1、第10章 工藝流程模擬,作者：王丁丁 孫蘭義,目錄,10.1 帶循環(huán)的工藝流程 10.2 工藝流程模擬,化工流程中的循環(huán)回路,大多數(shù)化工流程模擬都存在循環(huán)回路，存在兩種循環(huán)： 組分循環(huán)（循環(huán)質(zhì)量和能量） 熱量循環(huán)（僅僅循環(huán)能量）,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,獨(dú)立循環(huán)回路(Independent Loop) 嵌套循環(huán)回路(Nested Loop) 交叉循環(huán)回路(Interconnected Loop),10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,循環(huán)回路的種類,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,化工流程模擬的計(jì)算方法,序貫?zāi)K法 聯(lián)立方程法 聯(lián)立模塊法,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,在大多數(shù)過程模擬軟件

2、中(包括ASPEN、PRO/II)，某一時(shí)間只計(jì)算(模擬)一個(gè)單元(采用序貫?zāi)K法)，單元和物流計(jì)算的先后次序稱為計(jì)算順序。,如果流程中存在循環(huán)物流，則需在包含循環(huán)物流的流程段，迭代計(jì)算直至流程計(jì)算收斂。,計(jì)算的順序是自動(dòng)按照模擬流程的信息流的順序進(jìn)行計(jì)算的，而信息流取決于化工過程的規(guī)定。通常，過程原料物流的變量是指定的 。,主流程處理順序,從原料物流(Feed streams)到產(chǎn)物物流(Product streams)的流程順序，稱為主流程處理順序(Main Flow Processing Sequence) 。,計(jì)算順序必須包括所有的流程單元 計(jì)算順序無須和主流程順序相同，給定不同物流的

3、初始假設(shè)值可選擇不同的計(jì)算順序，有時(shí)候可加速計(jì)算的收斂速度,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,主流程處理順序,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,撕裂流,撕裂流是Aspen Plus給出其初始估值的一股物流，并且該估值在迭代過程中逐次更新，直到連續(xù)的兩個(gè)估值在規(guī)定的容差范圍內(nèi)為止 撕裂流與循環(huán)物流是相關(guān)的，但又與循環(huán)物流不一樣 要確定由Aspen Plus選擇的撕裂流，可在Control Panel（控制面板）中的“Flowsheet Analysis（流程分析）”頁(yè)面查看 用戶確定的撕裂流可在Convergence/Tear頁(yè)面進(jìn)行規(guī)定 為撕裂流提供估計(jì)值可以促進(jìn)或者加快流程收斂（極力推薦，否則缺

4、省值為零） 如果輸入了“回路”中的某個(gè)物流的信息，Aspen Plus會(huì)自動(dòng)設(shè)法把該物流選為撕裂流,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,撕裂流舉例,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,哪個(gè)是循環(huán)物流？,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,哪個(gè)可能是撕裂流？,哪個(gè)是最好的撕裂流選擇？,S7 S6,S7和S6 S2和S4 S3,S3（只需要一個(gè)撕裂流，而其它選擇都是兩個(gè)）,撕裂流舉例,撕裂流與計(jì)算順序的關(guān)系,在默認(rèn)狀態(tài)下，Aspen總是取撕裂流數(shù)為最小時(shí)的計(jì)算順序 最小切斷物流數(shù)時(shí)的計(jì)算順序并不一定是最佳的計(jì)算順序,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,循環(huán)工藝流程,10.1 帶循環(huán)

