《第十四章化工过程计算与仿真幻灯片资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十四章化工过程计算与仿真幻灯片资料（110页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第十四章 化工过程计算与仿真,南京大学化学化工学院 缪强,Tel: 025-83594195 Email: ,第十四章 化工过程计算与仿真,系统仿真是一门以专业技术为基础，建立在相似理论、控制理论、系统科学和计算机基础上的综合性和试验性学科，涉及多学科和多领域的知识和经验。 随着现代信息技术的高速发展，仿真技术在化工领域得到了越来越广泛的应用。,第十四章 化工过程计算与仿真,仿真本质上是一种知识处理的过程，仿真方法也就是模型研究方法。仿真技术是（物理、数学或非数学的）模型建立、验证和试验运行的技术。系统仿真建模的信息源主要来自三个方面： 先验理论、观测数据、专家经验。,第十四章 化工过程计算与
2、仿真,本章主要介绍工艺过程的仿真。在第一节中，我们首先扼要介绍用于化工仿真计算的物性估算方法，第二节介绍一个在微机上运行的仿真软件PrSim。 在本章开始前，我们先将部分网上化工信息资源罗列在下面，它们提供化工各领域包括化工计算与仿真系统等方面的文献、数据、软件、和新闻信息。,第十四章 化工过程计算与仿真,中国化学化工信息资源(，)； American Institute of Chemical Engineers (http:/www.aiche.org)：美国化工学会； ChemI()：化工检索引擎； The Chemical Engineers Resource Page ()：化工资源
3、； ChemConnect()：化工商务； Chemical Engineering Links(http:/www.fdgroup.co.uk/neo/fsi/chempro.htm)：化工资源链接；,第十四章 化工过程计算与仿真,Flow Simulations Engineering Links (http:/www.fdgroup.co.uk/neo/fsi/englinks.htm)：仿真链接； Internet Connections for Engineering (http:/www.englib.cornell.edu/ice/ice-index.html)：工程资源链接；
4、Science and Engineering Network News( University of Karlsruhe Worldwide List of Chemical Engineering URLs(http:/www.ciw.uni-karlsruhe.de/chem-eng.html)：德国Karlsruhe大学的化工资源链接；,第十四章 化工过程计算与仿真,The WWW Virtual Library: Chemical Engineering (http:/www.che.ufl.edu/WWW-CHE/index.html)：化工虚拟图书馆； sci.engr.chem
5、(news:sci.engr.chem)化工新闻组； sci.chem(news:sci.chem) for chemistry化学新闻组； EEVLs Engineering Newsgroup Archive (http:/www.eevl.ac.uk/cgi-bin/nwi) EEVL工程新闻组； Chemical Engineer()化工人力资源市场； Kinematrix Software ( ChemPlant工具软件。 v,1 物性估算,在化工过程计算中，估算气体和液体的热力学性质有非常重要的作用。分离过程，如蒸馏、气体吸收和液体萃取需要对相平衡中的纯流体和流体混合物的容量性质进
6、行估算。在涉及热效应的过程操作中，还必须估算焓、热容及系统中的熵变。,气体的容量性质,真实气体容量性质与理想气体的偏差一般用压缩因子形式来表示， ，对于理想气体，Z = 1。 应用曲线拟合方法，可以将以图表形式给出的真实气体的压缩因子表示为对比温度Tr 、对比压力Pr 和临界压缩因子Zc的函数。Hougen, Watson和Ragatz在Chemical Process Principles, Part II(1959, John Wiley)中提供了数据表。,气体的容量性质,应用一些已经导出的真实气体的状态方程也可以估算一定温度和压力下的摩尔体积或密度。物理化学课程中介绍的范德华方程和维里方
7、程是较简单的气体方程形式。 下面是一些化工中常用的状态方程，但是每个方程都有它的适应范围和限制，不能期望用一种方程完成所有计算。,R-K(Redlich-Kwong)方程,R-K方程和它的变形或改进形方程使用非常广泛。R-K方程用在对比压力直到0.8的情况，用于预测烷烃的气相容量性质，但是不适用于接近临界条件或液相情况。 其中Tc和Pc分别是临界温度和临界压力。,R-K(Redlich-Kwong)方程,R-K方程的压缩因子Z的三次方程形式为 式中Pr = P/Pc和Tr = T/Tc分别是对比压力和对比温度。,R-K(Redlich-Kwong)方程,上式在用于混合物时，方程的常数为 其中A
8、i和Bi为组分i的常数。,S-R-K (Soave -Redlich-Kwong) 方程：,S-R-K方程是Soave修正的R-K方程，它将R-K方程中的a/T0.5用温度函数a(T)代替。 w = -(1 + log PvP,r)称为偏心因子，PvP,r是是在对比温度为0.7时求得的对比饱和蒸汽压。它不仅较准确地用于临界和液相区，还能较好地预测烃类系统的汽-液平衡，再现Tr = 0.7时纯非极性物质的实验蒸汽压。,S-R-K (Soave -Redlich-Kwong) 方程：,在没有可靠偏心因子值时，可以用Edmister方程进行估计， 其中Tbr是对比正常沸点，临界压力Pc的单位为kPa
