利用ASPEN PLUS 软件进行物性估算

Aspen Plus 是一款功能十分强大的工艺模拟软件, 对有机化工、无机化工、电化学、石油化工等各领域的各种单元操作均可模拟。其自带的各种物质的物性数据库较全, 可满足绝大多数的工艺过程的模拟要求。但在实际的工艺模拟计算过程中, 有时也会遇到在Aspen Plus 自带的物性数据库中查不到的物质, 使模拟过程无法正常进行下去。此时, 利用Aspen Plus 软件提供的物性估算功能, 可以很好地解决此类问题。以下以发酵液中低浓度1,3- 丙二醇分离项目中的重要的中间产物2- 甲基- 1,3- 二噁烷( 2MD) 的物性估算为例, 说明Aspen Plus 软件物性估算功能的使用。

为了成功估算2MD 的物性, 首先要向AspenPlus 软件提供必要的基本物性数据, 包括分子结构、常压沸点、分子量、各种试验测得的物性等。以上这些物性中, 仅分子结构是物性估算中所必需的, 依据分子结构, Aspen Plus 软件可计算出常压沸点和分子量, 从而进一步计算所需的其它各种物性。

1. 2MD 物性的输入

   2- 甲基- 1,3- 二噁烷( 2MD) 是1,3- 丙二醇分离项目中的中间产物, 由于Aspen Plus 软件自带的物性数据库中查不到2MD, 使模拟分离、确定工艺条件的过程中遇到困难, 所以采用物性估算的功能对2MD 计算。其分子结构如下:

已知的其它物数据: 分子量102.13; 沸点(1atm):110°C; 密度(25°C):0.98kg/m3; 粘度(25°C):0.603cp; 标准生成热(25°C):- 363.02kJ/mol; 标准熵(25°C):303J/(mol·K); 表面张力(25°C):24.93dyn/cm。

因为采用基团贡献法来估算2MD 的物性, 所以在properties 中选用UNIFCA 为计算方法, 然后输入分子结构。自定义新物质2MD 后, 在Molecular Structure Object Manager 区中选定2MD, 再点Edit;在General 标签中依次输入各原子间的化学键, 也可以在Functional Group 标签或Formula 标签中输入分子结构( 如图1) 。

图1

输入已知的物性常数: 在左侧的数据浏览区点Properties\Parameters\Pure Component, 点New\OK 生成新的输入表单USRDEF- 1, 输入相应的scalar parameters。

输入相应的实验数据: 在左侧的数据浏览区点Properties\Data, 点New按钮生成新的输入表单; 在新的输入表单中将数据分别填入相应的Setup 和Data 输入标签。

最后在Setup 标签中选Estimate all missing parameters。

2 工艺流程及条件的输入

整个低浓度1,3- 丙二醇分离过程由加成反应、逆流萃取、萃取剂精馏、2MD 精馏、水解、1,3- 丙二醇精馏组成, 具体流程( 如图2) 。反应器B- 1 中1,3- 丙二醇与乙醛反应为可逆反应, 把实验得出的经验动力学方程输入Reactions,包括指前因子、活化能等, 并输入反应器体积、温度; 反应器B- 2 为水解反应, 同样输入经验动力学方程、反应器体积和温度。

图2

这样就定义好了所有需要的输入值, 再定义好各单元操作模块的输入后, 即可进行工艺模拟计算。

3 物性估算和流程计算结果

估算得到2MD 的沸点为110.4℃, 与实验得出的沸点110℃非常接近, 可以满足设计计算的需要。同时估算得到2MD 的扩展安托尼蒸汽压因子( Extended Antoine vapor pressure) ,从而可以在没有汽- 液平衡数据的条件下, 进行2MD 的精馏计算。

由于有关的物性是估算出来的, 可能与实际值有些出入, 对计算的结果应做进一步分析, 或与已知的结果做比较, 以验证物性估算的可靠性。模拟计算结果: 发酵液进料中含有1,3- 丙二醇5%( 质量分数) , 经过反应、萃取、精馏、水解、精馏等过程, 可以达到纯度99.9%以上。1,3- 丙二醇的进料流量为98.7kmol/h, 出料流量为97.4kmol/h, 收率可达98.7%以上。

4 结论

通过2MD 物性估算, 可以得到未知的物性数据, 这样就能对整个工艺流程进行模拟计算。从低

浓度的1,3- 丙二醇通过反应、萃取、精馏、水解等过程, 得到高浓度的1,3- 丙二醇, 从而得到理想的工艺条件和数据结果。

对于Aspen 软件中没有物性的物质, 物性估算不失为一种可行的方法, 在无法购买商用物性数据

库的情况下, 利用Aspen 软件本身的物性估算与已知的实验数据校验后, 其可靠性有一定的保证, 计算精度完全可以满足工程设计的需要。