Aspenplus的手册有很多,其中比较重要的是单元操作模型,物性方法和模型,物性数据等。
单元操作模型是一种抽象的过程,选择哪一个模型,取决于你有的条件和你所想要求的结果。
属性是一个难点,高难点,我认为这是考察技术人员模拟水平高低的一个重要点。此内容与化工热力学关系十分紧密,读《aspenplus的物性模型和方法〉手册。
aspenplus能做什么
aspenplus是用来计算平衡态体系数据的软件,这句话的意思有以下几点:
1.aspenplus是计算软件,和其他开发的或者我们自己开发的计算程序没有区别。比如我们自己搞一个srk 方程的计算程序,其核心与aspenplus没有什么不同,都只是根据化工热力学,化工原理等等公式,输入一些已知条件,然后运行得到结果而已。
这么说好像aspenplus也不过如此而已,但是aspenplus的强大之处在于:1).它几乎内建了所有化工过程所涉及的原理公式,也就是说化工专业的课程他全部都包括了;2).它附带了完善的数据库,囊括了所有你需要去化工手册上查找的数据;3).强大的其他分析工具,比如改变输入会怎样影响输出?aspenplus已经自带了此类工具,你可以直接使用。4).由于1)&2),aspenplus可以很方便的计算出大的复杂的流程,这也是它称之为模拟软件的原因。
这里还想补充一下:1).aspenplus由于已经自带了大量的数据库,并且你可以得到这些数据,那么你就不需要再去查化工手册了。比如,纯物质的比热,临界点温度,压力等等常数你都可以得到。2).aspenplus可以计算得到任意计算物流的几乎所有的物理性质,比如:密度,比热,湿度等等工艺工程师所关心的数据。
aspenplus是平衡态体系的软件。它不是仿真机,也不是动态模拟软件,并且所计算的体系都是假设已经达到平衡态,即不考虑时间的作用。比如相平衡计算,只能计算达到平衡时体系是什么组成,温度压力等等是多少,不能处理非平衡的问题。
aspenplus还有一个十分有用的功能,就是根据实验数据回归出一些常数供其它地方使用。举个常见的例子,如果你在实验室中,测量了水-乙醇体系在不同压力温度下,汽液平衡时的汽液平衡组成,现在想根据该实验结果得到wilson方程的水-乙醇参数(虽然这组参数aspen数据库中已经有),那么就可以使用aspenplus的数据回归功能(data regress)。该功能的用处在于,如果你的工艺是比较特殊的,aspenplus的数据库内没有内置你所研究的体系,那么你就可以先用数据回归功能得到相应的参数,再做模拟。该功能的具体用法以后再说。
aspenplus需要什么?
前面说过,aspenplus是一个根据方程计算的软件,那么很明显,是方程必然需要已知条件才能解出未知数,所以aspenplus需要的是方程的已知数,已知数可以多,却不能少,否则方程无解。
aspenplus的方程我认为可以分为三大类:
1.热力学方程,这是与具体的工艺流程无关的方程,如理想气体方程,nrtl方程,非理想溶液焓模型方程等等。该类方程为单元操作过程计算提供必要的数据基础。
2.单元操作方程,如换热器,精馏塔等等单元操作过程的计算,涉及到三传一反,这部分主要是和化工原理有关。
3.数学方程,这部分主要是用来解方程时涉及到的一些数学计算方法,与我们工程技术人员关系不大。
我认为{dy}类方程即热力学方程是aspenplus的基础,建议在aspenplus入门以后要好好的重点的学习一下,精读一遍aspenplus物性方法和模型手册。第二类方程相对而言不是太难,而且我认为也没有必要去精读,只要熟悉其原理即可。实际上aspenplus在其单元操作手册上也并没有写明单元操作模型的方程。
具体地说:对于aspenplus的流程计算模式(还有其他模式如数据回归模式此处不讨论),你需要输入以下数据:
1.流程图
2.组分
3.物性方法
4.起始物流数据,其组分,温度,压力,其他物流数据aspenplus可以计算出来。
5.所有单元操作模型数据
6.其他非必要数据,这主要是指如果你使用其他的功能,如设计规定,灵敏度分析等等。
关于流程图,需要特别指出的一点是:
单元操作的模型由两个因素决定:1.你有什么已知条件;2.你想得到什么结果。不同的单元操作模型所能计算的和所需要的条件是不同的,具体请参考单元操作模型手册或者联机帮助。
aspenplus需要什么?
