用Aspen软件辅助化工热力学教学（一）状态方程计算流体的p―V―T性质.doc

用Aspen软件辅助化工热力学教学（一）状态方程计算流体的p―V―T性质.doc 用Aspen软件辅助化工热力学教学(一)状态方程计 算流体的p―V―T性质 摘要:本文用Aspen软件，选择工业中常用的PR状态方程模型，计算流体的p-V-T性质，能有效改进因计算量大、过程复杂而影响课堂教学效果的状况，并对提高学生应用能力，加深概念理解具有重要的作用。 关键词:Aspen;化工热力学教学;p-V-T关系;状态方程 中图分类号:G642.4 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2016)21-0214-03 一、引言 化工热力学是化学工程的基础学科，是化学工程与工艺专业的必修课程，在化学工程的教学过程中占有极其重要的地位。 学习化工热力学课程的目的是为了解决实际问，物性数据的计算是本课程的重要内容，因为过程工程的研究、、操作与优化中都离不开物性数据。例如，为蒸馏、萃取、结晶等分离过程提供基础数据;从容易测量的性质推算难测量的性质;从温和条件的物性数据推算航天发射、深潜高压等苛刻条件下所需的物性数据等等。 化工热力学的研究对象更接近实际过程，实际过程所涉及的系统如此复杂，温度、压力范围如此宽广，化学工程师们不能再依靠简单的理想气体或理想溶液模型来计算物性了，而是需要适用范围更广、准确性更好、复杂性更高的模型，如PR等状态方程，借助商业化的化工模拟软件 Aspen来促进化工热力学教学是一个很好的选择，对促进学生掌握概念，强化基础，提高应用能力具有重要作用。同时对后续的化工设计、化工计算等课程的教学十分有益。化工热力学教学中引入Aspen具有如下优点: 1.Aspen软件中物性计算原理与本课程热力学性质的计算原理是一致的，用该软件辅助热力学教学，能提高教学效率，简化计算过程，激发学生的学习兴趣。另一方面，也能使学生掌握Aspen软件物性计算原理的内核，了解更多的基础数据来源，提高应用能力，真正掌握“核心技术”，不至于再像从前那样，只知计算结果，不知计算原理，不明所用的模型，不能分析结果。 2.国内许多高校的后续课程，如化工设计、化工计算等教学中也开始采用Aspen辅助教学，化工热力学作为这些课程的基础，采用Aspen进行热力学性质计算，无疑会使得后续课程的基础更加扎实。 用Aspen软件指导化工热力学的教学过程，在发达国家也受到高度重视，如Sandler等也出版了相关的教学指导材料[1]。但国内的化工热力学教学与国外教学有相当的差异性，如，国内的教学课时数较少，教材内容更紧凑，因此，引入化学物性计算软件来提高教学效率更加重要。 在之前的文章中已经就Aspen软件辅助[2，3]化工热力学教学进行简单探索，但存在和课本知识与课堂教学不能较好匹配的问题，因此我们将基于Aspen软件，结合化工热力学课程教学，演示完成化工热力学性质计算过程，包括典型的流体性质，如p-V-T性质、焓、熵、热容、逸度、相平衡、稳定流动及循环过程的模拟计算等，能较全面地辅助化工热力学为教学过程，是展示化学热力学在相关过程中的应用，提升教学效果的一种 尝试。 本文用PR方程完成流体p-V-T性质计算。 二、流体p-V-T性质计算的原理 状态方程是物质p-V-T关系的解析式。以经典的立方型状态方程PR方程[4]为例，该方程描述为 其中，ai与bi是混合物中纯组分I的模型参数，kij是二元相互作用参数[5]，其数值一般从混合物的实验数据拟合得到，也可以通过从混合物的第二virial系数的数据来决定。 计算由Aspen自带的数据库就能提供相关的临界参数等物性数据，以完成物性的推算。 三、流体的p-V-T性质计算 本文采用《化工热力学》[6]中的两个实例，对Aspen计算过程进行简要说明。 实例一选自《化工热力学》例题2-3，用PR方程计算异丁烷在380K的饱和气、液相摩尔体积。利用Aspen计算过程如下: 1.启动Aspen Plus User Interface，选择Run type为Property analysis。 2.在Components>Specifications>Selection下设定组分为异丁烷。 3.在Property>Specifications>Global>Base method下选择状态方程为PENG-ROB。 4.在Property>Prop-Sets下新建一个物性集“PS-1”，在Property>Prop-Sets>PS-1>Properties下设定物性参数V，在 Property>Prop-Sets>PS-1>Qualifiers设定Phase为Liquid和Vapor。 