相似比较分析估算物性在工程设计中的应用

姚琦敏，江华东*

（中国能源工程集团有限公司，上海 200061）

相似比较分析估算物性在工程设计中的应用

姚琦敏，江华东*

（中国能源工程集团有限公司，上海 200061）

用ASPEN PLUS调出已知物质物性数据，通过与相似的未知物性物质的物性进行比较分析，用MATLAB拟合未知物物性间变化曲线方程。根据现有文献中的数据资料或实测数据资料，结合物性间变化曲线方程，推算出未知物的物性数据，然后应用于流程模拟及工程设计中。

比较分析；物性估算；工程设计；ASPEN PLUS

Abstract：The physical properties of known physical properties were retrieved with ASPEN PLUS.The curves of the physical properties of the unknown physical properties were fitted by MATLAB with the physical properties of similar unknown physical properties.According to the data in the existing literature or the measured data，combined with the curve between the properties of the curve，to calculate the physical properties of unknown substances，and then applied to process simulation and engineering design.

Key words：comparative analysis；physical property estimation；engineering design；ASPEN PLUS

1 前言

化工物性估算是工程设计和科学研究的一个重要组成部分，由于化学工业的快速发展，现有的化工物性数据库远远不能满足发展的需求。在工程设计上，要求提供的数据在更多的情况下是在任意给定的温度、压力状态下的各种物性值，这些值不能在化工物性数据库中得到，所以通过半理论半经验的模型方程估算物性，对整个工程设计和科学研究具有十分重要的意义。

目前国内外物性估算主要手段是采用基团贡献法来估算物性数据，基团贡献法是建立在分子性质具有加和性的基础上的，其优点是通用性比较大，由于基团贡献法中的官能团参数是用不完备的实验数据（实际也不可能得到完备的实验数据）拟合出来的，拟合过程中又会丢失部分信息，另外在分子结构拆解中，不同的基团匹配顺序可能造成拆解失败，因而基团贡献法的计算结果与实际情况往往有较大偏差甚至无法计算。

相似物质具有相似的微观性质及结构数据，根据粒子遵循的力学定律理论基础，物质的宏观性质也具有相似性。本文将根据已知物性的物质来估算相似未知物质的物性，以应用于工程设计和科学研究的实践上。

2 相似物质物性估算

2.1 未知物性物质蓖麻酸三甘油酯

蓖麻油是一类脂肪酸的三甘油酯的混合物，其脂肪酸部分主要为蓖麻酸，含量约90%，其余为油酸、亚油酸、棕榈酸等。各种组分大致含量见下表1。

表1 蓖麻油组成（以脂肪酸基团计）

由于蓖麻油中脂肪酸基团90%左右为蓖麻酸，故可近似以蓖麻酸三甘油酯表示蓖麻油物性，蓖麻酸三甘油酯分子式为C57H104O9，分子量为933.43。蓖麻油可以加氢生产航空煤油，也可以裂解生产十一碳烯酸，是非常好的精细化工原料，由于处于工业化进程中，工程设计需要对蓖麻酸三甘油酯物性的熟悉。蓖麻酸三甘油酯物性数据缺失，无法从软件或文件数据库中找到工程设计所需要的不同压力和温度下蓖麻酸三甘油酯的蒸发潜热、泡点温度、密度、黏度、比热等。

2.2 已知物性物质甘油三油酸酯

甘油三油酸酯分子式为C57H104O6，分子量为855.43，该物质物性数据可以从模拟软件ASPEN PLUS数据库中调用，并估算出任意给定的温度、压力状态下的各种物性值。蓖麻酸三甘油酯比甘油三油酸酯只多了三个羟基，它们的分子式结构如图1所示。

图1 左图为蓖麻酸三甘油酯分子结构图，右图为甘油三油酸酯分子结构图

甘油三油酸酯常用的工程设计物性数据通过调用ASPEN PLUS的物性数据库，并估算出在一定的压力、温度下的物性数据值。

表2 甘油三油酸酯在不同温度的密度和黏度值

2.3 拟合甘油三油酸酯物性变化方程

根据甘油三油酸酯的物性数据，通过MATLAB进行回归分析（基本原理是最小二乘法），得出甘油三油酸酯在不同温度下的密度曲线方程如式（1），其标准差为0.38。

甘油三油酸酯在不同温度下的黏度曲线方程如式（2），其标准差为0.14。

2.4 推测蓖麻酸三甘油酯物性变化方程

根据粒子遵循的力学定律理论基础，相似物质具有相似的宏观性质，蓖麻酸三甘油酯在一定的压力、温度下的物性数据值具有与甘油三油酸酯相似的曲线方程。蓖麻酸三甘油酯在不同温度下的密度曲线方程如式（3）。蓖麻酸三甘油酯在不同温度下的黏度曲线方程如式（4）。

