气升式环流反应器.pdf
气升环流式反应器
自学指导气升式发酵罐也是应用最广泛的生物反应器,学生学习是要掌握气升式发酵罐工作原理，气升环流式反应器特点。
重点:气升式发酵罐工作原理,结构。
图1 气升式发酵罐实物照片气升式发酵罐(ALR)（见图1）也是应用最广泛的生物反应设备。
华南理工大学高孔荣教授等对这类反应器进行了较系统深入的研究并取得良好结果，部分已在发酵工厂和废水处理中应用。
这类反应器具有结构简单、不易染菌、溶氧效率高、能耗低等优点。
目前世界上最大型的通气发酵罐就是气升环流式的，体积高达3000多立方米。
气升式反应器有多种类型，常见的有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等，生物工业已经大量应用的气升式发酵罐有气升内环流发酵罐（见图2）、气液双喷射气升环流发酵罐（见图3）、设有多层分布板的塔式气升发酵罐（见图4）。
而鼓泡罐则是最原始的通气发酵罐，当然鼓泡式反应器内没有设置导流筒，故未控制液体的主体定向流动。
现以气升环流式反应器（见图2）为例说明其工作原理。
图2 气升环流式反应器图3 气液双喷射气升环流反应器图4 多层空气分布板的气升环流发酵罐气升环流式反应器构造如图2所示，在反应器内没有搅拌器，其中央有一个导流筒，将发酵醪液分为上升区（导流筒内）和下降区（导流筒外），在上升区的下部安装了空气喷嘴（见图3），或环型空气分布管（见图5），空气分布管的下方有许多喷孔。
加压的无菌空气通过喷嘴或喷孔喷射进发酵液中，从空气喷嘴喷入的气速可达250~300（米/秒），无菌空气高速喷入上升管，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡分割细碎，与导流筒内的发酵液密切接触，供给发酵液溶解氧。
由于导流筒内形成的气液混合物密度降低，加上压缩空气的喷流动能，因此使导流筒内的液体向上运动；到达反应器上部液面后，一部分气生泡破碎，二氧化碳排出到反应器上部空间，而排出部分气体的发酵液从导流筒上边向导流筒外流动，导流筒外的发酵液因气含率小，密度增大，发酵液则下降，再次进入上升管，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。
气升式环流反应器
实验9 气升式环流反应器流体力学及传质性能的测定一．实验目的1．了解气升式环流反应器的工作原理、结构形式及应用的领域。
2．掌握气升式环流反应器流体力学及传质性能的测定方法。
3．掌握电导仪及测氧仪的使用方法。
4．学习利用组态王软件进行实验过程的数据采集和数据处理的方法。
二．实验原理气升式环流反应器是近年来作为化学反应器和生化反应器而发展起来的一种新型高效气-液两相反应器和气-液-固三相反应器。
气升式环流反应器是利用反应气体的喷射动能和液体的循环流动来搅动反应物料，所以具有结构简单、造价低、易密封、能耗低，也不会由于机械搅拌破坏生物细胞等优点。
广泛用于化工、石油化工、生物化工、食品工业、制药工程和环境保护等领域。
对反应器的结构尺寸进行恰当的设计后，能得到较好的环流流动的循环强度，在反应器内形成良好的循环，促进固体催化剂粒子的搅动。
因而环流反应器对于反应物之间的混合、扩散、传热和传质均很有利，既适合处理量大的较高粘度的流体又适合处理热敏感性的生物物质，还可用于气-液两相或气-液-固三相之间的非均相化学反应。
根据气升式环流反应器降液管的形式可将环流反应器分为内环流反应器和外环流反应器两种。
内环流反应器是指气体从升气管下方喷射进入反应器，使得升气管中液体的气含率大于降液管中液体的气含率，引起两者之间存在密度差，从而使得环流反应器中的液体在气体带动下得以循环起来。
外环流反应器是指将降液管移到反应器的外面，循环原理和内环流反应器相同。
实验中利用体积膨胀高度法测定气含率ε；利用电导脉冲示踪法测量液体循环速度u L；利用动态溶氧法测定氧体积传质系数K L a。
三．实验装置和流程1．实验装置气升式内环流反应器的结构简图见图2-9-1，实物装置见图2-9-2。
进入反应器的气体喷射至升气管后，由于气体的喷射动能和升气管内流体的密度降低，迫使升气管中流体向上，降液管中流体向下做有规则的循环流动，从而在反应器中形成良好的混合和反应条件。
气升式环流反应器
