利用化工软件PROII实现热容的快速估算

马丽 崔小琴

【摘要】针对传统化工计算课程中对理想气体热容和真实气体热容的估算繁琐费时问题，结合教材实例，利用现代化工模拟软件 PROII 对一定温度、压力下的气态有机物理想气体热容和真实气体热容进行估算。结果表明：化工模拟软件PROII 能够快捷准确地实现传统化工计算中热容的估算，可以明显提高教学成效。

【关键词】现代化工计算 热容 估算

【基金项目】本文受青海大学课程建设2017ZYHXKC08项目资助。

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）03-0225-02

一、引言

《化工计算》课程是中高等化工类专业学习的一门重要专业基础课，主要由化工常用基础数据、化工过程参数、物料衡算、热量衡算和物能联算等内容构成，其中常用热力学数据热容的估算对正确地求解热量衡算是至关重要的一步，也是化工计算授课的核心之一。然而教材中这部分内容对应的例题都是通过人工计算，涉及查表、查图、公式计算等步骤联合，求解过程费时耗力，老师讲得煞费精力，学生也觉得枯燥乏味，求解费时。因此，有必要探索将传统教学与现代化的设计工具教学相结合，进行联合讲述，达到既能够重视基础理论知识的理解，又能够灵活使用计算机模拟工具的双重目的。本文则主要是结合青海大学化学工程与工艺专业本科教学使用的《化工计算》教材中基本物性数据热容估算的相关例题，运用化工模拟软件ProII进行估算，以期达到激发学生学习化工计算的兴趣、提高计算效率和拓展化工计算专业素养的目的。[1-3]

二、教材实例分析

（一）热容估算的基本理论

热容是重要的热力学物性数据之一，表示的物理意义是：物体在某一过程中，每升高（或降低）单位温度时从外界吸收（或放出）的热量。同物质的性质、状态及传递热量的过程有关系，是非状态函数。本文主要是针对如何估算气相的理想气体热容和真实气体热容展开，理想气体的热容估算主要有Joback法、C-G法、Benson 法和 Rihani？鄄Doraiswamy 法。[4]其中 Rihani？鄄Doraiswamy基团贡献法是气态有机物理想气体热容估算一种简便、准确度高的方法，被引入教材中使用，这种方法将有机物分解成若干基团，将基团对化合物热容的贡献值加和起来代入公式（1-1）实现理想气体热容的估算。

（二）手动估算与计算机估算比较

（1）估算800K时气态 3-甲基噻吩的理想气体热容

① 传统教学方法

采用Rihani-Doraiswamy 基团贡献法估算法主要分为四步。

第一步：正确写出有机物3-甲基噻吩的化学分子结构式

第二步：将3-甲基噻吩的分子分解成4个基团为：

和

第三步：在理想气体热容的基团贡献值表中查出各基团对化合物热容的贡献值并进行加和计算。

第四步：将加和计算的结果代入式（1-1）得到式（1-2）。

Cpo=0.0987+9.3034×10-2T+（-0.4851×10-4）T2 +0.006621×10-6T3 （1-2）

第五步：将T=800K代入（1-2）式得到气态3-甲基噻吩的理想气体热容估算值为196.10J/（mol﹒K），并与实验值Cp0=192.25J/（mol﹒K） 进行比较，得出估算误差。

②利用PROII模拟软件进行估算

在PROII软件中针对上例进行估算的方法主要分为六步输入。

第一步：启动PROII软件，新建文件。

第二步：规定单位制。

第三步：Componet Selection 中加入组分3MTH10。

第四步：Thermodynamic Data 中选择 SRK 方程。

第五步：输入流股信息后，运行。

第六步：查看流股 Chemi？鄄cal Report，如图1所示，Cp=1.9597KJ/（kg﹒K）=192.38J/（mol﹒K）。

（2）估算真实气体 400K，50atm 乙烷蒸气热容 Cp。

① 传统估算方法

当气体处于 400K，50atm 下，应当考虑压力对热容的影响，也就是说要考虑气体偏离理想状态时热容的校正值。采用传统手工计算法主要分为四步。

第一步：查手册得到C2H6的Tc=305.4K，Pc=48.2atm

第二步：計算

Tr= = =1.310，Pr= = =1.04

第三步：查普遍化热容差图，Tr=1.310，Pr=1.04时，热容校正值ΔCp=12.55kJ/（kmol﹒K）

第四步：查手册附表C2H6的理想气体热容

Cp0 =1.648+4.124×10-2T-1.530×10-5T2 +1.740×10-9T3 cal/（mol·K）

第五步：将T=400K代入第四步中的Cp0，计算Cp0=66.15kJ/（kmol﹒K）

第六步：估算400K，50atm乙烷蒸气热容

Cp=Cp0+ΔCp=66.15+12.55=78.70kJ/（kmol﹒K）

②利用 PROII 模拟软件进行估算

PROII软件中针对上例进行估算的方法如下。

第一步：启动PROII软件，新建文件。

第二步：规定单位制。

第三步：Componet Selection加入组分C2H5。

第四步：Thermodynamic Data选择SRK方程。

第五步：输入流股信息后，运行。

第六步：查看流股 Chemical Report，如截图2所示，Cp=2.5798kJ/（kg﹒K）=77.57J/（mol﹒K） 。

（三）不同方法估算结果比较

（1）Rihani-Doraiswa-my基团贡献法人工估算800K 时气态3-甲基噻吩的理想气体热容值为 196.10J/（mol﹒K），与实验值CP0=192.25J/（mol﹒K）比较，相对误差为2.0%。采用PROII 模拟软件估算的结果是Cp=192.38J/（mol.K），与实验值比较，相对误差为0.068%。

（2）真实气体热容的估算中，手算400K，50atm乙烷蒸气的热容 Cp=78.70kJ/（kmol﹒K），而采用PROII模 拟软件估算的结果：

Cp=2.5798kJ/（kg﹒K）=77.57J/（mol﹒K）。

三、结语

化工物性数据是化学研发和化工生产中的重要基础数据，传统人工估算数据获取的途径需要查阅相关专业手册，并借助估算公式来实现，整个过程费时耗力，并有可以出現计算和查估方面的误差。本文结合教材中的实例尝试教学改革，在向学生讲述估算基本理论的同时，向学生引入现代化化工设计模拟软件PROII在化工基本物性热力学数据热容估算方面的使用，将手工估算与计算机估算两者形成对比，最大的特点是：针对教材上的两个实例，软件 PROII 在获取热容数据时没有涉及有机物分子基团的拆分和查图等的繁琐过程，且估算结果更接近实验值。整个对比学习的过程旨在让学生意识到建立扎实理论知识根基的重要性和培养驾驭现代化化工模拟工具快捷高效解决化工问题的能力。

参考文献：

[1]刘世达，王海燕，杨秀娜.PROII 流程模拟软件在溶剂油分离中的应用[J].石油化工高等学校学报，2012（6）：18-20.

[2]曹俊雅，王光耀，朱凯.等.Aspen Plus 在化工设计中的应用实践与探索[J].新课程研究：高等教育，2012，08：93-94.

[3]李士雨，齐向娟.采用CHEMCAD 软件强化“化工分离过程”课程教学[J].化学工业与工程，2005，22（增刊）：60-61.

[4]马沛生.化工数据教程[M].天津：天津大学出版社，2008.

[5]葛婉华，陈鸣德.化工计算[M].北京：化学工业出版社，1990.

作者简介：

马丽，女，化学工程与工艺专业，本科在读。

崔小琴，女，职称：副教授，主要从事化学工程与工艺专业教学工作。