用Aspen软件辅助化工热力学教学状态方程计算流体的p―V―T性质

1、用 Aspen 软件辅助化工热力学教学（一）状态方程计 算流体的pT性质一、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题， 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、设计、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

2、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，借助商业化的化工流程模拟软件 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

3、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

4、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。、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

5、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

6、择 Run type 为 Property analysis 。2. 在 ComponentsSpecificationsSelection下设定组分为异丁烷。3. 在 PropertySpecificationsGlobalBase method下选择状态方程为PENG-RQB4. 在 PropertyProp-Sets 下新建一个物性集“ PS-1”，在PropertyProp-SetsPS-1Properties下设定物性参数 V，在PropertyProp-SetsPS-1Qualifiers设定 Phase 为 Liquid 和Vapor。5. 在 PropertyAnalysis

7、下新建一个物性分析“ PT- 1”， Select Type 选择 GENERIC。6. 在 PropertyAnalysisPT-1System 下选择 Point （s ） without flash ，输入异丁烷的摩尔流量为 1kmol/hr 。7. 在 PropertyAnalysisPT-1Variable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 PropertyAnalysisPT-1Tabulate下选择第 5 步建立的物性集 PS-1

8、。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，整理后如下表所示： 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（CCI2F2）和R22（ CHCIF2）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

9、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 SetupSpecificationsGlobal 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C,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 PropertyParametersBinary InteractionPRKBV-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