Aspen Plusプロセスシミュレーションにおける物性手法と熱力学的モデルの適切な選定

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Aspen Plusのプロセスシミュレーションにおける物性評価手法と熱力学的モデルの適切な選択　Aspen Plusのプロセスシミュレーションでは複数の熱力学的モデルが用いられ、これらのモデルを適切に選択し正しく使用することが、計算結果の正確性や信頼性、そしてシミュレーションの成功に直結します。そこで、小7はAspenプロセスシミュレーション第2講において、Aspenにおける熱力学的モデルの選定方法とその根拠をまとめました。Aspen Plusのプロセスシミュレーションにおいて、ほぼすべての単位操作モデルでは熱力学的性質の計算が必要であり、これまでのところ、あらゆる物質系やあらゆるプロセスに適用可能な熱力学モデルは存在しない。プロセスシミュレーションには複数の熱力学モデルが必要であり、熱力学モデルの適切な選択と正しい使用が、計算結果の正確性や信頼性、そしてシミュレーションの成功を左右します。Aspenにおける物性評価手法と熱力学的モデル
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物性の選定方法は、物質系の特性や操作温度・圧力に基づいて経験的に決定される。
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プロピレン、ベンゼン、イソプロピルベンゼンの系を例にとると、この系は非極性系であるため、実際の物性を考慮してPENG-ROB、RK-SOAVE、PR-BM、RKS-BMといった物性評価手法を選択することができる。Aspen物性計算法の選択基準は成分の種類によって異なり、一般的な化学系で圧力が10バールを超える場合は、Wong-Sandler、MHV1、MHV2、またはMathias-Klotz-Prausnitzといった高度な混合則を備えた状態方程式が使用されます。 その他の選択肢には、SR-POLAR、PRWS、RKSWS、PRMVH2、RKSMVH2、SRK、PSRK、HYSGLYCOなどがあります。 一般的に、最良の結果を得るために多くの状態方程式では二成分間の相互作用パラメータが必要となる。二重相互作用パラメータがわからない場合は、予測機能を持つSR-POLARやPSRKといった状態方程式を使用してください。 冷媒に関しては、REFPROPを使うのが最適です。 圧力が10バール以下の場合は、NRTL、Wilson、UNIQUAC、またはUNIFACなどの活量係数法を用いる。しかし、いくつかの点を考慮する必要があります：カルボン酸が存在するかどうか； 電解質系； ヘンリー成分（非圧縮性成分）； HFは存在するか； 二液相は存在するか。 炭化水素系統には、原油評価または仮想成分が含まれる。真空環境では一般的にBK10（Braun K-10）またはMXBONNEL（Maxwell-Bonnell）が使用され、非真空環境では一般的にCHAO-SEA（Chao-Seader）またはGRAYSON（Grayson-Streed）が使用される。また、HYSYSのバージョンである状態方程式HYSSRKやHYSPRも利用可能である。系に水素が含まれる場合は、BK10（Braun K-10）や、SRK（Soave-Redlich-Kwong）、PENG-ROB（Peng-Robinson）といった状態方程式も使用できる。 原油評価や仮想成分は含まず、一般的にPENG-ROB（Peng-Robinson）、SRK（Soave-Redlich-Kwong）、またはLK-PLOCK（Lee-Kesler-Plocker）といった標準的な状態方程式が使用される。HYSYSバージョンの状態方程式であるHYSSRKとHYSPRも使用できます。特殊体系（水、アミン類、酸性水、カルボン酸、HF、電解質）アミン類には以下のものが使用できる：AMINES: Kent-Eisenbergモデル； ELENRTL：Redlich-Kwong状態方程式を用いた電解質NRTLモデル； ENRTL-RK：ELECNRTLの強化版。ELECNRTLと同様に、非対称標準状態を用いている。 カルボン酸（例えば酢酸）を含む混合物の気相での会合を扱う際には、一般的にNothnagelモデルまたはHayden-O’Connelモデルを持つ活量係数によってシミュレーションが行われ、例えばNRTL-HOCやWILS-NTHなどが用いられる。酢酸などの有機酸は気相で二量体を形成し、非理想的な相の状態を説明するには特定のモデルが必要である。電解質系統：ELENRTL：Redlich-Kwong状態方程式を備えた電解質NRTLモデル（水分や混合剤を含む場合に適用）。ENRTL-RK：ELECNRTLの強化版。ELECNRTLと同様に、非対称標準状態を用いている； ENRTL-SR：ENRTL-RKと同様で、対称的な標準状態を用いるだけである（水を含む系や含まない系の電解質に適用可能）； ピッツァー：ピッツァーは水分を含む電解質系に適用される。 また、システムに搭載されているElectrolyte Wizardを使って、必要な反応や反応物を作成することもできます。気相での会合を考慮するために、WILS-HFやENRTL-HF、あるいはHF状態方程式を用いた任意の活量係数法が使用できる。内蔵のWILS-HFやENRTL-HFの物性手法も使用できます。ただし、異なる活量係数式（例えばNRTL）を好む場合は、まずWILS-HF物性法を使用し、その後「性質\物性法\モデル一覧」からNRTLモデルを選択することもできます。 