9、。,S-R-K (Soave -Redlich-Kwong) 方程：,Graboski和Daubert把S-R-K方程中m的表示式作了修改， m = 0.48508 + 1.55171w - 0.15613w2。 修改后的S-R-K方程可以用于大部分烃类的有关物系，特别是临界区中流体的性质和偏心因子较大的物质。,S-R-K (Soave -Redlich-Kwong) 方程：,对于混合物 式中kij是组分i和j的经验相互作用系数，由实验数据求得。对于烃-烃物系，kij = 0。 S-R-K方法的缺点之一是所估计的液体密度偏低，应用范围较窄，不能用于含氢物系（氢大都以超临界状态存在Tr 1），不
10、适合非理想系统。,P-R(Peng-Robinson) 方程：,P-R方程与R-K方程形式相似，它可以更准确的估算蒸汽压和液体密度，特别是在接近临界区时，预测效果更满意。P-R方程的使用范围为：温度大于-271C，压力小于100MPa。因此，对于油、气和石油化工上的应用，P-R方程总是首选的方法。此外，P-R方程还可以适用于重油系统。,P-R(Peng-Robinson) 方程：,.,P-R(Peng-Robinson) 方程：,相应的压缩因子方程为,P-R(Peng-Robinson) 方程：,P-R方程对混合物的应用与S-R-K方程一样，准确度取决于所用的相互作用系数kij。对大部分极性与
11、非极性组分混合物的kij估算值必须由第二维里系数或二元混合物的气-液平衡求得。,B-W-R(Benedict-Webb-Rubin) 方程：,B-W-R方程有8个常数，对气、液态烃类都能准确地预测。 常数A0、B0、C0、a、b、c、a、g取决于物质本身。,Lee-Kesler方程：,Lee和Kesler应用对比状态原理将B-W-R方程转变为通用形式，它可以估算包括非烃类在内的许多化合物的性质。对所有化合物，除了临界性质和偏心因子以外，仅需一组常数。,Lee-Kesler方程：,.,Lee-Kesler方程：,.,Lee-Kesler方程：,真实流体的压缩因子与简单流体(w = 0)及参照流体
12、（正辛烷）的性质有关，具体计算过程如下： 首先用Vr(0)和简单流体Lee-Kesler常数代入Lee-Kesler方程，计算简单流体压缩因子 ； 再用参照流体Lee-Kesler常数和同样的Tr和Pr值代入Lee-Kesler方程，得到估算值Vr(R)； 计算参照流体的压缩因子 ；,Lee-Kesler方程：,真实流体的压缩因子Z = Z(0) + (w/wR)( Z(R) - Z(0)，wR = 0.3978为参照流体（正辛烷）的偏心因子。,Lee-Kesler方程：,混合物的临界性质为 在上述的混合规则（R-K方程除外）中，若以液相摩尔分数xi代替蒸汽摩尔分数yi，则可估算液相的性质。,
13、Lee-Kesler方程：,例14-1：对组成（摩尔分数）如下表的乙炔、乙烯和乙烷的混合物，试用S-R-K方程和Lee-Kesler方程计算气、液两相混合物的压缩因子。系统温度为235.9K，压力为1381.3kPa。,Lee-Kesler方程：,S-R-K方程求得的气相Z为0.7934，液相Z为0.2245； Lee-Kesler方程的起始值取Z = 0.9时，经四次迭代，得到气相Z为0.7638，液相Z为0.7622。,Lee-Kesler方程：,Lee-Kesler方程和S-R-K方程求得气相压缩因子相近，而液相的压缩因子有较大差异。Lee-Kesler方程可以给出更准确的液相密度。 除
14、了在接近饱和蒸汽区的低温下以外，Lee-Kesler方程都可以满意地使用。但是，对含强极性物质的混合物准确度会降低。,液体的容量性质,对液体来说，没有类似于气体的简单的状态方程。B-W-R方程和Lee-Kesler方程可以用于液态，但是较复杂。S-R-K方法会低估液体的密度。P-R方程对液体或液体混合物的密度估算效果较好。 不用状态方程，根据对比状态原理来估算纯液体密度的方法还有 Yen-Woods方法（饱和及过冷液体，Tr 1，误差约36%），,液体的容量性质,Chueh-Prausnitz方法（饱和及过冷液体，Tr 0.99）， Gunn-Yamada方法（饱和液体，Tr 0.99）， S
15、pencer-Danner方法（饱和液体，Tr 1）， Hankison-Thomoson方法（饱和液体，0.25 Tr 0.95，平均绝对误差为0.37%）。 对于液体混合物，在不太高的温度、压力下，可以用Amagat定律，,液体的容量性质,对于烃类，可以用P-R方程；对非烃类，结合混合规则用Lee-Kesler方程。,气体和蒸汽的逸度,为了估算热力学性质，如含、熵和流体的相平衡，必须确定纯气体和气体混合物的逸度。纯气体的逸度,气体和蒸汽的逸度,为了估算热力学性质，如含、熵和流体的相平衡，必须确定纯气体和气体混合物的逸度。纯气体的逸度 通常计算的是逸度系数f，,气体和蒸汽的逸度,对纯物质f
16、= f / P；对混合物中的组分i， 纯物质压缩因子与逸度系数关系：,气体和蒸汽的逸度,按Lee-Kesler方程，逸度系数为 式中的f(0)用简单流体系数进行估算，f(R)用参照流体系数计算。,气体和蒸汽的逸度,对于气体混合物中的组分i，用R-K和S-R-K有，,气体和蒸汽的逸度,对P-R方程为， 而Lee-Kesler方程表示的混合物逸度系数，可以用其混合物系数（不用纯组分系数）代入Lee-Kesler方程的逸度系数计算式中后得到。,气体和蒸汽的逸度,例14-2：用S-R-K方程方法计算例14-1中气体和液体混合物各组分的逸度系数，结果列于下表。,液体的逸度,液相中任意组分i的逸度fiL与其液相中的组成有关 fiL = gixifioL， 式中gi是组分i的活度系数，fi0L为组分i在参照（或标准）态时的逸度。这里给出纯液体参照态fioL逸度的估算。 标准态逸度的选择通常取为与系统相同温度和压力下纯液体的逸度。比值fioL/P称为参照态液体逸度系数noL。,液体的逸度,在温度T和压力
