3.1　混合器

3.1.1　混合器模型自由度分析

混合器把兩股或多股進料物流（或熱流或功流）混合成一個出口物流，混合器可用于模擬混合三通或其他類型的物流混合操作模型。如圖3-1所示，物流1和物流2混合成一股物流3。設確定每一股物流的獨立參數為流股的流量、溫度、壓力和組成，即（；，為組分數）共個獨立變量，則混合器模型中流股變量數為。由此模型變量總數為。

對該簡單混合器作自由度分析，可以列出如下獨立方程：

獨立方程　　數目

壓力平衡：

　　1

物料平衡：

　　1

　　c–1

能量平衡：

　　1

合計：　　c+2

式中，為流股的比摩爾焓；為流股的摩爾流量；為流股中組分的摩爾分數；為壓力。

所以混合器模型的自由度。

模擬計算中，只需要規定進料物流1和物流2的必要信息，模型方程組即有唯一解。

為了建立單元模型方程時不遺漏方程，現對模型方程及變量進行分類。

模型變量分為如下五類：輸入物流變量、輸出物流變量、設備參數（單元模塊參數如換熱器的熱負荷、泵和壓縮機的功率等）、其他計算結果變量和寄存變量（如精餾塔計算中塔內各級的溫度、物料組成和氣-液平衡常數等），寄存變量用于迭代計算，并不是用戶直接需要的計算結果。

注意流股的焓不作為模型變量，因為，及當流股的溫度、壓力和組成給定時，該流股的焓即確定，所以流股的溫度、壓力和組成選作獨立變量后，焓就不選作模型變量進行自由度的計算，而是作為已知參數。類似的還有組分的平衡常數也不選作模型變量。

過程模型方程分為五類：物料平衡式、能量平衡式、相平衡式、與設備結構相關的關系式和其他內在約束關系式。

3.1.2　混合器模擬

以上是對混合器的自由度分析，下面采用一個實例來對混合過程進行模擬計算，從模擬過程必要的輸入條件可進一步明確自由度的含義。

【例3-1】 假設物流1是流量為50kmol/hr，溫度為25℃，壓力為1atm的甲醇，物流2是流量為50kmol/hr，溫度為25℃，壓力為1atm的水，計算混合后甲醇和水的混合物出口物流3的流量、組成、溫度、壓力和焓值等信息。

解：采用Aspen Plus 11.1進行該過程的模擬時，不但可以得到出口物流流量，還能得到關于進料和出料的各種詳細模擬計算信息。模擬計算步驟可以概括為繪制流程圖、規定設置、定義組分、選擇物性方法、輸入物流信息、輸入模塊參數等必要步驟后，即可開始運算和查看模擬結果，下面具體說明操作過程。

雙擊快捷方式圖標打開Aspen Plus 11.1軟件，彈出如圖3-2菜單。

選擇Template（模板）后，點擊OK按鈕，進入如圖3-3菜單。

在窗口左邊選擇General with English Units模板，右下角Run Type（運行類型）中選擇Flowsheet（流程）（這也是默認的運行類型），然后點確定，在彈出的窗口中點擊OK后即進入如圖3-4繪制流程主界面。

點擊圖3-4所示窗口左上角File 按鈕彈出菜單中的Save As命令，出現如下菜單。

將自動命名的文件名Simulation 1改為Example3-1，保存類型建議選bkp，如圖3-5所示，這樣更高版本的軟件也可以打開運行該模擬。

點擊保存后即回到流程繪制主界面，但文件名已經變為保存的文件名，如圖3-6所示。

在圖3-6所示的界面中點擊左下角的Mixer圖標，光標由箭頭變為十字，移動鼠標到窗口空白中適當的位置，再次點擊鼠標，混合器模塊圖標即出現在點擊處，默認名稱為B1，如果流程還有其他模塊，可以用同樣的方法從如圖3-6所示界面下方的模塊中選擇需要的模塊放置在界面空白處適當位置，流程里所有的模塊選定后就可以用物流把它們連接起來。本例流程只有一個混合器，所以下面就可以直接連接物流了。

