3.1　混合器

3.1.1　混合器模型自由度分析

混合器把两股或多股进料物流（或热流或功流）混合成一个出口物流，混合器可用于模拟混合三通或其他类型的物流混合操作模型。如图3-1所示，物流1和物流2混合成一股物流3。设确定每一股物流的独立参数为流股的流量、温度、压力和组成，即（；，为组分数）共个独立变量，则混合器模型中流股变量数为。由此模型变量总数为。

对该简单混合器作自由度分析，可以列出如下独立方程：

独立方程　　数目

压力平衡：

　　1

物料平衡：

　　1

　　c–1

能量平衡：

　　1

合计：　　c+2

式中，为流股的比摩尔焓；为流股的摩尔流量；为流股中组分的摩尔分数；为压力。

所以混合器模型的自由度。

模拟计算中，只需要规定进料物流1和物流2的必要信息，模型方程组即有唯一解。

为了建立单元模型方程时不遗漏方程，现对模型方程及变量进行分类。

模型变量分为如下五类：输入物流变量、输出物流变量、设备参数（单元模块参数如换热器的热负荷、泵和压缩机的功率等）、其他计算结果变量和寄存变量（如精馏塔计算中塔内各级的温度、物料组成和气-液平衡常数等），寄存变量用于迭代计算，并不是用户直接需要的计算结果。

注意流股的焓不作为模型变量，因为，及当流股的温度、压力和组成给定时，该流股的焓即确定，所以流股的温度、压力和组成选作独立变量后，焓就不选作模型变量进行自由度的计算，而是作为已知参数。类似的还有组分的平衡常数也不选作模型变量。

过程模型方程分为五类：物料平衡式、能量平衡式、相平衡式、与设备结构相关的关系式和其他内在约束关系式。

3.1.2　混合器模拟

以上是对混合器的自由度分析，下面采用一个实例来对混合过程进行模拟计算，从模拟过程必要的输入条件可进一步明确自由度的含义。

【例3-1】 假设物流1是流量为50kmol/hr，温度为25℃，压力为1atm的甲醇，物流2是流量为50kmol/hr，温度为25℃，压力为1atm的水，计算混合后甲醇和水的混合物出口物流3的流量、组成、温度、压力和焓值等信息。

解：采用Aspen Plus 11.1进行该过程的模拟时，不但可以得到出口物流流量，还能得到关于进料和出料的各种详细模拟计算信息。模拟计算步骤可以概括为绘制流程图、规定设置、定义组分、选择物性方法、输入物流信息、输入模块参数等必要步骤后，即可开始运算和查看模拟结果，下面具体说明操作过程。

双击快捷方式图标打开Aspen Plus 11.1软件，弹出如图3-2菜单。

选择Template（模板）后，点击OK按钮，进入如图3-3菜单。

在窗口左边选择General with English Units模板，右下角Run Type（运行类型）中选择Flowsheet（流程）（这也是默认的运行类型），然后点确定，在弹出的窗口中点击OK后即进入如图3-4绘制流程主界面。

点击图3-4所示窗口左上角File 按钮弹出菜单中的Save As命令，出现如下菜单。

将自动命名的文件名Simulation 1改为Example3-1，保存类型建议选bkp，如图3-5所示，这样更高版本的软件也可以打开运行该模拟。

点击保存后即回到流程绘制主界面，但文件名已经变为保存的文件名，如图3-6所示。

在图3-6所示的界面中点击左下角的Mixer图标，光标由箭头变为十字，移动鼠标到窗口空白中适当的位置，再次点击鼠标，混合器模块图标即出现在点击处，默认名称为B1，如果流程还有其他模块，可以用同样的方法从如图3-6所示界面下方的模块中选择需要的模块放置在界面空白处适当位置，流程里所有的模块选定后就可以用物流把它们连接起来。本例流程只有一个混合器，所以下面就可以直接连接物流了。

