例2-1　混酸过程——电解质过程数据包应用。

硝基苯是一种有机合成中间体，常用作生产苯胺、染料、香料、炸药等的原料。其生产方法是以苯为原料，以硝酸和硫酸的混合酸为硝化剂进行苯的硝化而制得。现用三种酸 （组成见例2-1附表1） 常压下配制硝化混合酸，要求混合酸含0.27（质量分数）HNO3及0.60（质量分数）H2SO4，混合酸流率2000kg/h。求：（1）三种原料酸的流率；（2）若原料酸的温度均为25℃，混合过程绝热，计算混合酸的温度、密度、黏度、表面张力、恒压热容。

解　首先物料衡算求原料用量　设混合过程稳定，无物料损失，根据式（2-1），输入体系的物料质量流率应该等于离开体系的物料质量流率。以x，y，z 分别代表循环酸、浓硫酸、浓硝酸的原料质量流率，列出以下物料衡算方程组：

0.22 x + 0.9 z = 2000×0.27

0.57 x + 0.93 y = 2000×0.6

0.21 x + 0.07 y + 0.1 z = 2000×(1−0.27−0.6)

解出循环酸 x = 768.85kg/h，浓硫酸y = 819.09kg/h，浓硝酸z = 412.06kg/h。下面用Aspen Plus 软件中的混合器模块“Mixer”模拟计算。

① 选择电解质过程数据包　在软件安装位置“GUI”文件夹的“Elecins”子文件夹中，选择水与硫酸电解质过程数据包“eh2so4”，把此文件复制到另一文件夹中打开，默认计算类型“Flowsheet”。对物流的数据格式进行设置，在“Setup| Report Options|Stream”页面的“Fraction basis”栏中选择质量流率和质量分数，在“Stream format”栏中选择“ELEC_E”电解质输出格式。单击“Next”按钮，进入组分输入窗口，原数据包中已包含了水、硫酸体系的所有分子组分与离子组分，只需要在“Component ID”中再加入硝酸组分。

② 再次确定体系的构成　加入硝酸后，溶液中的离子成分需要重新确定，点击“Elec Wizard”按钮，进入电解质体系构建方法向导窗口，见图2-2。单击“Next”按钮，进入基础组分与离子反应选择页面，把混合酸溶液的各个电解质组分选入到“Selected components”栏目中，离子反应类型用默认选择，如图2-3所示。

单击“Next”按钮，进入溶液离子种类和离子反应方程式确认页面。热力学模型选用“ELECNRTL”，如图2-4所示，单击“Next”按钮予以确认。在软件询问电解质溶液组成表达方式时，选择“Apparent component approach”，使计算结果仍然用溶液的表观组成表示，以方便阅读计算结果。连续单击“Next”按钮，确认软件已选择的热力学模型参数、电解质离子对参数。软件“Elec Wizard”功能构建的混合酸溶液电解质体系的实际组分如图2-5所示。

③ 画流程图　选择混合器模块“Mixers”，拖放到工艺流程图窗口，用物流线连接混合器的进出口，如图2-6所示。依次双击进料物流号，把三股原料酸的进料物流信息填入对应栏目中。

④ 设置混合器参数　在混合器模块“Input|Flash options”页面，填写闪蒸压力1atm、液相混合。

⑤ 设置物性输出　在“Properties|Prop-Sets|Properties”页面，创建一个输出物性集名“PS-1”，选择题目要求输出的物性名称，如图2-7所示。在“Qualifiers”页面，选择物流的相态为“Liquid”。在“Setup|Report Options|Stream”页面，点击“Property-Sets”按钮，在弹出的对话框中选择物性集“PS-1”，使“PS-1”数据能够输出，见图2-8。至此，混合器模拟计算需要的信息已经设置完毕，点击计算。

⑥ 查看计算结果　计算结果如图2-9所示。

由图2-9可知，混合酸的质量流率2000kg/h，等于三种原料酸的质量流率和，即混合过程总物料平衡。由于采用了电解质溶液的表观组成表示方法，各物流中只显示表观组分含量，混合酸的硫酸质量分数是60%，硝酸的质量分数是27%，达到题目要求。另外，可以看到各物流的物性，其中混合酸的温度为45.1℃，密度1649.6kg/m3，黏度4.2cP（1cP=1×10−3Pa·s），表面张力0.075N/m。

