CN110021372A - 一种用于预测多元体系汽液平衡的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于预测多元体系汽液平衡的系统，包括：拆分模块，用于以元素和化学键为基本单位，对所述多元体系中的各组分进行拆分，并得到所述各元素和化学键的体积参数、表面积参数和交互作用参数；计算模块，其输入连接所述拆分模块的输出，用于根据所述各元素和化学键的体积参数、面积参数和交互作用参数计算活度系数；预测模块，其输入连接所述计算模块的输出，用于根据所述活度系数预测得到汽液平衡数据。本发明系统以元素与化学键贡献为基本单位，对多元体系中的组分进行拆分，只需要化合物的分子结构，就可以得到的活度系数，使用简便，活度系数数据准确，预测得到的汽液平衡数据与实验值误差小，预测精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于预测多元体系汽液平衡的系统，特别涉及一种根据元素与化学键贡献预测多元体系汽液平衡的系统，属于化工领域。
背景技术
汽液相平衡数据是化工基础数据的重要组成部分，对化学工程计算、化工设计、化工生产领域、化学化工理论研究及实际应用都具有重要价值。
大多数单元操作设计、化工工艺优化、汽液理论研究等都与汽液相平衡密切相关，在生产过程愈来愈复杂、生产规模愈来愈大的今天，由于实验法工作量大、耗费大，不可能用该法得到所有需要的数据，因此，在总结归纳己有的平衡数据的基础上通过热力学模型的估算来获得汽液相平衡数据越来越得到人们的重视。目前从状态方程出发计算逸度和逸度系数、用活度和活度系数来解决实际溶液和理想溶液的偏差问题及状态方程与活度系数结合建立混合规则等三方面来预测汽液相平衡数据。在这么多的估算方法中，应用最广泛的是基于基团贡献的活度系数方法。基团贡献法(ASOG、UNIFAC等)把活度系数与基团组成的函数关系分别用Wilson和UNIQUAC的形式来表示，实现了仅需知道溶液中各组份的化学结构，无需收集齐全的二元汽液平衡数据，就可以预测汽液平衡。由于缺少基团间的交互参数，ASOG和UNIFAC预测范围相对较窄，并且预测强极性混合物时精度不高。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术问题，提供一种用于预测多元体系汽液平衡的系统，本发明系统以元素与化学键贡献为基本单位，对多元体系中的组分进行拆分，只需要化合物的分子结构，就可以得到的活度系数，无需其它计算资源就可以预测多元体系的汽液平衡，使用简便；并且本发明系统得到的活度系数数据更准确，预测得到的汽液平衡数据与实验值误差小，预测精度高。
根据本发明的一个方面，提供一种用于预测多元体系汽液平衡的系统，包括：
拆分模块，用于以元素和化学键为基本单位，对所述多元体系中的各组分进行拆分，并得到所述各元素和化学键的范德华体积、范德华表面积和交互作用参数；
计算模块，其输入连接所述拆分模块的输出，用于根据所述各元素和化学键的范德华体积、范德华表面积和交互作用参数计算活度系数；
预测模块，其输入连接所述计算模块的输出，用于根据所述活度系数预测得到汽液平衡数据。
根据本发明的一个优选实施例，所述活度系数γi经由以下公式得到：
lnγi＝lnγi(组合)+lnγi(剩余) (1)
其中，γi(组合)为组合项活度系数，γi(剩余)为剩余项活度系数。
根据本发明的一些实施方式，所述组合项活度系数γi(组合)经由以下公式得到：
式中：
i、j分别表示所述多元体系中的组分i、j；
m表示所述多元体系中元素和化学键的种数；
φi表示i组分体积分数，
θi表示i组分面积分数，
ri表示i组分体积参数，
qi表示i组分面积参数，
表示组分i分子中k元素或化学键的个数；
Rk表示k元素或化学键的范德华体积参数，Rk＝Vk/15.25；
Qk表示k元素或化学键的范德华表面积参数，Qk＝Ak/(2.6×109)；
Vk为k元素或化学键的范德华体积；
Ak为k元素或化学键的范德华表面积。
根据本发明的一个优选实施例，所述剩余项活度系数γi(剩余)经由以下公式得到：
式中：
Γk表示多元体系中k元素或化学键的剩余活度系数；
表示多元体系中k元素或化学键在仅含i组分分子的“参考”溶液中的剩余活度系数；
M表示溶液中所含元素和化学键的种数；
表示组分i分子中k元素或化学键的个数；
