ASPEN第二講 物性方法

第2講物性方法2.1AspenPlus數(shù)據(jù)庫2.2AspenPlus中的主要物性模型2.3物性方法的選擇2.4定義物性集2.5物性分析2.6物性估算2.7物性數(shù)據(jù)回歸2.8電解質(zhì)組分2.1AspenPlus數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是AspenPlus的一部分，適用于每一個(gè)程序的運(yùn)行，包括PURECOMP、SOLIDS、AQUEOUS、INORGANIC、BINARY等數(shù)據(jù)庫內(nèi)置數(shù)據(jù)庫與AspenPlus的數(shù)據(jù)庫無關(guān)，用戶自己輸入，用戶需自己創(chuàng)建并激活用戶數(shù)據(jù)庫用戶需要自己創(chuàng)建并激活，且數(shù)據(jù)具有針對(duì)性，不是對(duì)所有用戶開放PURECOMP常數(shù)參數(shù)。例如熱力學(xué)溫度、絕對(duì)壓力。相變的性質(zhì)參數(shù)。例如沸點(diǎn)、三相點(diǎn)。參考態(tài)的性質(zhì)參數(shù)。例如標(biāo)準(zhǔn)生成焓以及標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能。隨溫度變化的熱力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。例如飽和蒸汽壓。傳遞性質(zhì)的參數(shù)，例如粘度。安全性質(zhì)的參數(shù)。例如閃點(diǎn)、著火點(diǎn)。狀態(tài)方程中的參數(shù)。與石油相關(guān)的參數(shù)。例如油品的API值、辛烷值、芳烴含量、氫含量及硫含量等2.1AspenPlus數(shù)據(jù)庫2.2AspenPlus中的主要物性模型AspenPlus提供了含有常用的熱力學(xué)模型的物性方法。物性方法與模型選擇不同，模擬結(jié)果大相徑庭。如精餾塔模擬的例子。相同的條件計(jì)算理論塔板數(shù)，用理想方法得到11塊，用狀態(tài)方程得到7塊，用活度系數(shù)法得42塊。顯然物性方法和模型選擇的是否合適，也直接影響模擬結(jié)果是否有意義。《Aspenplus物性方法和模型》理想模型IDEAL、SYSOP0狀態(tài)方程模型Lee方程、PR方程、RK方程活度系數(shù)模型Pitzer、NRTL、UNIFAC、UNIQUAC、VANLAAR、WILSON特殊模型AMINES、BK-10、STEAM-TA2.3物性方法的選擇過程模擬必須選擇合適的熱力學(xué)模型在使用模擬軟件進(jìn)行流程模擬時(shí)，用戶定義了一個(gè)流程以后，模擬軟件一般會(huì)自行處理流程結(jié)構(gòu)分析和模擬算法方面的問題，而熱力學(xué)模型的選擇則需要用戶作決定。流程模擬中幾乎所有的單元操作模型都需要熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算，迄今為止，還沒有任何一個(gè)熱力學(xué)模型能適用于所有的物系和所有的過程。流程模擬中要用到多個(gè)熱力學(xué)模型，熱力學(xué)模型的恰當(dāng)選擇和正確使用決定著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性和模擬成功與否。選取方法由物系特點(diǎn)及操作溫度、壓力經(jīng)驗(yàn)選取由幫助系統(tǒng)進(jìn)行選擇2.3物性方法的選擇經(jīng)驗(yàn)選取由物系特點(diǎn)及其操作條件進(jìn)行選擇圖（a）2.3物性方法的選擇經(jīng)驗(yàn)選取圖（b）2.3物性方法的選擇經(jīng)驗(yàn)選取圖（c）以丙烯、苯以及異丙苯體系為例，分析體系為非極性體系，考慮到為真實(shí)物系，可以選擇PENG-ROB、RK-SOAVE、PR-BM、RKS-BM等物性方法2.3物性方法的選擇幫助系統(tǒng)AspenPlus為用戶提供了選擇物性方法的幫助系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)組分的性質(zhì)或者化工處理過程的特點(diǎn)為用戶推薦不同類型的物性方法以上題中的丙烯、苯和異丙苯為例：點(diǎn)擊菜單欄Tools下的PropertyMethodSelectionAssistant，啟動(dòng)幫助系統(tǒng)2.3物性方法的選擇

