Aspen Plus计算汽液相平衡.ppt

等； • ⑷化学反应与热化学数据，如反应热、生成热、燃烧热、反应速率常数、活化能、
化学平衡常数等； • ⑸与温度相关的传递性质，如等张比容、液体粘度、液体导热系数、表面张力、扩
散系数等。 • 混合物的物性数据往往需要在纯物质物性数据的基础上由合适的混合规则计算得到。
⑵-⑸类数据必须知道系统的温度、压 力，然后通过计算(函数关系式)或插值 (列表函数)才能得到。
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1.1 化工物性数据的查询
•1 . 1 . 2 从包溶A括液S P9的E0计N0种算P离L。U子关S 化软键合件参数物数据的有库参：中数水最组查，合主分找用热要的于，的物电无纯性解限组参质分数物。性主数要据纯库组，分包数含据库18的00内种容以是上在纯 • AS稀PE释N状P态LU下S的软吉件自布带斯的生数成据自库由不称能断为，更系以新统及扩数无展据和库改，进其的中，含因有此大从量一纯个物版质本和到混下合一物 的 • 物系性包的斯统数括热自限以数据大化由稀向据，约学能释上库可2数和状兼4是被据热5态容A0方，容下。个S便P关关的组E地键联N水分查数系合P（询L据数相大U、是。S热多调的焓对容数用一、于，个如起是。部熵给该版果模无分、出数本使拟机，吉的据的用结物并布一库A更果）与S可新的AP的不SEPN数同EPN据。LPU库LS进U某S行一个模起参拟同数计时值算被可，安能可装改能。变会。引
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1.2 纯物质的物性估算 • 1.2.2 与温度相关的热力学性质 • 理想气体热容：PCES用用多项式(式1-3)、Benson 方法和Joback 方法估算，温度 范围280-1100K，误差< 2%; • 临界温度以下纯组分液体热容和液体焓：PCES用DIPPR、PPDS、IK-CAPE、 NIST等关联式计算； • 液体摩尔体积: PCES用带有RKTZRA参数的Rackett模型方程(式1-5)估算; • 液体蒸汽压: 数据库组分用扩展Antoine方程(式1-6)进行估算，非数据库组分采用 Riedel、Li-Ma、Mani三种方法估计； • 汽化潜热: 数据库组分用Clausius-Clapeyron 方程和Watson方程(式1-7)估算，非数 据库组分用Veter e、Gan i、Du cros 、Li-Ma等化合物官能团贡献方法进行估算， Vetere 方法的平均误差为1 .6 % ，Li-Ma方法平均误差为1 .05 % 。

无热溶液 HE=0，GE=-TSE，SE≠0 此类模型得到的活度系数方程式有：
Wilson方程、NRTL方程、Uniquic方程等。
2. 2.11 沃尔型方程
GE
RT qi xi
i
Zi Z j aij
j
i
Zi Z j Z k aijk
jk
i
jk
Z i Z j Z k Z l aijkl
H E H M H id
S
E t
St
S
id t
St
R
ni ln xi
i
正规溶液
SE=0，GE=HE，HE≠0
无热溶液
HE=0，GE=-TSE，SE≠0
正规溶液 SE=0，GE=HE，HE≠0 此类模型得到的活度系数方程式有Wohl型 方程。
包括：VanLaar方程，Margules方程。
2.2.6 P-T-K列线图
气液两相均为理想溶液时:
Ki
yi xi
fi0
f
V i
f (T.P)
2.2.7 维里方程计算逸度
Z PV 1 BP 代入公式
RT
RT
混合物:
ln
ˆ
V i
ln fˆiV yi P
P RT
[2
c j 1
Bi,
j
Bm ]
(2-38)
纯组分:
ln Vi
ln
f
V i
fˆiV
f
V i
yi
fˆiV ˆ Vi pyi
fˆi L fi0 xi Pis xi
fˆi L i f i0 xi
表2-1 汽液相平衡系统分类
液相 汽相
理想气体