k元素或化学键的剩余活度系数Γk的表达式如下：
其中，
akl为基团k和l的基团相互作用参数(akl≠alk)，不受温度变化的影响；
Xl为液体溶液中元素或化学键l的分数，
xi表示溶液中i组分的摩尔分数；
表示i组分中元素和化学键l的个数；
元素和化学键k的活度系数Γk的表达式也适用于计算但是应注意组分数仅有一个。
根据本发明的一些实施方式，所述拆分模块的拆分原则包括：
以元素和化学键为基本单位，将元素分为C、H、O、F、Cl、Br、I、N、Si、S、P共11种元素；根据每一化学键两端所连接的原子不同分成不同的化学键，将苯环单列为一个特殊的化学键。
在一些具体的实施例中，所述化学键包括：
C-C键、C＝C键、C≡C键、C-O键、C＝O键、O-H键、C-H键、C-F键、C-Cl键、C-Br键、C-I键、C-S键、C-Si键、Si-Cl键、Si-H键、Si-O键、C＝S键、S-H键、S＝O键、C-N键、C＝N键、C＝N键、N-O键、N-H键、硝基(NO2)、环C-C键、环C＝C键、环C-O键、环C-S键、环C-N键、环C＝N键、C-P键、P＝O键、P-O键、P-Cl键、苯环和H2O。
根据本发明的一个优选实施例，对所述多元体系中的各组分进行拆分，并得到所述各组分的范德华体积、范德华表面积和交互作用参数包括：
根据拆分原则，对所述多元体系中的各组分进行拆分，得到各元素和化学键的数量；
查表得到每个元素和化学键的分子范德华体积、范德华表面积以及每个元素和化学键的交互作用参数。
本发明表4中给出了各元素和化学键的范德华体积、范德华表面积。
本发明表5中给出了各元素和化学键的交互作用参数。
根据本发明的一些实施方式，所述根据所述活度系数预测得到汽液平衡数据包括：
设定温度T和液相组成x，根据下式求得泡点压力P和汽相组成y：
其中，
pcal表示泡点压力；
xi表示体系中i组分的液相摩尔组成；
yi表示体系中i组分的气相摩尔组成；
γi表示体系中i组分的活度系数；
表示纯液体i在温度T下的饱和蒸汽压。
根据本发明的另一个方面，提供一种利用上述系统预测多元体系液相平衡的方法，包括：
利用拆分模块对所述多元体系中的各组分进行拆分，并得到所述各元素和化学键的范德华体积、范德华表面积和交互作用参数；
将所述各元素和化学键的范德华体积、范德华表面积和交互作用参数输入计算模块，得到活度系数；
将所述活度系数输入预测模块，得到汽液平衡数据。
根据本发明的另一个方面，提供一种上述系统预测多元体系汽液平衡方面的应用。
本发明系统以元素与化学键贡献为基本单位，对多元体系中的组分进行拆分，只需要化合物的分子结构，就可以得到的活度系数，无需其它计算资源就可以预测多元体系的汽液平衡，使用简便；并且本发明系统得到的活度系数数据更准确，预测得到的汽液平衡数据与实验值误差小，预测精度高。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
采用本发明系统预测甲苯和3-甲基-1-丁醇二元体系的汽液平衡数据：
甲苯分子式为C7H8，经拆分后该化合物含有的元素和化学键有：碳元素7个，氢元素8个，C-C单键1个，C-H单键8个，苯环1个；3-甲基-1-丁醇分子式为C5H12O，该化合物含有的元素和化学键有：碳元素5个，氢元素12个，氧元素1个，C-C单键4个，C-H单键11个，C-O单键1个，O-H单键1个；
根据表4得到各元素和化学键的范德华体积和范德华表面积，根据表5得到各元素和化学键的交互作用参数，将上述数据带入活度系数计算公式，得到体系活度系数，进而得到预测的汽液平衡数据，结果见表1。
对比例1
以文献(夏力，基于元素和化学键的汽-液相平衡预测新方法及其应用研究[D].青岛：青岛科技大学，2016)公开的方法计算甲苯和3-甲基-1-丁醇二元体系的汽液平衡数据，结果见表1。
表1甲苯+3-甲基-1-丁醇体系在368.15K下的汽液相平衡数据
表1中y1的实验值为文献(Gmehling J.，Onken U.，Arlt W.，Vapor-LiquidEquilibrium Data Collection，34parts DECHEMA Chemistry Data Series[M]，Vol I，starting Frankfurt 1977)中公开的气相中组分1的摩尔分数的实验值。