此混合过程也可手工计算，依据是硫酸溶于水的积分溶解热曲线，或依据25℃时1mol硫酸溶解到水中的积分溶解热与水物质的量n的关系［式（2-3）］。因硝酸溶于水的积分溶解热数值相对很小，可忽略不计。引用图2-9对4股物流的物性计算值，由式（2-3）计算得到的各物流的放热量见例-1附表2。

　　（2-3）

混合过程总的放热量：Q =[−363310−(−176490−108170)] = −78650(kJ/h)

查出混合酸的热容是105.9kJ/(kmol·K)、混合酸的摩尔流率为35.238kmol/h，故混合酸的温升是：

（℃）

则混合酸的温度是25 + 21.1 = 46.1（℃），与模拟计算的混合酸温度近似。

例2-2　废热锅炉产汽量——“Heatx”模块应用。

某化工厂计划用高温废气生产水蒸气，进入废热锅炉的废气温度450℃，压力300kPa，出口废气的温度260℃，进入锅炉的水温25℃，产生3.0MPa的饱和水蒸气，试计算每100kmol废气可产生的水蒸气量。

解　① 全局性参数设置　计算类型“Flowsheet”，用氮气代替废气，在组分输入窗口“Component ID”中输入氮气、水，把氮气设置为亨利组分，选用“TEAM-TA”质方法计算水蒸气性质。

② 绘制流程图　废热锅炉采用两股流体换热器“HeeatX”模块计算，热流体可能较脏走管程，冷流体一般比较洁净走壳程，流程见图2-10。

③ 设置流股信息　把题目给定的氮气物流信息填入对应栏目中，水的用量不知，暂时填写200kg/h，由“Design Specs”功能确定准确值。

④ 设置模块信息　在换热器模块的“Setup|Specifications”页面，指定采用换热器的简捷模式计算，指定冷流体出口汽化分率为1.0。在换热器模块的“Block Options|Properties”页面，管程氮气物流的物性计算采用SRK方程，见图2-11。

⑤ 反馈计算求进水量　在“Flowsheeting Options|Design Specs|Input|Define”页面，创建一个流程变量“N2OUT”，定义为废热锅炉氮气出口温度；在“|Input|Spec”页面，规定变量“N2OUT”为260℃，设置计算允许误差0.01℃；在“|Input|Vary”页面，设置废热锅炉进水“3H2O”的流率范围为100～300kg/h。

⑥ 模拟计算　结果见图2-12，图2-12（a）给出了冷热流体的始终状态与废热锅炉的热负荷，图2-12（b）给出了冷热流体的流率。可见热流体的出口温度为规定的260℃，冷流体的出口温度为233.9℃，废热锅炉的热负荷为160kW，生产3.0MPa 饱和水蒸气213.9kg/h。

例2-3　汽-液-液三相平衡计算——Sensitivity功能考察相变点温度。

已知合成苯乙烯固定床反应器出口气体流率如附表，如果将该物料在300kPa下从150℃降温到38℃，问：（1）是否分相；（2）若分相，求各相的流率与组成；（3）分相时的温度。

解　因为混合物中含有氢气、水、醇、烃组分，降温后形成汽液液三相平衡的可能性较大，可用Aspen Plus 中的汽液液三相平衡计算模块“Flash3”求解。

① 全局性参数设置　选择公制计量单位模板，计算类型“Flowsheet”，输入混合物中的所有组分，把氮气设置为亨利组分。

② 选择性质方法　考虑到可能会出现部分互溶，应选择“NRTL”性质方法。另外平衡压力为300kPa，应该考虑汽相的非理想性，故可选择NRTL-RK方程。单击“Next”按钮，进入“Properties|Parameters|NRTL-1”页面，要求确认NRTL方程的二元交互作用参数。进料中有6个组分，应该有15对二元交互作用参数。可以看到软件显示的二元交互作用参数不全，只有8对。这时，可以在“Estimate missing parameters by UNIFAC”前面的方框内打钩，由UNIFAC方程计算缺失的二元交互作用参数。

③ 画流程图　选择汽液液三相平衡闪蒸器“Flash3”模块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线连接进出口。为方便阅读，对物流编号进行更改，如图2-13所示。

