第3章-物性方法.ppt

第3章 物性方法,作者：毕欣欣 孙兰义,物性方法,3.1 Aspen Plus数据库 3.2 Aspen Plus中的主要物性模型 3.3 物性方法的选择 3.4 定义物性集 3.5 物性分析 3.6 物性估算 3.7 物性数据回归 3.8 电解质组分,3.1 Aspen Plus数据库,3.1 Aspen Plus数据库,PURECOMP 常数参数例如绝对温度、绝对压力 相变的性质参数例如沸点、三相点 参考态的性质参数例如标准生成焓以及标准生成吉布斯自由能 随温度变化的热力学性质参数例如饱和蒸汽压 传递性质的参数，例如粘度 安全性质的参数例如闪点、着火点 UNIFAC模型中的集团参数 状态方程中的参数 与石油相关的参数例如油品的API值、辛烷值、芳烃含量、氢含量及硫含量等,3.2 Aspen Plus中的主要物性模型,3.2 Aspen Plus中的主要物性模型,理想模型,Aspen Plus提供了含有常用的热力学模型的物性方法 物性方法与模型选择不同，模拟结果大相径庭如精馏塔模拟的例子相同的条件计算理论塔板数，用理想方法得到11块，用状态方程得到7块，用活度系数法得42块显然物性方法和模型选择的是否合适，也直接影响模拟结果是否有意义。

《Aspen plus物性方法和模型》,3.2 Aspen Plus中的主要物性模型,状态方程模型,3.2 Aspen Plus中的主要物性模型,活度系数模型,3.2 Aspen Plus中的主要物性模型,3.2 Aspen Plus中的主要物性模型,特殊模型,3.3 物性方法的选择,过程模拟必须选择合适的热力学模型 在使用模拟软件进行流程模拟时，用户定义了一个流程以后，模拟软件一般会自行处理流程结构分析和模拟算法方面的问题，而热力学模型的选择则需要用户作决定流程模拟中几乎所有的单元操作模型都需要热力学性质的计算，迄今为止，还没有任何一个热力学模型能适用于所有的物系和所有的过程流程模拟中要用到多个热力学模型，热力学模型的恰当选择和正确使用决定着计算结果的准确性、可靠性和模拟成功与否 选取方法 由物系特点及操作温度、压力经验选取 由帮助系统进行选择,3.3 物性方法的选择,经验选取 由物系特点及其操作条件进行选择,图（a）,3.3 物性方法的选择,经验选取,图（b）,3.3 物性方法的选择,经验选取,图（c）,以例2.1中丙烯、苯以及异丙苯体系为例，分析体系为非极性体系，考虑到为真实物系，可以选择PENG-ROB、RK-SOAVE、PR-BM、RKS-BM等物性方法,3.3 物性方法的选择,帮助系统 Aspen Plus为用户提供了选择物性方法的帮助系统，系统会根据组分的性质或者化工处理过程的特点为用户推荐不同类型的物性方法,以例2.1为例： 点击菜单栏Tools下的Property Method Selection Assistant，启动帮助系统,3.3 物性方法的选择,系统提供了两种方法，可以通过组分类型或是化工过程的类型进行选择。

