄公式按鈕“=”;③選擇“插入”、“函數(shù)”指令;④用鼠標(biāo)單擊“粘貼函數(shù)”圖標(biāo)“fx”。這里僅例舉IF函數(shù)。IF函數(shù)是執(zhí)行真假值判斷，根據(jù)任意值或表達(dá)式進(jìn)行邏輯計(jì)算，判斷結(jié)果的真假，返回不同結(jié)果?？梢允褂煤瘮?shù)IF對(duì)數(shù)值和公式進(jìn)行條件檢測(cè)。語(yǔ)法格式是:IF(logical_test，value_if_true，value_if_false)。如表1所示，在D6單元格中選用相應(yīng)的操作線方程計(jì)算y2，可根據(jù)各板液相組成和進(jìn)料組成，判斷是精餾段還是提餾段。

2 相對(duì)地址和絕對(duì)地址引用

Excel工作表上的單元格是一個(gè)基本單位，為了使用方便，Excel為每一單元格賦予引用地址，單元格的引用地址都以列標(biāo)和行號(hào)表示。相對(duì)引用時(shí)，將公式向右或向下復(fù)制時(shí)列標(biāo)和行號(hào)跟著變化;絕對(duì)引用時(shí)，將公式向右或向下復(fù)制時(shí)列標(biāo)和行號(hào)固定不變。例如，在例題1精餾設(shè)計(jì)計(jì)算中，用逐板計(jì)算法確定塔內(nèi)兩相組成分布時(shí)，第2塊塔板以下的計(jì)算就是借助公式的絕對(duì)和相對(duì)應(yīng)用，通過(guò)填充柄簡(jiǎn)單的復(fù)制操作來(lái)完成。

3 填充柄

Excel中填充柄為位于選定右下角的小黑塊。將鼠標(biāo)指向填充柄時(shí)，鼠標(biāo)的形狀變?yōu)楹谑?。拖?dòng)填充柄可以將內(nèi)容復(fù)制到相鄰單元格中。利用填充柄對(duì)公式的填充實(shí)際上是一種復(fù)制操作，故對(duì)一個(gè)公式進(jìn)行填充操作時(shí)，Excel會(huì)對(duì)公式中相對(duì)引用的單元作相應(yīng)的調(diào)整。

圖1 理論板數(shù)和進(jìn)料位置的確定計(jì)算結(jié)果

例題1［1］:利用精餾塔分離苯-甲苯混合液，已知條件見(jiàn)圖1中單元格B4～B9。確定:①所需要的理論塔板數(shù);②加料板位置。

首先，在B10中輸入式“=(B5－B6)/(B4－B6)”計(jì)算F/D。結(jié)果F/D=5.424。然后，確定理論塔板數(shù)N和進(jìn)料位置NF。在表1 D5中輸入Y1=XD=0.98，在E5中輸入式“=D5/ ($B$8－($B$8－1)*D5)”計(jì)算X1。為選用相應(yīng)的操作線方程計(jì)算y2，在D6中輸入“=IF(E5＞$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$9 +1)，"End"))”。在E6中輸入“=D6/($B8－($B$8－1)*D6)”計(jì)算X2。在F6中輸入“=IF(E6＞$B$4，"精餾段"，IF(E6＞$B$6，"提餾段"，"End"))”，提示該塔板所處的位置。選定D6～F6，拖拽填充柄直至“End”。同時(shí)，G5～G14標(biāo)明塔板序號(hào)。理論塔板數(shù)N=10，進(jìn)料位置NF=8。

4 重新計(jì)算

“重新計(jì)算”可在“工具”的下拉菜單“選項(xiàng)”中找到，選中“反復(fù)操作”復(fù)選框即可，它主要用于解決循環(huán)引用問(wèn)題，計(jì)算精度及迭代次數(shù)均可調(diào)整。

例題2:如圖2中所示，濃度為20%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，下同)的KNO3水溶液以1000kg/h流量送入蒸發(fā)器，在某溫度下蒸出一部分水而得到濃度為50%的KNO3水溶液，再送入結(jié)晶器冷卻析出含有4%水分的KNO3晶體并不斷取走。濃度為37.5%的KNO3飽和母液則返回蒸發(fā)器循環(huán)處理，該過(guò)程為連續(xù)穩(wěn)定過(guò)程，試求:各物流的總流率及各物流中KNO3的質(zhì)量流率。

在Excel中列出工藝說(shuō)明，在C列中輸入每條說(shuō)明對(duì)應(yīng)的數(shù)值。標(biāo)上所有物流組分的名稱。輸入各列流率計(jì)算公式，如圖2所示。此時(shí)，打開(kāi)“工具”，“選項(xiàng)”中的“重新計(jì)算”，選中“迭代計(jì)算”選項(xiàng)框，單擊“確定”后Excel自動(dòng)開(kāi)始迭代，直到單元格所有值都收斂。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

5 單變量求解

“單變量求解”可在“工具”的下拉菜單中找到，適用于已經(jīng)知道公式的結(jié)果，但不知道這個(gè)結(jié)果所需的輸入值。進(jìn)行單變量求解時(shí)，Excel通過(guò)不斷改變單元格中的數(shù)值，直到從屬于這個(gè)單元格的公式返回預(yù)期的結(jié)果。單變量求解只給出一個(gè)解，盡管有幾個(gè)解，單變量求解只提供和初始值相同符號(hào)的解。例如，在進(jìn)行雙組分理想體系泡露點(diǎn)計(jì)算時(shí)，借助單變量求解功能，可避免試差計(jì)算。