点击左下角的Material STREAMS对应的方框箭头图标，窗口中的模块上就会出现红色和蓝色的箭头，红色箭头表示必须连接的物流，蓝色是可选的，根据需要选用。移动十字光标对准表示进料的红色箭头点击一次，向左上方拉动适当距离后再点击一次，这样在两次点击的位置之间就绘制出一股物流，物流自动编号为1；移动十字光标对准表示进料的箭头点击一次，向右下方拉动适当距离后再点击一次，这样在两次点击的位置之间就绘制出一股物流，物流自动编号为2；移动十字光标对准表示出料的红色箭头点击一次，向右方拉动适当距离后再点击一次，这样在两次点击的位置之间就绘制出一股物流，物流自动编号为3。

点击右键，使光标从十字变为箭头，移动箭头对准物流1右端的箭头，按下左键向上移动到适当位置再松开左键，移动箭头对准物流2右端的箭头，按下左键向下移动到适当位置再松开左键，这样两股进料呈现分开的状态。

左键点击物流1使物流1呈激活状态，点击右键，在出现的菜单中选择Align Blocks，使物流1成为直线；用同样的方法可以把物流2变成直线。左键点击物流1使物流1呈激活状态，点击右键，在出现的菜单中选择Rename Stream，在弹出的小窗口中将物流1的名称改为METHANOL。用同样的方法将物流2和物流3分别改为WATER和MIXTURE，左键点击模块名称B1，再点击右键，在下拉菜单中点击Rename Blocks，将B1改名为MIXER1，以上操作过程如图3-7前6幅图所示，最终得到图3-8所示的混合器流程图。

有时候如果发现物流没有与模块连接上或虽然连接上，但连接位置错误，需要更改，这些情况下，可以点击需要重新连接的物流，使之处于激活状态，然后点击右键，用下拉菜单中的Reconnect Destination（重新连接目的地）和 Reconnect Source（重新连接来源）命令重新连接到合适的位置。如图3-7中的第7幅图所示，物流2、4没有与模块连接上，现在想要把物流2作为闪蒸器的另一股进料，把物流3断开，连接在闪蒸器下方，把物流4连接在闪蒸器上方。操作过程如下：点击物流2，使之呈激活状态，再点击右键，点击弹出菜单中的Reconnect Destination，光标变成黑色箭头，移动光标对准闪蒸器左侧中间的进料位置，点击左键，物流2就可以连接到闪蒸器模块上；点击物流3使之激活，点右键，在弹出的菜单中点击Reconnect Source，移动光标箭头对准闪蒸器下部出现的红色箭头，再点击左键，重新连接好物流3；点击物流4使之激活，点右键，在弹出的菜单中点击Reconnect Source，移动光标箭头对准闪蒸器上部出现的红色箭头，再点击左键，重新连接好物流4。连接好以后，物流线之间存在交叉，显得比较混乱，可以激活物流线，按住左键拉动物流到合适的位置，再利用Align Blocks命令使得物流线与模块对齐。以上操作完成后如图3-7中第8幅图所示。

流程画好以后，点击如图3-8所示的菜单顶部Data按钮，出现一个下拉菜单，该菜单上依次有Setup（设置）、Components（组分）、Properties（物性）、Streams（物流）、Blocks（模块）等子菜单。点击Setup，进入图3-9所示的设置规定-数据浏览界面。Setup子菜单的第一项Specifications（加粗表示当前窗口）表示为当前需要输入的项目，其对应的各项输入为右栏中的Global（全局）、Description（描述）、Accounting（账号）和Diagnostics（诊断），在Global下的Title（标题）中填写Mixer Simulation（混合器模拟），如图3-10所示，然后点击Accounting，在下面对应的表格中的User name 中填写WANGJUN，Account number后填写001，如图3-11所示。

以上操作完成了Setup子菜单里第一项Specifications的规定，接下来点击Setup子菜单里最后一项Report Options（报告选项），右栏出现该报告选项窗口，如图3-12所示。点击右栏顶部的Stream，弹出如图3-13所示的菜单。其中默认情况是报告物流的摩尔流量信息，可以用左键点击其他空白的方框，加入摩尔分数、质量流量和质量分数等。