④ 设置流股信息　双击进料物流号，把物流信息填入对应栏目中。

⑤ 设置闪蒸器操作参数　在闪蒸器模块的“Input|Specifications”页面，填写闪蒸温度38℃，闪蒸压力300kPa。

⑥ 模拟计算　计算结果如图2-14所示。在闪蒸器模块的“Results|Summary”页面，可看到闪蒸后的汽相分率为0.239；闪蒸器的热负荷为-17.5MW，表明为维持38℃的闪蒸温度，需要移除17.5MW的热量；有机相占总液相的分率0.522。

在闪蒸器模块的“Results|Balance”页面，可看到进料总流率与三股出料的总流率之和相等，达到物料平衡。在闪蒸器模块的“Results|Phase Equilibrium”页面，可看到闪蒸后的相平衡数据，包括进料、闪蒸后三股物流的组成，汽相中各组分分别与两液相中组分的相平衡常数。在闪蒸器模块的“Streams Results|Material”页面，可看到闪蒸前后物流的详细信息，包括组分流率、摩尔分数、总流率、物流焓与熵、物流密度，平均分子量，如图2-15所示。若希望增加出口物流的其他热力学性质或者传递性质的输出数据，可参照例2-1的方法进行设置。

⑦ 考察相变温度点　为考察反应器出口混合气体在冷凝冷却过程中的相变温度点，可以利用软件的“Sensitivity”分析功能进行进一步的详细模拟计算。在“Model Analysis Tools|Sensitivity”页面，建立一个灵敏度分析文件“S-1”，对闪蒸器的3股产品物流进行定义，对汽相物流的定义方式如图2-16所示。在“S-1”文件的“Input|Vary”页面，对自变量闪蒸温度进行定义，变化范围为150～30℃，步长-1℃，如图2-17所示。在“S-1”文件的“Input|Tabulate”页面，设置计算数据输出格式，如图2-18所示，其中“V/1546”是要求软件输出汽相分率的计算值，以便观察相变点。

⑧ 模拟计算　计算结果见图2-19。由图2-19（a）可知，当反应器出口混合气体在150～30℃的区间冷凝冷却时，汽相分率从1.0下降到0.234，最终汽相中的主要成分是氢气；不同温度下的汽相分率曲线在143℃和107℃出现转折点，且在转折点的下方汽相分率加速下降，说明在这两个转折点上出现了相变。由图2-19（b）可知，在143℃开始产生第一液相，在107℃开始产生第二液相，同时汽相流率曲线在这两个转折点上出现下降转折点。综合两图信息，可以判断143℃为体系一次露点，开始出现有机相冷凝，107℃为体系二次露点，出现水相冷凝，107℃也是体系泡点。

例2-4　液液相平衡（LLE）计算——Design Specifications功能调整溶剂用量。

以甲基异丁基酮（C6H12O，简记MIBK）为萃取溶剂，从含醋酸质量分数0.08的水溶液中萃取醋酸。萃取温度25℃，进料量13500kg/h。求：（1）若要求萃余液中醋酸质量分数为0.01，问单级萃取时溶剂量为多少；（2）萃取温度0～50℃时，醋酸在MIBK相和水相中的浓度是多少。

解　① 全局性参数设置　选择SI-CBAR计量单位集，对输出结果的数据格式选择质量分数，输入MIBK、醋酸、水。

② 选择性质方法　因为是LLE计算，选择UNIQUAC方程，确认UNIQUAC方程的二元交互作用参数。进料中有3个组分，应该有3对二元交互作用参数。可以看到软件显示的二元交互作用参数齐全。同一对组分的二元交互作用参数可能有不同的数据库来源，如来源于汽液平衡（VLE），或者来源于LLE。对于LLE计算，应该选择来源于LLE数据库的二元交互作用参数。在“Properties|Parameters|UNIQ-1|Input”页面，点击“Source”栏目，选择来源于LLE数据库的二元交互作用参数，见图2-20（a）。应用软件的相图绘制功能，绘制出MIBK-醋酸-水体系在常压、25℃下的LLE相图，见图2-20（b）。由图可见，萃取溶剂MIBK与醋酸互溶，与水微溶，因此可以从水相中萃取醋酸。

