Microsoft Excel在化工原理實驗中的應(yīng)用

李偉偉，楊 杰

（新鄉(xiāng)學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003）

化工原理是通用性較強的專業(yè)基礎(chǔ)課，與化學(xué)、化工、生物、制藥和材料等相關(guān)專業(yè)存在密切的聯(lián)系，搞好化工原理的教學(xué)對于培養(yǎng)學(xué)生運用工程觀點分析和解決化工方面的實際問題有著重要的意義?；ぴ韺嶒炇桥c化工原理配套的實驗課，與理論課相比是同等重要的［1-2］。開展化工原理實驗的教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力、工程實踐能力以及創(chuàng)新能力等方面發(fā)揮著十分重要的作用。

在實驗教學(xué)中，常做的化工原理實驗包括流體流動、過濾、傳熱、吸收、精餾和干燥等實驗?；ぴ韺嶒炚n中實驗的特點是操作過程比較簡單，實驗需要測量的數(shù)據(jù)比較多，實驗步驟也比較多，計算過程比較復(fù)雜，計算難度比較大。這要求學(xué)生具有較強的數(shù)據(jù)處理和分析能力，而采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，不僅工作量大，而且精度低，不利于學(xué)生快速、準(zhǔn)確地處理實驗數(shù)據(jù)。因此，尋求一種方便、快速、可靠的實驗數(shù)據(jù)處理方法，在實驗教學(xué)中具有重要的現(xiàn)實意義［3-4］。

Microsoft Excel是目前應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)處理工具，擁有功能強大的數(shù)據(jù)計算和繪圖分析功能。在本文中，我們以化工原理實驗中吸收參數(shù)的測定為例，詳細(xì)介紹了Microsoft Excel 2013應(yīng)用于化工原理實驗數(shù)據(jù)處理的過程及方法。用該方法處理實驗數(shù)據(jù)方便、快速、可靠，具有非常好的借鑒意義，可以用于其他化工原理實驗的數(shù)據(jù)處理。

1 吸收實驗介紹

在填料塔中用水吸收空氣-CO2混合氣中的CO2，以求出填料吸收塔的體積傳質(zhì)系數(shù)。假設(shè)吸收過程是在恒溫恒壓（常溫常壓）條件下進(jìn)行的，下面我們在恒定的進(jìn)氣狀態(tài)下測定不同噴淋密度下的吸收系數(shù)。

吸收過程的傳質(zhì)速率由吸收速率方程式NA=決定，其中 Kx(kmol/m2?h)表示以液相摩爾分?jǐn)?shù)差 X*?X為推動力的液相總傳質(zhì)系數(shù)，表示以液相摩爾分?jǐn)?shù)差 X*?X表示的塔頂、塔底的液相平均推動力。

根據(jù)物料守恒定律，可以得出全塔物料衡算式Gα= Ls( X1?X2) = GB( Y1? Y2)，其中 X1和 X2分別為塔出口和進(jìn)口液相中CO2與水的摩爾比。

水 和 空 氣 的 摩 爾 流 量 由 LS= qS×ρSMS和GB= q1?ρ1M空氣給出，單位都為kmol/h。

CO2與 空 氣 的 摩 爾 比 由 Y1=y1(1 ? y1)和Y2=y2(1 ? y2)給出，式中Y1、Y2分別表示為進(jìn)、出塔氣相中CO2與空氣的摩爾比，y1、y2分別表示為進(jìn)、出塔氣相中CO2的摩爾百分含量，且由氣相色譜直接測定出來。

由于進(jìn)入塔內(nèi)的水為清水，故有X2=0；Y1、Y2和GB可由前面的公式計算得出； Gα和X1可通過物料衡算式計算得出。

在H2O-CO2體系中，相平衡常數(shù)m由溫度t決定，其表達(dá)式為 m = 0 .317 9t2+ 2 8.389t +725.5。

2 實驗數(shù)據(jù)的處理與分析

2.1 實驗原始數(shù)據(jù)

根據(jù)實驗條件，下列數(shù)據(jù)在實驗過程中不發(fā)生變化，這些數(shù)據(jù)包括：水溫為24.5℃，氣溫為27.6℃，壓力為101.325 kPa，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣流量為0.52 m3/h。填料塔內(nèi)徑為100 mm，填料層高度為1 200 mm。

實驗直接測試出來的原始數(shù)據(jù)包括 qs、 y1和 y2。

打開一個Excel程序，根據(jù)實驗原始數(shù)據(jù)和所需數(shù)據(jù)，設(shè)計如表1所示的Excel表格，以便將實驗所得原始數(shù)據(jù)填入其中。

表1 實驗直接測定的原始數(shù)據(jù)

2.2 實驗數(shù)據(jù)的計算與處理

在表1中，第1～3列的原始數(shù)據(jù)需通過實驗直接測得，第4～9列的數(shù)據(jù)需通過計算得到，第4～5列的數(shù)據(jù)需通過9次計算才能得到。通過Excel軟件中的編輯公式“ = (B2 100)(1 ? B2 100)”和填充功能很容易得到表1中第4～5列的數(shù)據(jù)。這一公式的運用避免了實驗數(shù)據(jù)處理過程中同類數(shù)據(jù)的重復(fù)計算，提高了數(shù)據(jù)計算的準(zhǔn)確性。利用同樣的方法，可以得到第6～9列的數(shù)據(jù)。計算后的數(shù)據(jù)見表2。

表2 實驗數(shù)據(jù)的計算結(jié)果

在計算表2中的數(shù)據(jù)時，我們省略了GB和X1等的部分?jǐn)?shù)據(jù)的計算過程。在Excel 2013中，可以做出相關(guān)數(shù)據(jù)的關(guān)系圖，并擬合成線性方程。

下面以本吸收實驗數(shù)據(jù)為例，給出作圖和擬合過程。

選擇噴淋密度和傳質(zhì)系數(shù)所在的列，使用“插入散點圖”功能，即可得到以噴淋密度為橫坐標(biāo)、以傳質(zhì)系數(shù)為縱坐標(biāo)的散點圖（圖1）。通過“圖表工具”還可以對生成的散點圖進(jìn)行編輯和修改。

圖1 噴淋密度和傳質(zhì)系數(shù)關(guān)系的散點圖

使用“趨勢線”命令打開“設(shè)置趨勢線格式”對話框，并選中“線性（L）”“顯示公式（E）”和“顯示 R 平方值（R）”（圖2），關(guān)閉后即可得到噴淋密度和傳質(zhì)系數(shù)的線性相關(guān)關(guān)系（圖3）。

圖2 趨勢線格式對話框的設(shè)置

由圖3可以看出，噴淋密度和傳質(zhì)系數(shù)之間滿足線性關(guān)系。根據(jù)R2的值可以判斷出噴淋密度和傳質(zhì)系數(shù)之間線性關(guān)系的可靠性是極高的。

圖3 噴淋密度和傳質(zhì)系數(shù)的線性相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論

應(yīng)用Microsoft Excel 2013對吸收實驗的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和處理，具有計算速度快的優(yōu)點，極大地減少了計算工作量，所得實驗結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

使用Microsoft Excel 2013數(shù)據(jù)處理功能處理實驗數(shù)據(jù)，不僅有利于學(xué)生提高對化工原理實驗課的興趣，而且有利于學(xué)生學(xué)習(xí)試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理等后續(xù)課程。Microsoft Excel 2013的處理數(shù)據(jù)功能還可以應(yīng)用于化工專業(yè)的其他實驗。