Microsoft Excel在化工原理实验中的应用

李伟伟，杨 杰

（新乡学院 化学化工学院，河南 新乡453003）

化工原理是通用性较强的专业基础课，与化学、化工、生物、制药和材料等相关专业存在密切的联系，搞好化工原理的教学对于培养学生运用工程观点分析和解决化工方面的实际问题有着重要的意义。化工原理实验是与化工原理配套的实验课，与理论课相比是同等重要的［1-2］。开展化工原理实验的教学在培养学生工程设计能力、工程实践能力以及创新能力等方面发挥着十分重要的作用。

在实验教学中，常做的化工原理实验包括流体流动、过滤、传热、吸收、精馏和干燥等实验。化工原理实验课中实验的特点是操作过程比较简单，实验需要测量的数据比较多，实验步骤也比较多，计算过程比较复杂，计算难度比较大。这要求学生具有较强的数据处理和分析能力，而采用传统的数据处理方法，不仅工作量大，而且精度低，不利于学生快速、准确地处理实验数据。因此，寻求一种方便、快速、可靠的实验数据处理方法，在实验教学中具有重要的现实意义［3-4］。

Microsoft Excel是目前应用广泛的数据处理工具，拥有功能强大的数据计算和绘图分析功能。在本文中，我们以化工原理实验中吸收参数的测定为例，详细介绍了Microsoft Excel 2013应用于化工原理实验数据处理的过程及方法。用该方法处理实验数据方便、快速、可靠，具有非常好的借鉴意义，可以用于其他化工原理实验的数据处理。

1 吸收实验介绍

在填料塔中用水吸收空气-CO2混合气中的CO2，以求出填料吸收塔的体积传质系数。假设吸收过程是在恒温恒压（常温常压）条件下进行的，下面我们在恒定的进气状态下测定不同喷淋密度下的吸收系数。

吸收过程的传质速率由吸收速率方程式NA=决定，其中 Kx(kmol/m2⋅h)表示以液相摩尔分数差 X*−X为推动力的液相总传质系数，表示以液相摩尔分数差 X*−X表示的塔顶、塔底的液相平均推动力。

根据物料守恒定律，可以得出全塔物料衡算式Gα= Ls( X1−X2) = GB( Y1− Y2)，其中 X1和 X2分别为塔出口和进口液相中CO2与水的摩尔比。

水 和 空 气 的 摩 尔 流 量 由 LS= qS×ρSMS和GB= q1⋅ρ1M空气给出，单位都为kmol/h。

CO2与 空 气 的 摩 尔 比 由 Y1=y1(1 − y1)和Y2=y2(1 − y2)给出，式中Y1、Y2分别表示为进、出塔气相中CO2与空气的摩尔比，y1、y2分别表示为进、出塔气相中CO2的摩尔百分含量，且由气相色谱直接测定出来。

由于进入塔内的水为清水，故有X2=0；Y1、Y2和GB可由前面的公式计算得出； Gα和X1可通过物料衡算式计算得出。

在H2O-CO2体系中，相平衡常数m由温度t决定，其表达式为 m = 0 .317 9t2+ 2 8.389t +725.5。

2 实验数据的处理与分析

2.1 实验原始数据

根据实验条件，下列数据在实验过程中不发生变化，这些数据包括：水温为24.5℃，气温为27.6℃，压力为101.325 kPa，标准状态下空气流量为0.52 m3/h。填料塔内径为100 mm，填料层高度为1 200 mm。

实验直接测试出来的原始数据包括 qs、 y1和 y2。

打开一个Excel程序，根据实验原始数据和所需数据，设计如表1所示的Excel表格，以便将实验所得原始数据填入其中。

表1 实验直接测定的原始数据

2.2 实验数据的计算与处理

在表1中，第1～3列的原始数据需通过实验直接测得，第4～9列的数据需通过计算得到，第4～5列的数据需通过9次计算才能得到。通过Excel软件中的编辑公式“ = (B2 100)(1 − B2 100)”和填充功能很容易得到表1中第4～5列的数据。这一公式的运用避免了实验数据处理过程中同类数据的重复计算，提高了数据计算的准确性。利用同样的方法，可以得到第6～9列的数据。计算后的数据见表2。

表2 实验数据的计算结果

在计算表2中的数据时，我们省略了GB和X1等的部分数据的计算过程。在Excel 2013中，可以做出相关数据的关系图，并拟合成线性方程。

下面以本吸收实验数据为例，给出作图和拟合过程。

选择喷淋密度和传质系数所在的列，使用“插入散点图”功能，即可得到以喷淋密度为横坐标、以传质系数为纵坐标的散点图（图1）。通过“图表工具”还可以对生成的散点图进行编辑和修改。

图1 喷淋密度和传质系数关系的散点图

使用“趋势线”命令打开“设置趋势线格式”对话框，并选中“线性（L）”“显示公式（E）”和“显示 R 平方值（R）”（图2），关闭后即可得到喷淋密度和传质系数的线性相关关系（图3）。

图2 趋势线格式对话框的设置

由图3可以看出，喷淋密度和传质系数之间满足线性关系。根据R2的值可以判断出喷淋密度和传质系数之间线性关系的可靠性是极高的。

图3 喷淋密度和传质系数的线性相关关系

3 结论

应用Microsoft Excel 2013对吸收实验的实验数据进行计算和处理，具有计算速度快的优点，极大地减少了计算工作量，所得实验结果准确可靠。

使用Microsoft Excel 2013数据处理功能处理实验数据，不仅有利于学生提高对化工原理实验课的兴趣，而且有利于学生学习试验设计与数据处理等后续课程。Microsoft Excel 2013的处理数据功能还可以应用于化工专业的其他实验。