很多化工工程师在化工工程师在应用商业流程模拟软件时,一旦软件报错或者报警 PHYSICAL PROPERTY PARAMETER XX IS MISSING,就不知如何处理。

要想减少软件在物质或者物料物性(Physical property)上的报警或错误数,需要了解各个单元操作模型中到底用到哪些物性以及这些物性调用了哪些物性参数。要理解各个物性如何被调用,可以从物性方法(Property Methods)选择最基础IDEAL,查看各个物性是如何计算的;然后在从状态方程EOS热力学模型和活度系数热力学模型各选一种模型,例如SRK和NRTL,查看各个物性如何计算即可。

不同单元以及不同深度的单元模拟需要的物性参数不一样;例如如果只是计算简单的闪蒸,只需要常见的热力学性质,例如汽液相的摩尔体积、摩尔焓以及平衡常数K即可;如果是压缩机,还要用到摩尔熵;如果是列管式换热器(Shell&Tube)或者精馏塔水力学的严格模拟,那就要用到传递性质,包括汽液相粘度、传热系数、以及液相的表面张力。

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商业模拟软件,例如AspenPlus的物性数据库,对纯组分物质,定义了大约80种物性参数,那么是不是计算模拟需要流程中每种物质的每种物性常数?计算化工过程最基础的闪蒸单元Flash时,最少要输入哪些物性参数?不同的物性方法又需要哪些物性参数?

一、化工模拟中物性分类以及计算方法分类

化工流程建模与仿真基于每个化工单元的数学模型,而化工单元的数学模型无非是由三大平衡(质量平衡,能量平衡与相平衡)、动力学、传递模型、以及单元的本征结构与特性方程(例如下图中基于恒摩尔流假设的精馏塔特征线方程)。

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三大平衡方程的方程原始形式很简单,但是原始方程中包含的物性的计算很复杂,特别是焓值H与平衡常数K的背后又有若干个热力学模型计算。单元模型方程组数值求解过程中,每一轮迭代都要把这些物性模型与方程计算一遍,所以最终一个单元模型求解计算中,物性相关的计算量要占总计算的70%以上。

化工中所说的物性(Physical Property,物理性质)指热物理性质(Thermophysical property),即与热物理现象有关的宏观性质。热物理性质又分为热力学性质(Thermodynamicsproperty)与传递性质(Transport Property)

传递性质主要在做设备设计时使用,例如换热器设计、精馏塔设计,普通流程模拟中计算三大平衡只需要热力学性质即可。

这些直接在单元操作数学模型中出现的宏观热力学性质性质通常无法直接测量,需要通过热力学关系式、由其他性质组合而得。将这些单元操作模型方程中直接出现的性质称为主要性质(main properties);主要性质由从属性质(Subordinateproperties)以及中间性质(Intermediateproperties)组合计算而得,其中中间性质可以由性质模型(property models)从基本可测的热力学变量(温度、压力、组成)以及物性参数(parameters)直接计算,例如饱和蒸气压、相变焓、液相组分活度系数等;而从属性质则不能直接用性质模型计算,必须由其他从属性质以及间接属性组合计算,例如偏离焓、混合焓等。

AspenPlus中将物性的计算方程或数学模型分成三类:

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尽管液相混合物焓值HLMX路径很多,但真正常用的计算路径没有几种,例如混合物焓值的计算路径可以参考以下文章:

通常所说的物性方法(Property Method)就是指计算各种主要性质、从属性质以及中间性质所用的路径(Routes)、方法(Methods)以及模型(Models)的一个集合(Collection)。不同物性方法代表不同的集合,虽然模拟软件给出了几十种物性方法,但从大类来分,就是状态方程法和活度系数法两大类。不同的物性方法的差别主要在于气液相焓值、气液相逸度系数、以及汽液相摩尔体积这几种主要性质的计算路径以及路径所包含的模型和方法,掌握这几种主要性质在几种代表性物性方法中的计算路径便够了。

从上可见,物性计算中最底层的计算是物性模型(model),而模型计算需要用到物性参数(property parameters),又称为物质的基础数据,例如分子量、沸点、临界参数、偏心因子、标准生成焓等。而物性参数又分为纯组分参数(pure component parameters)和二元参数(Binary Parameter)

化工单元操作模拟结果的准确性取决于物性计算的准确性,物性计算的准确性取决于物性参数(parameters)以及物性模型(model)的准确性,所以正确地选择物性方法以及输入物性参数对单元模拟结果至关重要。

二、最少物质物性参数输入

流程模拟的中最基础的单元操作模型是闪蒸模型Flash,几乎是绝大部分存在相变的单元模型基础。再次请出闪蒸单元模型,三大平衡方程组成了闪蒸单元的数学模型。

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方程中的组分分率x、y、z均是以及流量F、L、V均是基于摩尔量,而实际上工程师更关注质量量与体积量,所以还需要将摩尔量转化成质量量与体积量。摩尔量乘上分子量MW便变成质量量,这个比较容易转化。但摩尔量转体积量,需要通过模型计算:气相摩尔体积通过状态方程EOS即可,液相摩尔体积通过饱和液体摩尔体积模型,例如Rackett方程计算。虽然理论上立方型状态方程,例如SRK以及PR可以计算液相摩尔体积,但是误差较大,很少使用。

以上Flash模型中物性的焓值H以及平衡常数Ki是主要性质,需要通过更基础的从属性质以及中间性质组合计算而得。计算时,显然气相为理想气体、液相为理想液体的物性方法IDEAL 最简单,使用的物性参数最少。理想体系无需考虑物质间的相互作用,所以物性气相和液相间的组分二元参数,只需纯组分参数即可。可以这么定义,采用IDEAL物性方法模拟计算闪蒸单元Flash所需要的物性参数,便是模拟计算的最少物性输入。一个最简单的Flash模拟,必须的基础物性参数如下表,即每种物质只需要9种物性参数。

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那么,复杂的物性模型又必须哪些物性参数?模拟软件内置数据库中缺乏模拟系统中某些物质的某些必需的物性参数,怎么处理?

(未完待续)

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