clearly underst ood. De partments at all level s shoul d strictly im plement the check i n the Office of party Committee evaluation, sig nificant a ccounta bility a nd rewar d incentive system, pay close attenti on to duty ca sh a nd maki ng unit y, rights, re sponsibil ities, a nd to i ns pire each of ca dres spirit and morale, Super courage. Investee insists, i s a dee p topic, i s a real pr oblem, i s a big issue. Today, I just combi ned t his yea r, the city's Communist Party Committee Office, had some rough talk a nd understanding, w e must strengt hen re search and excha nges i n this regar d in the future. Investee i n the new year, we must hol d high t he ba nner of Deng Xia opi ng theory a nd t he "three re prese nts" theory t he great ba nner of, under the correct lea dership of the CPC, a dhere t o the people-orie nted, i nsist on trut h, adhere first to excell ence, efforts to do Office w ork to a new level. S peech at the Conference on t he system of gover nment offices i n the city around the development of servi ce functi on to create a ne w situation in the work of the Office of the city's system of Gover nment--speech at the Confere nce on the system of governme nt offices in t he cityThis system of government offices worki ng in t he city's main task i s to st udy Governme nt systems of administrative supervisio n, a dministrative informati on, a dministrative re cepti on a nd i nformation te chnol ogy issues. For the me eting, t he City May or Ma has made importa nt instr ucti ons, the Municipal Gover nment Office fully pre pared brewi ng, combi ned wit h pra ctical w ork to develop the noti ce on furt her strengt heni ng the supervisi on w ork, the XX, Chief Informati on i nterim measures for 2005 a nd t he city's system of Governme nt Administrati on i nformatization construction task statement and other docume nts. Before the Ge neral Assembly a nd organizati on of counties (di stricts) of the scene t o observe t he Government Office, a chieve t he purpose of excha nges of w ork, thoug ht. Today, the ang Mayor