第3章 物性方法

1、第第3章章 物性方法物性方法作者：毕欣欣作者：毕欣欣 孙兰义孙兰义物性方法物性方法3.1 Aspen Plus数据库数据库3.2 Aspen Plus中的主要物性模型中的主要物性模型3.3 物性方法的选择物性方法的选择3.4 定义物性集定义物性集3.5 物性分析物性分析3.6 物性估算物性估算3.7 物性数据回归物性数据回归3.8 电解质组分电解质组分3.1 Aspen Plus数据库数据库3.1 Aspen Plus数据库数据库PURECOMP常数参数。例如绝对温度、绝对压力。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。相变的性质参数。例如沸点、三相点。参考态的性质参

2、数。例如标准生成焓以及标准生成吉布斯自由能。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。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。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。安全性质的参数。例如闪点、着火点。UNIFACUNIFAC模型中的集团参数。模型中的集团参数。状态方程中的参数。状态方程中的参数。与石油相关的参数。例如油品的与石油相关的参数。例如油品的APIAPI值、辛烷值、芳烃含量、氢含量及硫值、辛烷值、芳烃含量、氢含量及硫含量等含量等3.2 Aspen Plus中的主要物性模型中的主

3、要物性模型3.2 Aspen Plus中的主要物性模型中的主要物性模型理想物性方法理想物性方法K值计算方法值计算方法IDEALIdeal Gas/Raoults law/Henrys lawSYSOP0Release 8 version of Ideal Gas/Raoults law理想模型理想模型nAspen Plus提供了含有常用的热力学模型的物性方法。n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。nAspen plu

4、s物性方法和模型3.2 Aspen Plus中的主要物性模型中的主要物性模型方法方法状态方程状态方程基于基于Lee方程的物性方法方程的物性方法BWR-LSBWR Lee-StarlingLK-PLOCKLee-Kesler-Plcker 基于基于PR方程的物性方法方程的物性方法PENG-ROBPeng-Robinson PR-BMPeng-Robinson with Boston-Mathias alpha functionPRWSPeng-Robinson with Wong-Sandler mixing rulesPRMHV2Peng-Robinson with modified Huro

5、n-Vidal mixing rules基于基于RK方程的物性方法方程的物性方法PSRKPredictive Redlich-Kwong-SoaveRKSWSRedlich-Kwong-Soave with Wong-Sandler mixing rulesRKSMHV2Redlich-Kwong-Soave with modified Huron-Vidal mixing rulesRK-ASPENRedlich-Kwong-ASPENRK-SOAVERedlich-Kwong-Soave RKS-BMRedlich-Kwong-Soave with Boston-Mathias alpha

6、 function其他物性方法其他物性方法SR-POLARSchwartzentruber-Renon状态方程模型状态方程模型3.2 Aspen Plus中的主要物性模型中的主要物性模型方法方法液相活度系数液相活度系数汽相逸度系数汽相逸度系数基于基于Pitzer的物性方法的物性方法PITZERPitzerRedlich-Kwong-SoavePITZ-HGPitzerRedlich-Kwong-SoaveB-PITZERBromley-PitzerRedlich-Kwong-Soave基于基于NRTL的物性方法的物性方法ELECNRTLElectrolyte NRTL Redlich-Kwon

7、gENRTL-HFElectrolyte NRTLHF Hexamerization modelENRTL-HG Electrolyte NRTLRedlich-KwongNRTLNRTL Ideal gasNRTL-HOCNRTLHayden-OConnellNRTL-NTHNRTLNothnagelNRTL-RKNRTLRedlich-KwongNRTL-2NRTL (using dataset 2)Ideal gas基于基于UNIFAC的物性方法的物性方法UNIFACUNIFACRedlich-KwongUNIF-DMDDortmund-modified UNIFACRedlich-Kw

8、ong-SoaveUNIF-HOCUNIFACHayden-OConnellUNIF-LBYLyngby-modified UNIFACIdeal gasUNIF-LLUNIFAC for liquid-liquid systemsRedlich-Kwong活度系数模型活度系数模型3.2 Aspen Plus中的主要物性模型中的主要物性模型基于基于UNIQUAC的物性方法的物性方法UNIQUACUNIQUAC Ideal gasUNIQ-HOCUNIQUACHayden-OConnellUNIQ-NTHUNIQUACNothnagelUNIQ-RKUNIQUACRedlich-KwongUNI

9、Q-2UNIQUAC (using dataset 2)Ideal gas基于基于VANLAAR的物性方法的物性方法VANLAARVan Laar Ideal gasVANL-HOCVan LaarHayden-OConnellVANL-NTHVan LaarNothnagelVANL-RKVan LaarRedlich-KwongVANL-2Van Laar (using dataset 2)Ideal gas基于基于WILSON的物性方法的物性方法WILSONWilsonIdeal gasWILS-HOCWilsonHayden-OConnellWILS-NTHWilsonNothnage