Ａ Ｐ Ｎ） Ｓ Ｅ 是大型通用 流程 模拟系统 ， 美国 Ａ Ｐ Ｎ Ｔ Ｃ 是 Ｓ Ｅ Ｅ Ｈ公司于 容上仍偏重于引用传 统的基 础化工 知识 ， 而缺乏 与具体 教学 专 上世纪 ８ ０年代推向市场的适用 型流程模 拟软 件 。流程模拟软 ｊ 业间的密切联系 ， 从长期的教学实践 中发现 ， 学生在 学习制药化 件建立在物料和热量平衡 、 平衡 、 相 化学 平衡及反 应动力学基础 工原理时感觉与药学 知识相 差较大 ， 习的积极 性与能 动性 均 学 上， 通常提供 了物性数据库 、 严格的热力学估算模 型库和丰富的过 难以充分调动 ， 至还易产生消极抵触的情绪 ， 甚 而且教材 内容 过程单元模 型库包括 了常用 的化工操作单 往往滞后 于生产实 践 ， 尤其滞后 于科研 实际 。为 了在教 学 中突 程单元模型库。其 中，
形象生动 ， 紧密联系工 业生产 ， 激发 学生 的专业学 习兴 趣 ， 而 从 提高学生分析和解决实际工程 问题 的能 力。本 文主要根据 自己
的科研成果介绍 Ａ ｐｎＰｕ 在天然产物 挥发油 中的二元组分 汽 ｓ ｌｓｅ
作者简介： 王贤书（ ９７一 ， ， １７ ） 女 讲师， 主要从事制药化工原理教学和分离过程的模拟与优化研究工作 。Ｅ— ａ ：ｉｌ ｕ １＠ｓ ａｃｍ ｍ ｉ ｘ Ｉｈ９ ３ ｉ ． ｌ ａ。 ｎ ０
之间形成一种 良性循环。
数和准确 的设备模 型的情况下 ， ｓｅ ｌ ＡｐｎＰｕ ｓ流程模拟软件可用于 解决上述问题的有效途 径是 丰富教学 手段 ， 借此使 课程 工厂实际生产流程的模拟， 并 其应用领域包括气体加工 、 、 、 炼油 发电 教学与实际工程问题有机地结合 。根据教学 经验和相关 研究为 合成燃料 、 石油化工、 煤化工 、 环境化工 、 生物化工 、 医药等 Ｈ 。 】 基础 ， 依托专业的传统特色和优势 ， 结合《 制药化工原理 》 课程 的 Ａ ｐｎＰｕ 的使用方法一 般可分为 ４部分 Ｊ ｓ ｌｓ ｅ 。

全球各大化工全球各大化工石化石化炼油等过程工炼油等过程工业制造企业及著名的工程公司都是业制造企业及著名的工程公司都是aspenaspenplusplus的用以以aspenaspenplusplus严格机理模型为基础严格机理模型为基础还逐步发展起来还逐步发展起来4455aspenaspen工程系列软件工程系列软件计计划划研研发发概念概念设计设计工工艺设计艺设计详细设计详细设计施工施工开车开车操作操作资产资产管理管理经济评价投资估算进度管理热交换器设计稳态动态模拟和优化物性数据和模型在线应用工艺知识和数据管理comthermoaspenpropertiesaspenolidethermhysysaspenplusoptimizerdynamicscustommodeleraspenwebmodelshetranaerotranhtfsaspenhetranaerotranteamsrtooptionaspenonlineconceptdistilhxnetaspensplitpinchwaterutilitiespinchwaterutilitiesaspenicarusaxsysaspenzyqadaspenfcccatrefhydrocrackerhydrotreatertraflowflarenetpolymersplusaspenplusdynamicscustommodelerbasysbdkprocessmanualsprocesstoolsaspenplusbatchpluschromatographyaspenadsim医药精细化工石油精制管道聚合物工艺合成和分析按功能分类生命周期66aspenplusaspenplus具有最完备的物性系具有最完备的物性系统统物性模型和数据是得到精确可靠的模拟结果的关键物性模型和数据是得到精确可靠的模拟结果的关键