至此，Setup（设置）项已经填好，接下来可以按照红色按钮的提示，依次进行定义组分、选择物性方程、输入物流信息和模块参数等步骤，点击各个带有红色提示的子菜单前面的十字方框，即可以打开该子菜单进行输入；也可以点击右上端的N→按钮提示下一步输入项目。

打开Components（组分），在其下面出现Specifications（规定），单击Specifications，得到图3-14所示的界面，在Define components（定义组分）表格的Component name（组分名称）中输入WATER，然后点击该行左端的黑色小三角形，即在Type（类型）栏目中自动出现conventional（常规），在Formula（分子式）栏目自动出现水的分子式。你需要在Component ID（组分标识）栏目给该组分一个标识，注意每个组分的ID不可相同，这里不妨直接用组分名称作为组分标识。

在Define components表格第二行Formula栏目输入甲醇的分子式CH₄O，然后点击该行左端的黑色小三角形，则该行自动出现甲醇组分名称和类型，再用甲醇名称作为该组分标识。完成后如图3-14所示。

打开Properties（物性），下面出现对应于Properties的Specifications（规定），点击Specifications，出现如图3-15所示的选择物性界面。在右栏右上端的Property method（物性方法）选择框里有个黑色小三角形按钮，点击此按钮，出现的下拉菜单中列出了各种备选的方程，拉动下拉菜单的滚动条，选中想要的物性方法。当前选用NRTL。图3-16显示了选择后的结果，点击该窗口左栏红色按钮Parameters（参数）前的方框，下面展开子菜单中出现红色提示的Binary Interaction（二元相互作用），点击其中的NRTL-1（有红色提示），右栏出现组分水和甲醇的NRTL二元作用参数。至此，物性方程选择完成，该项所有红色标志转变为蓝色勾号，如图3-17所示。

至此，数据浏览窗口的左栏的下一个红色标记项为Streams（物流），打开Streams，下面出现METHANOL和 WATER两个红色提示项，打开METHANOL，下面出现红色标记的Input（输入），点击Input，右栏出现进料METHANOL的输入窗口，输入窗口左上面是State varibles（状态变量），包括Temperature（温度）和Pressure（压力），左下面是Total flow（总流量）。依次输入甲醇进料温度数值25并选择单位℃，输入甲醇进料压力数值1，单位选择atm。输入甲醇进料总流量数值50，选择单位kmol/hr。输入窗口右面是Composition（组成），在下面的窗口中选择输入组成的方式（流量或组成分率）和对应单位，分别选择Mole-Flow 和kmol/hr，再依次输入组分WATER的流量值0，METHANOL的流量值50。输入完毕，结果如图3-18所示。用同样的方法完成对第二股进料WATER的输入，结果如图3-19所示。

接下来应该进行Blocks（模块）项的参数输入，但由于混合器是个非常简单的模型，没有模型参数需要输入，所以并不显示红色输入提示。至此，所有输入完毕，可以开始模拟运行了。

按功能键F7，进入Control Panel（控制面板）界面，再按F5启动模拟运算，运算结束后，控制面板界面上显示信息如图3-20所示，其中三个单箭头依次提示模拟运算进行的过程是：1处理输入规定……流程分析：流程计算顺序为MIXER1（如果有多个模块，这里将按照计算顺序排列各个模块并给出各层循环计算信息）；2计算开始……计算模块是：MIXER1，采用模型是MIXER；3模拟计算完成。

如果输入有矛盾之处或计算过程有错误，控制面板还会提示，给出警告或错误信息，你可以仔细阅读这些信息改正输入错误后重新模拟。运算结束后就可以查看运算结果了。输入信息、模块信息和输出信息都可以查看。

模拟运算结束后，再按一次F7回到数据浏览界面，点击顶部中间方框右端的黑色三角形按钮，在弹出的子菜单中选择Results（结果），数据浏览界面变为结果查看状态，如图3-21所示，打开该窗口左下角的Results Summary子菜单，点击下面的Streams，出现如图3-22所示界面，其中包含了所有物流的输入和计算结果，详细结果如图3-23所示。