thermo-package

Thermo 软件包技能

概述

thermo 库是一个功能全面的 Python 软件包，面向处理热力学性质和相平衡的化学与机械工程师。它提供经过验证的关联式，用于计算：

• 纯组分热力学性质
• 混合物性质
• 气液平衡（VLE）
• 焓、熵和热容
• 随温度变化的流体性质
• 状态方程（EOS）实现
• 混合物相平衡

该库包含丰富的化学数据库，并实现了 DIPPR、NIST 和文献来源中的行业标准关联式。对于涉及随温度变化的性质、混合物和多相流的泵应用而言，它必不可少。

安装

pip install thermo chemicals

chemicals 软件包是必需的依赖项，提供化学数据库和纯组分性质关联式。

主要模块

thermo.chemical

纯组分性质接口，包括：

• 随温度变化的黏度、密度和热导率
• 蒸气压和相态行为
• 热容（Cp、Cv）
• 焓和熵

thermo.mixture

混合物性质计算：

• 按组成加权的性质
• EOS 混合规则
• 偏摩尔性质
• 过剩性质

thermo.stream

工艺流体计算：

• 质量和能量衡算
• 闪蒸计算（VLE）
• 相分率确定
• 流体的焓

thermo.eos

状态方程实现：

• Peng-Robinson（PR）
• Soave-Redlich-Kwong（SRK）
• 理想气体定律
• 立方型状态方程

泵工程核心能力

1. 随温度变化的黏度

对于泵在不同运行温度范围内的性能至关重要。

from thermo.chemical import Chemical

# Water viscosity variation with temperature
water = Chemical('water', T=298.15, P=101325)  # 25°C, 1 atm

# At different temperatures
temps = [20, 40, 60, 80, 100]  # °C
for T_c in temps:
    water.T = T_c + 273.15
    print(f"T = {T_c}°C: μ = {water.mu*1000:.4f} cP, ρ = {water.rho:.1f} kg/m³")

# Output demonstrates viscosity decreasing with temperature:
# T = 20°C: μ = 1.0016 cP, ρ = 998.2 kg/m³
# T = 40°C: μ = 0.6529 cP, ρ = 992.2 kg/m³
# T = 60°C: μ = 0.4665 cP, ρ = 983.2 kg/m³

2. 温度变化下的泵功率修正

在不同温度下泵送时，考虑黏度和密度变化。

from thermo.chemical import Chemical

def pump_power_correction(fluid_name, T_design, T_actual, Q, H, eta=0.75):
    """
    Calculate pump power at actual temperature vs design temperature.

    Parameters:
    -----------
    fluid_name : str, chemical name
    T_design : float, design temperature (K)
    T_actual : float, actual temperature (K)
    Q : float, flow rate (m³/s)
    H : float, head (m)
    eta : float, pump efficiency

    Returns:
    --------
    Power correction factor and actual power required
    """
    # Properties at design temperature
    fluid_design = Chemical(fluid_name, T=T_design, P=101325)
    rho_design = fluid_design.rho
    mu_design = fluid_design.mu

    # Properties at actual temperature
    fluid_actual = Chemical(fluid_name, T=T_actual, P=101325)
    rho_actual = fluid_actual.rho
    mu_actual = fluid_actual.mu

    # Power calculation: P = ρ*g*Q*H/η
    g = 9.81  # m/s²
    P_design = rho_design * g * Q * H / eta
    P_actual = rho_actual * g * Q * H / eta

    # Viscosity affects efficiency (simplified)
    # Higher viscosity reduces efficiency
    eta_correction = (mu_design / mu_actual) ** 0.1  # Empirical
    eta_actual = eta * eta_correction
    P_actual_corrected = rho_actual * g * Q * H / eta_actual

    return {
        'P_design': P_design / 1000,  # kW
        'P_actual': P_actual / 1000,  # kW
        'P_corrected': P_actual_corrected / 1000,  # kW
        'rho_ratio': rho_actual / rho_design,
        'mu_ratio': mu_actual / mu_design,
        'eta_correction': eta_correction
    }

