相似比較分析估算物性在工程設(shè)計中的應(yīng)用

姚琦敏，江華東*

（中國能源工程集團有限公司，上海 200061）

相似比較分析估算物性在工程設(shè)計中的應(yīng)用

姚琦敏，江華東*

（中國能源工程集團有限公司，上海 200061）

用ASPEN PLUS調(diào)出已知物質(zhì)物性數(shù)據(jù)，通過與相似的未知物性物質(zhì)的物性進(jìn)行比較分析，用MATLAB擬合未知物物性間變化曲線方程。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)資料或?qū)崪y數(shù)據(jù)資料，結(jié)合物性間變化曲線方程，推算出未知物的物性數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用于流程模擬及工程設(shè)計中。

比較分析；物性估算；工程設(shè)計；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設(shè)計和科學(xué)研究的一個重要組成部分，由于化學(xué)工業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)有的化工物性數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足發(fā)展的需求。在工程設(shè)計上，要求提供的數(shù)據(jù)在更多的情況下是在任意給定的溫度、壓力狀態(tài)下的各種物性值，這些值不能在化工物性數(shù)據(jù)庫中得到，所以通過半理論半經(jīng)驗的模型方程估算物性，對整個工程設(shè)計和科學(xué)研究具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)外物性估算主要手段是采用基團貢獻(xiàn)法來估算物性數(shù)據(jù)，基團貢獻(xiàn)法是建立在分子性質(zhì)具有加和性的基礎(chǔ)上的，其優(yōu)點是通用性比較大，由于基團貢獻(xiàn)法中的官能團參數(shù)是用不完備的實驗數(shù)據(jù)（實際也不可能得到完備的實驗數(shù)據(jù)）擬合出來的，擬合過程中又會丟失部分信息，另外在分子結(jié)構(gòu)拆解中，不同的基團匹配順序可能造成拆解失敗，因而基團貢獻(xiàn)法的計算結(jié)果與實際情況往往有較大偏差甚至無法計算。

相似物質(zhì)具有相似的微觀性質(zhì)及結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，根據(jù)粒子遵循的力學(xué)定律理論基礎(chǔ)，物質(zhì)的宏觀性質(zhì)也具有相似性。本文將根據(jù)已知物性的物質(zhì)來估算相似未知物質(zhì)的物性，以應(yīng)用于工程設(shè)計和科學(xué)研究的實踐上。

2 相似物質(zhì)物性估算

2.1 未知物性物質(zhì)蓖麻酸三甘油酯

蓖麻油是一類脂肪酸的三甘油酯的混合物，其脂肪酸部分主要為蓖麻酸，含量約90%，其余為油酸、亞油酸、棕櫚酸等。各種組分大致含量見下表1。

表1 蓖麻油組成（以脂肪酸基團計）

由于蓖麻油中脂肪酸基團90%左右為蓖麻酸，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為C57H104O9，分子量為933.43。蓖麻油可以加氫生產(chǎn)航空煤油，也可以裂解生產(chǎn)十一碳烯酸，是非常好的精細(xì)化工原料，由于處于工業(yè)化進(jìn)程中，工程設(shè)計需要對蓖麻酸三甘油酯物性的熟悉。蓖麻酸三甘油酯物性數(shù)據(jù)缺失，無法從軟件或文件數(shù)據(jù)庫中找到工程設(shè)計所需要的不同壓力和溫度下蓖麻酸三甘油酯的蒸發(fā)潛熱、泡點溫度、密度、黏度、比熱等。

2.2 已知物性物質(zhì)甘油三油酸酯

甘油三油酸酯分子式為C57H104O6，分子量為855.43，該物質(zhì)物性數(shù)據(jù)可以從模擬軟件ASPEN PLUS數(shù)據(jù)庫中調(diào)用，并估算出任意給定的溫度、壓力狀態(tài)下的各種物性值。蓖麻酸三甘油酯比甘油三油酸酯只多了三個羥基，它們的分子式結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 左圖為蓖麻酸三甘油酯分子結(jié)構(gòu)圖，右圖為甘油三油酸酯分子結(jié)構(gòu)圖

甘油三油酸酯常用的工程設(shè)計物性數(shù)據(jù)通過調(diào)用ASPEN PLUS的物性數(shù)據(jù)庫，并估算出在一定的壓力、溫度下的物性數(shù)據(jù)值。

表2 甘油三油酸酯在不同溫度的密度和黏度值

2.3 擬合甘油三油酸酯物性變化方程

根據(jù)甘油三油酸酯的物性數(shù)據(jù)，通過MATLAB進(jìn)行回歸分析（基本原理是最小二乘法），得出甘油三油酸酯在不同溫度下的密度曲線方程如式（1），其標(biāo)準(zhǔn)差為0.38。

甘油三油酸酯在不同溫度下的黏度曲線方程如式（2），其標(biāo)準(zhǔn)差為0.14。

2.4 推測蓖麻酸三甘油酯物性變化方程

根據(jù)粒子遵循的力學(xué)定律理論基礎(chǔ)，相似物質(zhì)具有相似的宏觀性質(zhì)，蓖麻酸三甘油酯在一定的壓力、溫度下的物性數(shù)據(jù)值具有與甘油三油酸酯相似的曲線方程。蓖麻酸三甘油酯在不同溫度下的密度曲線方程如式（3）。蓖麻酸三甘油酯在不同溫度下的黏度曲線方程如式（4）。