以指定组分类型为例，选择第一项，Specify component type,3.3 物性方法的选择,系统提供了三种组分类型，化学系统、烃类系统以及特殊系统，这里选择烃类系统,3.3 物性方法的选择,选择完成后，系统提示用户是否含有石油产品的数据分析或是虚拟组分，点击No,3.3 物性方法的选择,系统给用户提供几种物性方法作为参考,3.3 物性方法的选择,特殊体系的物性方法选择,存在气相缔合的体系 对于存在气相缔合的体系、二聚反应，常用的热力学方法有两种，Nothagel和Hayden-O’Connel状态方程 Nothagel方程使用的是截断的范德华方程，可以模拟气相的二聚反应，不足之处在于当压力大于几个大气压时就不适用了；使用Nothagel状态方程作为气相模型的性质方法有NRTL-NTH、UNIQ-NTH、VANL-NTH、WIS-NTHHayden-O’Connel状态方程使用的是截至两项的维里方程，它能够可靠地预测极性组分的溶和作用以及气相中的二聚现象（比如含有羧酸的混合物），但当压力超过10～15个大气压时也不再适用；Hayden-O’Connel状态方程作为气相模型的性质方法有NRTL-HOC、UNIF-HOC、UNIQ-HOC、VANL-HOC、WIS-HOC,3.3 物性方法的选择,特殊体系的物性方法选择,含有氟化氢（HF）的体系 只有WILS-HF性质方法将HF状态方程用作气相模型，此方法能可靠的预测HF在混合物中的强缔合影响，但是不适用于压力超过3个大气压的情况,含有电解质的体系 电解质的活度系数模型ENRTL模型适用于具有多溶剂和溶解气体的溶液，非常适用于中压和低压体系。

Pitzer模型计算气体溶解度可以获得很好的结果；B-Pitzer活度系数模型精度有限但是具有预测性；ENRTL-HF方法与ENRTL类似，用于计算HF强络合现象的气相模型以及低于3个大气压的体系,3.3 物性方法的选择,特殊体系的物性方法选择,石油炼制体系 PENG-ROB、RK-SOAVE是针对石油炼制体系修正的热力学方程低压的常减压塔可以采用BK10、CHAO-SEA、GRAYSON等方法；中压的焦化主分馏塔、FCC主分馏塔等可以采用CHAO-SEA、GRAYSON、PENG-ROB、RK-SOAVE等方法；重整装置、加氢精制装置等富氢体系可以采用GRAYSON、PENG-ROB、RK-SOAVE等方法；润滑油或脱沥青装置可以采用PENG-ROB、RK-SOAVE等方法3.3 物性方法的选择,常见化工体系的物性方法推荐,常见化工体系所推荐的物性方法（一）,3.3 物性方法的选择,常见化工体系的物性方法推荐,常见化工体系所推荐的物性方法（二）,3.3 物性方法的选择,常见化工体系的物性方法推荐,常见化工体系所推荐的物性方法（二）,3.4 定义物性集,物性集是多个物性的集合，用户可以给物性集指定名称，在一个应用中使用物性时只需引用物性集的名称。

在General with Metric units模板中，系统默认物性集如下图所示：,3.4 定义物性集,物性集设定,若是物性参数不存在上述物性集中，则需要设置新的物性参数集，比如若需要查看物流的pH值，则需要点击New，设置一个新的物性参数集PS-1,,3.4 定义物性集,物性集设定,选择物性参数PH,3.4 定义物性集,物性集设定,,3.4 定义物性集,输出报告选项,物性集的输出需要在输出报告中设置,3.4 定义物性集,输出报告选项,选择要输出的物性，完成后，重新运行模拟，即可在结果栏中显示对应的物性参数3.5 物性分析,Aspen Plus为用户提供了物性分析功能，主要是用来生成简单的物性图表，验证物性模型和数据的准确性 物性分析中可以提供的图表主要分为以下三种： （1）纯组分，例如蒸汽压相对于温度变化的关系图； （2）二元物系，例如T-x-y、P-x-y相图； （3）三元相图例3.1 运用物性分析功能做出甲醇-水体系在0.1MPa下的T-x-y相图已知甲醇、水的流率均为50kmol/hr,3.5 物性分析,启动Aspen Plus，选择模板General with Metric Units，运行类型（Run Type）选择物性分析（Property Analysis）,,,3.5 物性分析,设定分析物性,3.5 物性分析,设定分析物性,3.5 物性分析,设定分析物性,本题需要做出甲醇、水体系的T-x-y相图，而T-x-y相图是表示不同组成下物系的泡露点温度，默认物性集中没有此参数，需要首先设定分析的物性集，并设定输出报告选项。