# Example: Pumping water at elevated temperature
result = pump_power_correction('water', T_design=298.15, T_actual=353.15,
                                Q=0.05, H=50, eta=0.75)

print(f"Design power: {result['P_design']:.2f} kW")
print(f"Actual power (density only): {result['P_actual']:.2f} kW")
print(f"Actual power (with efficiency): {result['P_corrected']:.2f} kW")

3. 混合物性质

对于处理混合流体或工艺流体的泵至关重要。

from thermo.mixture import Mixture

# Ethanol-water mixture (common in chemical processing)
mixture = Mixture(['ethanol', 'water'], ws=[0.3, 0.7], T=298.15, P=101325)

print(f"Mixture density: {mixture.rho:.1f} kg/m³")
print(f"Mixture viscosity: {mixture.mu*1000:.3f} cP")
print(f"Mixture heat capacity: {mixture.Cp:.1f} J/kg·K")

# Compare to pure components
from thermo.chemical import Chemical
ethanol = Chemical('ethanol', T=298.15, P=101325)
water = Chemical('water', T=298.15, P=101325)

print(f"\nPure ethanol: ρ = {ethanol.rho:.1f} kg/m³, μ = {ethanol.mu*1000:.3f} cP")
print(f"Pure water: ρ = {water.rho:.1f} kg/m³, μ = {water.mu*1000:.3f} cP")

4. 蒸气压和 NPSH 计算

确定可用 NPSH 和气蚀风险。

from thermo.chemical import Chemical

def calculate_NPSHa(fluid_name, T, P_suction, z_suction, v_suction):
    """
    Calculate Net Positive Suction Head Available.

    Parameters:
    -----------
    fluid_name : str, chemical name
    T : float, fluid temperature (K)
    P_suction : float, suction pressure (Pa absolute)
    z_suction : float, suction elevation relative to pump (m)
    v_suction : float, velocity at suction (m/s)

    Returns:
    --------
    NPSHa in meters
    """
    fluid = Chemical(fluid_name, T=T, P=P_suction)

    rho = fluid.rho  # kg/m³
    Psat = fluid.Psat  # Vapor pressure, Pa

    g = 9.81  # m/s²

    # NPSHa = (P_suction - Psat)/(ρ*g) + v²/(2g) - z_suction
    pressure_head = (P_suction - Psat) / (rho * g)
    velocity_head = v_suction**2 / (2 * g)

    NPSHa = pressure_head + velocity_head - z_suction

    return {
        'NPSHa': NPSHa,
        'P_suction': P_suction / 1000,  # kPa
        'Psat': Psat / 1000,  # kPa
        'rho': rho,
        'margin': (P_suction - Psat) / 1000  # kPa
    }

# Example: Water at 80°C (elevated temperature)
result = calculate_NPSHa('water', T=353.15, P_suction=150000,
                         z_suction=2.0, v_suction=2.5)

print(f"NPSHa = {result['NPSHa']:.2f} m")
print(f"Suction pressure = {result['P_suction']:.1f} kPa")
print(f"Vapor pressure = {result['Psat']:.1f} kPa")
print(f"Pressure margin = {result['margin']:.1f} kPa")

# Warning if NPSHa is low
if result['NPSHa'] < 3.0:
    print("⚠ WARNING: Low NPSHa - high cavitation risk!")

5. 泵级间焓计算

计算多级泵中的焓升和温升。

from thermo.chemical import Chemical

def pump_temperature_rise(fluid_name, T_inlet, P_inlet, P_outlet, eta):
    """
    Calculate temperature rise due to pump inefficiency.

    Energy not converted to useful work appears as heat in the fluid:
    ΔT = (1-η) * ΔP / (ρ * Cp)

    Parameters:
    -----------
    fluid_name : str
    T_inlet : float, inlet temperature (K)
    P_inlet : float, inlet pressure (Pa)
    P_outlet : float, outlet pressure (Pa)
    eta : float, pump efficiency
    """
    fluid = Chemical(fluid_name, T=T_inlet, P=P_inlet)

    rho = fluid.rho  # kg/m³
    Cp = fluid.Cp  # J/kg·K

    delta_P = P_outlet - P_inlet  # Pa

    # Temperature rise from inefficiency
    delta_T = (1 - eta) * delta_P / (rho * Cp)

    # Recalculate properties at outlet
    T_outlet = T_inlet + delta_T
    fluid_out = Chemical(fluid_name, T=T_outlet, P=P_outlet)