10、lWILS-RKWilsonRedlich-KwongWILS-2Wilson (using dataset 2)Ideal gasWILS-HFWilsonHF Hexamerization modelWILS-GLRWilson (ideal gas and liquid enthalpy reference state)Ideal gasWILS-LRWilson (liquid enthalpy reference state)Ideal gasWILS-VOLWilson with volume termRedlich-Kwong3.2 Aspen Plus中的主要物性模型中的主要物

11、性模型方法方法K值计算方法值计算方法应用应用AMINESKent-Eisenberg amines modelMEA、DEA、DIPA、DGA中中H2S、CO2的处理的处理APISOURAPI sour water model带有带有 NH3、H2S、CO2的废的废水处理水处理BK-10Braun K-10石油石油SOLIDSIdeal Gas/ Raoults law/Henrys law /solid activity coefficients 冶金冶金CHAO-SEAChao-Seader corresponding states model石油石油GRAYSONGrayson-Stre

12、ed corresponding states model石油石油STEAM-TAASME steam table correlations水或蒸汽水或蒸汽STEAMNBSNBS/NRC steam table equation of state水或蒸汽水或蒸汽特殊模型特殊模型3.3 物性方法的选择物性方法的选择n过程模拟必须选择合适的热力学模型过程模拟必须选择合适的热力学模型n在使用模拟软件进行流程模拟时，用户定义了一个流程以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，而面的问

13、题，而热力学模型的选择则需要用户作决定热力学模型的选择则需要用户作决定。流程。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，迄今为止，还没有任何一个热力学模型能适用于所有的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物系和所有的过程。流程模拟中要用到多个热力学模型，。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。性、可靠性和模拟成功与否。n选取方法选取方法 由物系特点及操作温度、压力由物系特点及操作温度

14、、压力经验选取经验选取 由由帮助系统帮助系统进行选择进行选择3.3 物性方法的选择物性方法的选择经验选取经验选取 由物系特点及其操作条件进行选择图（图（a）3.3 物性方法的选择物性方法的选择经验选取经验选取图（图（b）3.3 物性方法的选择物性方法的选择经验选取经验选取图（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 物性方法的选择物性方法的选择帮助系统帮助系统 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

15、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 type3.3 物性方法的选择物性方法的选择 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No3.3 物性方法的选择物性方法的选择系统给用户提供几种物

16、性方法作为参考3.3 物性方法的选择物性方法的选择特殊体系的物性方法选择特殊体系的物性方法选择存在气相缔合的体系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，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和和Hayden-OConnel状态方程。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状态方程状态方程作为气相模型的性质方法有作为气

17、相模型的性质方法有NRTL-NTH、UNIQ-NTH、VANL-NTH、WIS-NTH。Hayden-OConnel状态方程使用的是截至两项的维里方程，它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），但当压力超过酸的混合物），但当压力超过1015个大气压时也不再适用；个大气压时也不再适用；Hayden-OConnel状态方程作为气相模型的性质方法有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-HO

18、C3.3 物性方法的选择物性方法的选择特殊体系的物性方法选择特殊体系的物性方法选择含有氟化氢（含有氟化氢（HF）的体系）的体系只有只有WILS-HF性质方法将性质方法将HF状态方程用作气相模型，此方法能可状态方程用作气相模型，此方法能可靠的预测靠的预测HF在混合物中的强缔合影响，但是不适用于压力超过在混合物中的强缔合影响，但是不适用于压力超过3个个大气压的情况大气压的情况含有电解质的体系含有电解质的体系电解质的活度系数模型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。的溶液，非常适用于中压和低压体系。Pitzer模型

19、计算气体溶解度模型计算气体溶解度可以获得很好的结果；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活度系数模型精度有限但是具有预测性；测性；ENRTL-HF方法与方法与ENRTL类似，用于计算类似，用于计算HF强络合现象的强络合现象的气相模型以及低于气相模型以及低于3个大气压的体系个大气压的体系3.3 物性方法的选择物性方法的选择特殊体系的物性方法选择特殊体系的物性方法选择石油炼制体系石油炼制体系PENG-ROB、RK-SOAVE是针对石油炼制体系修正的热力学方程。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低压的常减压塔可以采用BK10、CHAO-SEA、G

20、RAYSON等方法；等方法；中压的焦化主分馏塔、中压的焦化主分馏塔、FCC主分馏塔等可以采用主分馏塔等可以采用CHAO-SEA、GRAYSON、PENG-ROB、RK-SOAVE等方法；重整装置、加氢等方法；重整装置、加氢精制装置等富氢体系可以采用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等方法；润滑油或脱沥青装置可以采用PENG-ROB、RK-SOAVE等方法等方法。3.3 物性方法的选择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的物性方法推荐化工体系化工体系推荐的物性方法推荐的物性方法空分空分PR，SRK气体加工

