利用Aspen Plus計(jì)算氣體物質(zhì)的溶解度

霍月洋

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院化學(xué)與生物系，山東聊城252000）

利用Aspen Plus計(jì)算氣體物質(zhì)的溶解度

霍月洋

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院化學(xué)與生物系，山東聊城252000）

采用化工流程模擬軟件Aspen Plus建立氣體物質(zhì)溶解度的計(jì)算模型，并利用靈敏度分析功能研究不同溫度和壓力下的溶解度數(shù)據(jù)。以CO2為例，計(jì)算其在0.1 MPa不同溫度下和20℃時(shí)不同壓力下的水中溶解度，模擬計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比較相對(duì)偏差較小，吻合良好。研究結(jié)果表明：本文建立的氣體物質(zhì)的溶解度計(jì)算方法是可行的，可為工業(yè)生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)。

溶解度；Aspen Plus；靈敏度

0 引言

溶解度[1-2]是物質(zhì)的一個(gè)重要屬性，是化工分離的基礎(chǔ)。氣體溶解度受溫度和壓力的影響，物性手冊(cè)通常只能查到在某些溫度或者壓力下的溶解度，而化工生產(chǎn)往往需要物質(zhì)某一溫度和壓力下的溶解度數(shù)據(jù)，這就需要對(duì)溶解度進(jìn)行測(cè)定或計(jì)算。

桂霞等[3]測(cè)定了不同溫度和壓力下CO2在五種物理溶劑中的溶解度數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較；夏淑倩等[4]采用UNIFAC基團(tuán)貢獻(xiàn)模型對(duì)甲烷在極性溶劑中的溶解度進(jìn)行估算和關(guān)聯(lián)，利用回歸的基團(tuán)交互作用參數(shù)計(jì)算甲烷的溶解度，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)吻合較好；吳曉萍等[5]采用分子模擬技術(shù)研究常溫下CO2等氣體在離子液體中的溶解度，正確地反映了溶解度變化趨勢(shì)。這些方法較為準(zhǔn)確，但較為復(fù)雜且局限性較大，因此不能作為獲得溶解度數(shù)據(jù)的通用方法。

近些年，化工模擬技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。Aspen Plus軟件[6-7]提供了完備的物性數(shù)據(jù)、齊全的單元操作模型、嚴(yán)格的熱力學(xué)模型和先進(jìn)的計(jì)算方法，可進(jìn)行各種類型的流程模擬。本文根據(jù)氣體溶解的特性和規(guī)律，利用Aspen Plus選擇合適的單元操作模型建立模擬流程，并利用靈敏度分析Sensitivity功能獲得不同溫度和壓力下的溶解度數(shù)據(jù)，為溶解度的計(jì)算提供一種切實(shí)可行的方法。

1 Aspen Plus模擬流程

氣體溶解度指氣體在一定溫度和壓力下，溶解在1體積溶劑里達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的氣體體積。氣體的溶解度除了與氣體本身、溶劑性質(zhì)有關(guān)外，還與溫度和壓力大小有關(guān)系，其溶解度一般隨著溫度的升高而減少，隨著壓力的增大而顯著增大。

在Aspen Plus軟件中選擇Flash2操作模型作為氣體與溶劑溶解的場(chǎng)所。Flash2模型可以用來模擬閃蒸罐、蒸發(fā)器、分液罐和其它的單級(jí)分離器，可完成氣-液或氣-液-液的平衡計(jì)算。因此選擇這一模型計(jì)算氣體的溶解度。Flash2模型入口要求至少一股物料流，出口為一股氣相物料流和一股為液相物流。Flash2模型的參數(shù)設(shè)置包括溫度和壓力，因此無需換熱器和壓力變送設(shè)備即可計(jì)算不同溫度和不同壓力下氣體的溶解度，計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 氣體溶解度計(jì)算流程圖

2 氣體溶解度的計(jì)算

以計(jì)算CO2在水中的溶解度為例。CO2溶于水會(huì)部分電離，需通過Aspen Plus軟件的電解質(zhì)向?qū)А癊lec Wizard”生成可能發(fā)生的各種電離反應(yīng)以及電離反應(yīng)生成的各種電解質(zhì)組分。在Aspen Plus組分輸入界面中首先應(yīng)輸入CO2和H2O兩種基本組分，然后根據(jù)向?qū)筛鞣N電離反應(yīng)和各種電解質(zhì)組分，最終確定組分有H2O、CO2、H+、HCO3-和CO32-。熱力學(xué)方法選擇ELECNRTL電解質(zhì)模型，該模型適用于具有多溶劑和溶解氣體的溶液，非常適用于中壓和低壓體系。

