[发明专利]一种流体相混合体系多重化学平衡计算系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种多组分含多重化学平衡混合体系包括混合气体、电解质溶液、小分子混合溶液、大分子稀溶液的流体相混合体系多重化学平衡计算系统。

背景技术

在化工过程中，对含化学反应的混合体系，在给定的初始浓度与配比、温度、压强等条件下需要求算各物质平衡浓度等平衡相关物理量，以及各物质的活度、热力学函数等系列热力学性质。这在估算产物转化与分离的效率、改进设备与工艺设计、化工过程自动控制方面十分重要。但实际混合体系常涉及到多个组分、含多个化学反应，溶液的组成及结构复杂，计算过程十分困难。

传统经验方法能进行简单的平衡计算，对单个的化学平衡，如公式（1-3）所示，利用平衡常数K能求算出各物质的平衡浓度。

dD+eE+...→gG+hH+...或简写为Σv_iB_i=0(1)

(2)

(3)

上式中，ΔG，R，T，G_im，v_i，，x_i，f_i，a_i分别为反应Gibbs自由能，气体常数，热力学温度，反应计量系数，组分或物种的摩尔Gibbs自由能，标准摩尔Gibbs自由能，组分或物种的物质的量浓度，以物质的量为基础的活度系数及活度。通过公式(1-3)，若已知反应Gibbs能变ΔG或平衡常数K。先依据反应物与生成物比例关系尝试确定组分的浓度，然后依据热力学模型（如Debye–Hückel、Pitzer模型等）由组分浓度求出相应的活度系数f_i，将活度积与平衡常数K相比较，若不一致，再调整组分浓度，直到活度积与平衡常数相等为止。

这种传统经验方法只能计算一个或少数几个化学平衡，对多重化学平衡计算效率低下，不能解决大规模计算的难题。例如要计算一定浓度下H₃PO₄-NaH₂PO₄缓冲溶液的pH值时将遇到很大的困难。特别混合体系化学平衡的个数变得众多，组分变得非常庞大，上述传统的计算方法会遇到巨大的困难，其计算结果也不理想。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种快速、高效的流体相混合体系多重化学平衡计算系统，准确计算混合体系中各物质的平衡浓度、平衡相关物理量及系列热力学性质。

本发明目的的技术方案为：一种流体相混合体系多重化学平衡计算系统，所述整个计算系统包括数据输入，计算初始化，混合体系Gibbs自由能最小化计算，混合体系系列平衡性质计算，计算结果输出与保存五个模块；对几类常见的流体相混合体系，当无需考虑物种的结构与形状所带来影响时，已知各物种的初始物质的量{X_i}及参考态摩尔Gibbs自由能，改变{X_i}时，借助相应的热力学模型对体系的Gibbs自由能、各物种活度系数及活度系数的计算，通过逐步二次规划最优化算法（SQP）计算整个混合体系的Gibbs自由能最小值，此时得到多重化学平衡状态下各反应物与生成物的物质的量{X_i}，由此进一步计算体系系列平衡状态性质。

上述技术方案，所述计算系统组成及计算流程为：

1）所述数据输入，是将混合体系各组分的名称{L_j}及含量{N_θj}，依据反应Σθ_ij.L_j=S_i生成各个物种的名称{S_i}、计量系数{θ_ij}、参考态Gibbs自由能，温度条件T，混合体系类型，以及可附加的可扩展数据和数据表。

2）所述计算初始化，是依据各组分的物质的量{L_j}确定各个物种{S_i}的初始物质的量{X_i}；依据混合体系的类型确定混合体系并选择恰当的热力学模型，混合体系包括气体混合物、电解质混合溶液、小分子混合体系、大分子稀溶液体系；