圖2 初始計(jì)算各流率計(jì)算公式示意

圖3 物料衡算計(jì)算結(jié)果

例題3［2］:以乙苯-苯乙烯二元理想體系為例。已知:塔板壓力p=8kPa，氣相組成y= 0.595(乙苯摩爾分?jǐn)?shù))。進(jìn)行露點(diǎn)t的試算。

具體計(jì)算過(guò)程如圖4所示，首先，給出初始值t0=50，于B1，在B2、B3、B4、B5和B6中依次輸入對(duì)應(yīng)公式。EXCEL自動(dòng)計(jì)算結(jié)果(圖4)。因?yàn)閒(t)≠0，啟動(dòng)工具菜單中的“單變量求解”，以B6為目標(biāo)單元格，目標(biāo)值=0，B1為可變單元格?！按_定”后，EXCEL重新計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。蒸氣溫度t=65.31℃，平衡液相組成x=0.5104。

6 單元格的定義

在Excel中，能夠賦予單元格或單元格區(qū)域一個(gè)名字，并且在公式中得到應(yīng)用。在化工計(jì)算中有相當(dāng)多的數(shù)據(jù)是預(yù)先給定的，將名字替換引用地址，對(duì)于執(zhí)行操作而言是相當(dāng)便利的，并且能夠進(jìn)一步保障引用的正確性。

圖4 Excel首次計(jì)算結(jié)果示意

圖5 露點(diǎn)計(jì)算結(jié)果

7 規(guī)劃求解

“規(guī)劃求解”是一個(gè) Excel程序，使用時(shí)需要先進(jìn)行加載。在“工具”菜單上，單擊“加載宏”。在“可用加載宏”框中，選中“規(guī)劃求解”旁邊的復(fù)選框，然后單擊“確定”。如果“規(guī)劃求解”未列出，可單擊“瀏覽”進(jìn)行查找。如果出現(xiàn)一條消息，指出計(jì)算機(jī)上當(dāng)前沒(méi)有安裝規(guī)劃求解，可單擊“是”進(jìn)行安裝。加載規(guī)劃求解后，“規(guī)劃求解”命令會(huì)添加到“工具”菜單中。

“規(guī)劃求解”適用于需要同時(shí)改變多個(gè)單元格中的數(shù)值，并且要求同時(shí)滿足某些給定的約束條件，以獲得目標(biāo)單元格中的指定值，待操作的各個(gè)單元格必須通過(guò)工作表上的公式相關(guān)聯(lián)。下面用文獻(xiàn)的算例進(jìn)行計(jì)算［3］。

例題4:界面溫度的求取，某爐壁由下列3種材料組成，各材料的導(dǎo)熱系數(shù)λi(W·m－1·K－1)和厚度δi(m)如圖6所示。已測(cè)得內(nèi)、外表面溫度分別為930℃和55℃，求單位面積的熱損失q和各層間接觸面的溫度t2、t3。

圖6 規(guī)劃求解參數(shù)對(duì)話框

圖7 界面溫度的求解結(jié)果

8 控件

Excel的控件分為兩種類(lèi)型:ActiveX控件和“窗體”工具欄控件。ActiveX控件能向用戶提供選項(xiàng)或運(yùn)行使任務(wù)自動(dòng)化的宏或腳本?？稍贛icrosoft Visual Basic for Applications中編寫(xiě)控件的宏，或在Microsoft腳本編輯器中編寫(xiě)腳本。如復(fù)選框、文本框、命令按鈕等都是ActiveX控件?？梢詫?shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程的自動(dòng)化。例如:在傳熱過(guò)程中，由于操作工況不同、流向不同(逆流或并流)時(shí)，對(duì)數(shù)平均溫度的計(jì)算公式也會(huì)有所不同，這時(shí)可采用“宏”制作開(kāi)關(guān)的功能。采用該功能不必在計(jì)算過(guò)程中再更改公式，因此非常方便［4］。

9 數(shù)組公式

對(duì)于求解線性方程組，利用數(shù)組公式求解是最為合適的。如文獻(xiàn)［5］在進(jìn)行煙道氣組成求解過(guò)程中。根據(jù)物料衡算，得到6個(gè)線性方程式。然后利用數(shù)組公式，很方便地求得答案。

10 圖表功能

利用Excel可通過(guò)插入圖表、添加趨勢(shì)線進(jìn)行一元線性回歸。對(duì)于多元線性回歸，可利用Excel軟件的回歸分析功能進(jìn)行，即利用“工具”菜單中的“數(shù)據(jù)分析”命令進(jìn)行。而多元非線性回歸則較復(fù)雜，必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換，將某些非線性經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)化為線性形式。再借助Excel的圖表功能，進(jìn)行回歸處理。

Excel的功能強(qiáng)大，為化工計(jì)算眾多的復(fù)雜問(wèn)題提供了簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確的計(jì)算途徑，使得計(jì)算過(guò)程快速、準(zhǔn)確，省去了編寫(xiě)程序的麻煩，大大提高了工作效率。

［1］ 馬鳳云，曹玲，黃雪莉.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2006，23(3):275

［2］ 曹玲，馬鳳云，葉楓.計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2005，22(10):921

［3］ 陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理(上冊(cè)).第2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000

［4］ 陸紅偉.工程軟件在化工單元操作中應(yīng)用研究.新疆大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005

［5］ 劉俏.大連民族學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，6(3):14