Excel在化工原理教学中的应用(1)

吸收剂用量改变时 N OG 不变 N OG = 1 ln mG 1L 1-
H = H OG
N OG
K y a 不变 , 则 H OG 不变 , 又因 H 不变 , 所以 mG 1 mG + = N OG L 1L
( 三) 用 Excel 求解吸收问题 将原始数据 L / G = 2. 1 , m = 1. 18 , = 0. 95, = 0. 98 和假 设的 L / L = 1. 5 及 公式 N OG = 1 ln mG 1- L 1 ln mG 1L L L 1mG 1 mG + ; f ( L ) = N OG L 1L
[ 作者简介 ] 刘玉兰 ( 1970 ) , 女 , 副教授 ; 齐鸣斋 ( 1955 ) , 男 , 教授。
( 一) 原始问题[ 3] 例 1: 如图 1 所示 , 一输水管路。液面 1 至截 面 3 全长 300m( 包括局部阻力的当量长度 ) , 截 面 3 至液面 2 间一闸门阀 , 其间的直管阻力可以 忽略。输水管为 60m m 水温 20 3. 5mm, / d = 0. 004。 。在阀门全开时 , 求管路的输水流量。
闸门阀全开时 出口突然扩大 hf = l + le + d
d , qv = l + le 2 18. 7 d 2 u, f ( u) = 1 - 1. 74 + 2log d + 输 4 Re
1 = 1. 74 - 2lo g 2 + 18. 7 d Re Re = du qv = 4 d u
2
入各单元格。选 中 f ( u) 单元格即 J2, 点击菜单 工具 , 选择单变量求解, 弹出对话框 , 目标单元 格选 J2, 目标值输入 0, 可变单元格选 u 单元格即 A2, 单击确定。计算结果 f ( u) = 0, u = 1. 07m/ s, q v = 0. 00235m / s, 见图 2。
图3
修改迭代计算的参数
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Excel 在化工原理教学中的应用
所示。最多迭代次数可修改 , 这里改为 10000; 最 大误差也可修改 , 这里改为 0. 00001, 单击确定。 二、 求解传热操作型问题 ( 一) 原始问题 例 2: 某气体冷却器 总传热面积为 20m , 用 以将流量为 1. 4kg / s 的某种气体从 60 冷却到 35 。使用的冷却水初温为 25 , 与气体作逆流 ), ) 。求冷却 流动。换热器的传热系数约为 230W/ ( m 气体的平均 比热容为 1. 0kJ/ ( kg 水用量及出口水温度。 ( 二) 计算公式 已知 : A = 20m , q m1 = 1. 4kg/ s, cp 1 = 1000J/ ( kg ) , K = 230W/ ( m ) , T 1 = 60 , T 2 = 35 , t1 = 25 , cp 2 = 4180J/ ( kg ) , 求: t2 , q m 2 定态操作时 , 必满足热量衡算式 qm1 cp1 ( T 1 T 2 ) = qm 2 cp2 ( t2 - t 1 ) 传热基本方程
1 + mG ; mG = mG 1- mG L 1L L L
输入各单元格。选中 f ( L ) 单元格即 H 2,
打开 工具 下拉菜单 , 选择单变量求解 , 目标单元 格选 f ( L ) 单元格即 H 2, 目标值输入 0, 可变单
Ex cel 在化工原理教学中的应用
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元格选 L / L 单元格即 D2, 单击确定。计算结果
化工原理教学中, 经常遇到迭代计算。传统 方法是先将未知量假设一值, 由公式计算结果 , 再 验证计算值与假设值是否相等 , 两者应近似相等; 若两者不等 , 则需重新假设 , 重复计算, 直到计算 值与假设值相当接近为止。这种迭代计算方法步 骤繁琐, 需 多 次重 复 计 算, 耗 费 大 量 时 间和 精 [ 1] 力。 作者介绍过在精馏塔设计中运用 Ex cel 求 解需迭代计算的方法, [ 2] 此法将复杂的迭代计算 和查图过程变成方便的菜单和工具栏操作 , 尤其 是它的单变量求解功能和丰富的函数功能 , 可对 化工原理中各种需迭代的问题进行快速求解, 如 流体流动的阻力损失的计算、 换热器的第二类操 作型问题和吸收塔的第二类操作型问题计算等。 一、 计算阻力损失
