Excel軟件在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中的應(yīng)用

吳現(xiàn)力　王菊　杜春華　翟乃華

摘要：化學(xué)反應(yīng)工程中，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理還是數(shù)學(xué)模型求解過(guò)程，都涉及大量的數(shù)值計(jì)算、迭代求解過(guò)程。指導(dǎo)學(xué)生用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不但可以減少繁瑣的計(jì)算過(guò)程在教學(xué)、學(xué)習(xí)中的時(shí)間，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，也可以讓他們充分掌握這種基本的辦公軟件，在將來(lái)的工作、學(xué)習(xí)中更加得心應(yīng)手。

關(guān)鍵詞：化學(xué)反應(yīng)工程；教學(xué)；Excel

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）21-0264-02

化學(xué)反應(yīng)工程是一門實(shí)驗(yàn)和工程計(jì)算緊密結(jié)合的課程?；瘜W(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的測(cè)定需要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、擬合，而反應(yīng)器設(shè)計(jì)中，反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型的求解過(guò)程，涉及到迭代計(jì)算、微分、積分、數(shù)值統(tǒng)計(jì)等過(guò)程，更是難以通過(guò)手算進(jìn)行求解的。

Excel軟件具有強(qiáng)大的圖表及數(shù)值處理功能，用戶無(wú)須編程便可進(jìn)行多項(xiàng)式擬合、非線性單變量求解、多變量規(guī)劃求解等復(fù)雜計(jì)算，在眾多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用[1-3]?，F(xiàn)以根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求解反應(yīng)速率方程、數(shù)值積分和非等溫反應(yīng)器反應(yīng)器溫度、轉(zhuǎn)化率求解為例，介紹其在化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中的應(yīng)用。

一、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求解反應(yīng)速率方程

在化學(xué)反應(yīng)工程中，反應(yīng)式aA+bB=pP+sS的冪指數(shù)型反應(yīng)速率方程可以寫成

二、計(jì)算數(shù)值積分

在計(jì)算管式反應(yīng)器體積，某一轉(zhuǎn)化率對(duì)應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間等情況時(shí)，需要進(jìn)行積分。當(dāng)積分公式比較復(fù)雜時(shí)，無(wú)法直接得到解析解，需要用數(shù)值方法進(jìn)行積分。

在excel中，可以用圖4所示的工具表進(jìn)行計(jì)算[5]。表中定義的公式有

delta=（Sheet1！$B$7-Sheet1！$B$5）/500/10^n

F_X=EVALUATE（Sheet1！$B$3&"+0*x"）*delta

Integral_Fx=SUM（F_X）

n=Sheet1！$B$10

X=Sheet1！$B$5+（（ROW（Sheet1！$1：$500）-1）*10^n+TRANSPOSE（ROW（OFFSET（Sheet1！$A$1，0，0，10^n，1））））*delta"

其中delta生成x的分割間距，X生成每個(gè)分割點(diǎn)的x值數(shù)組，n為精度控制值，F(xiàn)_X為計(jì)算每個(gè)分割小條的面積，生成一個(gè)內(nèi)存數(shù)組，Integral_Fx為將每個(gè)小條的面積總和，即f（x）函數(shù)的數(shù)值積分。

通過(guò)輸入被積分函數(shù)，積分上下限，選擇計(jì)算精度，就可以得到積分的結(jié)果。其中選擇高精度結(jié)果為6.10861，該結(jié)果與解析6.109相差不大，能夠滿足精度要求。

三、計(jì)算非等溫反應(yīng)器的反應(yīng)溫度、轉(zhuǎn)化率

在非等溫反應(yīng)器中，反應(yīng)速率除了受反應(yīng)物濃度的影響外，還要受到溫度的影響。放熱反應(yīng)，放出的熱量使反應(yīng)速率加快，而反應(yīng)加快會(huì)放出更多的熱量，促使反應(yīng)溫度進(jìn)一步升高。因此，對(duì)非等溫反應(yīng)器的計(jì)算，要同時(shí)聯(lián)立物料衡算和能量衡算方程進(jìn)行求解。可以用Excel軟件的單變量求根功能來(lái)計(jì)算。

四、結(jié)論

采用Excel軟件，能夠借助現(xiàn)代化的辦公軟件，完成化學(xué)反應(yīng)工程教學(xué)中數(shù)據(jù)分析、圖形展示、數(shù)據(jù)處理工作。該方法可以大大簡(jiǎn)化解題過(guò)程，提高教學(xué)效率和學(xué)習(xí)效率，并有助于學(xué)生深入了解計(jì)算機(jī)計(jì)算的一般步驟，培養(yǎng)學(xué)生的軟件開(kāi)發(fā)能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]張香蘭，曹俊雅，張軍，解強(qiáng).Excel及化工流程模擬軟件在化工專業(yè)設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用，化工高等教育，2012，（3）：98-102.

[2]陳秀，來(lái)永斌.Excel在化工數(shù)據(jù)及模型參數(shù)擬合中的應(yīng)用，安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（2）：49-51.

[3]于志家，張艷，蘭忠，陳嘉賓.關(guān)于Excel在化工熱力學(xué)計(jì)算中應(yīng)用的探討，化工高等教育，2012，（3）：73-75.