Aspen 模拟不常见物质的物性估算

杨晓东(道恩特种弹性体材料有限公司，山东 烟台 265700)

0 引言

Aspen Plus 是一款功能十分强大的工艺模拟软件，对有机化工、无机化工、煤化工、石油化工等各领域的各种单元操作均可模拟。其自带的各类物质的物性数据库也比较全面，能达到对大部分的化学工艺流程的仿真模拟。但在实际的工艺模拟计算过程中，出现Aspen Plus 自带的天然物性数据库中查不到的物质也是十分常见的现象。该种现象的产生，使得整个仿真流程无法顺利地实施下去，不仅影响模拟结果，而且化工流程精度设计也是难以满足。此时，通过使用由Aspen Plus 软件所提供的自然物性估算功能，就能够较为理想地解决此类问题。

1 Aspen Plus 软件概述

1.1 Aspen Plus 简介

过程工程先进系统(advanced system for process engineering，Aspen)Plus 是一款通用的大型且全面的流程模拟软件，有着庞大的数据库和超强的流程模拟功能，尤其在化工领域具有较高的威望。Aspen Plus诞生于20 世纪70 年代后期的美国，经过40 余年的发展升级、扩充更新，先后衍生出10 余个版本，各大化工企业均是其服务对象[1]。从数学层面而言，其模拟实质可以作为线性代数方程组求解问题来看待，通过序贯模块法、联立方程法以及联立模块法完成方程组求解的整个过程。在Aspen Plus 软件运行过程当中可以根据实际需要搭建恰当的模型，通过物料组分输入完成流程模型搭建、物性方程的选择以及模拟计算、错误修复等一系列操作并完成结果查询。其中，物料输入组分过程包括所有参与反应物质的输入，也包括反应过程当中温度、压力、流量等多项参数的输入。当然，软件在模拟计算过程当中难以收敛错误的发生在所难免，可以通过波义耳登法、默认计算次数的修改以及默认高精度数据的修改来完成收敛计算。

1.2 Aspen Plus 技术特点

首先，整个Aspen Plus 软件当中所包含的物性数据异常丰富，多达6 000 余种，整个数据库当中包含有纯组分数据库、水溶液数据库、电解质水溶液数据库、无机物数据库、PURE10 数据库以及Henry 常数库等。更为突出的是Aspen Plus 能够实现与DECHEMA 数据库接口的融合，该数据库最明显的特征就是收集了完备的数据。统计显示，其中所收集的气液平衡以及液液平衡数据庞大到25 万多套，因此二者的强强联合促使整个模拟过程更为全面，更具说服性[2]。

其次，整个Aspen Plus 软件具备超强的包容性和功能性，既能够完成结晶计算，也能够完成化工物料平衡计算；技既能够完成全新工艺流程的设计检验，也能够完成化工装置操作工程的优化；同时在对物料的物理化学性质进行模拟计算和查阅的过程当中也有着十分突出的优势。

2 不常见物质的物性估算

2.1 物性估算基本性质

化工生产过程当中化工数据是最重要的参数，而对于化学数据来说其组成里包括有很多的单纯物质或是混合物的物理或者化学数据，所以化工数据又被叫做物化性质或是物性数值。而对于化学数据来说，根据本身组成可以分为基础物性常数、微观参数热力学性质、相平衡数据以及物质传递特性等。而所谓天然物性估算，便是指利用热力学分子结构与分子物理等综合知识之间的关联保证在规定范围内可以使用实验数值参考进行各种物悟性数值的计算。其中，热力学性质包含了导热系数、气体热熔、密度、蒸发焓等；而分子物理则包含沸点、温度等基本物性数，也包含了张比容、表面张力、物质扩散系数等传播物性[3]。化学生产过程当中的物质类型很多，而且对温度、压强等环境条件的敏感性比较突出，变化范围也很大，因此只能通过对其进行物性评价才可以确定试验数据在所要求的环境条件范围以内。

