用Aspen軟件輔助化工熱力學(xué)教學(xué)（二）均相熱力學(xué)性質(zhì)推算

陳新志 張哲明 錢超

摘要：從容易獲得的性質(zhì)（如流體的p-V-T）推算難測(cè)量的性質(zhì)（如U、H、S等）是化工熱力學(xué)的重要應(yīng)用，是將經(jīng)典熱力學(xué)原理與反映系統(tǒng)特征的模型結(jié)合起來完成的，所以“原理—模型—應(yīng)用”構(gòu)成了化工熱力學(xué)內(nèi)容的“三要素”。為了解決物性推算中真實(shí)模型計(jì)算的復(fù)雜性，影響教學(xué)效果，本文用Aspen軟件，選擇工業(yè)中常用的PR狀態(tài)方程模型，推算流體均相熱力學(xué)性質(zhì)，能有效改進(jìn)課堂教學(xué)效果，并對(duì)提高學(xué)生應(yīng)用能力、加深概念理解具有重要的作用。

關(guān)鍵詞：Aspen；化工熱力學(xué)教學(xué)；均相性質(zhì)推算；PR狀態(tài)方程

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）24-0179-03

一、引言

學(xué)習(xí)化工熱力學(xué)課程的目的是為了解決實(shí)際問題，物性數(shù)據(jù)的計(jì)算是本課程的重要內(nèi)容，因?yàn)檫^程工程的研究、設(shè)計(jì)、操作與優(yōu)化中都離不開物性數(shù)據(jù)。從容易測(cè)量的性質(zhì)推算如U、H、S等難測(cè)量的性質(zhì)；從溫和條件的物性數(shù)據(jù)推算航天發(fā)射、深潛高壓等苛刻條件下所需的物性數(shù)據(jù)；等等。這些都有重要的理論與實(shí)際意義。

由經(jīng)典熱力學(xué)原理能方便地建立起不同性質(zhì)之間的聯(lián)系（即普遍化關(guān)系式），為實(shí)現(xiàn)不同性質(zhì)之間的推算提供依據(jù)。但要推算出具體系統(tǒng)的性質(zhì)數(shù)據(jù)，還必須引入反映系統(tǒng)特征的模型，如狀態(tài)方程等。

化工熱力學(xué)的研究對(duì)象更接近實(shí)際過程，實(shí)際過程所涉及的系統(tǒng)如此復(fù)雜，溫度、壓力范圍如此寬廣，化學(xué)工程師們不能再依靠簡(jiǎn)單的理想氣體或理想溶液模型來計(jì)算物性了，而是需要適用范圍更廣、準(zhǔn)確性更好、復(fù)雜性更高的模型，如PR等狀態(tài)方程，借助商業(yè)化的化工流程模擬軟件Aspen來促進(jìn)化工熱力學(xué)教學(xué)是一個(gè)很好的選擇，對(duì)促進(jìn)學(xué)生掌握概念、強(qiáng)化基礎(chǔ)、提高應(yīng)用能力具有重要作用，同時(shí)對(duì)后續(xù)的化工設(shè)計(jì)、化工計(jì)算等課程的教學(xué)十分有益?；崃W(xué)教學(xué)中引入Aspen具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）Aspen軟件中物性計(jì)算原理與本課程熱力學(xué)性質(zhì)的計(jì)算原理是一致的，用該軟件輔助熱力學(xué)教學(xué)能提高教學(xué)效率，簡(jiǎn)化計(jì)算過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。另一方面，也能使學(xué)生掌握Aspen軟件物性計(jì)算原理的內(nèi)核，了解更多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，提高應(yīng)用能力，不至于再像從前那樣，只知計(jì)算結(jié)果，不知計(jì)算原理，不明所用的模型，不能分析結(jié)果，真正掌握物性推算的“核心技術(shù)”。（2）國(guó)內(nèi)許多高校的后續(xù)課程，如化工設(shè)計(jì)、化工計(jì)算等教學(xué)中也開始采用Aspen輔助教學(xué)，化工熱力學(xué)作為這些課程的基礎(chǔ)，采用Aspen進(jìn)行熱力學(xué)性質(zhì)計(jì)算，無疑會(huì)使后續(xù)課程的基礎(chǔ)更加扎實(shí)。

用Aspen軟件指導(dǎo)化工熱力學(xué)的教學(xué)過程，在發(fā)達(dá)國(guó)家也受到高度重視，如Sandler等也出版了相關(guān)的教學(xué)指導(dǎo)材料[1]。但國(guó)內(nèi)的化工熱力學(xué)教學(xué)與國(guó)外教學(xué)有相當(dāng)?shù)牟町愋裕纾簢?guó)內(nèi)的教學(xué)課時(shí)數(shù)較少，教材內(nèi)容更緊湊，因此，引入化學(xué)物性計(jì)算軟件來提高教學(xué)效率更加重要。

雖然已經(jīng)就Aspen軟件輔助[2，3]化工熱力學(xué)教學(xué)進(jìn)行了簡(jiǎn)單探索，但隨著化工熱力學(xué)教學(xué)實(shí)踐的不斷深入，開展課本內(nèi)容、課堂教學(xué)與Aspen軟件更密切的結(jié)合，越來越重要。本文用PR方程完成流體的焓、熵、熱容、逸度等均相性質(zhì)的計(jì)算。