由表1的数据可以看出，根据本发明系统预测得到的甲苯和3-甲基-1-丁醇二元体系的汽液平衡数据与实验值非常接近，与对比例1的方法相比，误差更小，预测精度更高。这是由于本发明通过以下两种措施，增加了活度系数计算的准确性，使发明的系统预测得到的二元体系的汽液平衡数据与实验值更接近：(1)改进了元素或化学键的范德华体积参数和表面积参数计算公式，使组合项活度系数计算更准确；(2)改进了元素和化学键的交互作用参数，使剩余项活度系数计算更准确。
实施例2
采用本发明系统预测乙醇、苯和庚烷三元体系的汽液平衡数据：
乙醇分子式为C2H6O，该化合物含有的元素和化学键有：碳元素2个，氢元素6个，氧元素1个，C-C单键1个，C-O单键1个，O-H单键1个，C-H单键5个；苯分子式为C6H6，该化合物含有的元素和化学键有：碳元素6个，氢元素6个，C-H单键6个，苯环1个；庚烷分子式为C7H16，该化合物含有的元素和化学键有：碳元素7个，氢元素16个，C-C单键6个，C-H单键16个；根据表4得到各元素和化学键的范德华体积和范德华表面积，根据表5得到各元素和化学键的交互作用参数，将上述数据带入活度系数计算公式，得到体系活度系数，进而得到预测的汽液平衡数据，结果见表2。
对比例2
以文献(夏力，基于元素和化学键的汽-液相平衡预测新方法及其应用研究[D].青岛：青岛科技大学，2016)公开的方法计算乙醇、苯和庚烷三元体系的汽液平衡数据，结果见表2。
表2乙醇+苯+庚烷体系在101.33kPa下的汽液相平衡数据
表2中，y1和y2的实验值为文献(Gmehling J.，Onken U.，Arlt W.，Vapor-LiquidEquilibrium Data Collection，34parts DECHEMA Chemistry Data Series[M]，Vol I，starting Frankfurt 1977)中公开的气相中组分1的摩尔分数的实验值。
由表2的数据可以看出，根据本发明系统预测得到的乙醇、苯和庚烷三元体系的汽液平衡数据与实验值非常接近，与对比例2的方法相比，误差更小，预测精度更高。这是由于本发明通过改进了元素或化学键的范德华体积参数和表面积参数计算公式，以及改进了元素和化学键的交互作用参数，增加了活度系数计算的准确性，使发明的系统预测得到的三元体系的汽液平衡数据与实验值更接近。
实施例3
采用本发明系统预测环氧丙烷、甲苯和磷酸三丁酯三元体系的汽液平衡数据：
环氧丙烷分子式为C3H6O，该化合物含有的元素和化学键有：碳元素3个，氢元素6个，氧元素1个，C-H单键6个，C-C单键1个，环C-C键1个，环C-O键2个；甲苯分子式为C7H8，经拆分后该化合物含有的元素和化学键有：碳元素7个，氢元素8个，C-C单键1个，C-H单键8个，苯环1个；磷酸三丁酯分子式为C12H27O4P，该化合物含有的元素和化学键有：碳元素12个，氢元素27个，氧元素4个，磷元素1个，C-C单键9个，C-H单键27个，C-O单键3个，P-O单键3个，P＝O双键1个。
根据表4得到各元素和化学键的范德华体积和范德华表面积，根据表5得到各元素和化学键的交互作用参数，将上述数据带入活度系数计算公式，得到体系活度系数，进而得到预测的汽液平衡数据，结果见表3。
对比例3
以文献(夏力，基于元素和化学键的汽-液相平衡预测新方法及其应用研究[D].青岛：青岛科技大学，2016)公开的方法计算环氧丙烷、甲苯和磷酸三丁酯三元体系的汽液平衡数据，结果表明此方法不能计算此体系的汽液相平衡，结果见表3。
表3环氧丙烷、甲苯和磷酸三丁酯体系在101.33kPa下的汽液相平衡数据
表3中，y1和y2实验值为实验测定的气相中组分1和组分2的摩尔分数。“-”表示此方法不能计算此体系气相中组分1和组分2的摩尔分数。
由表3的数据可以看出，根据本发明系统预测得到的三元体系的汽液平衡数据与实验值非常接近。与对比例3的方法相比，本发明可以准确的计算含有P元素的化合物的汽液相平衡，而对比例3的方法不能。这是由于通过增加P元素和含P元素的化学键的交互作用参数，使本发明能够预测含有P元素的化合物的多元体系汽液平衡数据。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
表4元素和化学键的范德华体积(Vk)和范德华表面积(Ak)
Claims (10)
1.一种用于预测多元体系汽液平衡的系统，包括：