3 实验论证推测的物性变化方程

3.1 实验密度和黏度的测定方法

蓖麻酸三甘油酯密度通过密度计直接测定，蓖麻酸三甘油酯黏度用落球法测定。落球法是指用已知直径的小球从液体中落下，通过下落速度的测量，算出黏度。当一个小球在液体中缓慢下落时，它受到三个力的作用：重力、浮力和黏滞力。如果小球的运动满足下列条件：①在液体中下落时速度很小；②球体积很小；③液体在各个方向上都是无限宽广的，斯托克斯（S.G..Stokes）指出，这时的黏滞力可以用式（5）表示。

式中η为黏度；v为小球下落速度；r为小球半径。此式即著名的“斯托克斯公式”。小球下落时，三个力都在竖直方向，重力向下，浮力和黏滞力向上。由式（5）知，黏滞力是随小球下落速度的增加而增加的。显然，如小球从液面下落，开始是加速运动，但当速度达到一定大小时，三个力的合力为零，小球则开始匀速下落。设这时速度为v，v称为“终极速度”。此时黏滞力公式如式（6）表示。

式中，ρ为小球密度；ρ0是液体密度。由此得到黏滞力公式如式（7）表示。

在实验操作时，并不能完全满足式（5）所要求的条件。首先液体不是无限宽广的，是放在容器中的，因此就不能完全不考虑液体边界的影响。设圆筒的直径为D，液体的高度为H，小球从圆筒的中心线下落，那么式（7）应修正为式（8）。式中d为小球直径，由于高度H的影响实际上很小，略掉相应的修正项。

3.2 实验数据

实验中钢球密度按7 700kg/m3计，重力加速度按9.8m/s2计。实验数据及计算数据如表3所示。

表3 蓖麻酸三甘油酯实验及计算数据表

3.3 验证推测方程的符合性

根据蓖麻酸三甘油酯在不同温度下的密度曲线方程式（3），和蓖麻酸三甘油酯在不同温度下的黏度曲线方程式（4），把测得的实验数据表3进行数学回归分析。蓖麻酸三甘油酯在不同温度下的密度曲线方程如式（9）所示，其标准差为0.60，其标准差与密度值比很小，误差较小，方程符合物性变化规律。

蓖麻酸三甘油酯在不同温度下的黏度曲线方程如式（10）所示，其标准差为71.49，其标准差与黏度值比较小，误差较小，方程符合物性变化规律。

蓖麻酸三甘油酯的密度和黏度在不同温度下拟合的变化曲线如图2所示。

图2 左图为蓖麻酸三甘油酯密度随温度变化图，右图为蓖麻酸三甘油酯黏度随温度变化图

通过实验验证蓖麻酸三甘油酯在不同温度下密度和黏度符合相似比较分析估算的蓖麻酸三甘油酯物性间的变化曲线方程，误差较小，符合物性变化规律，符合性较好，可应用于工程设计中。另外对蓖麻酸三甘油酯的其他物性如不同压力下的泡点温度和气化潜热的估算以及不同温度下比热的估算曲线方程与甘油三油酸酯的物性曲线变化方程一致，都具有相似的变化规律，可以根据已知物性的数据去估算出未知物性的蓖麻酸三甘油酯的物性变化规律，然后根据化工物性数据库中的资料和发表文献中的数据点，得到物性数据变化方程，从而估算出整个的物性变化数据。

我们还通过研究与蓖麻酸三甘油酯差异性较大的乙酸三甘油酯的物性变化曲线方程，乙酸三甘油酯为已知物性物质，通过调用ASPEN PLUS的物性数据库，并拟合出相应的物性变化方程，发现其仍然符合上述变化方程，仍具有较好的符合性。

4 结论

本文根据相似比较分析估算的蓖麻酸三甘油酯物性曲线方程，通过实验测量得到蓖麻酸三甘油酯在不同温度下密度和粘度的数值，回归分析得出方程式，并估算标准差，满足误差要求，然后就可以根据曲线方程估算任意温度下的物性数据值。因此，我们认为相似比较分析估算物性具有一定的借鉴意义，特别是分子差异不大的物质，能够符合其变化规律，应用于广泛的工程设计中，满足其迅速发展的需求。

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Similarity Analysis of the Application of Physical Properties in Engineering Design

Yao Qi-min，Jiang Hua-dong

TV122

A

1003–6490（2017）09–0134–03

2017–06–25

姚琦敏（1986—），男，上海人，工程师，主要研究方向为化工设计及计算。

江华东（1964—），男，上海人，教授级高级工程师，主要研究化工、热工等的设计计算和系统优化。