ExcelR电子表格编程在化工计算中的应用

ExcelR电子表格编程在化工计算中的应用摘要 本文从化工计算中的气体状态方程、简单物料衡算、化学平衡过程、循环过程四个典型方面，举例阐明了ExcelR电子表格编程在化工计算中的应用方法、技巧和步骤。关键词 化工计算 物料衡算 ExcelR电子表格 化工计算是我校为高级技工大专班化工工艺专业开设的一门专业基础课程，该课程主要涉及了化工过程的物料衡算、能量衡算以及物料与能量联算等化工计算问题。同时书中还介绍了，应用计算机编程解题的方法，并在每章附有若干源程序。但由于本书采用ortran语言编程的解题方法，这对高职学生来说，理解Fortran算法语言还有一定的学习难度。而且若要实现上机教学，又因编写程序的复杂性，需花费学生大量的时间和精力，这显然对高级技工大专班的教学是不现实的。我在实际教学中，为了解决该课程中存在的这方面不足，选用了普及率广、应用性强、通俗易懂的Microsoft ExcelR电子表格计算机编程算法，从而实现了把化工计算教学和计算机应用结合起来。ExcelR算法相对简单易学，只要向学生提供简单指导和关键步骤，学生能够不费太大时间和精力，掌握它的算法步骤、技巧和思维，从而实现利用计算机快速、准确地解决化工计算问题。本文就ExcelR电子表格编程在化工计算中的应用，从气体状态方程、简单物料衡算、化学平衡过程、循环过程四个方面，进行举例阐明。这四个方面在化工计算中具有典型性，能够涵盖本专业教学中的化工物料衡算的全部内容。目的只在因起本专业的师生们对ExcelR算法有一个全新的认识。一、在实际气体状态方程（R-K方程）中的应用1、R-K方程Redlich和Kwong于1949年在范德华方程的基础上提出的一个两参数方程： (1)将(1)变型为：F(v)=P-RT/(Vm-b)+a/T1/2Vm(Vm+b)=0 (2)它是形式最简单的常用实际气体状态方程，一般情况下有一定的准确度。式中和b亦为物质的特征参数，可由临界温度Tc和临界压力pc按下式计算而得：0.4278R2Tc2.5/Pc，b0.0867RTc/Pc2、用RK方程求取500K和18atm下正丁烷的摩尔体积。已知正丁烷的临界温度425.2；临界压力37.5atm。3、利用ExcelR解RK方程的算法步骤：ABCDEF1R-K方程2正丁烷3姓名 时间4参数单位数据单位5Tc425.2KT500K6Pc37.5atmP18atm7R0.0820689公式结果10Tr=E5/B5Tr=B1011a=0.4278*B72*B52.5/B6a=B1112b=0.0867*B7*B5/B6b=B1213F(v)=E6-(B7*E5)/(E13-B12)+B11/(E50.5*E13*(E13+B12)v2.037514F(v)=B1315理想气体体积=B7*E5/E6v=B15步骤1 编写如上图所示的电子表格。表格的上方应编写出标题、名称、姓名和日期等标记性内容，为今后的复习和查阅提供方便；步骤2 在参数与数据格中输入各参数。并将临界参数、温度、压力和状态参数的单元格命名为Tc、Pc、T、P和R；步骤3 在10至15行的单元格内列出如图中方程；步骤4 利用工具栏里的单变量求解或规划求解命令求解，即改变单元格v(单元格E13)使F(v)(单元格E14)等于零。操作时，会出现如下一个对话框，在空格内填写如下信息：目标单元格$E$14目标值0可变单元格E13点击确定按钮。答案出现在电子表格中：E13为：2.0375，E14为2.8494E-10，此值虽不为零，但相对目标值已经接近零了；步骤5 编写时，应确保电子表格中输入的正确性和所有单位的一致性。为了检查结果是否正确，可作为参照，输入理想气体状态方程，察看两者的结果是否接近。如相对接近，就可认为正确；步骤6 通过工具栏的公式审核模式，进行公式与计算结果切换查询，查看到的计算结果如下图：ABCDEF1R-K方程2正丁烷3姓名 时间4参数单位数据单位5Tc425.2000KT500.0000K6Pc37.5000atmP18.0000atm7R0.082189公式结果10Tr1.1759Tr1.175911a286.3886a286.388612b0.0807b0.080713F(v)2.8494E-10v2.037514F(v)0.000015理想气体体积2.2794v2.2794二、在简单过程物料衡算中的应用1、物料衡算 在化工生产中物料衡算是非常有用，利用物料衡算来确定一个过程或系统是否有成本效益的，也能估计该过程经济上是否具有可持续发展能力。一个化工过程的物料流程，包括输入物流和输出物流。2、简单过程 是指仅有一个设备或一个单元操作，且没有发生化学反应的过程。如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等，这些过程的物料衡算为总物料衡算式和各组成的衡算式，构成多元方程，用代数法求解。