C4
D，xD,C5=0.05 xD,C6≈0
60 psia
C4 C4 C5 C6 C5 C6
组成平衡线
F B, xB,C4=0.05 C5 xB,C6=?
C6
图1.11 三元混合规则
第26页
1.气液平衡基础 1.7 VLE中的非理想性
甲醇-水物系的非理想行为 课堂练习：完成图1.13的绘制
第27页
1.气液平衡基础 1.5 泡点
• 1）添加组分
Байду номын сангаас
露点
• 2）选择热力学模型（Peng-Rob）
第19页
1.气液平衡基础 1.5 泡点
露点
• 3）绘制模拟流程图（Separators/Flash2）
第20页
1.气液平衡基础 1.5 泡点
• 4）定义进料流股
露点
第21页
1.气液平衡基础 1.5 泡点
课堂练习： 完成图1.1的绘制 提示： 利用物性分析工具
温度升高 Tools/analysis/property/pure
图1.1 苯、甲苯的蒸气压曲线
第6页
1.气液平衡基础 1.2 二元VLE相图
T-x-y图 x-y曲线图
课堂练习： 完成图1.2，1.4，1.7，1.8的绘制
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1.气液平衡基础 1.2 二元VLE相图
利用AspenPlus完成精馏的设计与控制 Distillation Design and Control Using Aspen Simulation, William L. Luyben, Wiley-AIChE
1
利用AspenPlus完成精馏的设计与控制
1. fundamentals of vapor-liquid phase equilibrium(VLE) 2. analysis of distillation columns 3. setting up s steady-state simulation 4. distillation economic optimization 5. more complex distillation systems 6. steady-state calculations for control structure selection 7. converting from steady state to dynamic simualtion 9. reactive distillation

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南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
1.2 纯物质的物性估算 1.2.2 与温度相关的热力学性质 理想气体热容：PCES用用多项式(式1-3)、Benson 方法和 Joback 方法估算，温度范围280-1100K，误差< 2%; 临界温度以下纯组分液体热容和液体焓：PCES用DIPPR、 PPDS、IK-CAPE、NIST等关联式计算； 液体摩尔体积: PCES用带有RKTZRA参数的Rackett模型方程 (式1-5)估算; 液体蒸汽压: 数据库组分用扩展Antoine方程(式1-6)进行估算， 非数据库组分采用Riedel、Li-Ma、Mani三种方法估计； 汽化潜热: 数据库组分用Clausius-Clapeyron 方程和Watson方 程(式1-7)估算，非数据库组分用Vetere、Gani、Ducros、 Li-Ma等化合物官能团贡献方法进行估算，Vetere方法的平 均误差为1.6%，Li-Ma方法平均误差为1.05%。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
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1.1 化工物性数据的查询 1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑴ 化工辞典，王箴主编，化学 工业出版社出版. 最新版本是2000年出的第4版， 共收词16000余条。
南 京 工 业 大 学 包 宗 宏
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1.1.1从文献中查找 1.1.1.1 中文工具书 ⑵ 石油化工基础数据手册,卢焕章 主编，化学工业出版社1982. 共两篇，第一篇介绍各种化工介质 物理、化学性质和数据的计算方 法；第二篇将387个化合物的各 种数据列成表格．以供查阅。 这些数据包括临界参数，及其在一 定温度、压力范围内的饱和蒸汽 压、汽化热、热容、密度、粘度、 导热系数、表面张力、压缩因子、 偏心因子等16个物理参数。 1993年,化学工业出版社出版了由 马沛生主编的石油化工基础数据 手册续编，包含552个新化合物 的21项物性。

f
V i
Ki = fi0γ i PϕˆiV
8
精馏
汽液平衡
Ki计算的关键在于解决以下各热力学变量的计算
fˆiV = ϕˆiV Pyi
ϕˆ iV
fiV = ϕiV P
ϕiV
fˆi L = ϕˆiL Pxi
ϕˆ iL
fi L = ϕiL P
ϕiL
fˆi L = fi0γ i xi ≈ ϕis pisγ i xi
由于忽略了组成对K的影响，查得的数值仅是Ki的概略值， 其平均误差为8-15％，适用于0.8-1Mpa（绝对压）以下的较 低压区域。
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精馏
计算逸度系数常用的状态方程
汽液平衡
RK方程 SRK方程 PR方程 BWR方程 BWRS方程
（1949） （1972） （1976） （1940）
用于非极性物质其准确性 相当好。
汽相 液相
fˆiV = PyiϕˆiV
fˆi L = PxiϕˆiL
Ki
=
yi xi
= ϕˆiL ϕˆ iV
（2 −10）
适用范围：中压以下，非理想性不强的烃类系统。
4
精馏
汽液平衡
2）以活度系数表示－活度系数法
汽相 液相
fˆiV = PyiϕˆiV
fˆiL = fi0 xiγ i
Ki
=
yi xi
=
TL =TV
yi,T,P
PL = PV
xi
fˆiL = fˆiV (i = 1 c)
2
精馏
2.2.1相平衡关系的表示方法
汽液平衡
1）相平衡常数
Ki = yi / xi = f (T , P, x, y)