點擊左下角的Material STREAMS對應的方框箭頭圖標，窗口中的模塊上就會出現紅色和藍色的箭頭，紅色箭頭表示必須連接的物流，藍色是可選的，根據需要選用。移動十字光標對準表示進料的紅色箭頭點擊一次，向左上方拉動適當距離后再點擊一次，這樣在兩次點擊的位置之間就繪制出一股物流，物流自動編號為1；移動十字光標對準表示進料的箭頭點擊一次，向右下方拉動適當距離后再點擊一次，這樣在兩次點擊的位置之間就繪制出一股物流，物流自動編號為2；移動十字光標對準表示出料的紅色箭頭點擊一次，向右方拉動適當距離后再點擊一次，這樣在兩次點擊的位置之間就繪制出一股物流，物流自動編號為3。

點擊右鍵，使光標從十字變為箭頭，移動箭頭對準物流1右端的箭頭，按下左鍵向上移動到適當位置再松開左鍵，移動箭頭對準物流2右端的箭頭，按下左鍵向下移動到適當位置再松開左鍵，這樣兩股進料呈現分開的狀態。

左鍵點擊物流1使物流1呈激活狀態，點擊右鍵，在出現的菜單中選擇Align Blocks，使物流1成為直線；用同樣的方法可以把物流2變成直線。左鍵點擊物流1使物流1呈激活狀態，點擊右鍵，在出現的菜單中選擇Rename Stream，在彈出的小窗口中將物流1的名稱改為METHANOL。用同樣的方法將物流2和物流3分別改為WATER和MIXTURE，左鍵點擊模塊名稱B1，再點擊右鍵，在下拉菜單中點擊Rename Blocks，將B1改名為MIXER1，以上操作過程如圖3-7前6幅圖所示，最終得到圖3-8所示的混合器流程圖。

有時候如果發現物流沒有與模塊連接上或雖然連接上，但連接位置錯誤，需要更改，這些情況下，可以點擊需要重新連接的物流，使之處于激活狀態，然后點擊右鍵，用下拉菜單中的Reconnect Destination（重新連接目的地）和 Reconnect Source（重新連接來源）命令重新連接到合適的位置。如圖3-7中的第7幅圖所示，物流2、4沒有與模塊連接上，現在想要把物流2作為閃蒸器的另一股進料，把物流3斷開，連接在閃蒸器下方，把物流4連接在閃蒸器上方。操作過程如下：點擊物流2，使之呈激活狀態，再點擊右鍵，點擊彈出菜單中的Reconnect Destination，光標變成黑色箭頭，移動光標對準閃蒸器左側中間的進料位置，點擊左鍵，物流2就可以連接到閃蒸器模塊上；點擊物流3使之激活，點右鍵，在彈出的菜單中點擊Reconnect Source，移動光標箭頭對準閃蒸器下部出現的紅色箭頭，再點擊左鍵，重新連接好物流3；點擊物流4使之激活，點右鍵，在彈出的菜單中點擊Reconnect Source，移動光標箭頭對準閃蒸器上部出現的紅色箭頭，再點擊左鍵，重新連接好物流4。連接好以后，物流線之間存在交叉，顯得比較混亂，可以激活物流線，按住左鍵拉動物流到合適的位置，再利用Align Blocks命令使得物流線與模塊對齊。以上操作完成后如圖3-7中第8幅圖所示。

流程畫好以后，點擊如圖3-8所示的菜單頂部Data按鈕，出現一個下拉菜單，該菜單上依次有Setup（設置）、Components（組分）、Properties（物性）、Streams（物流）、Blocks（模塊）等子菜單。點擊Setup，進入圖3-9所示的設置規定-數據瀏覽界面。Setup子菜單的第一項Specifications（加粗表示當前窗口）表示為當前需要輸入的項目，其對應的各項輸入為右欄中的Global（全局）、Description（描述）、Accounting（賬號）和Diagnostics（診斷），在Global下的Title（標題）中填寫Mixer Simulation（混合器模擬），如圖3-10所示，然后點擊Accounting，在下面對應的表格中的User name 中填寫WANGJUN，Account number后填寫001，如圖3-11所示。

以上操作完成了Setup子菜單里第一項Specifications的規定，接下來點擊Setup子菜單里最后一項Report Options（報告選項），右欄出現該報告選項窗口，如圖3-12所示。點擊右欄頂部的Stream，彈出如圖3-13所示的菜單。其中默認情況是報告物流的摩爾流量信息，可以用左鍵點擊其他空白的方框，加入摩爾分數、質量流量和質量分數等。