3、混和过程物料衡算简图 如一种废酸中加入浓硫酸和浓硝酸配成混合酸，它的物料流程如下图：混 合废酸 Xkg HNO3 0.23H2SO4 0.57 H2O 0.20浓硝酸Zkg HNO3 0.90H2SO4 0H2O 0.10浓硫酸Ykg HNO3 0H2SO4 0.93H2O 0.07混合酸HNO3 0.27 H2SO4 0.60H2O 0.134、利用ExcelR对混和过程进行物料衡算步骤：ABCDEF1混和过程物料衡算2姓名 时间3选择计算基准：100kg混合酸4废酸组成浓硫酸组成浓硝酸组成混合酸组成5HNO30.2300.900.276H2SO40.570.9300.607H2O0.200.070.100.138合计11119混合酸100Kg10输出水量=B9*F7输入水量=C7*D11+D7*D12+E7*D13Kg11废酸量xKg12浓硫酸量yKg=(B9*F6-C6*$D$11)/D613浓硝酸量zKg=(B9*F5-C5*$D$11)/E514总物料量100Kg=SUM(D11:D13)步骤1 编写如上图所示的电子表格。在电子表格的上方编写计算基准，原则上任何一股物流都可选作为计算基准，但是计算基准选择的恰当，可使计算简化，避免错误。这里选择以混合酸的量100kg为基准；步骤2 在物料组成格中输入各已知变量（如流量、组成）及单位，对一些未知的变量，可用符号x、y、z表示出；步骤3 在10至14列的单元格内列出如图中方程；步骤4 利用工具栏中的单变量求解或规划求解命令求解。操作时，会出现如下一个对话框，在空格内填写如下信息：目标单元格$D$14目标值100可变单元格D10点击确定按钮。答案出现在电子表格中：D11为41.6893、D12为38.9645、D13为19.3460、D14为：100；步骤5 通过对比输出水量（单元格B10）与输入水量（单元格D10）是否相等，来检查结果正确与否。最终结果如下图：ABCDEF1混和过程物料衡算2姓名 时间3计算基准：100kg混合酸4废酸组成浓硫酸组成浓硝酸组成混合酸5HNO30.200.90.276H2SO40.60.9300.67H2O0.20.070.10.138合计11119混合酸100Kg10输出水量13输入水量13Kg11废酸量xKg41.689312浓硫酸量yKg38.964513浓硝酸量zKg19.346014总物料量100Kg100三、在有化学反应平衡过程的物料衡算中的应用工业上的化学反应的过程，各反应物的实际用量，并不等于化学反应式中的理论量。为了使所需的反应顺利进行，常常需要使一些反应物用量过量，或者产生副产物、或者存在不参加反应的组分等等，这些因素会使化工计算比无化学反应过程变得复杂。对于化学反应过程的物料衡算，除了需要建立物料衡算式以外，常常还需要利用反应的平衡关系来计算产物的平衡组成。1、化学平衡表达式化学平衡是指在一定的条件下,可逆反应中,当正、逆反应速率相等,反应混合物各组成成分的含量不再改变，反应达最大限度时，所处的一种动态平衡状态。我们可利用化学平衡关系确定混合物的组成。而化学平衡关系是由平衡常数确定的。对气体的温度不低于0，压强不高于10atm时，实际气体通常可近视为理想气体。当它的反应式为：aA + bB cC + dD其反应平衡常数则由下式表示：2、化学反应平衡过程的物料衡算简图 在接触法硫酸生产中，SO2被氧化成SO3。反应式为： SO2 +1/2O2 SO3氧化过程的温度为570，压力为1.1atm，平衡常数K为14.9。其他已知条件见物料流程简图：反应过程 mol SO2 0.08O2 0.09 N2 0.83molSO2 xSO3 yO2 zN2 0.833、利用ExcelR对化学反应平衡过程进行物料衡算。ABCDE1反应平衡过程物料衡算2姓名 时间3反应方程式SO2 +1/2O2 SO34数据单位5T5706P1.1atm7K14.98计算基准：100mol输入气体9SO2平衡转化率x0.716810物料成分输入量输入组成输出量输出组成11SO280.08=B11*(1-$C$9)=D11/$D$1512SO300=$B$11*$C$9=D12/$D$1513O290.09=B13-(B11*$C$9/2)=D13/$D$1514N2830.83=B14=D14/$D$1515合计=SUM(B11:B14)=SUM(C11:C14)= SUM(D11:D14)=SUM(E11:E14)16平衡方程=(E12/(E11*E130.5)*B6(-0.5)-B7步骤1 编写如上图所示的电子表格。写出化学反应方程式、已知数据和计算基准；步骤2 单元格C9为可变单元格，A9与B9分别为可变单元格的名称（SO2的平衡转化率）及符号（x）；步骤3 编写物料衡算组成表。其中物料成分、输入量、输入组成为已知量，输出量为的输入量与平衡转化率的关系式，输出组成为各组分量与输出总量的关系式。注意：因O2的输入量大于SO2的输入量， 即SO2 为限制反应物，O2为过量反应物，同时SO2与O2的化学计量关系是2:1，所以O2的输出量为输入量减去SO2的反应量的一半；步骤4 利用输出组成在单元格B16内编写化学反应平衡方程式；步骤5 通过工具栏单变量求解，改变单元格C9，使B16变为0。