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1、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
2、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。Excel R 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
3、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/(V m-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：0.4278 R2Tc2.5/Pc， b0.0867 RTc/Pc
4、2、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：A B C D E F1 R-K 方程2 正丁烷3 姓名 时间4 参数 单位 数据 单位5 Tc 425.2 K T 500 K6 Pc 37.5 atm P 18 atm7 R 0.08206 L.atm/g.mol.K89 公式 结果10 Tr =E5/B5 Tr =B1011 a =0.4278*B72*B52.5/B6 a =B1112 b =0.0867*B7*B5/B6 b =B1213 F(v) =E
5、6-(B7*E5)/(E13-B12)+B11/(E50.5*E13*(E13+B12) v 2.037514 F(v) =B1315 理想气体体积 =B7*E5/E6 v =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
6、。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$14目标值 0可变单元格 E13点击确定按钮。答案出现在电子表格中：E13 为：2.0375，E14为 2.8494E-10，此值虽不为零，但相对目标值已经接近零了；步骤 5 编写时，应确保电子表格中输入的正确性和所有单位的一致性。为了检查结果是否正确，可作为参照，输入理想气体状态方程，察看两者的结果是否接近。如相对接近，就可认为正确；步骤 6 通过工具栏的公式审核模式，进行公式与计算结果切换查询，查看到的计算结果如下图：A B C D E F1 R-K 方程2 正丁烷3 姓名 时间4 参数 单位 数据 单位5 Tc 42
7、5.2000 K T 500.0000 K6 Pc 37.5000 atm P 18.0000 atm7 R 0.0821 L.atm/g.mol.K89 公式 结果10 Tr 1.1759 Tr 1.175911 a 286.3886 a 286.388612 b 0.0807 b 0.080713 F(v) 2.8494E-10 v 2.037514 F(v) 0.000015 理想气体体积 2.2794 v 2.2794二、在简单过程物料衡算中的应用1、物料衡算 在化工生产中物料衡算是非常有用，利用物料衡算来确定一个过程或系统是否有成本效益的，也能估计该过程经济上是否具有可持续发展能力。
8、一个化工过程的物料流程，包括输入物流和输出物流。2、简单过程 是指仅有一个设备或一个单元操作，且没有发生化学反应的过程。如混合、蒸馏、蒸发、干燥、吸收、结晶、萃取等，这些过程的物料衡算为总物料衡算式和各组成的衡算式，构成多元方程，用代数法求解。3、混和过程物料衡算简图 如一种废酸中加入浓硫酸和浓硝酸配成混合酸，它的物料流程如下图：混 合废酸 Xkg HNO3 0.23H2SO4 0.57 H2O 0.20浓硝酸 Zkg HNO3 0.90H2SO4 0H2O 0.10浓硫酸 Ykg HNO3 0H2SO4 0.93H2O 0.07混合酸HNO3 0.27 H2SO4 0.60H2O 0.134
9、、利用 ExcelR 对混和过程进行物料衡算步骤：A B C D E F1 混和过程物料衡算2 姓名 时间3 选择计算基准：100kg 混合酸4 废酸组成 浓硫酸组成 浓硝酸组成混合酸组成5 HNO3 0.23 0 0.90 0.276 H2SO4 0.57 0.93 0 0.607 H2O 0.20 0.07 0.10 0.138 合计 1 1 1 19 混合酸 100 Kg10 输出水量 =B9*F7 输入水量 =C7*D11+D7*D12+E7*D13 Kg11 废酸量 x Kg12 浓硫酸量 y Kg =(B9*F6-C6*$D$11)/D613 浓硝酸量 z Kg =(B9*F5-C
10、5*$D$11)/E514 总物料量 100 Kg =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$14目标值 100可变单元格 D10点
11、击确定按钮。答案出现在电子表格中：D11 为 41.6893、D12 为38.9645、D13 为 19.3460、D14 为：100；步骤 5 通过对比输出水量（单元格 B10）与输入水量（单元格D10）是否相等，来检查结果正确与否。最终结果如下图：A B C D E F1 混和过程物料衡算2 姓名 时间3 计算基准：100kg 混合酸4 废酸组成 浓硫酸组成 浓硝酸组成 混合酸5 HNO3 0.2 0 0.9 0.276 H2SO4 0.6 0.93 0 0.67 H2O 0.2 0.07 0.1 0.138 合计 1 1 1 19 混合酸 100 Kg10 输出水量 13 输入水量 13
12、 Kg11 废酸量 x Kg 41.689312 浓硫酸量 y Kg 38.964513 浓硝酸量 z Kg 19.346014 总物料量 100 Kg 100三、在有化学反应平衡过程的物料衡算中的应用工业上的化学反应的过程，各反应物的实际用量，并不等于化学反应式中的理论量。为了使所需的反应顺利进行，常常需要使一些反应物用量过量，或者产生副产物、或者存在不参加反应的组分等等，这些因素会使化工计算比无化学反应过程变得复杂。对于化学反应过程的物料衡算，除了需要建立物料衡算式以外，常常还需要利用反应的平衡关系来计算产物的平衡组成。1、化学平衡表达式化学平衡是指在一定的条件下,可逆反应中,当正、逆反应
13、速率相等,反应混合物各组成成分的含量不再改变，反应达最大限度时，所处的一种动态平衡状态。我们可利用化学平衡关系确定混合物的组成。而化学平衡关系是由平衡常数确定的。对气体的温度不低于0，压强不高于 10atm 时，实际气体通常可近视为理想气体。当它的反应式为：aA + bB cC + dD其反应平衡常数则由下式表示：2、化学反应平衡过程的物料衡算简图 在接触法硫酸生产中，SO2 被氧化成 SO3。反应式为：SO2 +1/2O2 SO3氧化过程的温度为 570，压力为 1.1atm，平衡常数 K 为 14.9。其他已知条件见物料流程简图：反应过程mol SO2 0.08O2 0.09 N2 0.8
14、3molSO2 xSO3 yO2 zN2 0.833、利用 ExcelR 对化学反应平衡过程进行物料衡算。A B C D E1 反应平衡过程物料衡算2 姓名 时间3 反应方程式 SO2 +1/2O2 SO34 数据 单位5 T 570 6 P 1.1 atm7 K 14.98 计算基准：100mol 输入气体9 SO2 平衡转化率 x 0.716810 物料成分 输入量 输入组成 输出量 输出组成11 SO2 8 0.08 =B11*(1-$C$9) =D11/$D$1512 SO3 0 0 =$B$11*$C$9 =D12/$D$1513 O2 9 0.09 =B13-(B11*$C$9/2
15、) =D13/$D$1514 N2 83 0.83 =B14 =D14/$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（SO 2 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
16、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，O 2 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：A B C D E1 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5 T 570 6 P 1.1 atm7 K 14.98 计算基准：100mol 输入气体9 平衡转化率 x 0.793110 物料成分 输入量 输入组成 输出量 输出组成11 SO2 8 0.08 1.6550 0.017012 SO3 0 0 6.34