这里想再次强调一下:单元操作模型的选择由两个因素决定:1.你有什么已知条件;2.你想得到什么结果。这句话需要灵活运用,我想再深入的讲一点。
aspenplus的单元操作模型虽然和生产实际的设备很相像,但是,操作模型不等具体设备,它是过程的一种抽象。你想解决的过程是怎样的才能决定你所选择的模型,而不是由具体的设备决定的。
据个比较典型的例子:aspenplus中有radfrac模型是个典型的精馏塔详细计算模型,基本上可以等同于现实操作的精馏塔设备,模型有冷凝器和再沸器。曾有人问我,他想计算冷凝器的详细结构该怎么办?因为radfrac本身没有关于冷凝器的结构的计算啊。解决的办法很简单,你将radfrac的冷凝器设为无,然后在塔顶汽相添加一个heatx或者hetran换热器就可以了。而且还有人问精馏塔怎么不能设置全回流呢?说实话,我并不明白有什么精馏塔在正常状态下世全回流操作的,但如果你非要设成全回流也不是没有可能,用我前面讲的方法,将换热器的出口再返回精馏塔就可以了。
好了单元操作模型的选择就到这里。下面讲一下物性方法的选择。
对于初学者而言,除非他十分熟悉热力学的内容,否则物性方法的选择确实是个难点,在你们还没有重新学习过热力学或者精度过aspenplus物性方法和模型手册之前,出于学习软件的目的,我大概讲一下物性方法。
首先要明白什么是物性方法?
比如我们做一个很简单的化工过程计算,一股100C,1bar的水-乙醇(50:50摩尔比,100kmol/h)的物料经过一个换热器后冷却到了80C,0.9bar,问如下值分别是多少?
1.入口物料的密度,汽相分率。
2.换热器的负荷。
3.出口物料的汽相分率,汽相密度,液相密度。复杂一点,我还可以问物料的粘度,逸度,活度,熵等等。
以上的值怎么计算出来?
好,我们来假设进出口物料全是理想气体,xx符合理想气体的行为,则其密度可以使用pv=nRT计算出来。并且汽相分率全为1,即该物料是xx气体。由于理想气体的焓与压力无关,则换热器的负荷可以根据水和乙醇的定压热熔计算出来。
在此例当中,描述理想气体行为的若干方程,就是一种物性方法(aspenplus中称为ideal property method)。简单的说,物性方法就是计算物流物理性质的一套方程,一种物性方法包含了若干的物理化学计算公式。对于本例而言至少包含了如下两个方程:
1.pv=nRT
2.dH=CpdT.
实际上,以上是一种最简单的计算方法,但结果是错误的,正确的解法下节再讲。
对于水-乙醇体系在此两种温度压力下,如果当作理想气体来处理,其误差是比较大的,尤其对于液相。按照理想气体处理的话,冷却后仍然为气体,不应当有液相出现。
那么应该如何计算呢?主要涉及以下过程:
1.对于汽相pvt计算,可以使用srk方程,从而可以得到密度。液相也可以使用状态方程计算密度,但此处不推荐使用,可以使用Rackett模型计算液相密度。
2.至于物流的相态,则首先需要做汽液平衡计算。
3.在进行汽液平衡计算时,液相应用活度系数方程计算组分的逸度系数,并且还需要使用拓展antoine方程计算蒸汽压力。
4.换热器负荷的计算比较复杂,可以使用进出口物流焓差来计算,那么需要计算出进出口物流的焓。
5.焓的计算有多种途径,对于液相比较常用的方法是计算理想液体混合物焓,然后再加上过剩焓计算出来。要计算非理想液体混合物过剩焓,则可通过混合物质汽相焓与蒸发焓差来计算,非理想性比较强是还要考虑混合焓差。
由此可见,实际过程至少包含如下公式方程:
1.状态方程srk,
2.液相密度方程rackett.
3.拓展antoine方程.
4.汽,液相逸度系数方程
5.液相活度系数方程
6.汽相焓方程,通过srk方程导出,需要设计纯气体Cp=f(p,t)方程。
7.液相焓方程,相当复杂,此处不再重复。
8.其他方程,包括数学方程,比如以上计算时涉及到了微积分运算,汽液平衡的回归运算等等。
以上方程,如果需要我们用户去一个个选择出来,则是一件相当麻烦的工作,并且很容易出错。好在模拟软件已经帮我做了这一步,这就是物性方法。
对于本例,我们对汽相用了状态方程,srk,液相用了活度系数方程(nrtl,wilson,等等),在aspenplus中将此中方法叫做活度系数法,如果你选择nrtl方程,就称为nrtl方法,wilson方程就成为wilson物性方法(wilson property method)。这种物性方法中已经囊括了所有我上面提到的方程公式。
在aspenplus中(或者因该说在化工热力学中)有两大类十分重要的物性方法,对于初学者而言,了解到此两类物性方法,基本上就可以开始着手模拟工作了。
大体而言,根据液相混合物逸度的计算方法的不同,物性方法可以分为两大类:状态方程法和活度系数法。状态方程法使用状态方程来计算汽相及液相的逸度,而活度系数法使用状态方程计算汽相逸度,但是通过活度系数来计算液相的逸度。
常见的状态方程有ideal,srk,pr,lk方程以及他们的一些改进方程.状态方程法就是基于此类状态方程来计算逸度,压缩因子,焓等等的物性方法。
常见的活度系数方程有nrtl, wilson,uniquac等。活度系数法就是基于此类活度系数方程来计算液相逸度,液相焓等的物性方法。
一般而言,对于常见的烃类如烷,烯,芳香族,无机气体如O2,N2等非(弱)极性的化合物,选用状态方程法;对于极性强的化合物,如水-醇,有机酸体系选用活度系数法。另外对于汽相聚合的物质,应选用特别的活度系数法,可以计算汽相聚合效应。对于无机电解质体系,选用elecnrtl物性方法。
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