5.在Property>Analysis下新建一个物性分析“PT-1”，Select Type选择GENERIC。 6.在Property>Analysis>PT-1>System下选择Point(s) without flash，输入异丁烷的摩尔流量为1kmol/hr。 7.在Property>Analysis>PT-1>Variable下输入温度为380K，在Adjusted variables下选择Variable为Pressure，随后点击Range/List，输入压力值为22.5bar。 8.在Property>Analysis>PT-1>Tabulate下选择第5步建立的物性集PS-1。 9.点击NEXT，计算完毕，在Results查看结果。 将实例一的计算结果与教材结果对比，整理后如下所示: 由此可见，Aspen计算结果与实验值相差较小，在误差允许范围内。因此可认为计算结果可靠。 实例二选自《化工热力学》例2-4，用PR方程计算由R12(CCl2F2)和R22(CHClF2)等物质的量的混合气体在400K和1MPa，2MPa，3MPa，4MPa，5MPa时的摩尔体积。并假定二元交互参数kij为0。 该例在Aspen中的操作上与实例一基本一致，具体过程如图1所示: 将实例二的计算结果与教材结果对比，整理后如下表所示: 由此可见，Aspen计算结果与教材值相差较小，在误差允许范围内。因此可认为计算结果可靠。 四、讨论 在用Aspen计算上述两个实例时，需要注意以下几点: 1.在进行计算前，应先了解温度、压力等基本单位。在 Setup>Specifications>Global下，可以设定输入以及输出的单位，在本例中，选用了SI-CABR单位集，默认温度单位为?，压力单位为bar。 2.在实例二的计算中，题目中已假定两物质的二元交互参数kij为0，因此在选好状态方程后，可以在Property>Parameters>Binary Interaction>PRKBV-1中，查看各组分的二元交互参数，在Aspen中，PR方程中的kij由三个参数进行描述，即，可以看到在Aspen中R12与R22的这三个参数的默认值均为0，符合计算要求。而在实际生产中，可通过利用实验数据得到回归值，在相关位置进行修改后，使得计算值更贴近实际值。 3.实际过程测定混合物性质需要花费大量人力、物力和时间，但用Aspen软件和化工热力学原理，推算混合物的性质具有准确、高效的特点。 五、结论 利用Aspen软件进行流体p-V-T性质计算，操作步骤简单易行，计算结果比较准确。可以使学生对求体积根、混合法则的应用等方面有更深的理解，有利于教学过程。同时，进一步掌握了Aspen软件的内核，还可以实现利用Aspen完成物性数据的计算，将化工过程的基础计算、流程模拟统一起来，利用一个专业软件解决多个课程的问题，增加将来在工作中应用物性推算解决实际问题的能力。 参考文献: [1]Sandler S I. Using Aspen Plus in Thermodynamics Instruction: A Step-by-Step Guide [M].New Jersey:John Wiley & Sons，Inc，2015. [2]陈新志，赵倩，钱超.基于Aspen-Plus的化工热力学教学(?) ):75-79. 均相性质计算[J].化工高等教育，2011，(05 [3]陈新志，赵倩，钱超.基于Aspen-Plus的化工热力学教学(?) 纯物质饱和性质计算[J].化工高等教育，2011，28(06):58-60. [4]Peng D Y，Robinson D B. A New Two-Constant Equation of State[J]. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals，1976， 15(1):59-64. [5]Mathias P M，Klotz H C，Prausnitz J M. Equation-of-State Mixing Ru-les For Multicomponent Mixtures:The Problem of 1991，67(2):31-44. Invariance[J]. Fluid Phase Equilibria， [6]陈新志，蔡振云，钱超.化工热力学[M].北京:化学工业出版社， 2015:26-27.