    # Enthalpy change
    H_inlet = fluid.H  # J/kg
    H_outlet = fluid_out.H  # J/kg
    delta_H = H_outlet - H_inlet

    return {
        'T_inlet': T_inlet - 273.15,  # °C
        'T_outlet': T_outlet - 273.15,  # °C
        'delta_T': delta_T,  # K
        'delta_H': delta_H / 1000,  # kJ/kg
        'delta_P': delta_P / 1e6  # MPa
    }

# Example: Multistage boiler feed pump
result = pump_temperature_rise('water', T_inlet=333.15, P_inlet=500000,
                               P_outlet=15000000, eta=0.82)

print(f"Inlet temperature: {result['T_inlet']:.1f} °C")
print(f"Outlet temperature: {result['T_outlet']:.1f} °C")
print(f"Temperature rise: {result['delta_T']:.2f} K")
print(f"Enthalpy rise: {result['delta_H']:.1f} kJ/kg")
print(f"Pressure rise: {result['delta_P']:.1f} MPa")

6. 多相泵的相平衡

确定泵中是否会发生两相流。

from thermo.chemical import Chemical

def check_phase_state(fluid_name, T, P):
    """
    Check if fluid is single-phase or will flash to vapor.
    """
    fluid = Chemical(fluid_name, T=T, P=P)

    Psat = fluid.Psat  # Vapor pressure
    Tsat = fluid.Tb  # Boiling point at 1 atm

    # Determine phase
    if P > Psat:
        phase = "Liquid (subcooled)"
        margin = (P - Psat) / Psat * 100  # % margin
    elif P < Psat:
        phase = "Two-phase or Vapor (FLASHING!)"
        margin = (Psat - P) / P * 100  # % above operating pressure
    else:
        phase = "Saturated liquid"
        margin = 0

    return {
        'phase': phase,
        'T': T - 273.15,
        'P': P / 1000,  # kPa
        'Psat': Psat / 1000,  # kPa
        'margin': margin
    }

# Example: Check if water will flash at pump suction
temps = [40, 60, 80, 100]  # °C
P_suction = 120000  # Pa (1.2 bar absolute)

for T_c in temps:
    result = check_phase_state('water', T=T_c+273.15, P=P_suction)
    print(f"T = {result['T']:.0f}°C, P = {result['P']:.1f} kPa: {result['phase']}")
    if 'subcooled' in result['phase']:
        print(f"  Margin = {result['margin']:.1f}%")
    print()

# Output will show flashing occurs above ~105°C at 1.2 bar

状态方程应用

用于高压泵的 Peng-Robinson EOS

from thermo import ChemicalConstantsPackage, PRMIX, CEOSGas, CEOSLiquid, FlashVL
from thermo.interaction_parameters import IPDB

# High-pressure natural gas mixture
constants = ChemicalConstantsPackage.constants_from_IDs(['methane', 'ethane', 'propane'])

# Operating conditions
T = 298.15  # K
P = 10e6  # Pa (100 bar)
zs = [0.85, 0.10, 0.05]  # Mole fractions

# Peng-Robinson EOS
kijs = IPDB.get_ip_asymmetric_matrix('ChemSep PR', constants.CASs, 'kij')
eos_kwargs = {'Tcs': constants.Tcs, 'Pcs': constants.Pcs, 'omegas': constants.omegas, 'kijs': kijs}

gas = CEOSGas(PRMIX, eos_kwargs, HeatCapacityGases=constants.HeatCapacityGases, T=T, P=P, zs=zs)
liquid = CEOSLiquid(PRMIX, eos_kwargs, HeatCapacityGases=constants.HeatCapacityGases, T=T, P=P, zs=zs)

