用Aspen軟件輔助化工熱力學(xué)教學(xué)

陳新志 張哲明 錢超

摘要：純物質(zhì)的飽和熱力學(xué)性質(zhì)是重要的化工物性，基于p-V-T狀態(tài)方程推算飽和性質(zhì)是化工熱力學(xué)教學(xué)中重要內(nèi)容之一，其計(jì)算原理嚴(yán)格，計(jì)算過程工作量大，往往影響課程教學(xué)效果。本文用Aspen軟件，選擇工業(yè)中常用的PR狀態(tài)方程模型，計(jì)算純物質(zhì)的飽和熱力學(xué)性質(zhì)，能有效改善因計(jì)算量大、過程復(fù)雜而影響教學(xué)效果的狀況，并對(duì)提高學(xué)生應(yīng)用能力，加深概念理解具有重要的作用。

關(guān)鍵詞：Aspen；化工熱力學(xué)教學(xué)；飽和熱力學(xué)性質(zhì)；狀態(tài)方程；逸度

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）26-0177-03

一、引言

化工熱力學(xué)是化學(xué)工程的基礎(chǔ)學(xué)科，是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的必修課程，在化學(xué)工程的教學(xué)過程中占有極其重要的地位。

純物質(zhì)的汽液飽和狀態(tài)就是汽液平衡狀態(tài)，純物質(zhì)的飽和性質(zhì)包括了：飽和蒸汽壓，飽和汽、液兩相的摩爾性質(zhì)（如體積、熱力學(xué)能、焓、熵、吉氏函數(shù)、熱容、甚至逸度、逸度系數(shù)等），它們都是化工過程有用的性質(zhì)。基于熱力學(xué)原理，從狀態(tài)方程模型來推算飽和性質(zhì)，為解決化工及其他過程工程中的實(shí)際問題提供了必不可少的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

之前的文章中已經(jīng)就Aspen軟件輔助[1-3]化工熱力學(xué)教學(xué)進(jìn)行了簡單探索，但存在著現(xiàn)有課本內(nèi)容及課堂教學(xué)結(jié)合不夠緊密等問題，其效果尚有待改進(jìn)，本文將基于Aspen軟件，結(jié)合化工熱力學(xué)課程教學(xué)，在熱力學(xué)原理基礎(chǔ)上，結(jié)合PR方程模型，完成純物質(zhì)飽和熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算。本文的研究結(jié)果將有益于化工熱力學(xué)課程的教學(xué)效果的提升。

二、純物質(zhì)的飽和熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算原理[4]

飽和蒸汽壓、飽和液相摩爾體積等只是溫度的函數(shù)，其數(shù)值估算分別需要依賴于蒸汽壓方程、液相摩爾體積模型。但熱力學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)能同時(shí)適用汽、液相的狀態(tài)方程（如PR），能嚴(yán)格地同時(shí)推算出純物質(zhì)所有的飽和性質(zhì)，具有需要輸入的信息少、熱力學(xué)一致好等特點(diǎn)。

純物質(zhì)的汽液飽和性質(zhì)，除了蒸汽壓與溫度的關(guān)系外，也包含飽和汽、液兩相的其他摩爾性質(zhì)，如體積、熵、焓、逸度系數(shù)、熱容、汽化焓、汽化熵等。

3.在計(jì)算飽和蒸汽壓時(shí)，在先前的文獻(xiàn)[3]中，采用了PL進(jìn)行計(jì)算，通過分析后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)使用PBUB更為合理。在Aspen中，PL指的是采用安托因方程計(jì)算得到的飽和蒸汽壓，PBUB指的是用狀態(tài)方程計(jì)算得到的泡點(diǎn)壓力，就純物質(zhì)而言，泡點(diǎn)壓力即為該條件下的飽和蒸汽壓。本例中，前提是利用狀態(tài)方程進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，因此使用PBUB計(jì)算得到的飽和性質(zhì)才有意義。

4.若對(duì)本例進(jìn)行沸點(diǎn)計(jì)算，在Aspen的物性參數(shù)中有TB（沸點(diǎn)）、TBUB（泡點(diǎn)）兩個(gè)代碼。應(yīng)當(dāng)注意的是不能使用TB，TB算出的結(jié)果是在常壓下該物質(zhì)的沸點(diǎn)，實(shí)際上直接來自于Aspen自帶的物性數(shù)據(jù)庫，就純物質(zhì)而言，泡點(diǎn)溫度即同于沸點(diǎn)溫度。

5.實(shí)際過程測定混合物性質(zhì)需要花費(fèi)大量人力、物力和時(shí)間，但用Aspen軟件和化工熱力學(xué)原理，推算混合物的性質(zhì)具有準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)。

五、結(jié)論

利用Aspen軟件進(jìn)行純物質(zhì)飽和性質(zhì)計(jì)算，操作步驟簡單易行，計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。可以使學(xué)生對(duì)純物質(zhì)飽和性質(zhì)的應(yīng)用等方面有更深的理解，有利于教學(xué)過程。同時(shí)，進(jìn)一步掌握了Aspen軟件的內(nèi)核，還可以實(shí)現(xiàn)利用Aspen完成物性數(shù)據(jù)的計(jì)算，將化工過程的基礎(chǔ)計(jì)算、流程模擬統(tǒng)一起來，利用一個(gè)專業(yè)軟件解決多個(gè)課程的問題，增加將來在工作中應(yīng)用物性推算解決實(shí)際問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]Sandler S I. Using Aspen Plus in Thermodynamics Instruction：A Step-by-Step Guide[M]. New Jersey：John Wiley & Sons，Inc，2015.

[2]陳新志，趙倩，錢超.基于Aspen-Plus的化工熱力學(xué)教學(xué)（Ⅰ）均相性質(zhì)計(jì)算[J].化工高等教育，2011（05）：75-79.

[3]陳新志，趙倩，錢超.基于Aspen-Plus的化工熱力學(xué)教學(xué)（Ⅱ）純物質(zhì)飽和性質(zhì)計(jì)算[J].化工高等教育，2011，28（06）：58-60.

[4]陳新志，蔡振云，錢超.化工熱力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015：30-63.

Abstract：The saturated thermodynamic properties of pure substances are impo-rtant properties in chemical enigneering. Predicting saturated properties whic-h based on the equation of state of p-V-T is one of the important contents in the teaching of chemical engineering thermodynamics. The calculation principle is strict，and the workload of calculation process is large，it often affects the t-eaching effect of the course. This paper uses Aspen software and PR Equationof State that usually used in industry to calculate the saturated thermodynamic properties of pure substance，.It can greatly improve the effect of classroom te-aching which is influencd by large amount of calculation and complex process.It also has great importance in improving studentsapplication ability and dee-pening their conce-ptual understanding.

Key words：Aspen；Teaching of Chemical Engineering Thermodynamic；Hom-ogeneous Thermodynamic Properties；Equation of State；Fugacity