③ 画流程图　把模块库中的“Decanter”模块拖放到工艺流程图窗口，用物流线连接萃取器的进出口，如图2-21所示。双击进料物流号，把题目给定的进料物流信息填入对应栏目中。溶剂MIBK的用量暂时不知道，以估计的140000kg/h填入。

④ 设置模块信息　“Decanter”模块参数设置如图2-22所示。运行计算，在“Results Summary|Streams”页面，可看到萃取后的两平衡液相物流信息，如图2-23所示。可见萃余液中醋酸质量分数0.0117>0.01，说明萃取溶剂的流率还不足。

⑤ 调整萃取溶剂用量　在“Flowsheeting Options|Design Specs”子目录，点击“New”按钮，建立一个模拟对象文件“DS-1”。给因变量（萃余相醋酸质量分数）取名“XL2”，对“XL2”的定义见图2-24（a），对“XL2”设定收敛要求和容许误差，见图2-24（b），对萃取溶剂用量的设定见图2-24（c）。

⑥ 模拟计算　结果见图2-25，可见萃取溶剂用量为168540kg/h时，萃余相中醋酸质量分数为0.010，达到分离要求。

在“B1”模块的“Results|Summary”页面，可见为维持25℃的LLE温度，外部环境需要向分相器提供290kW的热量。第一液相（有机相）的质量分数为进入分相器总量的0.795。在“B1”模块的“Results|Balance”页面，可见进口的两液相质量流率之和等于出口的两原料流率之和，总物料达到平衡。在“B1”模块的“Results|Phase equilibrium”页面，可见两液相平衡组成和相平衡常数值。

⑦ 求取不同温度下的溶解度　进一步地，利用软件的“Sensitivity”分析功能，可以计算不同温度下醋酸在MIBK相和水相中的浓度。在“Model Analysis Tools|Sensitivity”子目录，建立一个模拟对象文件“S-1”。在“S-1”文件的“Define”页面，给萃取相的醋酸质量分数取名“XL1”，对“XL1”的定义见图2-26。类似地，定义萃余相的醋酸质量分数“XL2”。在“S-1”文件的“Vary”页面，对萃取温度及其变化范围进行定义，设定温度步长5℃，如图2-27所示。在“S-1”文件的“Tabulate”页面，给出计算数据的输出格式。

把“B1”模块中萃取溶剂物流“MIBK”的流量修改为准确值168540kg/h，隐藏反馈计算文件“DS-1”。运行灵敏度设置文件“S-1”，计算结果见图2-28。可见随着温度上升，水相中的醋酸浓度逐步降低，MIBK相中醋酸浓度逐步增加。在25℃，醋酸在水相中的质量分数是0.01。相平衡问题也可以用“RGibbs”模块模拟计算，模拟流程见图2-29，参数设置见图2-30，溶剂用量140000kg/h时的计算结果与用Decanter模块计算结果相同。

例2-5　固液溶解平衡计算——Sensitivity功能调整结晶温度。

质量分数为0.3的硫酸钠水溶液以5000kg/h的流率在50℃下进入冷却型结晶器，首先结晶出来的是十水硫酸钠（GLAUBER），假设常压操作，求开始结晶的温度。

解　① 选择数据包　在软件安装目录“GUI”文件夹的“Elecins”子文件夹中，选择电解质过程数据包“pitz_3”，把此文件拷贝到另一文件夹中打开使用，计算类型“Flowsheet”。因为数据包“pitz_3”中已包含题目中的所有分子组分与离子组分，已经选择了“PITZER”性质方法，因此“组分输入”与“物性选择”两项操作均可省略，直接进入流程图绘制步骤。另外，在数据包“pitz_3”中的分子组分与离子组分远大于本题所涉及的组分数，不必删除或修改，不影响后续计算。

② 画流程图　选择模块库中的“Crystallizer”模块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线连接结晶器的进出口，对模块、物流改名，见图2-31，把题目给定的进料物流信息填入对应栏目中。