# Flash calculation
flasher = FlashVL(constants, HeatCapacityGases=constants.HeatCapacityGases, gas=gas, liquids=[liquid])
res = flasher.flash(T=T, P=P, zs=zs)

print(f"Temperature: {T-273.15:.1f} °C")
print(f"Pressure: {P/1e6:.1f} MPa")
print(f"Phase: {res.phase}")
if res.phase == 'L':
    print(f"Liquid density: {res.rho_mass():.1f} kg/m³")
    print(f"Liquid viscosity: {res.mu()*1e6:.2f} μPa·s")

完整工程示例

请参阅 examples.py，其中包含经过验证、可用于生产的示例，包括：

1. 泵曲线的温度-黏度修正
2. 温度变化下的 NPSH 计算
3. 混合燃料的混合物性质计算
4. 多级泵中的焓升
5. 泵出口工况的闪蒸计算
6. 化学数据库查询

泵应用概要

何时使用 Thermo 软件包

1. 随温度变化的性质：流体温度变化显著时
2. 混合物处理：泵送混合流体或工艺流体时
3. 高温应用：锅炉给水泵、导热油泵
4. 气蚀分析：为 NPSH 计算提供准确的蒸气压
5. 多相流：确定是否会发生闪蒸
6. 能量计算：泵温升的热量衡算

与 Fluids 软件包集成

thermo 软件包与 fluids 相辅相成，可进行完整的泵分析：

• thermo：提供随温度变化的性质（ρ、μ、Psat）
• fluids：使用这些性质进行水力计算（摩擦、扬程损失）

from thermo.chemical import Chemical
from fluids.core import Reynolds
from fluids.friction import friction_factor

# Get properties from thermo
water = Chemical('water', T=333.15, P=101325)  # 60°C
rho = water.rho
mu = water.mu

# Use in fluids calculations
Re = Reynolds(V=2.0, D=0.1, rho=rho, mu=mu)
f = friction_factor(Re=Re, eD=0.0001)

print(f"At 60°C: Re = {Re:.0f}, f = {f:.5f}")

常见化学品数据库

可通过 CAS 编号或名称访问 20,000 多种化学品：

• 工业流体（水、油、乙二醇）
• 烃类（甲烷、丙烷、汽油）
• 制冷剂（R-134a、氨）
• 酸和碱（HCl、NaOH）
• 有机溶剂（乙醇、丙酮）

数据库详情和常见泵送流体请参阅 reference.md。

最佳实践

1. 创建 Chemical 对象时，始终同时指定 T 和 P
2. 使用液体属性前，检查相态
3. 与已知数据进行验证（蒸汽表、RefProp、NIST）
4. 高压应用（>20 bar）使用合适的 EOS
5. 考虑关联式的温度范围（有些仅适用于 <150°C）
6. 缓存 Chemical 对象，以提高迭代计算的性能

单位

所有属性均使用 SI 单位：

• 温度：K（从 °C 转换：T_K = T_C + 273.15）
• 压力：Pa（1 bar = 100,000 Pa）
• 密度：kg/m³
• 黏度：Pa·s（1 cP = 0.001 Pa·s）
• 焓：J/kg
• 热容：J/kg·K

故障排除

问题：属性返回 None

• 原因：该化学品不提供此属性，或属性值超出有效范围
• 解决方案：检查 Chemical.Tmin、Chemical.Tmax，确认有效温度范围

问题：混合物属性不合理

• 原因：缺少相互作用参数或组成无效
• 解决方案：确认质量分数/摩尔分数之和等于 1.0

问题：闪蒸计算失败

• 原因：初始猜测超出有效区域，或 EOS 参数有误
• 解决方案：使用更简单的 EOS（理想气体），或调整初始 T/P 估计值

参考资料

• DIPPR 801 数据库（AIChE 物性设计研究所）
• NIST 化学 WebBook
• Poling, B.E., Prausnitz, J.M., O'Connell, J.P.,《气体与液体的性质》（第 5 版）
• Perry《化学工程师手册》（第 9 版）
• Peng, D.Y., Robinson, D.B.,《一种新的双常数状态方程》（1976）

延伸阅读

• 官方文档：https://thermo.readthedocs.io/
• Chemicals 文档：https://chemicals.readthedocs.io/
• 源代码：https://github.com/CalebBell/thermo
• 教程笔记本：https://github.com/CalebBell/thermo/tree/master/docs