また、HFは気相でまず六量体を形成するため、この非理想的な相の状態を説明するには特定のモデルが必要であり、そのため使用できる状態方程式モデルはESHFである。 冷媒には、NISTで開発されたREFPROP物性法を使用できます。酸水システムにはAPISOUR：API酸水法を使用できます。水のみのシステム STEAM-TA: ASME 1967水蒸気表統計； STEAM-NBS：1984年NBS水蒸気表； STEAMNBS2：1984年のNBS水蒸気表で、STEAMNBSと同じですが、ルート探索法が異なります； IAPWS-95：1995年にIAPWSが通常の用途および科学的分野向けに提案した式； IAPWS-95：水と蒸気の現行で推奨されている標準物性。 冷媒系統には、NISTで開発されたREFPROP物性法を使用できる。“「具体的なプロセスタイプ」一般的な化学系では、NRTL、WILSON、UNIQUACおよびそれらの変形版といった、基本的な活量係数に基づく物性評価法で十分です。初期設計においては、元のUNIFACやDortmundによって改良されたUNIFAC（UNIF-DMD）のどちらも使用できる。圧力が10バールを超える場合は、Wong-Sandler、MHV1、MHV2、またはMathias-Klotz-Prausnitzといった高度な混合則を持つ状態方程式を使用する。その他の選択肢には、SR-POLAR、PRWS、RKSWS、PRMVH2、RKSMVH2、SRK、PSRK、HYSGLYCOなどがあります。電解質系統には、以下のモデルが用いられる：ELENRTL：Redlich-Kwong状態方程式を備えた電解質NRTLモデル（水または混合剤を含む場合に適用）（1）ENRTL-RK：ELECNRTLの強化版で、ELECNRTLと同様に非対称標準状態を用いている；（2）ENRTL-SR：ENRTL-RKと同様だが、対称的な標準状態を用いる（水を含むまたは含まない電解質系に適用可能）；（3）PITZER：Pitzerは水分を含む電解質系に適用される。また、システムに搭載されているElectrolyte Wizardを使って、必要な反応や反応物を作成することもできます。環境関連の一般的な場合は、NRTL、WILSON、UNIQUACおよびそれらの変形型といった、基本的な活量係数物性法で十分です。初期設計においては、ドルトムントが改良したUNIFAC（UNIF-DMD）を利用できる。この種の応用において最も重要なのは、微量成分の状態を正確に表現できることです。したがって、選択した物性評価法が、対象とする微量成分の無限希釈時の活量係数を正確に記述できるように、適切な二成分間相互作用パラメータを確認し、修正しておくことを忘れないでください。天然ガスプロセスでは、一般的にPENG-ROBやSRKのような立方体形の基礎物性式で十分であり、HYSYSのバージョンであるHYSSRKやHYSPRといった状態式も使用できる。天然ガスの貯蔵移交接算にはGERG2008を使用する。鉱物および冶金においては、熱冶金学でSOLIDSまたはFACT物性法が選択される。FACT手法には外部のChemSageデータファイルとChemApp証明書が必要で、Aspen/FACT/ChemAppインターフェースで設定できます。湿式冶金用のELECNRTLまたはENRTL-RK物性法で十分です。石油やガスには、一般的にPENG-ROB、RK-SOAVE、SRK、PR-BM、RKS-BM、HYSPR、HYSSRK、PC-SAFTといった、立方体則に基づく物性式で十分対応できる。石油化学では、プロセスの内容に応じて幅広く物性式を選択することができる。状態方程式と活量係数のどちらも使用できるかもしれない。集合では、PC-SAFTのような集合的物性法が用いられる。PC-SAFTは共重合に適しており、このモデルは結合を制御する；POLYNRTL：ヘンリーの法則を含むPolymer-NRTL/Redlich-Kwong状態方程式；POLYFH：ヘンリーの法則を含むFlory-Huggins/Redlich-Kwong状態方程式；POLYSL：サンチェス＝ラコンブ；POLYSRK：予測聚合を行うRedlich-Kwong-Soave状態方程式；POLYUF：ヘンリーの法則に適合するUNIFAC/Redlich-Kwong状態方程式；POLYUFV：ヘンリーの法則に適合するUNIFAC自由体積/Redlich-Kwong状態方程式；POLYPCSF：摂動鎖統計凝集流体理論（PC-SAFT）；EPNRTL：Redlich-Kwong状態方程式に従うElectrolyte-Polymer NRTLモデル。水溶液や混合溶液に適用され、重合も含まれる。これらの手法は、Polymers PlusおよびAspen Propertiesが存在する場合に適用できる。動力は燃焼データベースと共にPR-BMまたはRKS-BMを使用できる。蒸気サイクルには、蒸気表法（STEAM-TA、STEAMNBS、またはIAPWS-95）が用いられる。IAPWS-95：水と蒸気の現行で推奨されている標準物性。BK10、Chao-Seader、Grayson-Streedといった一般的な物性評価法は、このタイプの場合に適している。Peng-RobinsonやSRKのような立方型の基礎物性方程式も、シミュレーションに利用することができる。製薬における一般的な物性評価法であるNRTL、UNIFAC、NRTL-SAC、COSMOSAC、またはHANSENなどが、このタイプの場合に適している。