利用Aspen Plus计算气体物质的溶解度

霍月洋

（聊城大学东昌学院化学与生物系，山东聊城252000）

利用Aspen Plus计算气体物质的溶解度

霍月洋

（聊城大学东昌学院化学与生物系，山东聊城252000）

采用化工流程模拟软件Aspen Plus建立气体物质溶解度的计算模型，并利用灵敏度分析功能研究不同温度和压力下的溶解度数据。以CO2为例，计算其在0.1 MPa不同温度下和20℃时不同压力下的水中溶解度，模拟计算结果与文献数据比较相对偏差较小，吻合良好。研究结果表明：本文建立的气体物质的溶解度计算方法是可行的，可为工业生产提供可靠的数据。

溶解度；Aspen Plus；灵敏度

0 引言

溶解度[1-2]是物质的一个重要属性，是化工分离的基础。气体溶解度受温度和压力的影响，物性手册通常只能查到在某些温度或者压力下的溶解度，而化工生产往往需要物质某一温度和压力下的溶解度数据，这就需要对溶解度进行测定或计算。

桂霞等[3]测定了不同温度和压力下CO2在五种物理溶剂中的溶解度数据，并对结果进行分析比较；夏淑倩等[4]采用UNIFAC基团贡献模型对甲烷在极性溶剂中的溶解度进行估算和关联，利用回归的基团交互作用参数计算甲烷的溶解度，计算结果与文献数据吻合较好；吴晓萍等[5]采用分子模拟技术研究常温下CO2等气体在离子液体中的溶解度，正确地反映了溶解度变化趋势。这些方法较为准确，但较为复杂且局限性较大，因此不能作为获得溶解度数据的通用方法。

近些年，化工模拟技术得到了越来越广泛的应用。Aspen Plus软件[6-7]提供了完备的物性数据、齐全的单元操作模型、严格的热力学模型和先进的计算方法，可进行各种类型的流程模拟。本文根据气体溶解的特性和规律，利用Aspen Plus选择合适的单元操作模型建立模拟流程，并利用灵敏度分析Sensitivity功能获得不同温度和压力下的溶解度数据，为溶解度的计算提供一种切实可行的方法。

1 Aspen Plus模拟流程

气体溶解度指气体在一定温度和压力下，溶解在1体积溶剂里达到饱和状态时的气体体积。气体的溶解度除了与气体本身、溶剂性质有关外，还与温度和压力大小有关系，其溶解度一般随着温度的升高而减少，随着压力的增大而显著增大。

在Aspen Plus软件中选择Flash2操作模型作为气体与溶剂溶解的场所。Flash2模型可以用来模拟闪蒸罐、蒸发器、分液罐和其它的单级分离器，可完成气-液或气-液-液的平衡计算。因此选择这一模型计算气体的溶解度。Flash2模型入口要求至少一股物料流，出口为一股气相物料流和一股为液相物流。Flash2模型的参数设置包括温度和压力，因此无需换热器和压力变送设备即可计算不同温度和不同压力下气体的溶解度，计算流程如图1所示。

图1 气体溶解度计算流程图

2 气体溶解度的计算

以计算CO2在水中的溶解度为例。CO2溶于水会部分电离，需通过Aspen Plus软件的电解质向导“Elec Wizard”生成可能发生的各种电离反应以及电离反应生成的各种电解质组分。在Aspen Plus组分输入界面中首先应输入CO2和H2O两种基本组分，然后根据向导生成各种电离反应和各种电解质组分，最终确定组分有H2O、CO2、H+、HCO3-和CO32-。热力学方法选择ELECNRTL电解质模型，该模型适用于具有多溶剂和溶解气体的溶液，非常适用于中压和低压体系。

如图1所示，过量的CO2气体物流GAS和溶剂H2O物流SOLVENT进入分离器Flash2，底部采出饱和溶液物流SOLUTION，顶部采出未溶解的CO2物流VAPOR。利用Sensitivity功能进行灵敏度分析，以Flash2的温度参数为自变量，通过换算计算CO2在0．1 MPa时不同温度下的溶解度，将计算结果与文献值[8]进行比较，结果如表1和图2。

表1 CO2溶解度计算值与文献值比较

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

图2 CO2溶解度曲线

从表1可以看出，不同温度下CO2在水中的溶解度计算结果与文献数据的最大相对偏差为1．71%，平均相对偏差为0．97%；从图2可以看出两条溶解度曲线基本重合，计算值与文献值吻合良好，说明本文建立的气体溶解度计算方法是可靠的。

以Flash2的压力为自变量，研究CO2在20℃时不同压力下的溶解度，将计算结果与文献值[8]进行比较，结果如表2和图3。

表2 CO2溶解度计算值与文献值比较

图3 CO2溶解度曲线

从表2可以看出，不同压力下CO2在水中的溶解度计算结果与文献数据的最大相对偏差为1．76%，平均相对偏差为0．79%，吻合性也比较良好；从图3溶解度曲线可以看出二者基本重合，计算结果非常可靠。总之，本文确定的利用Flash2模型计算不同温度和不同压力下气体溶解度的方法是可行的。

3 结论

采用Aspen Plus软件建立了计算气体物质溶解度的模拟流程，利用Sensitivity功能对气体溶解度随温度和压力的变化进行灵敏度分析，得到了CO2在不同温度和不同压力下的溶解度数据，与文献数据比较相对偏差较小，吻合良好。研究结果表明：利用Aspen Plus软件建立模拟流程计算气体溶解度的方法是可行的，可计算和预测物性手册或文献中查不到的溶解度数据，进而为工业生产提供可靠的溶解度数据。

[1]崔波,曲良,董远达．将ChemCAD用于氨的溶解度计算[J]．辽宁化工,2010,39(8)：849-850．

[2]张光旭,吴元欣,马沛生,等．CO等气体在苯酚中的溶解度的测定及关联[J]．化工学报,2005,56(11)：2039-2045．

[3]桂霞,汤志刚,费维扬．高压下CO2在几种物理吸收剂中的溶解度测定[J]．化学工程,2011,39(6)：55-58．

[4]夏淑倩,马沛生,郭玉高,等．UNIFAC法研究甲烷气体溶解度[J]．化学工程,2005,33(4):68-71．

[5]吴晓萍,刘志平,汪文川．分子模拟研究气体在室温离子液体中的溶解度[J]．物理化学学报,2005,21(10)：1138-1142．

[6]孙兰义．化工流程模拟实训—Aspen Plus教程[M]．北京:化学工业出版社,2012:1-2．

[7]路华清．Aspenonev7在分离工程教学中的应用[J]．广州化工,2010,38(11):230-231．

[8]刘光启,马连湘,刘杰,等．化学化工物性数据手册(有机卷)[M]．北京:化学工业出版社,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，硕士研究生，主要从事化工过程的模型化和算法。E-mail：huoyueyang@163．com。