系統(tǒng)提供了兩種方法，可以通過組分類型或是化工過程的類型進(jìn)行選擇。以指定組分類型為例，選擇第一項(xiàng)，Specifycomponenttype2.3物性方法的選擇

系統(tǒng)提供了三種組分類型，化學(xué)系統(tǒng)、烴類系統(tǒng)以及特殊系統(tǒng)，這里選擇烴類系統(tǒng)2.3物性方法的選擇

選擇完成后，系統(tǒng)提示用戶是否含有石油產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析或是虛擬組分，點(diǎn)擊No2.3物性方法的選擇系統(tǒng)給用戶提供幾種物性方法作為參考2.3物性方法的選擇常見化工體系的物性方法推薦化工體系推薦的物性方法空分PR，SRK氣體加工PR，SRK氣體凈化Kent-Eisnberg，ENRTL石油煉制BK10，Chao-Seader，Grayson-Streed，PR，SRK石油化工中VLE體系PR，SRK，PSRK石油化工中LLE體系NRTL，UNIQUAC化工過程N(yùn)RTL，UNIQUAC，PSRK電解質(zhì)體系ENRTL，Zemaitis低聚物PolymerNRTL高聚物PolymerNRTL，PC-SAFT環(huán)境UNIFAC+Henrry’Law常見化工體系所推薦的物性方法2.4定義物性集

物性集是多個(gè)物性的集合，用戶可以給物性集指定名稱，在一個(gè)應(yīng)用中使用物性時(shí)只需引用物性集的名稱。在GeneralwithMetricunits模板中，系統(tǒng)默認(rèn)物性集如下圖所示：2.4定義物性集物性集設(shè)定若是物性參數(shù)不存在上述物性集中，則需要設(shè)置新的物性參數(shù)集，比如若需要查看物流的pH值，則需要點(diǎn)擊New，設(shè)置一個(gè)新的物性參數(shù)集PS-12.4定義物性集物性集設(shè)定選擇物性參數(shù)PH2.4定義物性集物性集設(shè)定2.4定義物性集輸出報(bào)告選項(xiàng)物性集的輸出需要在輸出報(bào)告中設(shè)置2.4定義物性集輸出報(bào)告選項(xiàng)選擇要輸出的物性，完成后，重新運(yùn)行模擬，即可在結(jié)果欄中顯示對(duì)應(yīng)的物性參數(shù)。2.5物性分析AspenPlus為用戶提供了物性分析功能，主要是用來生成簡單的物性圖表，驗(yàn)證物性模型和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。物性分析中可以提供的圖表主要分為以下三種：（1）純組分，例如蒸汽壓相對(duì)于溫度變化的關(guān)系圖；（2）二元物系，例如T-x-y、P-x-y相圖；（3）三元相圖。例2.1運(yùn)用物性分析功能做出甲醇-水體系在0.1MPa下的T-x-y相圖。已知甲醇、水的流率均為50kmol/hr2.5物性分析啟動(dòng)AspenPlus，選擇模板GeneralwithMetricUnits，運(yùn)行類型（RunType）選擇物性分析（PropertyAnalysis）2.5物性分析設(shè)定分析物性2.5物性分析設(shè)定分析物性2.5物性分析設(shè)定分析物性本題需要做出甲醇、水體系的T-x-y相圖，而T-x-y相圖是表示不同組成下物系的泡露點(diǎn)溫度，默認(rèn)物性集沒有此參數(shù)，需要首先設(shè)定分析的物性集，并設(shè)定輸出報(bào)告選項(xiàng)。2.5物性分析作圖在結(jié)果頁面，選中X軸變量對(duì)應(yīng)參數(shù)，點(diǎn)擊菜單欄Plot下的X-AxisVariable，即設(shè)定X軸變量2.5物性分析選中Y軸變量參數(shù)，（若Y軸包含多個(gè)變量，需要同時(shí)選中），點(diǎn)擊菜單欄Plot下的Y-AxisVariable，即可設(shè)定Y軸變量2.5物性分析甲醇-水體系的T-x-y相圖2.6物性估算AspenPlus中的物性估算系統(tǒng)可以估算物性模型中的許多參數(shù)。物性估算以基團(tuán)貢獻(xiàn)法和對(duì)比狀態(tài)相關(guān)性為基礎(chǔ)，可以估算純組分的物性常數(shù)，與溫度相關(guān)的模型參數(shù)，Wilson、NRTL以及UNIQUAC方法的二元交互作用參數(shù)以及UNIFAC方法的基團(tuán)參數(shù)例2.2估算二聚物“乙基-2-乙氧基乙醇”的物性。已知：