3.5 物性分析,作图,在结果页面，选中X轴变量对应参数，点击菜单栏Plot下的X-Axis Variable，即设定X轴变量,3.5 物性分析,选中Y轴变量参数，（若Y轴包含多个变量，需要同时选中），点击菜单栏Plot下的Y-Axis Variable，即可设定Y轴变量,3.5 物性分析,甲醇-水体系的T-x-y相图,3.6 物性估算,Aspen Plus中的物性估算系统可以估算物性模型中的许多参数物性估算以基团贡献法和对比状态相关性为基础，可以估算纯组分的物性常数，与温度相关的模型参数，Wilson、NRTL以及UNIQUAC方法的二元交互作用参数以及UNIFAC方法的基团参数,例3.2 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点 TB=195℃,3.6 物性估算,启动Aspen Plus，选择模板General with Metric Units，运行类型（Run Type）选择物性估算（Property Estimation）,3.6 物性估算,输入组分及分子结构,3.6 物性估算,输入组分及分子结构,注：如果分子结构中含有苯环，可以在化学键类型中选择Benzene ring,3.6 物性估算,输入已知物性参数,3.6 物性估算,定义物性估算,,本题选择估算所有缺失的物性参数，也可以再对应页面下设置需要的物性参数 设置完成后，运行模拟，查看结果,3.7 物性数据回归,物性数据回归系统可以拟合多种纯组分的物性数据，如饱和蒸汽压；该系统可以将物性模型参数与纯组分或多组分系统的实验数据相拟合，用户可以输入任意物性的实验数据，例如汽液平衡数据、液液平衡数据、密度、热容或活度系数数据；该系统也可以回归Aspen Plus中的物性模型，如电解质和用户模型。

物性数据回归是基于最大似然估计的思想，利用原始实验数据计算物性模型中的参数，可以处理多种数据类型，并且可以同时回归多种类型的参数,3.7 物性数据回归,主要步骤： 运行类型（Run Type）选择数据回归（Data Regression） 全局设定 输入组分 选择物性方法 输入实验数据 定义回归参数,3.7 物性数据回归,输入实验数据,,Setup页面定义数据类型，Data页面输入实验数据,3.7 物性数据回归,定义回归参数,Setup页面定义数据来源，Parameters页面定义回归参数,3.7 物性数据回归,定义回归参数,3.7 物性数据回归,例3.3 利用甲苯-水体系的液液平衡数据回归Van Laar方程中的二元交互作用参数aij和aji，甲苯-水体系的液液平衡数据（各相中水的摩尔分率）见下表，所有的数据是在0.1MPa下测得的甲苯-水体系的液液平衡数据,3.8 电解质组分,当体系中包含水及在水中会发生电离的电解质（Electrolytes）时，需要使用电解质向导（Elec Wizard）完成组分输入，电解质向导可以用来帮助生成可能发生的各种电离反应以及电离反应生成的各种电解质组分,3.8 电解质组分,,,3.8 电解质组分,电解质向导分四个步骤操作： 定义基本组分和定义反应生成选项； 去除不存在的盐及反应； 选择模拟采用的计算方法； 检查前面设置和调整自动生成的亨利组分和反应式。

3.8 电解质组分,定义基本组分和定义反应生成选项,3.8 电解质组分,去除不存在的盐及反应,3.8 电解质组分,选择模拟采用的计算方法,3.8 电解质组分,检查前面设置和调整自动生成的亨利组分和反应式3.8 电解质组分,例3.4 将1000m3/hr的氢氧化钙水溶液（氢氧化钙5.2kmol/m3，30℃，0.1MPa）与4750m3/hr的氯化钠盐酸溶液（氯化钠5.1kmol/m3，氯化氢2.2kmol/m3，20℃，0.15MPa）混合，求混合后溶液的温度和pH值。