拆分模块，用于以元素和化学键为基本单位，对所述多元体系中的各组分进行拆分，并得到所述各元素和化学键的范德华体积、范德华表面积和交互作用参数；
计算模块，其输入连接所述拆分模块的输出，用于根据所述各元素和化学键的范德华体积、范德华表面积和交互作用参数计算活度系数；
预测模块，其输入连接所述计算模块的输出，用于根据所述活度系数预测得到汽液平衡数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述活度系数γi经由以下公式得到：
lnγi＝lnγi(组合)+lnγi(剩余) (1)
其中，γi(组合)为组合项活度系数，γi(剩余)为剩余项活度系数。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述组合项活度系数γi(组合)经由以下公式得到：
式中：
i、j分别表示所述多元体系中的组分i、j；
m表示所述多元体系中元素和化学键的种数；
φi表示i组分体积分数，
θi表示i组分面积分数，
ri表示i组分体积参数，
qi表示i组分面积参数，
表示组分i分子中k元素或化学键的个数；
Rk表示k元素或化学键的范德华体积参数，Rk＝Vk/15.25；
Qk表示k元素或化学键的范德华表面积参数，Qk＝Ak/(2.6×109)；
Vk为k元素或化学键的范德华体积；
Ak为k元素或化学键的范德华表面积。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述剩余项活度系数γi(剩余)经由以下公式得到：
式中：
Γk表示多元体系中k元素或化学键的剩余活度系数；
表示多元体系中k元素或化学键在仅含i组分分子的“参考”溶液中的剩余活度系数；
M表示溶液中所含元素和化学键的种数；
表示组分i分子中k元素或化学键的个数；
k元素或化学键的剩余活度系数Γk的表达式如下：
其中，
akl为基团k和l的基团相互作用参数(akl≠alk)，不受温度变化的影响；
Xl为液体溶液中元素或化学键l的分数，
xi表示溶液中i组分的摩尔分数；
表示i组分中元素和化学键l的个数。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述拆分模块的拆分原则包括：
以元素和化学键为基本单位，将元素分为C、H、O、F、Cl、Br、I、N、Si、S、P共11种元素；根据每一化学键两端所连接的原子不同分成不同的化学键，将苯环单列为一个特殊的化学键。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述化学键包括：C-C键、C＝C键、C≡C键、C-O键、C＝O键、O-H键、C-H键、C-F键、C-Cl键、C-Br键、C-I键、C-S键、C-Si键、Si-Cl键、Si-H键、Si-O键、C＝S键、S-H键、S＝O键、C-N键、C＝N键、C≡N键、N-O键、N-H键、硝基(NO2)、环C-C键、环C＝C键、环C-O键、环C-S键、环C-N键、环C＝N键、C-P键、P＝O键、P-O键、P-Cl键、苯环和H2O。
7.根据权利要求1或5所述的系统，其特征在于，对所述多元体系中的各组分进行拆分，并得到所述各元素和化学键的范德华体积、范德华面积和交互作用参数包括：
根据拆分原则，对所述多元体系中的各组分进行拆分，得到各元素和化学键的数量；
得到每个元素和化学键的范德华体积、范德华表面积以及每个元素和化学键的交互作用参数。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述根据所述活度系数预测得到汽液平衡数据包括：
设定温度T和液相组成x，根据下式求得泡点压力P和汽相组成y：
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的系统预测多元体系液相平衡的方法，包括：
利用拆分模块对所述多元体系中的各组分进行拆分，并得到所述各元素和化学键的范德华体积、范德华表面积和交互作用参数；
将所述各组分的范德华体积参数、范德华表面积参数和交互作用参数输入计算模块，得到活度系数；
将所述活度系数输入预测模块，得到汽液平衡数据。
10.根据权利要求1-8中任意一项所述的系统在预测多元体系汽液平衡方面的应用。
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