楊曉東(道恩特種彈性體材料有限公司，山東 煙臺 265700)

0 引言

Aspen Plus 是一款功能十分強大的工藝模擬軟件，對有機化工、無機化工、煤化工、石油化工等各領域的各種單元操作均可模擬。其自帶的各類物質的物性數(shù)據(jù)庫也比較全面，能達到對大部分的化學工藝流程的仿真模擬。但在實際的工藝模擬計算過程中，出現(xiàn)Aspen Plus 自帶的天然物性數(shù)據(jù)庫中查不到的物質也是十分常見的現(xiàn)象。該種現(xiàn)象的產(chǎn)生，使得整個仿真流程無法順利地實施下去，不僅影響模擬結果，而且化工流程精度設計也是難以滿足。此時，通過使用由Aspen Plus 軟件所提供的自然物性估算功能，就能夠較為理想地解決此類問題。

1 Aspen Plus 軟件概述

1.1 Aspen Plus 簡介

過程工程先進系統(tǒng)(advanced system for process engineering，Aspen)Plus 是一款通用的大型且全面的流程模擬軟件，有著龐大的數(shù)據(jù)庫和超強的流程模擬功能，尤其在化工領域具有較高的威望。Aspen Plus誕生于20 世紀70 年代后期的美國，經(jīng)過40 余年的發(fā)展升級、擴充更新，先后衍生出10 余個版本，各大化工企業(yè)均是其服務對象[1]。從數(shù)學層面而言，其模擬實質可以作為線性代數(shù)方程組求解問題來看待，通過序貫模塊法、聯(lián)立方程法以及聯(lián)立模塊法完成方程組求解的整個過程。在Aspen Plus 軟件運行過程當中可以根據(jù)實際需要搭建恰當?shù)哪Ｐ?，通過物料組分輸入完成流程模型搭建、物性方程的選擇以及模擬計算、錯誤修復等一系列操作并完成結果查詢。其中，物料輸入組分過程包括所有參與反應物質的輸入，也包括反應過程當中溫度、壓力、流量等多項參數(shù)的輸入。當然，軟件在模擬計算過程當中難以收斂錯誤的發(fā)生在所難免，可以通過波義耳登法、默認計算次數(shù)的修改以及默認高精度數(shù)據(jù)的修改來完成收斂計算。

1.2 Aspen Plus 技術特點

首先，整個Aspen Plus 軟件當中所包含的物性數(shù)據(jù)異常豐富，多達6 000 余種，整個數(shù)據(jù)庫當中包含有純組分數(shù)據(jù)庫、水溶液數(shù)據(jù)庫、電解質水溶液數(shù)據(jù)庫、無機物數(shù)據(jù)庫、PURE10 數(shù)據(jù)庫以及Henry 常數(shù)庫等。更為突出的是Aspen Plus 能夠實現(xiàn)與DECHEMA 數(shù)據(jù)庫接口的融合，該數(shù)據(jù)庫最明顯的特征就是收集了完備的數(shù)據(jù)。統(tǒng)計顯示，其中所收集的氣液平衡以及液液平衡數(shù)據(jù)龐大到25 萬多套，因此二者的強強聯(lián)合促使整個模擬過程更為全面，更具說服性[2]。

其次，整個Aspen Plus 軟件具備超強的包容性和功能性，既能夠完成結晶計算，也能夠完成化工物料平衡計算；技既能夠完成全新工藝流程的設計檢驗，也能夠完成化工裝置操作工程的優(yōu)化；同時在對物料的物理化學性質進行模擬計算和查閱的過程當中也有著十分突出的優(yōu)勢。

2 不常見物質的物性估算

2.1 物性估算基本性質

化工生產(chǎn)過程當中化工數(shù)據(jù)是最重要的參數(shù)，而對于化學數(shù)據(jù)來說其組成里包括有很多的單純物質或是混合物的物理或者化學數(shù)據(jù)，所以化工數(shù)據(jù)又被叫做物化性質或是物性數(shù)值。而對于化學數(shù)據(jù)來說，根據(jù)本身組成可以分為基礎物性常數(shù)、微觀參數(shù)熱力學性質、相平衡數(shù)據(jù)以及物質傳遞特性等。而所謂天然物性估算，便是指利用熱力學分子結構與分子物理等綜合知識之間的關聯(lián)保證在規(guī)定范圍內可以使用實驗數(shù)值參考進行各種物悟性數(shù)值的計算。其中，熱力學性質包含了導熱系數(shù)、氣體熱熔、密度、蒸發(fā)焓等；而分子物理則包含沸點、溫度等基本物性數(shù)，也包含了張比容、表面張力、物質擴散系數(shù)等傳播物性[3]。化學生產(chǎn)過程當中的物質類型很多，而且對溫度、壓強等環(huán)境條件的敏感性比較突出，變化范圍也很大，因此只能通過對其進行物性評價才可以確定試驗數(shù)據(jù)在所要求的環(huán)境條件范圍以內。

