曹玲

(昌吉學院化學系 新疆昌吉831100)

計算機與化學

Excel解決化工問題的常用功能簡介

曹玲

(昌吉學院化學系 新疆昌吉831100)

Excel在解決化工問題上的優(yōu)越性主要通過常用的10項功能來體現(xiàn)。本文介紹使用這10項功能的經(jīng)驗。

Excel軟件是國際公認的優(yōu)秀軟件。在國外，理工科高等院校已經(jīng)開始將Excel列為大學生、研究生必須掌握的基本技能和必備工具。研究設計單位也將Excel作為解決具體工程問題的標準軟件。由于它具有通用性強、易學性好、功能強大等特點，在解決化工問題中凸現(xiàn)優(yōu)勢。對于某些復雜的化工問題，若通過手工計算，即使采用簡化模型，工作量也相當龐大，且精確度低，耗時，重現(xiàn)性差;而用其他工程軟件，如應用較為廣泛的Matlab，計算精度雖高，但需要編程，對使用者要求較高。利用Excel的功能，可方便快捷地解決問題。本文通過化工案例介紹了Excel在化工計算中的常用功能。

1 函數(shù)

函數(shù)是Excel實現(xiàn)計算功能的有力工具，它預裝的各種函數(shù)多達245個，不僅有常用的工程數(shù)學函數(shù)，而且還有財務函數(shù)、邏輯函數(shù)、時間函數(shù)、統(tǒng)計函數(shù)、時間和日期、文本、查找信息、數(shù)據(jù)庫等9大類函數(shù)。

函數(shù)的輸入方法有4種:①直接在“編輯欄”中輸入函數(shù);②利用編輯欄公式按鈕“=”;③選擇“插入”、“函數(shù)”指令;④用鼠標單擊“粘貼函數(shù)”圖標“fx”。這里僅例舉IF函數(shù)。IF函數(shù)是執(zhí)行真假值判斷，根據(jù)任意值或表達式進行邏輯計算，判斷結(jié)果的真假，返回不同結(jié)果?？梢允褂煤瘮?shù)IF對數(shù)值和公式進行條件檢測。語法格式是:IF(logical_test，value_if_true，value_if_false)。如表1所示，在D6單元格中選用相應的操作線方程計算y2，可根據(jù)各板液相組成和進料組成，判斷是精餾段還是提餾段。

2 相對地址和絕對地址引用

Excel工作表上的單元格是一個基本單位，為了使用方便，Excel為每一單元格賦予引用地址，單元格的引用地址都以列標和行號表示。相對引用時，將公式向右或向下復制時列標和行號跟著變化;絕對引用時，將公式向右或向下復制時列標和行號固定不變。例如，在例題1精餾設計計算中，用逐板計算法確定塔內(nèi)兩相組成分布時，第2塊塔板以下的計算就是借助公式的絕對和相對應用，通過填充柄簡單的復制操作來完成。

3 填充柄

Excel中填充柄為位于選定右下角的小黑塊。將鼠標指向填充柄時，鼠標的形狀變?yōu)楹谑?。拖動填充柄可以將?nèi)容復制到相鄰單元格中。利用填充柄對公式的填充實際上是一種復制操作，故對一個公式進行填充操作時，Excel會對公式中相對引用的單元作相應的調(diào)整。

圖1 理論板數(shù)和進料位置的確定計算結(jié)果

例題1［1］:利用精餾塔分離苯-甲苯混合液，已知條件見圖1中單元格B4～B9。確定:①所需要的理論塔板數(shù);②加料板位置。

首先，在B10中輸入式“=(B5－B6)/(B4－B6)”計算F/D。結(jié)果F/D=5.424。然后，確定理論塔板數(shù)N和進料位置NF。在表1 D5中輸入Y1=XD=0.98，在E5中輸入式“=D5/ ($B$8－($B$8－1)*D5)”計算X1。為選用相應的操作線方程計算y2，在D6中輸入“=IF(E5＞$B$4，$B$9*E5/($B$9+1)+$B$5/($B$9+1)，IF(E5＞$B $6，($B$9+$B$10)*E5/($B$9+1)－($B$10－1)*$B$6/($B$9 +1)，"End"))”。在E6中輸入“=D6/($B8－($B$8－1)*D6)”計算X2。在F6中輸入“=IF(E6＞$B$4，"精餾段"，IF(E6＞$B$6，"提餾段"，"End"))”，提示該塔板所處的位置。選定D6～F6，拖拽填充柄直至“End”。同時，G5～G14標明塔板序號。理論塔板數(shù)N=10，進料位置NF=8。

4 重新計算

“重新計算”可在“工具”的下拉菜單“選項”中找到，選中“反復操作”復選框即可，它主要用于解決循環(huán)引用問題，計算精度及迭代次數(shù)均可調(diào)整。

例題2:如圖2中所示，濃度為20%(質(zhì)量百分數(shù)，下同)的KNO3水溶液以1000kg/h流量送入蒸發(fā)器，在某溫度下蒸出一部分水而得到濃度為50%的KNO3水溶液，再送入結(jié)晶器冷卻析出含有4%水分的KNO3晶體并不斷取走。濃度為37.5%的KNO3飽和母液則返回蒸發(fā)器循環(huán)處理，該過程為連續(xù)穩(wěn)定過程，試求:各物流的總流率及各物流中KNO3的質(zhì)量流率。

