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基于AspenPlus的化工熱力學(xué)教學(xué)均相性質(zhì)計(jì)算

基于AspenPlus的化工熱力學(xué)教學(xué)-均相性質(zhì)計(jì)算

軟件來完成,例如作者等編寫的面向21世紀(jì)化工熱力學(xué)(化學(xué)工業(yè)出版社,第3版)教材[1]中所提供的免費(fèi)使用的計(jì)算軟件ThermalCal,就為提高教學(xué)效率提供了有效的工具。

為了更好地適應(yīng)熱力學(xué),以及后續(xù)的化工原理、化工設(shè)計(jì)、化工計(jì)算等課程的教學(xué),本文探討借助商業(yè)化的化工流程模擬軟件Aspen2Plus來促進(jìn)化工熱力學(xué)教學(xué)。

化工熱力學(xué)教學(xué)中引入Aspen2Plus具有如下優(yōu)點(diǎn):[2]

1.本課程計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)的原理與Aspen2Plus物性計(jì)算的原理是一致的,用該軟件輔助熱力學(xué)教學(xué),能提高教學(xué)效率,簡化計(jì)算過程,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另一方面,Aspen2Plus的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源,那樣,只知計(jì)算結(jié)果,不明所用的模型,不能分析結(jié)果。

2.許多高校的化工原理、化工設(shè)計(jì)、化工計(jì)算等課程的教學(xué)中已經(jīng)采用Aspen2Plus輔助教學(xué),化工熱力學(xué)作為這些課程的基礎(chǔ),采用Aspen2Plus進(jìn)行熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算,無疑會使得后續(xù)課程的基礎(chǔ)更加扎實(shí)�；崃W(xué)中性質(zhì)計(jì)算可分為:均相性質(zhì)計(jì)算、純物質(zhì)汽液飽和性質(zhì)計(jì)算和混合物相平衡計(jì)算三大類。本文主要研究用Asp2en2Plus軟件計(jì)算均相性質(zhì),另外兩類性質(zhì)的計(jì)算將在后續(xù)文章中介紹。

二、均相性質(zhì)計(jì)算原理[1,328]

均相性質(zhì)是最重要的熱力學(xué)性質(zhì)之一。例如,均相純物質(zhì)或定組成混合物的摩爾性質(zhì)M(=V、φ等),它們是化工過U、H、Cp、S、G、A、ln

程中重要數(shù)據(jù)。由相律知,均相封閉系統(tǒng)的自由度為2,指定兩個(gè)強(qiáng)度性質(zhì)(如T,p)作為獨(dú)立變量,由經(jīng)典熱力學(xué)的原理就能表達(dá)出所有的摩爾性質(zhì)。

φ等性質(zhì),可得到其絕對值,對于V、Cp和ln

由經(jīng)典熱力學(xué)原理知,它們與獨(dú)立變量之間的關(guān)系為:[1]

(1)V=V(T,P)

2V

2ig

CP=TdV-T+CP-R2

5TVT

lnφ=ln

V

P

=

-dVV

(3)

Z-1-lnZ+

RT　　其他的摩爾性質(zhì)M(=U、H、S、G、A等)只能得到其相對值。為計(jì)算它們性質(zhì)差的計(jì)算,引入偏離性質(zhì)(即研究態(tài)相對于某一同溫、壓力為

p0的理想氣體參考態(tài)的性質(zhì)差)的概念,由經(jīng)典

熱力學(xué)原理得到的無因次偏離性質(zhì)與獨(dú)立變量之間的關(guān)系式為:[1]

　T

ig

V

V

T

V

-PdV(4)

R=Z-1+

RT∞

V

V

-PdV

(5)

+ln=lnZ+RP0R

ig

∞

V

-

dVV

(6)

-ln=RTP0

V

ig

Z-1-lnZ+

ig

RT-dVV

V

(7)

-PdV　-ln=-lnZ+RTP0RTV

(8)

　　偏離性質(zhì)往往用于兩個(gè)組成相同的均相狀態(tài)之間的性質(zhì)差的計(jì)算,計(jì)算式通常如下:[1]　MT2,P2-MT1,P1=MT2,P2-MigT2,P0MT1,P1-MigT1,P0MigT2,P0-MigT1,P0

-+

(9)

其中,右邊的前兩項(xiàng)都是偏離性質(zhì),而第三項(xiàng)是理想氣體的性質(zhì)差。

均相性質(zhì)和性質(zhì)差的計(jì)算,需要在由經(jīng)典熱力學(xué)原理得到的普遍化關(guān)系式(1)～(9)中,引入反應(yīng)系統(tǒng)特征的模型,常用的有狀態(tài)方程和Cpig模型,如PR狀態(tài)方程:

p=

-V-bVV++V-pc

(10)

其中

b=0.077796

(11)

(2)

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