最终结果见下表：ABCDE1反应平衡过程物料衡算2姓名 时间3反应方程式4数据单位5T5706P1.1atm7K14.98计算基准：100mol输入气体9平衡转化率x0.793110物料成分输入量输入组成输出量输出组成11SO280.081.65500.017012SO3006.34490.065513O290.095.82750.060114N2830.83830.857115合计100196.8275116平衡方程-2.42689E-10四、在具有循环过程中的应用1、循环过程 化工生产中大多数过程涉及循环物流。原因是反应物不可能全部反应，或反应过程每次经反应器后的转化率不高，而成本上的考虑又不允许抛弃剩余部分。如氢、氮合成氨的单程转化率一般20%左右，在反应器出口的产物有大量原料未反应，于是含循环物流的物料衡算，就是要回收未反应的反应物，让它们返回过程的起点，重新利用。通常这样的物料衡算需要用迭代求解方法，通过Excel会使运算变得快速和方便起来。2、循环过程物料衡算 如氢、氮在高温、高压和催化剂存在下合成氨过程，因受到化学平衡的限制，其单程转化率较低，通过循环过程，可提高反应物利用率。其反应式为：其平衡常数： Kp=YNH3/(YN21/2.YH23/2.P)其循环过程流程简图如下：反应器混合器分离器132456663、利用Excel对包含化学平衡的循环过程进行物料衡算。ABCDEFG1包含化学平衡的循环过程物料衡算2姓名 时间31234564氮100=B4+G4=-C4*$D$9=C4+D4=E4*(1-$D$10)=E4*$D$105氢300=B5+G5=3*D4=C5+D5=E5*(1-$D$10)=E5*$D$106氨0=B6+G6=-2*D4=C6+D6=E6*$D$11=E6*(1-$D$11)7总计400=SUM(C4:C6)=SUM(D4:D6)=SUM(E4:E6)=SUM( F4:F6)=SUM(G4:G6)89转化率10氮和氢利用率0.99511氨返流出率0.9812出口摩尔分率13氮=E4/$E$714氢=E5/$E$715氨=E6/$E$716总计=SUM(E13:E15)1718Kp0.051/atm19P220atm20方程=E18-E15/(E13*E143)0.5*E19)步骤1 编写如图所示的电子表格。写出物料流程编号16；步骤2 物流2为混合前按化学反应计量关系，输送的新鲜原料各组成的摩尔数量；步骤3 物流2为混合器接受物流1的量和循环6的量之和；步骤4 物流3为反应器反应的摩尔数，单元格D4为氮的量（单元格C4）乘以转化率(单元格D9)，反应物为负值；按化学计量关系，氢的反应量为氮的3倍，氨的生成量为氮的负2倍；步骤5 物流4为反应器输出的物流，为物流2和3的加和；步骤6 物流5为氮和氢的损失量，是物流4的0.5%。氨的输出量为物流4的98%；步骤7 物流6为循环量，氮和氢的循环量是是物流4的99.5%。氨的循环量为物流4的2%；步骤8 在单元格E13、E14、E15内编写反应器出口摩尔分率；步骤9 利用摩尔分率在单元格E20内编写化学反应平衡方程式；步骤10 开始改变单元格D9，使E20变为0。最终结果见下表：ABCDEFG1包含化学平衡的循环过程物料衡算2姓名 时间31234564氮100134.8257-99.825035.00070.175034.82575氢300404.4773-299.4750105.00230.5250104.47736氨04.0744199.6500203.7245199.65004.07447总计400543.3776-199.6500343.7276200.3500143.377589转化率0.740410氮和氢利用率0.99511氨返流出率0.9812反应器出口摩尔分率13氮0.101814氢0.305415氢0.592616总计11718Kp0.051/atm19P220atm20方程-3.2069E-06通过ExcelR电子表格进行公式编程，具有相对的稳定性，也就是说对相同的公式在以后的应用中，就不需要重复编写，只需复制、粘贴，更改名称和参数，就会自动地完成公式计算。“共欲善其事，必先利其器”。将ExcelR电子表格编程应用于化工计算中，就如同提供给学生一个功能更强、精度更高的计算工具。利用这样的工具，使原本单调的纸上算题过程变的有了生机，学生的学习兴趣明显提高。将ExcelR电子表格编程应用于化工计算中，是对化工计算课程的有力补充，能够开拓学生学习视野和技能，为他们今后在化工生产过程中解决更复杂的实际计算，打下了坚实的基础和提供了先进的武器装备。而拥有这种“武器”会使学生在今后工作中成为技师型人才有了先决条件。上述内容是我在实际教学中总结的一些方法和经验，只占ExcelR电子表格编程在化工计算应用中的冰山一角，还有许多方法与技巧，望广大师生在今后的学习、工作中再去探索和实践。