Aspen Plus在《化工热力学》二元体系汽液相平衡数据回归分析中的应用

2020-11-04王克良缪应菊

山东化工 2020年18期

王克良，李静，李琳，缪应菊,叶昆

(1.六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州六盘水 553004；2.中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北任丘 062550)

《化工热力学》课程是在《物理化学》课程的基础上，进一步介绍热力学原理在过程热力学分析和流体相平衡计算中的应用，是化工专业学生掌握系统工程、化工分离工程的理论基础[1-3]。该课程中汽液相平衡(VLE)是很重要的一个知识点，是混合物精馏分离的重要物性数据[4-5]。采用合适的方法回归与分析VLE数据成为了本课程的一个难点。教材上面通常是介绍基于某方程的迭代优化过程，这种迭代优化如果完全让学生手算的话，不仅繁琐，而且还易出错。因此，借助计算机软件完成这种物性数据回归，既能够提高计算效率，又能够提高学生的应用能力[6-7]。

Aspen Plus软件具有强大的汽液相平衡数据回归功能，可以选用不同的热力学物性方法将汽液相平衡实验数据带入软件中进行回归处理，根据回归的准确程度筛选最佳的物性方法，用于后续的流程模拟计算[8-9]。将Aspen plus软件与《化工热力学》课程中"汽液相平衡数据回归分析"的核心知识点相结合的实践设计模式，既能让学生理解计算的基本原理，又能快速、准确的处理数据，是新工科中“理工”结合较好的实例。

本文以Aspen Plus软件回归乙醇-甲乙酮二元体系的汽液相平衡数据为例，比较了NRTL、WILSON及UNIQUAC三种热力学方程模型的准确性。相比传统的手动迭代优化计算，可以极大的降低计算量，提高准确度。学生通过软件回归模型参数，可以帮助学生更加深入地掌握常见的这几种化工热力学方程。根据回归的准确程度筛选最佳的物性方法，用于后续的流程模拟计算。

1 二元体系汽液相平衡实验数据

乙醇可以作为添加剂提高汽油的辛烷值，是配方汽油中的重要添加剂。甲乙酮为溶剂，可以作为改性汽油的调合剂[10]。因此，对于乙醇-甲乙酮二元体系的汽液相平衡数据，采用合适的热力学模型进行拟合回归具有重要的意义。本文以文献[11]中测定的乙醇-甲乙酮二元体系汽液相平衡实验数据为例，分别考察NRTL、WILSON及UNIQUAC三种热力学方程模型的准确性。

表1 乙醇-甲乙酮二元体系汽液相平衡实验数据

表1(续)

2 教学过程中的汽液相平衡数据回归分析的设计

汽液相平衡(VLE)是一种气相和液相共存的状态，VLE计算是《化工热力学》课程中和重要的知识点，涉及到温度、压力、汽液相组成等变量。对于同一组实验数据，采用不同的热力学方程进行关联回归结果往往是不一样的。因此合适的热力学方程模型对于处理VLE数据至关重要。

2.1 热力学方程关联回归

首先采用NRTL方程对表1中的VLE数据进行了模型关联，温度T的计算值与实验值比较列在了表2中。由表2可以看出，通过NRTL模型关联的计算值与实验值的平均绝对偏差和平均相对偏差分别为0.14℃和0.18%。

表2 基于NRTL方程乙醇和甲乙酮混合物温度的计算值与实验值的对比表

接着，采用WILSON方程对表1中的VLE数据进行了模型关联，结果列于表3中。可以看出，通过WILSONL模型的计算值与实验值的平均绝对偏差和平均相对偏差分别为0.14℃和0.19%。

表3 基于WILSON方程乙醇和甲乙酮混合物温度的计算值与实验值的对比表

最后，采用UNIQUAC方程对表1中的VLE数据进行了模型关联，结果列在了表4中。可以看出，通过UNIQUAC模型计算出的温度计算值与实验值的平均绝对偏差和平均相对偏差分别为0.14℃和0.18%。

表4 基于UNIQUAC方程乙醇和甲乙酮混合物温度的计算值与实验值的对比表

2.2 热力学物性方法的比选分析

热力学一致性检验的原理是基于Gibbs-Duhem方程来检验实验数据的可靠性[12]，Aspen Plus提供了热力学一致性检验工具，对三个热力学方程的关联结果进行了检验。结果表明三个方程的结果一样，均可以有效通过检验。

表5 热力学一致性检验结果

回归得到的三种热力学方程模型参数列于表6中，为了进一步比较三种热力学方程的关联准确性，进一步对回归的乙醇组分的液相组成和汽相组成进行了偏差分析，结果也列于表6中。可以看出，综合考虑温度T、液相组成x和汽相组成y三个因素，其中UNIQUAC方程的关联准确性是最高的。图1到图3为三个方程T-xy相图计算值与实验值的结果对比，可以看到三个方程的关联效果均比较好。

表6 三种热力学方程模型参数及偏差分析

图1 NRTL方程T-xy相图计算值与实验值的比较

3 结论

基于Aspen Plus软件，可以有效、准确的回归二元体系的汽液相平衡数据，并比较几种热力学方程模型的关联准确性。相比传统的手动迭代优化计算，可以极大的降低计算量，提高准确度。学生通过软件回归模型参数，可以帮助学生更加深入地掌握常见的这几种化工热力学方程。根据回归的准确程度筛选最佳的物性方法，用于后续的流程模拟计算。将Aspen Plus软件与《化工热力学》课程中"汽液相平衡数据回归分析"的核心知识点相结合的实践设计模式，既能让学生理解计算的基本原理，又能快速、准确的处理数据，是新工科中"理工"结合较好的实例。