5、的工藝流程模擬,循環(huán)回路流程模擬的解決方法,1.為循環(huán)物流提供合適的初始值 2.選擇合適的單元計(jì)算順序 在默認(rèn)狀態(tài)下，ASPEN總是取切斷物流數(shù)為最小時(shí)的計(jì)算順序； 最小切斷物流數(shù)時(shí)的計(jì)算順序并不一定是最佳的計(jì)算順序。 3.增大迭代次數(shù) 4.選擇合適的加速收斂方法 直接迭代法（Direct） 韋格斯坦法（Wegstein）,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,4.選擇合適的加速收斂方法,直接迭代法的收斂速度較慢，特別是當(dāng)?shù)仃嚨淖畲筇卣髦到咏?時(shí)； 韋格斯坦法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、所需存儲(chǔ)量少等優(yōu)點(diǎn)，在化工過程模擬中應(yīng)用廣泛； 布洛伊頓擬牛頓法對(duì)迭代變量進(jìn)行修正時(shí)，考慮了變量間的交互作用，特別適用于求解

6、變量間存在較強(qiáng)交互作用的情況，并且在接近收斂值時(shí)，仍然具有很高的收斂速度； 牛頓法收斂速度快，但計(jì)算量大。,布洛伊頓擬牛頓法（Broyden） 牛頓法（Newton）,循環(huán)回路流程模擬的解決方法,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,增大迭代次數(shù),選擇收斂方法,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,用戶自定義撕裂物流,用戶自定義收斂次序,可以規(guī)定全部的計(jì)算順序和局部的順序,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,例題 以環(huán)己烷作共沸劑，通過共沸精餾分離乙醇和水，流程圖如圖10-1所示。進(jìn)料（FEED1）中乙醇和水的摩爾流率分別為10kmol/hr和225kmol/hr，進(jìn)料（FEED2）為純的環(huán)己烷，摩爾流率為0

7、.005kmol/hr。進(jìn)料均為飽和液體，操作壓力為0.1MPa，塔和分相器的壓降可忽略。精餾塔（DIST1和DIST2）選用Sep2模塊，分相器（DECANT）選用Sep模塊，只做物料衡算，表10-1給出了各個(gè)模塊的操作參數(shù)。試計(jì)算精餾塔（DIST2）塔底物流中乙醇的純度。,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,圖10-1 共沸精餾分離乙醇和水流程圖,表10-1 過程工藝數(shù)據(jù),10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,輸入物流FEED1和FEED2進(jìn)料條件，模塊DIST1和DIST2參數(shù)，運(yùn)行模擬，控制面板顯示錯(cuò)誤，流程不收斂。,在Control Panel（控制面板）中的“Flowsheet Analys

8、is（流程分析）”頁(yè)面查看默認(rèn)撕裂流為RECY-H2O、RECYCLE。,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,增加迭代次數(shù) 將收斂參數(shù)（Convergence parameters）中的流程最大計(jì)算次數(shù)（Maximum flowsheet evaluations）設(shè)置為100,初始化重新運(yùn)行模擬不收斂，原因可能是Aspen Plus默認(rèn)的撕裂物流不恰當(dāng)或是該流程不適合用韋格斯坦法。,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,改變撕裂物流 選擇物流RECY-H2O和ORG為撕裂物流（Tear streams）,初始化后，重新運(yùn)行模擬，控制面板依然出現(xiàn)警告和錯(cuò)誤，此時(shí)需要修改收斂算法。,10.1 帶循環(huán)的工藝流

9、程模擬,改變收斂算法 將默認(rèn)的撕裂物流收斂算法（Default convergence methods）改為牛頓法（Newton）進(jìn)行計(jì)算（撕裂物流不變）,初始化后，重新運(yùn)行模擬，控制面板顯示結(jié)果可行。,10.1 帶循環(huán)的工藝流程模擬,查看結(jié)果 選擇StreamsB-ETHNOLResults，在Material頁(yè)面可看到DIST2模塊塔底物流（B-ETHNOL）中乙醇（ETHAN-01）的摩爾分?jǐn)?shù)為1.00,結(jié)論 模擬帶有循環(huán)的工藝過程時(shí)，使用Aspen Plus默認(rèn)的撕裂物流和收斂方法可能不收斂，此時(shí)可以嘗試改變撕裂物流或收斂方法，使流程收斂。,工藝流程模擬經(jīng)驗(yàn)總結(jié),10.2 工藝流程模擬