• 温度、压力、热负荷和气相摩尔分率中的任意两项。 • 需要注意的是，在闪蒸模型中不允许同时规定热负荷和气相摩尔分率。
• 闪蒸模型可以用来模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐和其它的单级 分离器。
第4页/共43页
ASPEN PLUS的闪蒸模型
Flash2
Flash3
第5页/共43页
ASPEN PLUS的闪蒸计算——示例
第25页/共43页
RadFrac的两种计算模式
• 核算模式计算： • 温度 • 流率 • 摩尔分率分布
• 设计模式计算： • 满足塔的操作参数（例如纯度或回收率）或塔中任意物流的物性所需要满足的规定 • 有广泛的设计和核算塔板及填料的能力
第26页/共43页
RadFrac模型的基本设置（1）
第27页/共43页
• 例4-5：根据例4-4，在其他条件不变的情况下，采用RADFRAC模型计算满足塔顶馏出物中乙烯摩尔分数 达到0.99所需要的回流比。
nonideality）
• 游离水相或其它第二液相（Free-water phase or other second liquid phase)
第21页/共43页
RadFrac模拟发生化学反应的塔
• 固定转化率（Fixed conversion） • 平衡反应（Equilibrium） • 流率控制反应（Rate-controlled） • 电解质反应（Electrolytic ）
第6页/共43页
ASPEN PLUS的闪蒸计算——练习
• 练习4-1：在101.3 kPa下，对组成为45%（摩尔分数，下同）正己烷、25%正庚烷和30%正辛烷的混合 物。（1）计算泡点和露点温度；（2）将此混合物在101.3 kPa下进行闪蒸，使进料的50%汽化。求闪蒸 温度和两相的组成。热力学模型采用理想模型（IDEAL）。

输入组成 输入物性
选择两元体系分析
绘制类型选择
两元相图VLE
液体平衡线
过热气体G
L+G
气体平衡线
过冷液体L
共沸物查找
选择物质 查看报告
绘制三元相图
当前点的组成
显示的数据选项
单相区 转化成三角形坐标
液液两相区
共沸物温度
随着醋酸的加入，增加水与Vinyl的互 溶度。到达等温互溶点处时分层消失。
Azeotrope Separation Simulation of Aspen Plus
Aspen Plus 共沸精馏模拟
共沸精馏
共沸:气相和液相组成相等。 共沸精馏：是指在两组分共沸液或挥发 度相近的物系中加入挟带剂，由于它能 与原料中的一个或几个组分形成新的两 相恒沸液，增大相对挥发度，因此，原 料液能用普通精馏法进行分离。
醋酸与水的分离
醋酸与水不形成共沸物，可采取普通精馏法， 塔底得到醋酸。但由于二者沸点接近，相对挥 发度不大，且属于高度非理想物系。
因此，要得到高纯的醋酸，采用普通精馏需 要很多的塔板和很大的回流比(回流比高达20--30)，这将耗费大量蒸汽，其经济效果差，故一 般不采用。该法主要用于含水量小的粗醋酸的 提纯。
azeotropeseparationsimulationofaspenplusaspenplus共沸精馏模拟共沸精馏醋酸与水的分离输入组成输入物性选择两元体系分析绘制类型选择两元相图vle液体平衡线气体平衡线过冷液体l过热气体glg共沸物查找选择物质查看报告绘制三元相图共沸物温度当前点的组成显示的数据选项液液两相区单相区转化成三角形坐标ll两相共轭浓度实验测量值等温互溶点两相消失连结线tielines双节线边界逆时针读取浓度蒸馏边界随着醋酸的加入增加水与vinyl的互溶度