Aspen模拟第十三讲：电解质溶液的模拟

arben

1. 问题

85°C、1atm的酸水含0.20wt%的CO2、0.15wt%的H2S和0.1wt%的NH3，现采用1.1atm的干蒸汽将其中的酸性气体通过汽提塔分离出来，设酸水的质量流量为5000kg/h，蒸汽的流量为1500kg/h，汽体后清水（sweet water）中的C、N和S的含量忽略不计。

这里的CO2、H2S和NH3在水溶液中会发生电离，形成电解质溶液。常见的电解质溶液还有酸、碱和盐溶液。在电解质溶液中一般包含下列组分：

• 溶剂，如水、乙醇等极性物质；
• 可溶性气体，如水溶液中的CO2、N2、O2、Cl2和NH3等，在溶液中部分以分子的形式存在，溶解平衡用亨利定律来表达；
• 离子，如H3O+，OH-，Cl-，Na+,HCO3-,CO32-,Ca2+等；
• 凝聚态物质，如溶液中未完全电离的酸碱盐，NACl（S）、NaOH（s）、H2SO4(l）等。

在ASPEN中用电解质物性方法来描述电解质的热力学性质，如“ELECNRTL”等。

第一步是新建一个电解质溶液的模拟文件，选择电解质中的“Electrolytes with Metric Units”模板：

添加需要处理的组分H2O、CO2、H2S、NH3。因为是电解质系统，ASPEN已经将水添加到组分了。

在“Components” | “Specifications” | “Selection”窗口下，点击 “Elec Wizard” （电解质向导）按钮，打开电解质向导窗口。在这里可以选择离子组成的参考态：对称（symmetric ）和非对称（unsymmetric ）参考态。

• 对于非对称参考态，电离平衡常数是根据吉布斯自由能计算出来的，离子的活度系数采用无线稀释水溶液活度系数，所以必须指定水为其中的组分。
• 对于对称参考状态，需要输入或从数据中回归相应平衡常数，不计算平衡常数。离子的活度系数是纯熔盐状态下的活度系数。

当然，这里我们选择非对称参考态，unsymmetric。让强大的ASPEN去计算吧！

点击“NEXT”，选择哪些组分需要参与电离，当然这里我们的几个组分都会电离，所以全部选择过去： 我们也可以选择氢离子的形式是H+还是H3O+，也可以根据情况考虑体系中是否有盐的形成、水解反应和冰的形成。

点击“NEXT”，选择溶液中主要考虑的离子的种类和电离反应。当然离子的种类越多，体系越复杂，需要的交互参数越多，计算所需要的时间越长，越有可能出现不收敛的情况。如果在后面计算时发现系统难以收敛，可以根据实际去掉其中不太重要的离子。

上图中“Aqueous Species”中离子可根据情况删除，当然这不是任意删除的。需要根据实验的结果或者ASPEN的建议，删除哪些不太重要的离子和电离反应。

这里我们都不删除。

这里我们也可以将物性方法改为“ENRTL-RK”，当然也可以继续使用默认的"ELECNRTL"方法，前者在计算气相热力学性质时采用“RK”，后者采用理想气体状态方程。因为我们现在要处理的是常压情况，两种方程都可以使用。

继续“NEXT”，在第四个向导窗口中可以选择用报告是以真实成分呈现还是以表观成分呈现。比如NaCl，如果以真实成分报告的结果Na+和Cl-呈现，若选择表观成分，则是以NaCl的形式呈现，两种形式的计算结果相同。我们保持默认设置，“True component approach”。 点击“NEXT”，会弹出一个警告框，告诉你前面的设置已经导致参数的变化： 点击“YES”后，来到了电解质向导的最后一个对话框： 点击“Review Herny Components”可以查看我们设置的亨利组分，点击“Review Chemistry”可以查看设置好的电离反应，这里我们仍然可以根据需要进行编辑或删除操作。并且每个电离反应的平衡常数可以在“Equilibrium Constants”标签下查看。 可以看到在亨利组分表为空白，没有亨利组分，但是CO2，H2S和NH3都属于亨利组分，所以我们可以在“Henry Comp”下新建一个亨利组分，点击“Finish”后，按下图创建亨利组分。 所谓“亨利组分”，就是当操作温度超过组分的临界温度后，气体不能被液化，不存在“汽液”两相的蒸发平衡，体系中的平衡为“气液平衡”，也即是溶解平衡。

这里我们不考虑CO2、H2S、NH3液化的问题，其平衡问题属于溶解平衡，所以都是亨利组分。

点击 "完成 "，关闭电解质向导。在组分表中多出了很多离子组分。这些是我们认为在汽体过程会存在的重要组分，所以都需要保留。 现在你会发现左侧导航栏中充满了红色的愁云，这表明我们需要输入更多的参数，驱散这些红色，让ASPEN的天空重新变得清澈而湛蓝。 当然这里我们没有额外的数据能输入，全靠ASPEN的计算了，能算出来，感谢万能的ASPEN，算不出来，那就直接在导航栏中把讨厌的红色删除吧。

注意在交互参数“NRTL-1”窗口中勾选祝“Estimate using UNIFAC”

关于电解质系统的组分和物性数据，我们就设置完了，OK以后，进入模拟环境。 在工艺流程图中插入一个“Radfrac”严格计算模块，连上两个进料，一个酸水，一个蒸汽，当然酸水进入塔的上部，蒸汽从塔底部进入。然后再连两个出料流股，注意塔顶连接到汽相上，为酸气出口，塔底为回收后的“Sweet water”。 例行常规，输入酸水流股中的条件： 输入蒸汽条件，注意是饱和蒸汽，选择输入汽相分数为1： 输入“Radfrac”模块的汽提塔，塔板数暂时设为11，因为是部分冷凝，酸气以气相从顶部排出，冷凝器设为部分蒸汽。底部有外部蒸汽供入，再沸器设为“None”，质量回流比预设为10，后面根据分离效果进行调整。 蒸汽“STEAM”从塔底进入，设为11块板，On-stage，酸水从塔顶进入，设为1块板，above-stage： 塔顶压力设为1bar，总压降设为0.1bar： 在冷凝器“Condenser”中设置过冷温度为0°C，也即是说回流液为饱和液体，塔顶酸气为饱和气体。 重置后运行，在控制面板里我们没有看到错误和警告，然后从“流股摘要”中检查分离的效果： 大部分H2S, CO2和NH3被蒸汽带走了。

练习1，用石灰处理水中的硫酸。 新建一个以模拟文件，以“Electrolyte with metric”为模板： 输入组分硫酸和氢氧化钙： 采用“电解质向导”建立电解质平衡体系： 因为有盐生成，勾选上“Include salt formation”。 去除CA(OH）2（S）,根据实验结果，这种盐的含量可以忽略不计。相应包含该物质的平衡方程也会被去除。 默认。 Finish。

一路NEXT，去除所有的红色。进入模拟环境。

添加“Mixer”混合模块，并练好物料线。 设置酸水流股。 设置碱液流股。

运行。

查看结果：

痕量硫酸。done!

So easy!