③ 设置模块信息　在“Saturation calculation method”栏目下，有3种结晶饱和度的计算方法供选择：一是输入固液平衡数据（Solubility）；二是由电解质化学反应计算电解质盐的溶解度（Chemistry）；三是由用户子程序计算固液平衡（User subroutine）。本例选择“Chemistry”，结晶饱和度数据由软件自带的电解质化学反应平衡常数计算得到。在“Salt specifications|Salt component ID”栏目下，指定结晶物质名称为GLAUBER。在“Valid phases”栏目下，选择物流相态“Liquid-Only”。在“Operating mode”栏目下，选择操作模式“Crystallizing”，见图2-32。软件自带的GLAUBER电解质化学反应平衡常数可在“Reaction|Chemiastry|PITZ-3”文件夹中看到。至此，结晶器模拟计算需要的信息已经全部设置完毕。点击软件运行计算，结果报警，提示没有结晶生成，说明结晶温度设置50℃太高。

④ 寻找开始结晶温度点　在“Model Analysis|Tools|Sensitivity”页面，建立一个灵敏度分析文件“S-1”，定义因变量“W”代表GLAUBER晶体的质量流率，如图2-33所示。在“S-1”文件夹的“Input|Vary”页面，定义自变量为结晶温度，变化范围32～30℃，步长-0.05℃，如图2-34所示。在“S-1”文件夹的“Input|Tabulate”页面，设置灵敏度计算输出格式。

点击“Next”按钮，软件运行，部分温度点没有结晶生成而报警，如图2-35所示。由灵敏度计算结果可知，结晶开始温度点为31.3℃，产生十水硫酸钠结晶10.783kg/h，当温度升到31.35℃时结晶全部溶解。

图2-36是文献中硫酸钠水溶液结晶相图，可以看到，质量分数30%的硫酸钠水溶液起始结晶温度约在31℃，软件计算结果与文献数据吻合。在31.3℃结晶时，进出结晶器物流总质量流率平衡，GLAUBER晶体10.783kg/h，进料中的其余硫酸钠均以离子状态存在。在结晶器模块的“CRYSTALL|Results|Summary”页面，可见在31.3℃结晶时，需要移除结晶热量92.24kW。

例2-6　气固平衡计算——Design Specifications功能调整热空气用量。

用90℃热空气常压下干燥含水0.005（质量分数）的SiO2粉末1000kg/h，湿粉末温度20℃。要求粉末中水分含量降到0.001（质量分数），求热空气需要量。

解　这是气固两相平衡计算问题，可用Aspen Plus 中的固体模块求解，也可用气液模块求解。用气液模块求解时，软件把液体和固体合并为一相处理。下面用“Flash2”模块求解，选择含固体过程的公制计量单位模板“Solids with Metric Units”。

① 全局性参数设置　计算类型“Flowsheet”。因为本例物流中有固体颗粒，在“Setup|Stream class|Flowsheet”页面的“Stream class”栏目中，软件自动选择了物流类型为“MIXCISLD”，说明物流中有常规固体存在，但是没有粒子颗粒分布。在组分输入窗口添加空气、水、SiO2，在“Type”栏目中把SiO2属性改为“Solid”。因为是常压气固平衡计算，选择“IDEAL”性质方法。

② 设置物流的物性输出　在“Properties|Prob-Sets|ALL-SUBS|Properties”页面，为计算结果的物性选择合适的计量单位：混合物体积流率（VOLFLMX），混合物气相质量分率（MASSVFRA），混合物固相质量分率（MASSSFRA），混合物密度（RHOMX），混合物中组分质量流率（MASSFLOW），混合物温度（TEMP），混合物压力（PRES）。

③ 画流程图　选择模块库中的“Flash2”模块，拖放到工艺流程图窗口，用物流线连接干燥器模块的进出口，对模块、物流改名，如图2-37所示。

④ 设置流股信息　对热空气物流，只需要一个页面提供物流信息，因为用量暂时不知道，以估计的1.0kmol/h 填入，见图2-38。对湿粉末物流需要两个页面提供物流信息，图2-39为设置物流中水分的质量流率，图2-40为设置物流中固体颗粒的质量流率。

⑤ 设置模块信息　干燥器模块的参数填写见图2-41。至此，干燥器模拟计算需要的信息已经全部设置完毕。点击“Next”按钮，软件运行计算。

⑥ 查看初步计算结果　在干燥器模块的“Results Summary|Streams”页面，可看到干燥后的两平衡相物流信息，如图2-42所示。题目要求固相干燥后水分降到0.001，即干燥器出口固相中水分为0.995kg/h。而计算结果中固相中水分为4.54kg/h，高于干燥要求，说明热空气的流率还不足。