also attended t he meeting and delivere d an im porta nt spe ech in t he midst, hope g ood grasp of implementati on. Next, I would l ike to make a few remarks. A, and around Center, l ook s at devel opment, strengthe ned service, city gover nment system Office w ork rendering atmosphere in re cent years, city governme nt system Office to华东理工大学2013—2014学年第一学期《反应器分析》课程论文 2013.10班级__________ 学号____________ 姓名____________开课学院________________ 任课教师____________成绩__________ 论文题目：论文要求：1、内容要求与化学反应过程及化学反应器相关。
气升式环流生物反应器实验报告
非聚并体系 5.67 6.1 6.41 6.64 6.78 6.9 6.98 7.01 7.07 7.08 7.11 7.14 7.15 7.18 7.16 7.17 7.2 7.22 7.21 7.19 7.22 5.67 6.1
三、实验结果及讨论 根据式：
5
实验 7 气升式环流生物反应器实验
dC K La (Cs CL ) dt
ln(Cs-C) /通用格式 /通用格式 /通用格式
/通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 t/s
图 5 非聚并体系气速 2L/min 数据散点
7
实验 7 气升式环流生物反应器实验
ln(Cs-C) /通用格式 /通用格式 /通用格式 y = -/通用格式x + /通用格式 R² = /通用格式
图 12 聚并体系气速 8L/min 拟合曲线 聚并体系体积传质系数为： K La 0.0183s 1
ln(Cs-C) /通用格式 /通用格式
/通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 /通用格式 t/s
图 13 非聚并体系气速 8L/min 数据散点
体系： 时间 t//mg/L 体系： 时间 t/s 溶氧浓度 C/mg/L 时间 t/s 气流量： 环流液速： 气流量： 环流液速：
3
实验 7 气升式环流生物反应器实验
溶氧浓度 C/mg/L 体系： 时间 t/s 溶氧浓度 C/mg/L 时间 t/s 溶氧浓度 C/mg/L 时间 t/s 溶氧浓度 C/mg/L 气流量： 环流液速：
图 2 气升式环流反应器流程图 4. 实验步骤 通过冷模实验研究环流反应器的流体力学性质。具体步骤如下： 1）溶解氧体积传质系数的测定 向塔内注入一定量的水，等待塔内溶氧平衡； 打开通气装置，通入一定流量的空气，记录不同时刻溶氧量的数值； 关闭气体，等待塔内溶氧恢复到通气前的状态； 改变进塔气体流量，重复记录溶氧变化曲线；
气升环流式反应器
自学指导%升式发辭线也是应用呆广泛的生賜反应氽，学生•学习是要拿握％升式发酵縊工作虑理，％升环浇扎反应券特6。
重点：％升式发辭线工作虑理，结构。
图1气升式发詩龜实场•照片%升式发辭孃（ALR）（见图1J也是应用呆广泛的生杨反应很备。
华启理工丸学爲孔柴救授寻对这类反应爰进行了较糸统逮入的研兗并取得良好结果，部分己疫发酵工厂和废水处理中应用。
这类反应氽具有结构简单.不易杂苗.谕氧效率壽、能耗低寻优点。
目術世界上黃丸型的通％发酵龜就是气升环流式的，体积壽达3000多立方耒。
%升式反应余冇多种类空，常见的冇％升环流丸.鼓泡式.杳％喷射式寻.生扬工业已经丸量应用的％升式发蒔毬冇％升环流发辭殘（见图2八％液玖喷射％升环流发酵坯（见图3八设冇多窿分布板的爆式气升发詩坯（见图4丿。
而妓泡坯刪是呆虑妗的通％发詩罐.步然妓泡丸及应森没冇设.5.导浇简.故未竝制液体的主体主向流动。
现以％升环流丸反应森（见图2）为例说刖其工作虑理。
ZJ VJx^G图2气升环流龙反应森图3 %液玖喷射％升环流反应季图4多层空％分布板的％升环流发辭磁%升环浇式反应赛构逡如團2所示，疫反应鞋没有攪拌睜，共中央有一个导浇简，将■发酵醪液分为上升区（导流筒丿和下阵区（导流筒外几在上升区的下部安裟了空％喷喈（见图3几戎环空空％分布管（見图5几空％分布管的下方有许多喷孔。