3 實驗論證推測的物性變化方程

3.1 實驗密度和黏度的測定方法

蓖麻酸三甘油酯密度通過密度計直接測定，蓖麻酸三甘油酯黏度用落球法測定。落球法是指用已知直徑的小球從液體中落下，通過下落速度的測量，算出黏度。當(dāng)一個小球在液體中緩慢下落時，它受到三個力的作用：重力、浮力和黏滯力。如果小球的運動滿足下列條件：①在液體中下落時速度很?。虎谇蝮w積很?。虎垡后w在各個方向上都是無限寬廣的，斯托克斯（S.G..Stokes）指出，這時的黏滯力可以用式（5）表示。

式中η為黏度；v為小球下落速度；r為小球半徑。此式即著名的“斯托克斯公式”。小球下落時，三個力都在豎直方向，重力向下，浮力和黏滯力向上。由式（5）知，黏滯力是隨小球下落速度的增加而增加的。顯然，如小球從液面下落，開始是加速運動，但當(dāng)速度達(dá)到一定大小時，三個力的合力為零，小球則開始勻速下落。設(shè)這時速度為v，v稱為“終極速度”。此時黏滯力公式如式（6）表示。

式中，ρ為小球密度；ρ0是液體密度。由此得到黏滯力公式如式（7）表示。

在實驗操作時，并不能完全滿足式（5）所要求的條件。首先液體不是無限寬廣的，是放在容器中的，因此就不能完全不考慮液體邊界的影響。設(shè)圓筒的直徑為D，液體的高度為H，小球從圓筒的中心線下落，那么式（7）應(yīng)修正為式（8）。式中d為小球直徑，由于高度H的影響實際上很小，略掉相應(yīng)的修正項。

3.2 實驗數(shù)據(jù)

實驗中鋼球密度按7 700kg/m3計，重力加速度按9.8m/s2計。實驗數(shù)據(jù)及計算數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 蓖麻酸三甘油酯實驗及計算數(shù)據(jù)表

3.3 驗證推測方程的符合性

根據(jù)蓖麻酸三甘油酯在不同溫度下的密度曲線方程式（3），和蓖麻酸三甘油酯在不同溫度下的黏度曲線方程式（4），把測得的實驗數(shù)據(jù)表3進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析。蓖麻酸三甘油酯在不同溫度下的密度曲線方程如式（9）所示，其標(biāo)準(zhǔn)差為0.60，其標(biāo)準(zhǔn)差與密度值比很小，誤差較小，方程符合物性變化規(guī)律。

蓖麻酸三甘油酯在不同溫度下的黏度曲線方程如式（10）所示，其標(biāo)準(zhǔn)差為71.49，其標(biāo)準(zhǔn)差與黏度值比較小，誤差較小，方程符合物性變化規(guī)律。

蓖麻酸三甘油酯的密度和黏度在不同溫度下擬合的變化曲線如圖2所示。

圖2 左圖為蓖麻酸三甘油酯密度隨溫度變化圖，右圖為蓖麻酸三甘油酯黏度隨溫度變化圖

通過實驗驗證蓖麻酸三甘油酯在不同溫度下密度和黏度符合相似比較分析估算的蓖麻酸三甘油酯物性間的變化曲線方程，誤差較小，符合物性變化規(guī)律，符合性較好，可應(yīng)用于工程設(shè)計中。另外對蓖麻酸三甘油酯的其他物性如不同壓力下的泡點溫度和氣化潛熱的估算以及不同溫度下比熱的估算曲線方程與甘油三油酸酯的物性曲線變化方程一致，都具有相似的變化規(guī)律，可以根據(jù)已知物性的數(shù)據(jù)去估算出未知物性的蓖麻酸三甘油酯的物性變化規(guī)律，然后根據(jù)化工物性數(shù)據(jù)庫中的資料和發(fā)表文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)點，得到物性數(shù)據(jù)變化方程，從而估算出整個的物性變化數(shù)據(jù)。

我們還通過研究與蓖麻酸三甘油酯差異性較大的乙酸三甘油酯的物性變化曲線方程，乙酸三甘油酯為已知物性物質(zhì)，通過調(diào)用ASPEN PLUS的物性數(shù)據(jù)庫，并擬合出相應(yīng)的物性變化方程，發(fā)現(xiàn)其仍然符合上述變化方程，仍具有較好的符合性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)相似比較分析估算的蓖麻酸三甘油酯物性曲線方程，通過實驗測量得到蓖麻酸三甘油酯在不同溫度下密度和粘度的數(shù)值，回歸分析得出方程式，并估算標(biāo)準(zhǔn)差，滿足誤差要求，然后就可以根據(jù)曲線方程估算任意溫度下的物性數(shù)據(jù)值。因此，我們認(rèn)為相似比較分析估算物性具有一定的借鑒意義，特別是分子差異不大的物質(zhì)，能夠符合其變化規(guī)律，應(yīng)用于廣泛的工程設(shè)計中，滿足其迅速發(fā)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，工程師，主要研究方向為化工設(shè)計及計算。

江華東（1964—），男，上海人，教授級高級工程師，主要研究化工、熱工等的設(shè)計計算和系統(tǒng)優(yōu)化。