乙基-2-乙氧基乙醇的分子式CH3-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-OH

乙基-2-乙氧基乙醇的正常沸點(diǎn)TB=195℃2.6物性估算啟動(dòng)AspenPlus，選擇模板GeneralwithMetricUnits，運(yùn)行類型（RunType）選擇物性估算（PropertyEstimation）2.6物性估算輸入組分及分子結(jié)構(gòu)2.6物性估算輸入組分及分子結(jié)構(gòu)注：如果分子結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)，可以在化學(xué)鍵類型中選擇Benzenering2.6物性估算輸入已知物性參數(shù)2.6物性估算定義物性估算本題選擇估算所有缺失的物性參數(shù)，也可以再對(duì)應(yīng)頁面下設(shè)置需要的物性參數(shù)設(shè)置完成后，運(yùn)行模擬，查看結(jié)果2.7物性數(shù)據(jù)回歸物性數(shù)據(jù)回歸系統(tǒng)可以擬合多種純組分的物性數(shù)據(jù)，如飽和蒸汽壓；該系統(tǒng)可以將物性模型參數(shù)與純組分或多組分系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相擬合，用戶可以輸入任意物性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，例如汽液平衡數(shù)據(jù)、液液平衡數(shù)據(jù)、密度、熱容或活度系數(shù)數(shù)據(jù)；該系統(tǒng)也可以回歸AspenPlus中的物性模型，如電解質(zhì)和用戶模型。

物性數(shù)據(jù)回歸是基于最大似然估計(jì)的思想，利用原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算物性模型中的參數(shù)，可以處理多種數(shù)據(jù)類型，并且可以同時(shí)回歸多種類型的參數(shù)2.7物性數(shù)據(jù)回歸主要步驟：運(yùn)行類型（RunType）選擇數(shù)據(jù)回歸（DataRegression）全局設(shè)定輸入組分選擇物性方法輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定義回歸參數(shù)2.7物性數(shù)據(jù)回歸輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Setup頁面定義數(shù)據(jù)類型，Data頁面輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2.7物性數(shù)據(jù)回歸定義回歸參數(shù)Setup頁面定義數(shù)據(jù)來源，Parameters頁面定義回歸參數(shù)2.7物性數(shù)據(jù)回歸定義回歸參數(shù)2.7物性數(shù)據(jù)回歸溫度，℃摩爾分率xⅠ摩爾分率xⅡ00.0001420.999891100.0001280.999844200.0001130.999784250.0001060.999763例2.3利用甲苯-水體系的液液平衡數(shù)據(jù)回歸VanLaar方程中的二元交互作用參數(shù)aij和aji，甲苯-水體系的液液平衡數(shù)據(jù)（各相中水的摩爾分率）見下表，所有的數(shù)據(jù)是在0.1MPa下測得的。甲苯-水體系的液液平衡數(shù)據(jù)2.8電解質(zhì)組分

當(dāng)體系中包含水及在水中會(huì)發(fā)生電離的電解質(zhì)（Electrolytes）時(shí)，需要使用電解質(zhì)向?qū)В‥lecWizard）完成組分輸入，電解質(zhì)向?qū)Э梢杂脕韼椭煽赡馨l(fā)生的各種電離反應(yīng)以及電離反應(yīng)生成的各種電解質(zhì)組分2.8電解質(zhì)組分2.8電解質(zhì)組分電解質(zhì)向?qū)Х炙膫€(gè)步驟操作：定義基本組分和定義反應(yīng)生成選項(xiàng)；去除不存在的鹽及反應(yīng)；選擇模擬采用的計(jì)算方法；檢查前面設(shè)置和調(diào)整自動(dòng)生成的亨利組分和反應(yīng)式。2.8電解質(zhì)組分定義基本組分和定義反應(yīng)生成選項(xiàng)2.8