10、,1. 將總流程劃分為一系列子流程； 2. 每個(gè)子流程使用準(zhǔn)確的物性方法； 3. 模擬子流程時(shí)，首先只進(jìn)行物料衡算； 4. 計(jì)算時(shí)先采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置，如收斂算法采用默認(rèn)的韋格斯坦算法，一般此算法能解決多數(shù)問題； 5. 最初計(jì)算時(shí)使用簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)規(guī)定； 6. 隨著流程的建立，嚴(yán)格模塊逐步替代簡(jiǎn)單模塊，并進(jìn)行能量衡算； 7. 嚴(yán)格模塊首先單獨(dú)運(yùn)行，模塊參數(shù)以簡(jiǎn)單模塊計(jì)算結(jié)果為初值；,10.2 工藝流程模擬,8. 當(dāng)帶循環(huán)的子流程用到嚴(yán)格模塊時(shí)，將簡(jiǎn)單模塊的計(jì)算結(jié)果作為其撕裂物流的初值； 9. 如果Aspen Plus選定的撕裂物流不合適，則定義新的撕裂物流，同時(shí)重新確定收斂模塊和收斂順序； 10.

11、當(dāng)所有子流程計(jì)算完成后，將其組合為一個(gè)完整的流程。此時(shí)的流程計(jì)算可能需要改變撕裂物流，設(shè)計(jì)規(guī)定也逐步嚴(yán)格直到整個(gè)流程收斂。,工藝流程模擬經(jīng)驗(yàn)總結(jié),10.2 工藝流程模擬,示例：苯乙烯的生產(chǎn),乙苯催化脫氫生產(chǎn)苯乙烯的簡(jiǎn)化工藝流程圖如圖10-2所示。,圖10-2 乙苯催化脫氫生產(chǎn)苯乙烯的簡(jiǎn)化工藝流程圖,苯乙烯的生產(chǎn)問題描述,1. 乙苯轉(zhuǎn)化為苯乙烯的催化脫氫反應(yīng)式如下： C8H10（g）C8H8（g）+H2（g） 反應(yīng)器中通入蒸汽，其目的是抑制副反應(yīng)； 2. 物流1是新鮮乙苯，循環(huán)物流15的主要成分是乙苯，這兩股物流進(jìn)入混合器A得到物流3，然后通過加熱器B加熱到500，得到物流4； 3. 循環(huán)物流1

12、1的主要成分是水，物流14是補(bǔ)充水，這兩股物流進(jìn)入混合器E得到物流13，溫度是50； 4. 物流13被加熱器D加熱到700，得到物流5，和物流4一起進(jìn)入混合器C，得到物流6，溫度是560； 5. 物流6進(jìn)入反應(yīng)器F，反應(yīng)器出口物流7的溫度是560，壓力是0.1MPa，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率是35%；,苯乙烯的生產(chǎn)問題描述,6. 物流7在兩相閃蒸器G中冷卻到50，得到富含H2的物流9，去流程的其他部分。物流8在分相器H中進(jìn)一步冷卻到25，分離出水相物流11和有機(jī)相物流10； 7. 物流10在精餾塔J中進(jìn)行乙苯和苯乙烯的分離，塔底得到富含苯乙烯的物流12；塔頂?shù)玫礁缓冶降奈锪?，經(jīng)過冷卻器K被冷卻得到物流1

13、5。 該工藝過程的進(jìn)料條件： 物流1：純乙苯，摩爾流率為45.35kmol/hr，溫度為25，壓力為0.1MPa； 物流14：純水，摩爾流率為18.14kmol/hr，溫度為25，壓力為0.1MPa。,苯乙烯的生產(chǎn)問題描述,物性方法采用UNIQUAC，系統(tǒng)的二元交互作用參數(shù)如表10-2所示。,表102 系統(tǒng)二元交互作用參數(shù),苯乙烯的生產(chǎn)簡(jiǎn)單模塊流程,分離單元均用簡(jiǎn)單分離器模塊計(jì)算,模塊G和H采用模塊庫(kù)中SeparatorsSepICON1模塊，模塊J采用模塊庫(kù)中SeparatorsSep2ICON2模塊,輸入模塊（G）參數(shù),初步估算分離模塊的參數(shù)使模擬結(jié)果和過程描述基本一致,苯乙烯的生產(chǎn)簡(jiǎn)單模