2
图4
单变量求解传热问题
注意: 运用 E x cel 中单变量求解时 , 为减少误 差和迭代时间, 可变单元格的假定值与真实值越 接近越好。这里的温度 t2 初始值必须使自然对 数 ln 中数值为正 , 否则无法继续计算。 三、 求解吸收塔的操作型问题 ( 一) 原始问题[ 4] 例 3: 某吸收塔用清水逆流吸收丙酮 空气混 合物中的丙酮, 当操作液气比为 2. 1 时 , 丙酮回收 率可达 95% , 已知物系在低含量下的平衡关系为 y= 1. 18x , 操作范围内总传质系数 K y a 与液体流 率无关。现要求将回收率由原来的 95% 提高至 98% , 求吸收剂用量应增加至原用量的多少倍 ? ( 二) 计算公式 已知 : x 2 = 0, L / G = 2. 1, m = 1. 18, = 0. 95, = 0 . 98, 求: L / L 填料层 高 度 H = H OG N OG , 其 中, N OG = 1 mG 1 mG ln 1- L + mG 1L 1L
在化工原理教学中 , 灵活运用 Ex cel 中单变 量求解功能和丰富的函数功能, 还可使化工原理 计算中各种复杂的迭代计算和查图查表过程变成 方便的菜单和工具栏操作 , 快速获得可靠的计算 [ 5 7] 结果。 ( 文字编辑 : 吴文水)
参考文献 : [ 1] 王双成 . 理想混合 物泡点温度 和露点 温度的 快速计 算 方法 [ J] . 河南广播电视大学学报 , 2002, 15( 1) : 60 62. [ 2] 刘玉兰 , 齐鸣 斋 . Excel 在精 馏 塔设 计 中 的应 用 [ J] . 化工高等教育 ,
( 上接第 76 页) 构的相似性和复杂性、 测试条件改 变等多种原因, 以及四大谱仍处于不断发展完善 之中 , 实际中并不是所有的峰都有圆满解释或归 属, 这就造成有时谱图解析会出现几种结果, 没有 标准 ( 或唯一) 答案等情况 , 需要师生共同讨论分 析, 找出最佳解析结果。对少数学生提出的暂时 不能完全否定的结果时, 求同存异。此时, 引导学 生思考采取什么方式和方法有可能得到确定的结 果。这样做可使学生明白 , 实际中的问题在一个 特定阶段可能没有标准答案, 只有最佳结果; 通过 进一步研究及探索 , 可以获得最终结论。现实中 的具体问题就是如此。 从初步尝试结果看, 将 PBL 教学模式中的教 学方法合理地应用到有机波谱解析课程教学中, 使学生通过问题解决的过程获取并应用知识, 培 养学生发现问题、 分析问题、 解决问题的能力 , 提 高了学生学习新知识的主动性和积极性。我们也 注意到, 要达到以上教学效果 , 任课教师的素质及 其对教学精力投入多少至关重要。我们将继续进
图1
例 1 附图
( 二) 计算公式
Ex cel 在化工原理教学中的应用
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已知 : z = 10m, / d = 0. 004, d = 0. 053m, l + l e= 300m , 求: qv 由截面 1 至截面 2 作机械能衡算 , 得管路的 总阻力损失 hf = P = g z = 0. 17 = 1. 0 u 2
2
( 三) 用 Excel 求解阻力损失 新建一个 Ex cel 文件 , 将假设速度 u = 3m/ s, 原始数据 d = 0. 053m, / d = 0. 004, z = 10m l + le = 300m, hf = g z , = 1. 17 以及计算公式 Re = du , = 2h f u2
3
图2
单变量求解阻力损失
输入数据及公式前 , 最好以列的方式设置单 元格 , 并将各单元格名称输入 , 如速度为 u, 管径 为 d 等, 再将单元格的 数据格式设定好 , 这里设
定为数值型, 小数位数根据需求确定。为使计算 结果精度更高 , 打开 工具 下拉菜单, 选择 选项 一栏 , 弹出对话框, 单击 重新计算 选项 , 如图 3