2.2 物性估算方法

2.2.1 對應狀態(tài)法

對應狀態(tài)法常用于物性關聯(lián)公式當中，該種方法的基本原理在于對應態(tài)原理，認為在相同的對比壓力和溫度之下任何兩種物質的體積都是相同的。

2.2.2 基團貢獻法

基團貢獻法是當前最為常見的物性估算方法，該種方法認為分子的性質由其構成元素所提供的貢獻決定，其中既包括原子貢獻也包括鍵型貢獻以及由原子團和鍵型共同組成的基團貢獻。整個集團貢獻法當中存有兩種基本假定，其一，認為化合物的物性是構成該化合物各類基團物性貢獻值的總和；其二，認為某個體系中物性貢獻值同基團相同。Joback 方法、CG 兩水平基團貢獻法以及MP 基團相互作用貢獻法等較為常見。Aspen Plus 軟件包含的物性數(shù)據(jù)異常豐富，對于不常見物質而言，若軟件數(shù)據(jù)庫難以查到其準確信息會對整個工藝模擬計算造成影響，為此通過物性估算功能能夠得到工藝流程模擬計算所需要的理想、工藝條件以及數(shù)據(jù)結果。

3 Aspen 模擬不常見物質的物性估算應用

以丙烯酸叔丁酯為例來說明一些方法及細節(jié)。

(1) 首先：先查找下該物質，建議通過CAS 號(1663-39-4) 進行查找，比較精準，發(fā)現(xiàn)沒有匹配的，先確認下CAS 號是否輸入正確，然后將物性數(shù)據(jù)庫里的NIST 數(shù)據(jù)庫選中(注意在可用數(shù)據(jù)庫中，并非都是默認選擇的)，再次搜尋[4]。

(2)如果該物質在內置物性庫里，NIST 數(shù)據(jù)庫中均未包含，可用如下方法處理。

①在運行模式中選擇物性估算確定進入程序，并自定義該物質，進行命名。分子結構定義過程當中可以選用常規(guī)法通過化學鍵的逐一輸入來完成定義，也可以通過指定官能團完成化學分子結構定義。

②首先，畫出物質結構式，進行物性估算(如圖1所示)。

圖1 物質分子結構繪畫

在分子結構項中，繪畫出結構式，通過軟件自動計算各個原子及鍵。

注意一點，關于功能組，就是對各個基團進行定義。通常工況下，對大部分物質則無須定義，可直接進行估算。

(3)選擇一種物性方法進行估算(如圖2 所示)，因整個估算過程采用基團貢獻法完成，故選用UNIFCA為計算方法。

(4)在參數(shù)項中，純組分項要對一些已知的物性進行定義(如不定義，則估算結果誤差較大)，通?？奢斎敕悬c、熱容等一些參數(shù)，可通過查詢物性手冊得到，參數(shù)越準確，估算結果越精準。

(5)在估算值選項中，選擇估算全部參數(shù)(如圖3所示)。

圖2 物性估算方法選擇

圖3 估算參數(shù)選擇

(6)數(shù)據(jù)輸入完畢，點擊運行，進行物性估算計算。

沸點、臨界溫度、臨界壓力、偏心因子、生成焓、吉布斯自由能、汽化熱等，會列出相應的計算方法，均有針對的適用范圍。

①如果出現(xiàn)物性警告標識，可能是個別雙鍵不能識別，個別可忽略的警告，可在重置后，第二次計算時自動消除。

②如果沒有消除，則回到分子結構項中，設置物性方法(UNIFIC)，定義雙鍵并添加，再次計算。

對于很多的物質，物性是未知的，可能只知道分子式，其沸點、臨界溫度、臨界壓力、生成焓、吉布斯自由能等這些都無法準確獲知，可通過Aspen 實施估算。另外，我們做模擬時，如果碰到一個復雜的有機物，在數(shù)據(jù)庫中存在，但物性不全，通過查閱各種文獻，也查找不到，如何判斷估算正確呢？如果我們估算丙烯酸叔丁酯的物性，可以將估算的物性數(shù)據(jù)與丁烯酸叔丁酯、戊烯酸叔丁酯做對比，同一系列的物質物性偏差基本都不大。估算選擇的方法，有適用的溫度范圍，有適用的有機物范圍，比如有些物性方法對烷烴，烯烴很準確，對其他有機物則不準確，需要我們去選擇合適的方法，也可以去估算混合物的物性。

4 結語

通過丙烯酸叔丁酯物性估算，可以得到未知的物性數(shù)據(jù)，這樣就能對整個工藝流程進行模擬計算。從分離、提純等過程，得到高濃度的丙烯酸叔丁酯，從而得到理想的工藝條件和數(shù)據(jù)結果。

雖然Aspen Plus 軟件建立有強大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，卻也難以避免對不常見物的非全面覆蓋，但對非常見物來說，使用Aspen Plus 軟件當中的物性預測功能是一個非常有效的解決辦法。即使在無法進行商用化學物性數(shù)據(jù)庫購買的情形下，也可以通過在Aspen Plus軟件本身物性估算的輔助和對已知實驗數(shù)值校驗的步驟中比較明確地確定某種物質的物性，而且由于整個流程安全性比較高，其計算精度也可以充分適應商業(yè)化學工程模擬設計的需求。