⑦ 调整热空气的用量　在“Flowsheeting Options|Design Specs”子目录，点击“New”按钮，建立一个模拟对象文件“DS-1”，干燥器出口固相中水分量定义为“W”，见图2-43；出口固相中颗粒分量定义为“SIO2”，见图2-44。

⑧ 设定收敛要求和容许误差以及热空气用量　对因变量设定收敛要求和容许误差，如图2-45所示；对热空气用量的设定，如图2-46所示。

⑨ 模拟运行与结果　在干燥器模块的“Streams Results”页面，可见当热空气用量准确值为203.531kg/h时，干燥器出口固相含量为0.999，达到分离要求，如图2-47所示，干燥器进、出口总质量流率达到平衡，各组分质量流率也达到平衡。

例2-7　固液机械分离——HYCYC模块应用。

用氢氧化钙与水混合制备碱性水用于酸性气体的吸收。已知氢氧化钙用量740kg/h，水用量5400kg/h，常压混合，温度20℃，石灰乳中固体颗粒的粒径分布见例2-7附表。若用旋液分离器除去固体颗粒，要求对固体颗粒的截留率达到0.99，求：（1）旋液分离器出口物流碱性水和含渣水的流率与组成；（2）旋液分离器的尺寸。

解　① 全局性参数设置　选择含固体过程的公制计量单位模板，计算类型“Flowsheet”，选择SI-CBAR计量单位集，把压力单位改为“atm”。因本例进料物流中含不同粒径分布的固体颗粒，需要在“Setup|Stream class|Flowsheet”页面的“Stream class”栏目中选择“MIXCIPSD”，说明物流中有常规固体粒子的颗粒分布存在。为输入进料物流中固体粒子颗粒分布数据，在“Setup|Substream|PSD|PSD”页面，输入粒径分布范围，如图2-48所示。

② 输入组分　在“Component ID”中输入水和氢氧化钙。点击“Elec Wizard”按钮，进行电解质组分的离子化设置，溶液的真实组分构成见图2-49；采用电解质性质方法ELECNRTL计算石灰乳溶液物性。

③ 画流程图　选择混合器模块和“HYCYC”旋液器模块拖放到工艺流程图窗口。用物流线连接混合器和旋液器的进出口，构成旋液分离流程，对模块、物流改名，如图2-50所示。

④ 设置流股信息　双击进料物流号，把题目给定的进料物流信息填入对应栏目中。对水的物流，只需要一个页面提供物流信息：20℃，1atm，5400kg/h。对氢氧化钙物流有两个输入页面，其中第一页面在子物流 “CIPSD”栏目中填写氢氧化钙的物流信息，第二页面提供氢氧化钙颗粒的粒径分布数据，如图2-51（a）及图2-51（b）所示。

⑤ 设置模块操作参数　混合器不必设置，直接跳过。在旋液器模块的“Input|　Specification”页面，计算模式“Calculation mode”栏目选择“Design”，表明是设计型计算。设计参数“Design parameters”栏目填写分离要求和对旋液器尺寸与运行压降的估计数据，见图2-52。至此，模拟计算需要的信息已经全部设置完毕，进行计算。计算结果见图2-53和图2-54。

图2-53给出了旋液器的操作数据与设备规格：操作压降3.8kPa，旋液器长度1.46m，直径0.29m，悬浮液进口管径0.042m，溢流口径0.058m，底流口径0.044m，悬浮液进口流速1.1m/s，旋液器中液体体积流率5.41m3/h。

图2-54给出了旋液分离后的清液物流和浊液物流的物料平衡数据，清液物流中的固体颗粒质量流率是4.54kg/h，浊液物流中的固体颗粒质量流率是735.46kg/h，进出物流中固体颗粒的质量达到平衡，可计算出旋液器颗粒分离效率为735.46/740×100%=99.4%，达到题目规定的分离要求。图2-54还给出了清液物流和浊液物流中颗粒分布数据，可见清液物流中的固体颗粒以100～120μm的细颗粒为主，达到80%，浊液物流中的固体颗粒以140～200μm的粗颗粒为主，100～120μm的细颗粒不到10%。