至此，Setup（設置）項已經填好，接下來可以按照紅色按鈕的提示，依次進行定義組分、選擇物性方程、輸入物流信息和模塊參數等步驟，點擊各個帶有紅色提示的子菜單前面的十字方框，即可以打開該子菜單進行輸入；也可以點擊右上端的N→按鈕提示下一步輸入項目。

打開Components（組分），在其下面出現Specifications（規定），單擊Specifications，得到圖3-14所示的界面，在Define components（定義組分）表格的Component name（組分名稱）中輸入WATER，然后點擊該行左端的黑色小三角形，即在Type（類型）欄目中自動出現conventional（常規），在Formula（分子式）欄目自動出現水的分子式。你需要在Component ID（組分標識）欄目給該組分一個標識，注意每個組分的ID不可相同，這里不妨直接用組分名稱作為組分標識。

在Define components表格第二行Formula欄目輸入甲醇的分子式CH₄O，然后點擊該行左端的黑色小三角形，則該行自動出現甲醇組分名稱和類型，再用甲醇名稱作為該組分標識。完成后如圖3-14所示。

打開Properties（物性），下面出現對應于Properties的Specifications（規定），點擊Specifications，出現如圖3-15所示的選擇物性界面。在右欄右上端的Property method（物性方法）選擇框里有個黑色小三角形按鈕，點擊此按鈕，出現的下拉菜單中列出了各種備選的方程，拉動下拉菜單的滾動條，選中想要的物性方法。當前選用NRTL。圖3-16顯示了選擇后的結果，點擊該窗口左欄紅色按鈕Parameters（參數）前的方框，下面展開子菜單中出現紅色提示的Binary Interaction（二元相互作用），點擊其中的NRTL-1（有紅色提示），右欄出現組分水和甲醇的NRTL二元作用參數。至此，物性方程選擇完成，該項所有紅色標志轉變為藍色勾號，如圖3-17所示。

至此，數據瀏覽窗口的左欄的下一個紅色標記項為Streams（物流），打開Streams，下面出現METHANOL和 WATER兩個紅色提示項，打開METHANOL，下面出現紅色標記的Input（輸入），點擊Input，右欄出現進料METHANOL的輸入窗口，輸入窗口左上面是State varibles（狀態變量），包括Temperature（溫度）和Pressure（壓力），左下面是Total flow（總流量）。依次輸入甲醇進料溫度數值25并選擇單位℃，輸入甲醇進料壓力數值1，單位選擇atm。輸入甲醇進料總流量數值50，選擇單位kmol/hr。輸入窗口右面是Composition（組成），在下面的窗口中選擇輸入組成的方式（流量或組成分率）和對應單位，分別選擇Mole-Flow 和kmol/hr，再依次輸入組分WATER的流量值0，METHANOL的流量值50。輸入完畢，結果如圖3-18所示。用同樣的方法完成對第二股進料WATER的輸入，結果如圖3-19所示。

接下來應該進行Blocks（模塊）項的參數輸入，但由于混合器是個非常簡單的模型，沒有模型參數需要輸入，所以并不顯示紅色輸入提示。至此，所有輸入完畢，可以開始模擬運行了。

按功能鍵F7，進入Control Panel（控制面板）界面，再按F5啟動模擬運算，運算結束后，控制面板界面上顯示信息如圖3-20所示，其中三個單箭頭依次提示模擬運算進行的過程是：1處理輸入規定……流程分析：流程計算順序為MIXER1（如果有多個模塊，這里將按照計算順序排列各個模塊并給出各層循環計算信息）；2計算開始……計算模塊是：MIXER1，采用模型是MIXER；3模擬計算完成。

如果輸入有矛盾之處或計算過程有錯誤，控制面板還會提示，給出警告或錯誤信息，你可以仔細閱讀這些信息改正輸入錯誤后重新模擬。運算結束后就可以查看運算結果了。輸入信息、模塊信息和輸出信息都可以查看。

模擬運算結束后，再按一次F7回到數據瀏覽界面，點擊頂部中間方框右端的黑色三角形按鈕，在彈出的子菜單中選擇Results（結果），數據瀏覽界面變為結果查看狀態，如圖3-21所示，打開該窗口左下角的Results Summary子菜單，點擊下面的Streams，出現如圖3-22所示界面，其中包含了所有物流的輸入和計算結果，詳細結果如圖3-23所示。