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2009 年 第 6 期 ( 总 第 11 0 期 )
Excel 在化工原理教学中的应用
刘玉兰, 齐鸣斋
( 华东理工大学 化工原理教研室, 上海 200237)
[ 摘 要] 用 Ex cel 的单变量求解功能 可快速 计算化 工原理教 学中的 各种迭 代计算 。 该 方法具 有简便 、 快 捷和易学的优点 , 可大面积推广 。 [ 关 键词] Ex cel; 化工原理 ; 迭代 ; 计算
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q m1 cp 1 ( T 1 - T 2 ) = - t1 ) T 1 - t2 ln T 2 - t1
( 三) 用 Ex cel 求解传热问题 新建一个 E x cel 文件, 将假设温度 t2 = 45 , 原始数据 A = 20 m , qm 1 = 1. 4 kg/ s, cp1 = 1000J / ( kg ) , cp2 = 4180J / ( kg ) , K = 230W / ( m ) , T 1 = 60 , T 2 = 35 , t 1 = 25 以及计算公 式 f ( t 2 ) = qm1 c p1 ( T 1 - T 2 ) - KA ( T 1 - t2 ) - ( T 2 - t1 ) qm 1 cp1 ( T 1 - T 2 ) ; qm2 = 输入 T1- t2 cp2 ( t2 - t 1 ) ln T2- t1 各单元格。选中 f( t2 ) 单元格即 J 2, 点击菜单 工 具 , 选择单变量求解 , 弹出对话框 , 目标单元格选 J 2, 目标值输入 0, 可变单元格选 t2 单元格即 A 2, 单击确定。计算结果 f ( t 2 ) = 0, t 2 = 54. 37 = 0. 285, 见图 4。 , qm2
Applicat ion of Ex cel on T eaching and L earning Principles of Chemical Eng ineer ing
L iu Yulan, Qi M ingzhai
Abstract: Dur ing teaching and lear ning Pr inciples o f Chemical Engineer ing , all the iterat ion calculatio n can be done quickly by using t he Ex cel functio n o f g oal seek. . T his metho d w ith reliable result is simple to learn and master, convenient for applicat ion. It co uld be used by all the teacher s and st udents. Key words: Excel; P rinciples of Chemical Engineer ing; Iteration; Calculation
见图 5, L / L = 1. 876。
图5
吸收塔计算结果 [ 3] 陈敏恒 , 丛德 滋 , 方图 南 , 齐 鸣斋 . 化 工原 理上 册第 三 版 [ M ] . 北京 : 化学工业出版社 , 2006. [ 4] 陈敏恒 , 丛德 滋 , 方图 南 , 齐 鸣斋 . 化 工原 理下 册第 三 版 [ M ] . 北京 : 化学工业出版社 , 2006. [ 5] 刘奇琳 , 赵升 云 . Ex cel 在化 工计 算中 的应 用 [ J] . 化 学工程师 , 2008, 151( 4) : 18 19. [ 6] 刘奇琳 , 赵升云 . Ex cel 在化工数值计算中 的应用 [ J] . 化学工程师 , 2009, 163( 4) : 26 28. [ 7] 曹玲 , 马凤云 , 叶 枫 . 用 Ex cel 求解 双组 分理想 物系 的 泡、 露点及减压对相 平衡的 影响 [ J] . 计算 机与应用 化学 , 2005, 22( 10) : 921 924.