Excel軟件在化學反應工程教學中的應用

吳現力　王菊　杜春華　翟乃華

摘要：化學反應工程中，無論是實驗數據處理還是數學模型求解過程，都涉及大量的數值計算、迭代求解過程。指導學生用Excel軟件進行數據處理，不但可以減少繁瑣的計算過程在教學、學習中的時間，加深學生對知識的理解，也可以讓他們充分掌握這種基本的辦公軟件，在將來的工作、學習中更加得心應手。

關鍵詞：化學反應工程；教學；Excel

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）21-0264-02

化學反應工程是一門實驗和工程計算緊密結合的課程。化學反應動力學的測定需要對實驗結果進行分析、擬合，而反應器設計中，反應器數學模型的求解過程，涉及到迭代計算、微分、積分、數值統計等過程，更是難以通過手算進行求解的。

Excel軟件具有強大的圖表及數值處理功能，用戶無須編程便可進行多項式擬合、非線性單變量求解、多變量規劃求解等復雜計算，在眾多領域都獲得了廣泛的應用[1-3]。現以根據實驗數據求解反應速率方程、數值積分和非等溫反應器反應器溫度、轉化率求解為例，介紹其在化學反應工程教學中的應用。

一、實驗數據求解反應速率方程

在化學反應工程中，反應式aA+bB=pP+sS的冪指數型反應速率方程可以寫成

二、計算數值積分

在計算管式反應器體積，某一轉化率對應的反應時間等情況時，需要進行積分。當積分公式比較復雜時，無法直接得到解析解，需要用數值方法進行積分。

在excel中，可以用圖4所示的工具表進行計算[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生成每個分割點的x值數組，n為精度控制值，F_X為計算每個分割小條的面積，生成一個內存數組，Integral_Fx為將每個小條的面積總和，即f（x）函數的數值積分。

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

三、計算非等溫反應器的反應溫度、轉化率

在非等溫反應器中，反應速率除了受反應物濃度的影響外，還要受到溫度的影響。放熱反應，放出的熱量使反應速率加快，而反應加快會放出更多的熱量，促使反應溫度進一步升高。因此，對非等溫反應器的計算，要同時聯立物料衡算和能量衡算方程進行求解。可以用Excel軟件的單變量求根功能來計算。

四、結論

采用Excel軟件，能夠借助現代化的辦公軟件，完成化學反應工程教學中數據分析、圖形展示、數據處理工作。該方法可以大大簡化解題過程，提高教學效率和學習效率，并有助于學生深入了解計算機計算的一般步驟，培養學生的軟件開發能力。

參考文獻：

[1]張香蘭，曹俊雅，張軍，解強.Excel及化工流程模擬軟件在化工專業設計課程中的應用，化工高等教育，2012，（3）：98-102.

[2]陳秀，來永斌.Excel在化工數據及模型參數擬合中的應用，安徽理工大學學報，2004，24（2）：49-51.

[3]于志家，張艷，蘭忠，陳嘉賓.關于Excel在化工熱力學計算中應用的探討，化工高等教育，2012，（3）：73-75.