在Excel中列出工藝說明，在C列中輸入每條說明對應的數(shù)值。標上所有物流組分的名稱。輸入各列流率計算公式，如圖2所示。此時，打開“工具”，“選項”中的“重新計算”，選中“迭代計算”選項框，單擊“確定”后Excel自動開始迭代，直到單元格所有值都收斂。計算結(jié)果如圖3所示。

5 單變量求解

“單變量求解”可在“工具”的下拉菜單中找到，適用于已經(jīng)知道公式的結(jié)果，但不知道這個結(jié)果所需的輸入值。進行單變量求解時，Excel通過不斷改變單元格中的數(shù)值，直到從屬于這個單元格的公式返回預期的結(jié)果。單變量求解只給出一個解，盡管有幾個解，單變量求解只提供和初始值相同符號的解。例如，在進行雙組分理想體系泡露點計算時，借助單變量求解功能，可避免試差計算。

圖2 初始計算各流率計算公式示意

圖3 物料衡算計算結(jié)果

例題3［2］:以乙苯-苯乙烯二元理想體系為例。已知:塔板壓力p=8kPa，氣相組成y= 0.595(乙苯摩爾分數(shù))。進行露點t的試算。

具體計算過程如圖4所示，首先，給出初始值t0=50，于B1，在B2、B3、B4、B5和B6中依次輸入對應公式。EXCEL自動計算結(jié)果(圖4)。因為f(t)≠0，啟動工具菜單中的“單變量求解”，以B6為目標單元格，目標值=0，B1為可變單元格?！按_定”后，EXCEL重新計算。計算結(jié)果如圖5所示。蒸氣溫度t=65.31℃，平衡液相組成x=0.5104。

6 單元格的定義

在Excel中，能夠賦予單元格或單元格區(qū)域一個名字，并且在公式中得到應用。在化工計算中有相當多的數(shù)據(jù)是預先給定的，將名字替換引用地址，對于執(zhí)行操作而言是相當便利的，并且能夠進一步保障引用的正確性。

圖4 Excel首次計算結(jié)果示意

圖5 露點計算結(jié)果

7 規(guī)劃求解

“規(guī)劃求解”是一個 Excel程序，使用時需要先進行加載。在“工具”菜單上，單擊“加載宏”。在“可用加載宏”框中，選中“規(guī)劃求解”旁邊的復選框，然后單擊“確定”。如果“規(guī)劃求解”未列出，可單擊“瀏覽”進行查找。如果出現(xiàn)一條消息，指出計算機上當前沒有安裝規(guī)劃求解，可單擊“是”進行安裝。加載規(guī)劃求解后，“規(guī)劃求解”命令會添加到“工具”菜單中。

“規(guī)劃求解”適用于需要同時改變多個單元格中的數(shù)值，并且要求同時滿足某些給定的約束條件，以獲得目標單元格中的指定值，待操作的各個單元格必須通過工作表上的公式相關聯(lián)。下面用文獻的算例進行計算［3］。

例題4:界面溫度的求取，某爐壁由下列3種材料組成，各材料的導熱系數(shù)λi(W·m－1·K－1)和厚度δi(m)如圖6所示。已測得內(nèi)、外表面溫度分別為930℃和55℃，求單位面積的熱損失q和各層間接觸面的溫度t2、t3。

圖6 規(guī)劃求解參數(shù)對話框

圖7 界面溫度的求解結(jié)果

8 控件

Excel的控件分為兩種類型:ActiveX控件和“窗體”工具欄控件。ActiveX控件能向用戶提供選項或運行使任務自動化的宏或腳本?？稍贛icrosoft Visual Basic for Applications中編寫控件的宏，或在Microsoft腳本編輯器中編寫腳本。如復選框、文本框、命令按鈕等都是ActiveX控件?？梢詫崿F(xiàn)計算過程的自動化。例如:在傳熱過程中，由于操作工況不同、流向不同(逆流或并流)時，對數(shù)平均溫度的計算公式也會有所不同，這時可采用“宏”制作開關的功能。采用該功能不必在計算過程中再更改公式，因此非常方便［4］。

9 數(shù)組公式

對于求解線性方程組，利用數(shù)組公式求解是最為合適的。如文獻［5］在進行煙道氣組成求解過程中。根據(jù)物料衡算，得到6個線性方程式。然后利用數(shù)組公式，很方便地求得答案。

10 圖表功能

利用Excel可通過插入圖表、添加趨勢線進行一元線性回歸。對于多元線性回歸，可利用Excel軟件的回歸分析功能進行，即利用“工具”菜單中的“數(shù)據(jù)分析”命令進行。而多元非線性回歸則較復雜，必須經(jīng)過適當?shù)霓D(zhuǎn)換，將某些非線性經(jīng)驗公式轉(zhuǎn)化為線性形式。再借助Excel的圖表功能，進行回歸處理。

Excel的功能強大，為化工計算眾多的復雜問題提供了簡捷、準確的計算途徑，使得計算過程快速、準確，省去了編寫程序的麻煩，大大提高了工作效率。

［1］ 馬鳳云，曹玲，黃雪莉.計算機與應用化學，2006，23(3):275

［2］ 曹玲，馬鳳云，葉楓.計算機與應用化學，2005，22(10):921

［3］ 陳敏恒，叢德滋，方圖南，等.化工原理(上冊).第2版.北京:化學工業(yè)出版社，2000

［4］ 陸紅偉.工程軟件在化工單元操作中應用研究.新疆大學碩士學位論文，2005

［5］ 劉俏.大連民族學院學報，2004，6(3):14