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新型气升式环流反应器流场数值模拟
Ｎ ｕｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｉ ｍ ｕｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ａ ｎａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｎｅ ｗ Ａｉ ｒ ｌ ｉ ｆ ｔ Ｌｏ ｏ ｐ Ｒｅ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ
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ｅ ｎ ａ ｉ ｒ
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｃｏ ｍｐ ｕ ａｔ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｌｕ ｆ ｉ ｄ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ； Ｍｉ ｃ ｒ ｏ — ａ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ； Ｇａ ｓ ｈ ｏ ｌ ｄ ｕ ｐ ； Ｃｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｙ ｔ
第４ ２卷第 ８期 ２ ０ １ ３年 ８月 当ຫໍສະໝຸດ 代 化 工
Ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｍｐ ｏ ｒ ａ ｒ ｙ Ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ
Ｖ ｏ １ ． ４ ２ ， Ｎ ｏ ． ８ Ａ ｕ ｇ ｕ ｓ ｔ ， ２ ０ １ ３
新型气 升式环 流反应器流场数值模 拟
均匀 ，不 会产 生孔 眼堵 塞 等特 点 。
动。反应器中的气体有相当一部分经过气液分离区 经由上液面逸出 ，有少部分进人外环区域 ，在液速 的带动下进行循环 ，实现气液间的混合 。 气升式环流反应器基本结构如图 ｌ 所示 。
ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ，ｓ ｕ ｃ ｈ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｌ ｏ ｃ ａ ｌ ｇ ａ ｓ ｈ ｏ ｌ ｄ ｕ ｐ ａ ｎ ｄ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ ｖ ｅ ｌ ｏ ｃ ｉ ｔ ｙ ， ｗｅ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ
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实验9 气升式环流反应器流体力学及传质性能的测定一．实验目的1．了解气升式环流反应器的工作原理、结构形式及应用的领域。
2．掌握气升式环流反应器流体力学及传质性能的测定方法。
3．掌握电导仪及测氧仪的使用方法。
4．学习利用组态王软件进行实验过程的数据采集和数据处理的方法。
二．实验原理气升式环流反应器是近年来作为化学反应器和生化反应器而发展起来的一种新型高效气-液两相反应器和气-液-固三相反应器。
气升式环流反应器是利用反应气体的喷射动能和液体的循环流动来搅动反应物料，所以具有结构简单、造价低、易密封、能耗低，也不会由于机械搅拌破坏生物细胞等优点。
广泛用于化工、石油化工、生物化工、食品工业、制药工程和环境保护等领域。
对反应器的结构尺寸进行恰当的设计后，能得到较好的环流流动的循环强度，在反应器内形成良好的循环，促进固体催化剂粒子的搅动。
因而环流反应器对于反应物之间的混合、扩散、传热和传质均很有利，既适合处理量大的较高粘度的流体又适合处理热敏感性的生物物质，还可用于气-液两相或气-液-固三相之间的非均相化学反应。
根据气升式环流反应器降液管的形式可将环流反应器分为内环流反应器和外环流反应器两种。
内环流反应器是指气体从升气管下方喷射进入反应器，使得升气管中液体的气含率大于降液管中液体的气含率，引起两者之间存在密度差，从而使得环流反应器中的液体在气体带动下得以循环起来。
