苯酚-水体系热力学模型的比选

陈 奇，杨太飞，左启军，钟玉华，吴 红,3，杜廷召

（1.贵州合众锰业科技有限公司，贵州 六盘水 553600；2.六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004；3.贵州省煤炭洁净利用重点实验室，贵州 六盘水 553004；4.中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北 任丘 062550）

苯酚是一种常见的有机化合物，是生产某些树脂、杀菌剂、防腐剂及药物（如阿司匹林）的重要原料[1-3]。苯酚有毒且溶于水[4-5]，但也有很好的经济价值，因此苯酚水溶液经处理后再排放及回收苯酚，具有环境与经济的双重价值。

化工分离技术是大规模处理苯酚水溶液的重要手段，包括萃取、蒸发、精馏等[6-8]。热力学模型的准确选择，是化工分离工程设计中重要的科学性问题[9-11]，因此，准确选取苯酚-水体系在化工分离工程设计中的最优热力学模型，显得尤为重要。本文用WILSON、NRTL 及UNIQUAC 这3 种热力学模型，关联了苯酚-水体系的气液相平衡实验数据，以Shi 等人[12]的实验数据为依据，将3 种热力学模型计算所得的误差进行比较分析，最终筛选出最优的热力学模型。

1 物性方程的选择

1.1 WILSON 模型

运用Aspen Plus 中的WILSON 模型方程进行热力学计算，苯酚-水体系的温度实验值与计算值的对比见表1，平衡气相组成的实验值与计算值的对比见表2。

表1 苯酚-水体系的温度计算值与实验值的对比（WILSON 方程）

从表1 可知，WILSON 模型的温度计算值与实验值的最大绝对偏差、最大相对偏差、平均绝对偏差和平均相对偏差，分别为2.313%、3.459%、1.589%、2.283%。

从表2 可知，WILSON 模型的平衡气相组成的计算值与实验值的最大绝对偏差、最大相对偏差、平均绝对偏差和平均相对偏差，分别为0.036%、5.074%、0.012%、1.444%。可以看出，WILSON 模型较好地拟合了实验数据。

表2 苯酚-水体系平衡气相组成的计算值与实验值的对比（WILSON 方程）

1.2 NRTL 模型

用Aspen Plus 中的NRTL 热力学模型进行计算分析，得到的苯酚-水体系的温度实验值与计算值的结果对比见表3，气相平衡组成的实验值与计算值的结果见表4。

表3 苯酚-水体系温度的计算值与实验值的对比（NRTL 方程）

从表3 可知，NRTL 模型的温度计算值与实验值的最大绝对偏差、最大相对偏差、平均绝对偏差和平均相对偏差，分别为4.94%、5.033%、2.104%、2.902%。

从表4 可知，NRTL 模型的平衡气相组成的计算值与实验值的最大绝对偏差、最大相对偏差、平均绝对偏差和平均相对偏差，分别为0.082%、11.463%、0.018%、2.29%。可以看出，NRTL 模型拟合实验数据的结果不理想。

表4 苯酚-水体系平衡气相组成的计算值与实验值的对比（NRTL 方程）

1.3 UNIQUAC 模型

采用Aspen plus 中的UNIQUAC 热力学模型进行计算分析，得到的苯酚－水体系的温度实验值与计算值的结果见表5，气相平衡组成的实验值与计算值的结果见表6。

表5 苯酚-水体系温度的计算值与实验值的对比（UNIQUAC 方程）

表6 苯酚-水体系平衡气相组成的计算值与实验值的对比（UNIQUAC 方程）

从表5 可知，UNIQUAC 模型的的温度计算值与实验值的最大绝对偏差、最大相对偏差、平均绝对偏差和平均相对偏差，分别为2.549%、3.849%、1.672%、2.426%。

从表6 可知，UNIQUAC 模型的平衡气相组成的计算值与实验值的最大绝对偏差、最大相对偏差、平均绝对偏差和平均相对偏差，分别为0.033、4.57%、0.012、1.402%。可以看出，UNIQUAC 模型拟合实验数据的结果不太理想。

2 热力学模型的比选

采 用WILSON、NRTL 及UNIQUAC 等3种热力学模型，计算了苯酚-水体系的温度及平衡气相组成数据，将3 种模型得出的计算值与实验值进行了比较，各模型的平均相对误差(ARD)结果见表7。由表7可知，WILSON 和UNIQUAC 模型的相对误差较小，均可较好地关联汽液相平衡的实验数据，其中WILSON 模型的平均相对误差最小，为最优热力学模型。

表7 3 种热力学模型的误差分析

式中，T为温度；y为气相中水的摩尔分数；N为实验点数，exp 为实验值，cal 为计算值。

3 结论

本文运用Aspen Plus 中的Data Regression 功能，选择WILSON、UNIQUAC 及NRTL 等3 种热力学模型，对苯酚-水体系的热力学模型进行比选，得出各模型的平均相对误差分别为3.727%、5.191%和3.828%。WILSON 热力学模型因计算值与实验值的误差最小，确定为最佳热力学模型。此结果可在选择苯酚-水体系的分离设计所需的热力学模型时，提供依据与参考。