精馏培训-4-物性方法介绍与选择

精馏培训-1-Aspen纯组分物性、二元交互参数 一文中,说到:

准确的模拟取决于物性的准确性。

这是一个非常非常重要的概念,一定要牢记。

概述

物性 计算值 单元操作
K值 相平衡(VLE、LLE) 精馏、萃取、结晶等
能量平衡和负荷 换热器等
功、效率 压缩机、泵等
Gibbs自由能 化学平衡、相平衡 倾析器等
密度 流量、停留时间、压头 管道、容器、泵等
粘度 压降、设备选择与尺寸 管道、塔、换热器等

前四个是热力学性质,后两个是传递性质。

工艺 相态1 相态2 相态3 相平衡
精馏 - VLE
精馏 VLLE
吸收 - GLE
萃取 - LLE
结晶 - SLE

热力学模型选择不当,模拟软件不会给出错误信息,但热力学模型使用不当则会产生报错。

物性方法根据非理想行为程度和操作条件分为这几类:理想物性方法、状态方程EOS、活度系数、其他方法。

图自《化工过程模拟实训一Aspen Plus教程(第二版)孙兰义》-page26。

理想物性方法

其代表就是IDEAL方法,理想气体方程有如下几个假设:

  • 分子没有提及活大小(看作一个“点”)
  • 分子间没有相互作用(总是气体状态)
PV = nRT

其中 R = 8314 \quad J \cdot kmol^{-1} \cdot K^{-1}

压缩因子:

z^{id} = \frac{Pv}{RT} = 1

特点:

  • 用于可视为理想状态的体系,例如减压体系、低压下的同分异构体系
  • IDEAL物性方法不能处理非理想体系
  • 低压高温的气体可视为理想气体,相互作用很小或者相互作用批次抵消的液体也可以视为理想液体
  • 理想体系可以包含或者不包含不凝组分,如果包含,可以使用Henry定律处理不凝组分

状态方程

状态方程(EOS)可以计算不能直接从实验测得的热力学性质

状态方程用于相平衡计算时,气液相的参考状态均为理想气体,通过计算气液两相的逸度系数可以确定其对理想气体的偏差

立方型状态方程(CEOS)特征是方程可以展开为体积(或密度)的三次方形式,可以准确预测临界和超临界状态,准确预测非理想体系的气液平衡

立方型状态方程又可以分为:经典立方型状态方程,如SRK,PR等;和采用高级混合规则的高级立方型状态方程,如SRKM、SRKS、TBC等

状态方程的蒸汽表:

模型 描述
STEAM-TA ASME Steam Table 1967
STEAMNBS NBS Steam Table 1984
IF97 IAPWS Steam Table
IAPWS-95 IAPWS Steam Table 1995

分类

图自《化工过程模拟实训一Aspen Plus教程(第二版)孙兰义》-page27。

图自《化工过程模拟实训一Aspen Plus教程(第二版)孙兰义》-page28。

立方型状态方程

图自《化工过程模拟实训一Aspen Plus教程(第二版)孙兰义》,下同

维里状态方程

气相缔合法

混合规则

传统状态方程并不能处理好明显偏离理想状态的行为,高压体系下活度系数的运算结果偏差较大,所以促生了混合规则。

注:需要物性回归,有实验的物性数据和二元交互参数。

活度系数

极性溶剂和电解质溶液,由于非理想性较强,一般状态方程不适用,而活度系数(GAMMA-γ)的适用范围为:

  • 适用于中低压(低于10atm)下非理想和强非理想性混合
  • 使用亨利定律处理超临界组分
  • 溶解度需要进行修正

注意的点:

  • 需要高质量的实验数据(VLE、LLE、共沸数据、活度系数、γ∞)
  • UNIFAC基团估算
  • VLE和LLE数据最好分开使用

亨利定律

亨利定律与理想模型、活度系数模型一起使用,用于确定液相中轻气体和超临界组分的组成。

使用亨利定律时,任何超临界组分和轻气体(CO2、N2等)均需要定义为亨利组分。

低压下,逸度系数接近1,可以得到理想状态下的亨利定律:

x_i\ H_{ij} = y_i\ \phi^V_i\ P

等同于:

x_i\ H_{ij} = y_i\ P = p_i

注:仅对IDEAL物性方法有效。

电解质物性

  • 某些组分部分或完全解离成离子,盐类可能会析出
  • 液相中出现的离子将改变混合物的热力学行为
  • Chemistry中规定所需要的化学反应
  • 采用适当的活度系数模型处理此类问题

电解质溶液的物性方法可以分为两种:

  • 针对特定组分的基于关联式的专用物性方法
  • 基于活度系数模型的通用物性方法

基于关联式的电解质物性方法:

物性方法 关联式 适用体系
AMINES Kent-Eisenberg 含H2O、MEA/DEA/DIPA/DGA、H2S、CO2
APISOUR API Sour Water Correlation 含H2O、NH3、CO2、H2S的酸性水体系

传递性质模型

Aspen物性体统提供的传递性质模型包括:

  • 粘度模型:Viscosity
  • 导热系数模型:thermal conductivity
  • 扩散系数模型:diffusivity
  • 表面张力模型:surface tension

传递性质用于严格传热计算、压降计算、塔板/填料水力学计算

各种模型和相应的物性方法对应,一般不需要主动选择。

物性方法选择

状态方程和活度系数比较:

常见体系:

根据经验选择:

  • PENG-ROB:适用于所有温度及压力下的非极性或极性较弱的混合物体系
  • PR-BM:适用于所有温度及压力下非极性或者极性较弱的体系
  • PRMHV2:适用于较高温度及压力下极性或非极性的化合物混合体系
  • PSRK:适用于较高温度及压力下极性或非极性的轻组分气体化合物体系
  • RKS-BM:适用于所有温度及压力下非极性或者极性较弱的体系
  • RKSMHV2:适用于较高温度及压力下极性或非极性的轻组分气体化合物体系
  • RK-SOAVE:适用于所有温度及压力下的非极性或极性较弱的混合物体系
  • RKSWS:适用于较高温度及压力下极性或非极性的轻组分气体化合物体系
  • SR-POLAR:适用于较高温度及压力下极性或非极性的轻组分气体化合物体系
  • UNIQUAC:适用于极性和非极性强非理想体系

物性方法和路线

Aspen物性系统中用于计算热力学性质和传递性质的方法(methods)和模型(models)被组合在物性方法(property methods)中,每种物性方法包含了计算所需的所有方法和模型。

  • 方法(methods) 是一个仅根据通用的科学原理(如热力学)计算物性的方程,这个方程可能包含一些假定,如气体可以被视为理想气体处理,或者压力低至足以忽略压力校正。

  • 模型(models) 是由估算一个物性的一个或多个方程组成,并且把状态变量、通用参数和关联式参数作为输入变量。

  • 路线(routes) 是用于计算一个物性的方法和模型的特定组合。