外环流反应器是指将降液管移到反应器的外面，循环原理和内环流反应器相同。
实验中利用体积膨胀高度法测定气含率ε；利用电导脉冲示踪法测量液体循环速度u L；利用动态溶氧法测定氧体积传质系数K L a。
三．实验装置和流程1．实验装置气升式内环流反应器的结构简图见图2-9-1，实物装置见图2-9-2。
进入反应器的气体喷射至升气管后，由于气体的喷射动能和升气管内流体的密度降低，迫使升气管中流体向上，降液管中流体向下做有规则的循环流动，从而在反应器中形成良好的混合和反应条件。
气升式外环流反应器的结构简图，见图2-9-3，实物装置见图2-9-4。
图2-9-1 内环流反应器的结构简图图2-9-2 内环流反应器实物装置图图2-9-3 外环流反应器的结构简图图2-9-4 外环流反应器实物装置图环流反应器是作为气-液两相或气-液-固三相反应器而应用于生物化工或其他化学反应过程，因此传质性能往往成为过程的控制因素，能否提供良好的传质条件对环流反应器的应用具有决定意义。
本实验在气升管尺寸不变的情况下，通过改变不同的气体流量，测定了设备的流体力学性能（气含率 ，液体循环速度L u等）及传质特性（氧体积传质系数Ka）。
这三个指标既是衡量气升式环流反应器传递性能的重要指标，也是环流反应器设计L和工程放大的重要参考数据。
2．实验流程实验流程见图2-9-5。
本实验装置是以水和空气作为介质。
气泵送入的空气经阀门调节和流量计计量后由升气管下方喷嘴进入反应器与液体混合。
气体在反应器内随反应液一起循环，一部分气体随降液管循环回反应器底部再进入气升管，另一部分气体则从反应器上方排出。
N 2由钢瓶经减压阀，通过流量计计量后进入反应器中，用来在测定氧传质系数的实验前排除水中的溶解氧。
图2-9-5 实验流程图四．实验操作步骤及计算方法1． 气含率ε的测定气含率ε是表征反应器流体力学性能的重要参数之一。
本实验利用体积膨胀高度法测量反应器中的平均气含率ε，计算公式可采用下式：%100)(0⨯−=HH H ε (2-9-1) 式中：H ——鼓气后液体膨胀高度；H 0——清液层高度。
实验步骤：先关排水阀6，关进气阀5，关N 2进气阀3，开进水阀7，将水放至反应器内一定高度（一般与升气管顶部相平齐），记下此高度即为H 0，停止进水。
启动气泵，开进气阀5，调节阀4（可与放空阀2配合调节），将气量调节为一个定值（一般在实验中可做5个气量，从0.5 m 3/h ——2.5 m 3/h ）。
待气量稳定后，读取反应器内液体膨胀高度H ，则利用上述的公式求得该气量下的气含率ε。
2．液体循环速度u L 的测定液体循环速度u L 是决定反应器循环和混合特性的重要参数之一。
本实验用电导脉冲示踪法测量液体循环速度u L 。
计算公式可采用下式：tLu L =（2-9-2） 式中：L 为液体循环一周的距离；m ；t 为为循环一周所用的时间，s ；对于内环流反应器：]22[H L 内内外升）（R R R +−+= （2-9-3）式中：升H 为升气管的高度，m ；外R 和内R 分别为外筒和内筒的半径，m 。
对于外环流反应器：]L 2[H L '+= (2-9-4)式中：H 为反应管的高度，m ；L '为升气管和降液管间的水平距离，m 。
电导探头在反应器侧壁的位置已固定，因此液体循环一周的距离L 为定值，故只需测出循环一周所需时间t ，即可得出液体循环速度。
循环时间t 的测量采用电导示踪法，利用计算机数据采集系统来进行测量。
实验步骤：开启气泵，调节到一定的气量，待稳定后从环流反应器上方快速倒入25ml 饱和氯化钠盐水，这时在计算机的数据采集系统显示屏上会出现一条衰减振荡的正弦曲线。
第1个波峰和第2个波峰之间的时间间隔为t 1；第2个波峰和第3个波峰之间的时间间隔为t 2；第3个波峰和第4个波峰之间的时间间隔为t 3；则平均循环时间为：3t t t t 321++=（2-9-5） 也可用第4个波峰和第5个波峰之间的时间间隔t 4为来验证一下。
液体循环速度u L 的计算机组态王软件实验数据采集界面如图2-9-6所示。
图2-9-6 液体循环速度实验数据计算机采集界面3．氧体积传质系数K L a 的测定氧体积传质系数K L a 是衡量反应器传质特性的重要参数之一。
本实验采用动态氧浓度法来测定气升式环流反应器的液相氧体积传质系数K L a 。
操作步骤，首先向反应器中通入N 2以排除水中的溶解氧，使其氧浓度降到一定的程度。
