丙烯丙烷体系的相平衡精确预测以及相对挥发度研究
—COSMOTherm应用案例
COSMO–RS理论自1995年提出以来，已经被不断证明可以成功预测各类体系相平衡。随着该理论的不断发展和使用者的开拓，将该理论的预测结果应用到化工行业的生产中越来越受到关注。精馏、萃取、吸收这些最基本的传统分离工艺都建立在精确预测体系相平衡的基础上，COSMO–RS理论从相平衡的趋势定性预测发展至准确定量预测，无疑为指导这类传统工艺的设计奠定了坚实基础。
丙烯的生产依然是石油化工行业中的支柱产业。由于丙烯和丙烷的沸点十分接近，相对挥发度低，因此在工业生产中丙烯精馏塔的塔板数一般都超过 150 层塔板。所以对于丙烯丙烷体系的相平衡数据的预测精度将直接影响后续丙烯精馏塔的理论塔板数预测和全塔表观效率预测。当前在各类流程模拟软件模拟丙烯精馏塔时，选取的热力学方程主要为 SRK 和 PR 方程。然而经研究发现，无论是 SRK 和 PR 等传统经验方程，或近年来提出的 PC-SAFT 等新型方程都难以准确描述出丙烯–丙烷体系在低温和高丙烯浓度区存在的相对挥发度随温度升高而先变大后减小的奇异趋势，这也是能否准确描述该体系非理想性的一条重要评判标准。
中国石油大学刘艳升教授研究团队，基于COSMO-RS理论，通过COSMOtherm软件在该领域开展了一系列的工作。
OSMO-RS 理论自提出以来，已经被广泛的运用于各类相平衡预测中，取得了巨大成功。本研究将 COSMO-RS 理论与 PR 方程联用。最终，不仅在 230-350K 的全温度范围内都取得了高精度的预测结果，也准确描述出了该体系的相对挥发度变化奇异的现象。此外，通过进一步研究，论证了温度在 310K 左右是该体系非理想性的一个温度极值点，该体系在此温度时的非理想性最小。与目前发表过的关于该体系的相平衡关联的各类热力学方程相比，本研究方法都取得了更高精度的预测结果和更均匀的误差分布，为后续精确预测工业丙烯精馏塔理论塔板数和全塔表观效率奠定了基础。
表2 关于丙烯–丙烷体系的相对挥发度及全塔表观效率预测偏差（使用各类文献发表的方法与本研究方法）
a) Ho, Q. N.; Yoo, K. S.; Lee, B. G.; etc. Measurement of Vapor–Liquid Equilibria for the Binary Mixture of Propylene (R-1270)+ Propane (R-290). Fluid Phase Equilib. 2006, 245, 63−70.
b) Swift, G. W.; Manley, D. B. Relative Volatility of Propane-Propene System by Integration of General Coexistence Equation. J. Chem. Eng. Data. 1971, 16, 301−307.
c) Laurance, D. R.; Swift, G. W. Relative Volatility of Propane-Propene System from 100-160oF. J.Chem. Eng. Data. 1972, 17, 333−337.
d) Howat, III. C. S.; Swift, G. W. A New Correlation of Propene-Propane Vapor-Liquid Equilibrium Data and Application of the Correlation to Determine Optimum Fractionator Operating Pressure in the Manufacture of Polymerization-Grade Propene. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1980, 19, 318−323.
由上述图表可知，运用COSMO-RS理论所得结果非常具有说服力，在广温度区间范围内都取得了高精度的预测结果。尤其是该理论的运用成功预测到该体系在丙烯高浓度和低温时相对挥发度变化奇异的趋势，更是其他状态方程法所不能比肩。基于此准确关联结果，可以准确预测丙烯精馏塔的理论塔板数和全塔表观效率。可以进一步应用于指导新的工艺设计和已有装置的技术故障诊断。真正实现了理论来自于实际应用，而进一步指导实际工业生产的科学发展趋势。
Precise correlation of propylene-propane system and its analysis of relative volatility， Xinyun Pu, Rui Cao, Yansheng Liu* , Yaping Hao, Wei Jiang, Lehuan Wu, Zhenmin Bai，Fluid Phase Equilibria 473 (2018) 192-200，DOI: 10.1016/j.fluid.2018.06.016