2.2 物性估算方法

2.2.1 对应状态法

对应状态法常用于物性关联公式当中，该种方法的基本原理在于对应态原理，认为在相同的对比压力和温度之下任何两种物质的体积都是相同的。

2.2.2 基团贡献法

基团贡献法是当前最为常见的物性估算方法，该种方法认为分子的性质由其构成元素所提供的贡献决定，其中既包括原子贡献也包括键型贡献以及由原子团和键型共同组成的基团贡献。整个集团贡献法当中存有两种基本假定，其一，认为化合物的物性是构成该化合物各类基团物性贡献值的总和；其二，认为某个体系中物性贡献值同基团相同。Joback 方法、CG 两水平基团贡献法以及MP 基团相互作用贡献法等较为常见。Aspen Plus 软件包含的物性数据异常丰富，对于不常见物质而言，若软件数据库难以查到其准确信息会对整个工艺模拟计算造成影响，为此通过物性估算功能能够得到工艺流程模拟计算所需要的理想、工艺条件以及数据结果。

3 Aspen 模拟不常见物质的物性估算应用

以丙烯酸叔丁酯为例来说明一些方法及细节。

(1) 首先：先查找下该物质，建议通过CAS 号(1663-39-4) 进行查找，比较精准，发现没有匹配的，先确认下CAS 号是否输入正确，然后将物性数据库里的NIST 数据库选中(注意在可用数据库中，并非都是默认选择的)，再次搜寻[4]。

(2)如果该物质在内置物性库里，NIST 数据库中均未包含，可用如下方法处理。

①在运行模式中选择物性估算确定进入程序，并自定义该物质，进行命名。分子结构定义过程当中可以选用常规法通过化学键的逐一输入来完成定义，也可以通过指定官能团完成化学分子结构定义。

②首先，画出物质结构式，进行物性估算(如图1所示)。

图1 物质分子结构绘画

在分子结构项中，绘画出结构式，通过软件自动计算各个原子及键。

注意一点，关于功能组，就是对各个基团进行定义。通常工况下，对大部分物质则无须定义，可直接进行估算。

(3)选择一种物性方法进行估算(如图2 所示)，因整个估算过程采用基团贡献法完成，故选用UNIFCA为计算方法。

(4)在参数项中，纯组分项要对一些已知的物性进行定义(如不定义，则估算结果误差较大)，通常可输入沸点、热容等一些参数，可通过查询物性手册得到，参数越准确，估算结果越精准。

(5)在估算值选项中，选择估算全部参数(如图3所示)。

图2 物性估算方法选择

图3 估算参数选择

(6)数据输入完毕，点击运行，进行物性估算计算。

沸点、临界温度、临界压力、偏心因子、生成焓、吉布斯自由能、汽化热等，会列出相应的计算方法，均有针对的适用范围。

①如果出现物性警告标识，可能是个别双键不能识别，个别可忽略的警告，可在重置后，第二次计算时自动消除。

②如果没有消除，则回到分子结构项中，设置物性方法(UNIFIC)，定义双键并添加，再次计算。

对于很多的物质，物性是未知的，可能只知道分子式，其沸点、临界温度、临界压力、生成焓、吉布斯自由能等这些都无法准确获知，可通过Aspen 实施估算。另外，我们做模拟时，如果碰到一个复杂的有机物，在数据库中存在，但物性不全，通过查阅各种文献，也查找不到，如何判断估算正确呢？如果我们估算丙烯酸叔丁酯的物性，可以将估算的物性数据与丁烯酸叔丁酯、戊烯酸叔丁酯做对比，同一系列的物质物性偏差基本都不大。估算选择的方法，有适用的温度范围，有适用的有机物范围，比如有些物性方法对烷烃，烯烃很准确，对其他有机物则不准确，需要我们去选择合适的方法，也可以去估算混合物的物性。

4 结语

通过丙烯酸叔丁酯物性估算，可以得到未知的物性数据，这样就能对整个工艺流程进行模拟计算。从分离、提纯等过程，得到高浓度的丙烯酸叔丁酯，从而得到理想的工艺条件和数据结果。

虽然Aspen Plus 软件建立有强大的数据库系统，却也难以避免对不常见物的非全面覆盖，但对非常见物来说，使用Aspen Plus 软件当中的物性预测功能是一个非常有效的解决办法。即使在无法进行商用化学物性数据库购买的情形下，也可以通过在Aspen Plus软件本身物性估算的辅助和对已知实验数值校验的步骤中比较明确地确定某种物质的物性，而且由于整个流程安全性比较高，其计算精度也可以充分适应商业化学工程模拟设计的需求。