14、塊流程,輸入模塊（H）參數(shù),輸入模塊（J）參數(shù),分離單元均用簡(jiǎn)單分離器模塊計(jì)算,苯乙烯的生產(chǎn)簡(jiǎn)單模塊流程,查看物流結(jié)果,分離單元均用簡(jiǎn)單分離器模塊計(jì)算,苯乙烯的生產(chǎn)物性參數(shù),PropertiesParametersBinary InteractionUNIQ-1頁(yè)面修改參數(shù),選擇物形方法UNIQUAC并修改二元交互作用參數(shù),修改二元交互作用參數(shù),對(duì)于乙苯和苯乙烯裝置，可選擇用于高壓烴的狀態(tài)方程和理想狀態(tài)方程（PENG-ROB、RK-SOAVE）或液體活度系數(shù)方法（WILSON、NRTL、UNIQUAC）。由于本例題含水，所以選用UNIQUAC熱力學(xué)模型。,苯乙烯的生產(chǎn)閃蒸和液液分離的嚴(yán)格計(jì)算,

15、兩相閃蒸器 SeparatorsFlash2V-DRUM1模塊 分相器 Separators Decanter H-DRUM模塊,查看物流結(jié)果,苯乙烯的生產(chǎn)閃蒸和液液分離的嚴(yán)格計(jì)算,Blocks G Stream Results Material頁(yè)面查看物流9中水的流率為17.87kmol/hr，即大部分水隨著氫氣從物流9蒸出,兩相閃蒸器G的溫度為50 將閃蒸的溫度降為15,苯乙烯的生產(chǎn)確定水量,靈敏度分析研究進(jìn)入系統(tǒng)的水量對(duì)產(chǎn)品和反應(yīng)器進(jìn)料流率和組成的影響 閃蒸的溫度為15。水的流率的變化范圍為1.356.80kmol/hr。,查看靈敏度分析結(jié)果,H2PROD物流9中氫的摩爾分?jǐn)?shù)； ORGP

16、RD物流12中水的摩爾流率，kmol/hr； FLOS6物流6的摩爾流率，kmol/hr； XH2OS6在物流6中水的摩爾分?jǐn)?shù)； XH2OS9物流9中水的摩爾分?jǐn)?shù)。,苯乙烯的生產(chǎn)確定水量,以生產(chǎn)高純度氫氣為目標(biāo)，則應(yīng)使用1.35kmol/hr的水，物流9中氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到97.05%，反應(yīng)進(jìn)料中含1%的水。,苯乙烯的生產(chǎn)精餾塔的嚴(yán)格法計(jì)算,1. 精餾塔的簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì),進(jìn)水量改為1.35kmol/hr，計(jì)算出精餾塔J的進(jìn)料物流的參數(shù)，并將其作為精餾塔J的進(jìn)料條件。 精餾塔J簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)，采用模塊庫(kù)中Columns DSTWU模塊。,模擬結(jié)果為全塔理論板數(shù)62塊，進(jìn)料位置為第33塊板，回流比為4.21，塔頂流率為81.03kmol/hr。,苯乙烯的生產(chǎn)精餾塔的嚴(yán)格法計(jì)算,2. 精餾塔的嚴(yán)格計(jì)算,J采用ColumnsRadFrac模塊；,靈敏度分析考察回流比對(duì)苯乙烯純度的影響，得到較高純度的苯乙烯,靈敏度分析結(jié)果,圖中S12XS為物流12中苯乙烯的摩爾分?jǐn)?shù) 選取回流比為9，苯乙烯純度達(dá)到9