霍月洋

（聊城大學東昌學院化學與生物系，山東聊城252000）

利用Aspen Plus計算氣體物質(zhì)的溶解度

霍月洋

（聊城大學東昌學院化學與生物系，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，計算其在0.1 MPa不同溫度下和20℃時不同壓力下的水中溶解度，模擬計算結(jié)果與文獻數(shù)據(jù)比較相對偏差較小，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)，這就需要對溶解度進行測定或計算。

桂霞等[3]測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)，并對結(jié)果進行分析比較；夏淑倩等[4]采用UNIFAC基團貢獻模型對甲烷在極性溶劑中的溶解度進行估算和關(guān)聯(lián)，利用回歸的基團交互作用參數(shù)計算甲烷的溶解度，計算結(jié)果與文獻數(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。這些方法較為準確，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、嚴格的熱力學模型和先進的計算方法，可進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)，為溶解度的計算提供一種切實可行的方法。

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體積溶劑里達到飽和狀態(tài)時的氣體體積。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分離器，可完成氣-液或氣-液-液的平衡計算。因此選擇這一模型計算氣體的溶解度。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)備即可計算不同溫度和不同壓力下氣體的溶解度，計算流程如圖1所示。

圖1 氣體溶解度計算流程圖

2 氣體溶解度的計算

以計算CO2在水中的溶解度為例。CO2溶于水會部分電離，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功能進行靈敏度分析，以Flash2的溫度參數(shù)為自變量，通過換算計算CO2在0．1 MPa時不同溫度下的溶解度，將計算結(jié)果與文獻值[8]進行比較，結(jié)果如表1和圖2。

表1 CO2溶解度計算值與文獻值比較

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

以Flash2的壓力為自變量，研究CO2在20℃時不同壓力下的溶解度，將計算結(jié)果與文獻值[8]進行比較，結(jié)果如表2和圖3。

表2 CO2溶解度計算值與文獻值比較

圖3 CO2溶解度曲線

從表2可以看出，不同壓力下CO2在水中的溶解度計算結(jié)果與文獻數(shù)據(jù)的最大相對偏差為1．76%，平均相對偏差為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，計算結(jié)果非常可靠?？傊?，本文確定的利用Flash2模型計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軟件建立了計算氣體物質(zhì)溶解度的模擬流程，利用Sensitivity功能對氣體溶解度隨溫度和壓力的變化進行靈敏度分析，得到了CO2在不同溫度和不同壓力下的溶解度數(shù)據(jù)，與文獻數(shù)據(jù)比較相對偏差較小，吻合良好。研究結(jié)果表明：利用Aspen Plus軟件建立模擬流程計算氣體溶解度的方法是可行的，可計算和預(yù)測物性手冊或文獻中查不到的溶解度數(shù)據(jù)，進而為工業(yè)生產(chǎn)提供可靠的溶解度數(shù)據(jù)。

[1]崔波,曲良,董遠達．將ChemCAD用于氨的溶解度計算[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定及關(guān)聯(lián)[J]．化工學報,2005,56(11)：2039-2045．

[3]桂霞,湯志剛,費維揚．高壓下CO2在幾種物理吸收劑中的溶解度測定[J]．化學工程,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]．物理化學學報,2005,21(10)：1138-1142．

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

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

[8]劉光啟,馬連湘,劉杰,等．化學化工物性數(shù)據(jù)手冊(有機卷)[M]．北京:化學工業(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。