如圖1所示，過量的CO2氣體物流GAS和溶劑H2O物流SOLVENT進(jìn)入分離器Flash2，底部采出飽和溶液物流SOLUTION，頂部采出未溶解的CO2物流VAPOR。利用Sensitivity功能進(jìn)行靈敏度分析，以Flash2的溫度參數(shù)為自變量，通過換算計(jì)算CO2在0．1 MPa時(shí)不同溫度下的溶解度，將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值[8]進(jìn)行比較，結(jié)果如表1和圖2。

表1 CO2溶解度計(jì)算值與文獻(xiàn)值比較

250．14490．14580．62 300．12710．12811．13 350．11050．11171．08 400．09730．09780．51 450．0860．0859-0．16 500．07610．0755-0．85 550．06710．0662-1．31 600．05760．05790．46

圖2 CO2溶解度曲線

從表1可以看出，不同溫度下CO2在水中的溶解度計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的最大相對(duì)偏差為1．71%，平均相對(duì)偏差為0．97%；從圖2可以看出兩條溶解度曲線基本重合，計(jì)算值與文獻(xiàn)值吻合良好，說明本文建立的氣體溶解度計(jì)算方法是可靠的。

以Flash2的壓力為自變量，研究CO2在20℃時(shí)不同壓力下的溶解度，將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值[8]進(jìn)行比較，結(jié)果如表2和圖3。

表2 CO2溶解度計(jì)算值與文獻(xiàn)值比較

圖3 CO2溶解度曲線

從表2可以看出，不同壓力下CO2在水中的溶解度計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的最大相對(duì)偏差為1．76%，平均相對(duì)偏差為0．79%，吻合性也比較良好；從圖3溶解度曲線可以看出二者基本重合，計(jì)算結(jié)果非?？煽?。總之，本文確定的利用Flash2模型計(jì)算不同溫度和不同壓力下氣體溶解度的方法是可行的。

3 結(jié)論

采用Aspen Plus軟件建立了計(jì)算氣體物質(zhì)溶解度的模擬流程，利用Sensitivity功能對(duì)氣體溶解度隨溫度和壓力的變化進(jìn)行靈敏度分析，得到了CO2在不同溫度和不同壓力下的溶解度數(shù)據(jù)，與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比較相對(duì)偏差較小，吻合良好。研究結(jié)果表明：利用Aspen Plus軟件建立模擬流程計(jì)算氣體溶解度的方法是可行的，可計(jì)算和預(yù)測(cè)物性手冊(cè)或文獻(xiàn)中查不到的溶解度數(shù)據(jù)，進(jìn)而為工業(yè)生產(chǎn)提供可靠的溶解度數(shù)據(jù)。

[1]崔波,曲良,董遠(yuǎn)達(dá)．將ChemCAD用于氨的溶解度計(jì)算[J]．遼寧化工,2010,39(8)：849-850．

[2]張光旭,吳元欣,馬沛生,等．CO等氣體在苯酚中的溶解度的測(cè)定及關(guān)聯(lián)[J]．化工學(xué)報(bào),2005,56(11)：2039-2045．

[3]桂霞,湯志剛,費(fèi)維揚(yáng)．高壓下CO2在幾種物理吸收劑中的溶解度測(cè)定[J]．化學(xué)工程,2011,39(6)：55-58．

[4]夏淑倩,馬沛生,郭玉高,等．UNIFAC法研究甲烷氣體溶解度[J]．化學(xué)工程,2005,33(4):68-71．

[5]吳曉萍,劉志平,汪文川．分子模擬研究氣體在室溫離子液體中的溶解度[J]．物理化學(xué)學(xué)報(bào),2005,21(10)：1138-1142．

[6]孫蘭義．化工流程模擬實(shí)訓(xùn)—Aspen Plus教程[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012:1-2．

[7]路華清．Aspenonev7在分離工程教學(xué)中的應(yīng)用[J]．廣州化工,2010,38(11):230-231．

[8]劉光啟,馬連湘,劉杰,等．化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)(有機(jī)卷)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002．

Simulation and Calculation for the Solubility of Gas by Aspen Plus

HUO Yue-yang
(Department of Chemistry and Biology,Dongchang College of Liaocheng University, Liaocheng,Shandong 252000，China)

Based on the chemical process simulation software Aspen Plus,the calculation model for the solubility of gas was established．Sensitivity analysis was executed in order to obtain solubility data of gas at different temperatures and pressures．The solubility of CO2at the pressure of 0．1 MPa and the temperatures of 20℃were carried out．The simulation results were in good agreement with literature data．The relative deviation was The research showed that the approach of calculate gas solubility in this paper was reliable and could provide reliable data for industrial production．

solubility;Aspen Plus;sensitivity

1006-4184（2015）4-0048-03

2015-01-09

霍月洋(1986-)，男，碩士研究生，主要從事化工過程的模型化和算法。E-mail：huoyueyang@163．com。