21、气体加工PR，SRK气体净化气体净化Kent-Eisnberg，ENRTL石油炼制石油炼制BK10，Chao-Seader，Grayson-Streed，PR，SRK石油化工中石油化工中VLE体系体系PR，SRK，PSRK石油化工中石油化工中LLE体系体系NRTL，UNIQUAC化工过程化工过程NRTL，UNIQUAC，PSRK电解质体系电解质体系ENRTL，Zemaitis低聚物低聚物Polymer NRTL高聚物高聚物Polymer NRTL，PC-SAFT环境环境UNIFAC + HenrryLaw常见化工体系所推荐的物性方法（一）3.3 物性方法的选择物性方法的选择常见化工体系的物性方

22、法推荐常见化工体系的物性方法推荐过程过程体系体系推荐的物性方法推荐的物性方法石油和气体石油和气体加工加工储运系统储运系统用于高压烃应用的状态方程用于高压烃应用的状态方程平台分离系统平台分离系统用于高压烃应用的状态方程用于高压烃应用的状态方程油气管道运输系统油气管道运输系统用于高压烃应用的状态方程用于高压烃应用的状态方程炼油炼油低压：常压塔、减压塔低压：常压塔、减压塔石油逸度和石油逸度和K值关联式及化验数值关联式及化验数据分析据分析中压：焦化主分馏塔、催化裂化主分馏塔中压：焦化主分馏塔、催化裂化主分馏塔石油逸度和石油逸度和K值关联式及化验数值关联式及化验数据分析据分析富氢系统：重整装置、加氢精制

23、富氢系统：重整装置、加氢精制精选的石油逸度关联式针对石油精选的石油逸度关联式针对石油调整的状态方程及化验数据分析调整的状态方程及化验数据分析润滑油装置、脱沥青装置润滑油装置、脱沥青装置针对石油调整的应用状态方程及针对石油调整的应用状态方程及化验数据分析化验数据分析 气体加工气体加工烃分离：脱甲烷塔、烃分离：脱甲烷塔、C3分离塔分离塔用于高压烃应用的状态方程（带用于高压烃应用的状态方程（带Kij）低温气体处理：空气分离低温气体处理：空气分离用于高压烃应用的状态方程，灵用于高压烃应用的状态方程，灵活和预测性的状态方程活和预测性的状态方程用乙二醇进行气体脱水用乙二醇进行气体脱水使用灵活和预测性的状态

24、方程使用灵活和预测性的状态方程用甲醇或用甲醇或NMP进行酸性气吸收进行酸性气吸收使用灵活和预测性的状态方程使用灵活和预测性的状态方程水、氨水、胺、碱、石灰或热碳酸盐进行酸性水、氨水、胺、碱、石灰或热碳酸盐进行酸性气吸收气吸收推荐使用电解质活度系数方法推荐使用电解质活度系数方法常见化工体系所推荐的物性方法（二）3.3 物性方法的选择物性方法的选择石油化工石油化工乙烯装置乙烯装置初馏塔初馏塔石油逸度关联式及化验数据分析石油逸度关联式及化验数据分析轻烃分离塔、急冷塔轻烃分离塔、急冷塔用于高压烃应用的状态方程用于高压烃应用的状态方程芳烃抽提：芳烃抽提：BTX抽提抽提液体活度系数液体活度系数(对参数很敏

25、感对参数很敏感)取代烃：取代烃：VCM、丙烯腈装置、丙烯腈装置用于高压烃应用的状态方程用于高压烃应用的状态方程醚生产醚生产液体活度系数法液体活度系数法乙苯苯乙烯装置乙苯苯乙烯装置用于高压烃的应用状态方程和理用于高压烃的应用状态方程和理想状态方程想状态方程(带带Watsol)或液体活度或液体活度系数法系数法对苯二甲酸对苯二甲酸液体活度系数法液体活度系数法 在醋酸部分用在醋酸部分用能模拟二聚反应的方法能模拟二聚反应的方法 常见化工体系的物性方法推荐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

26、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使用物性时只需引用物性集的名称。 在在General with Metric units模板中，系统默认物性集如下图所示：模板中，系统默认物性集如下图所示：3.4 定义物性集定义物性集物性集设定物性集设定若是若是物性物性参数不存在上述参数不存在上述物性集物性集中，则需要设置新的物性参数集，中，则需要设置新的物性参数集，比如若需要查看物流的比如若需要查看物流的pH值，则需要点击值，则需要点击New，设置一个新的物，设置一个新的物性参数集性参数集PS-13.4 定义物性集定义物性集物性集设定物性集设定选择物