然后再迅速切换到向塔中鼓空气，在计算机采集的屏幕上就得到一条氧浓度上升的曲线，定出初始浓度C L0和最终平衡浓度C*，则氧浓度的动态值C L （t ）可用下式表示：] (t)-C *C [ a K dt(t)dC L L L = （2-9-6） 两边积分，得总体积传质系数K L a ：a K t (t)-C *C -C *C lnL L L0⋅= (2-9-7)或 (t)-C *C -C *C ln t 1 a K L L0L ⨯=（2-9-8） 式中：C*——平衡氧浓度（%）；C L0——初始氧浓度（%）；C L （t ）——测试过程瞬时氧浓度（%）；总体积传质系数K L a 也可采用输出信号电压值表示为：(t)-U *U -U *U ln t 1a K L L0L ⨯= （2-9-9）式中：U*——溶氧平衡时电压值（mv ）；U L0——溶氧初始时电压值（mv ）；U L （t ）——通入空气过程中电压瞬时值（mv ）。
氧体积传质系数K L a 的计算机组态王软件实验数据采集界面如图2-9-7所示。
图2-9-7 氧体积传质系数实验数据计算机采集界面4. 实验步骤：(1)先将前次电导测量时塔中的盐水排掉，装上氧探头，开启测氧仪，关排水阀6，开进水阀7，将水放至反应器内一定高度；(2)关空气阀1，开N 2进气阀3，打开N 2钢瓶总阀（逆时针旋转为开），旋动减压阀把手（顺时针旋转为开），开启进气阀5，这时N 2就被鼓入塔中，用以驱赶液体中的溶解氧（为了节约N 2，将气量调至0.2 m 3/h —0.4 m 3/h ，能够使得塔中液体循环起来就可以了，并将塔顶盖上盖子）。
在计算机采集的屏幕上就得到一条氧浓度下降的曲线，待氧浓度下降到3%—4%时，停止鼓N 2，转而切换为鼓空气；(3)关N 2减压阀（逆时针旋转为关），开空气阀1，关N 2进气阀3，将计算机采集界面的氧浓度下降曲线清除，重新开始采集，启动气泵，开进气阀5，调节阀4（可与放空阀2配合调节），将气量调节为一个数值（如0.5 m 3/h ），这时在计算机采集屏幕上会出现一条氧浓度上升的曲线，待氧浓度的曲线上升到一定的值基本走平后。
在计算机采集屏幕上点击“停止”按钮，再点击“计算”按钮，进入Excel 进行实验数据的处理，求出该气量下的液相氧体积传质系数K L a 的数值。
五．实验数据记录1．气含率ε的测定气含率ε的测定数据列入表2-9-1。
表2-9-1 气含率ε实验数据记录表2．液体循环速度u L 的测定测定的液体循环速度u L 数据列入表2-9-2。
表2-9-2 液体循环速度u L 的测定数据3. 总体积传质系数K L a 的测定本实验采用动态法来测定气升式环流反应器的液相体积传质系数K L a 。
根据方程（2-9-7）式： t a K (t)-C *C -C *C lnL L L0⋅=方程（2-9-7）是一直线方程，以横轴为时间t ；纵轴取准数浓度的对数值，所得直线的斜率即为总体积传质系数K L a 。
将计算所得的氧体积传质系数K L a 数据列入表2-9-3。
表2-9-3 总传质系数K L a 的测定数据六．实验数据处理1．气含率ε的计算气含率ε的测量计算采用式（2-9-1）：%100)(0⨯−=HH H ε 计算举例：如H 0=910 mm ；H=930 mm ，则气含率ε =2.15%。
2．液体循环速度u L 的计算液体循环速度u L 的计算采用公式（2-9-2）：tLu L =计算举例：如外环流反应器：L=2.68 m （已知值）；t=15.9 s （测定值），则u L = 0.17 m/s 。
3．氧体积传质系数K L a 的计算 计算举例：(1)在计算机采集氧浓度上升的数据，进入Excel 进行实验数据的处理。
(2）选定A 、B 两列（其中A 为时间轴坐标，B 为氧浓度轴坐标），用“图表向导”作x y 散点图，要求拟合成光滑曲线，点击“完成”，在坐标图上可得到一条氧浓度上升的曲线。
(3）在曲线上确定起点氧浓度对应的电压值U L0和对应的时间t 0，例如U L0=2.525，t 0=8；再到曲线上确定终点氧浓度对应的电压值U*和对应的时间t*，例如U*=18.625，t*=286。
记下这两组数据，重新开启一列C 列。
在t 0=8这一行（例如该行的序号为3）的C 列内书写公式：= ln （（18.625-2.525）/（18.625-b3））并回车，得到结果：0。
将0选定，在该方框内右下角出现细十字时，下拉整个C 列，则在C 列中就得到一组按上述公式取对数后的值。
略去最后面一些无意义的数，选A 列和C 列用“图表向导”再作x y 散点图（用Ctrl 键控制，跳过B列），得到一根近似的直线。