27、性选择物性参数参数PH3.4 定义物性集定义物性集物性集设定物性集设定3.4 定义物性集定义物性集输出报告选项输出报告选项物性集物性集的的输出需要在输出报告中设置输出需要在输出报告中设置3.4 定义物性集定义物性集输出报告选项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。应的物性参数。3.5 物性分析物性分析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。性图表，验证物性模型和数据的准确性。物

28、性分析中可以提供的图表主要分为以下三种：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；）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）二元物系，例如T-x-y、P-x-y相图；相图；（3）三元相图。）三元相图。例例3.1 运用物性分析功能做出甲醇运用物性分析功能做出甲醇-水体系在水体系在0.1MPa下的下的T-x-y相相图。已知甲醇、水的流率均为图。已知甲醇、水的流率均为50kmol/hr3.5 物性分析物性分析启动启动Aspen Plus，选择模板，选择模板General with Metric Units，运行，运行类型（类型（

29、Run Type）选择物性分析（）选择物性分析（Property Analysis）3.5 物性分析物性分析设定分析物性设定分析物性3.5 物性分析物性分析设定分析物性设定分析物性3.5 物性分析物性分析设定分析物性设定分析物性本题需要做出甲醇、水体系的本题需要做出甲醇、水体系的T-x-y相图，而相图，而T-x-y相图是表示不同组成相图是表示不同组成下物系的泡露点温度下物系的泡露点温度，默认物性集中没有此参数，默认物性集中没有此参数，需要首先设定分析需要首先设定分析的物性集的物性集，并设定输出报告选项。，并设定输出报告选项。3.5 物性分析物性分析作图作图在结果页面，在结果页面，选中选中X轴变

30、量轴变量对应参数对应参数，点击菜单栏，点击菜单栏Plot下的下的X-Axis Variable，即即设定设定X轴变量轴变量3.5 物性分析物性分析选中选中Y轴变量参数，（若轴变量参数，（若Y轴包含多个变量，需要同时选中），点击菜单轴包含多个变量，需要同时选中），点击菜单栏栏Plot下的下的Y-Axis Variable，即可设定，即可设定Y轴变量轴变量3.5 物性分析物性分析甲醇甲醇-水体系的水体系的T-x-y相图相图3.6 物性估算物性估算 Aspen Plus中的物性估算系统可以估算物性模型中的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许多参数。

31、物性估算以基团贡献法和对比状态相关性为基础，可以估算础，可以估算纯组分的物性常数纯组分的物性常数，与温度相关的模型参数，与温度相关的模型参数，Wilson、NRTL以及以及UNIQUAC方法的方法的二元交互作用参数二元交互作用参数以及以及UNIFAC方法的基团参数方法的基团参数例例3.2 估算二聚物估算二聚物“乙基乙基-2-乙氧基乙醇乙氧基乙醇”的物性。的物性。已知：已知： 乙基乙基-2-乙氧基乙醇的分子式乙氧基乙醇的分子式 CH3-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-CH2-OH 乙基乙基-2-乙氧基乙醇的正常沸点乙氧基乙醇的正常沸点 TB=1953.6 物性估算物性估算启动启动Aspe

32、n Plus，选择模板，选择模板General with Metric Units，运行，运行类型（类型（Run Type）选择物性）选择物性估算估算（Property Estimation）3.6 物性估算物性估算输入组分及分子结构输入组分及分子结构3.6 物性估算物性估算输入组分及分子结构输入组分及分子结构注：注：如果分子结构中含有苯环，可以在化学键类型中选择如果分子结构中含有苯环，可以在化学键类型中选择Benzene ring3.6 物性估算物性估算输入已知物性参数输入已知物性参数3.6 物性估算物性估算定义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本

33、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要的物性参数 设置完成后，运行模拟，查看结果设置完成后，运行模拟，查看结果3.7 物性数据回归物性数据回归 物物性数据回归系统可以拟合多种纯组分的物性数据，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、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；该系统也可以回归热容或

34、活度系数数据；该系统也可以回归Aspen Plus中的中的物性模型，如电解质和用户模型。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型，并且可以同时回归多种类型的参数3.7 物性数据回归物性数据回归主要步骤：主要步骤：运行类型（运行类型（Run Type）选择数据回归（）选择数据回归（Data Regression）全局设定全局设定输入组分输入组分选择物性方法选择物性方法输入实验数据输入实验数据定义回归参数定义回归参数3.7 物性数据回归物性数据回归输入实验数据输入实验数据Setup页面定义数据类型，页面定义数据类型，Data页面输入实验数据页面输入实验数据3