第八讲--带循环物流的流程模拟收敛技巧.ppt

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1、ASPEN PLUS 与化工过程模拟第八讲 带循环物流的流程模拟收敛技巧第第第第 2 2 2 2 页页页页8.1设计规定（Design Specification）设计规定就是变化（调节）变量X，使得某一参数或变量Y达到一个设定值。特点：成对出现模块或流程收敛后再加如不收敛，首先检查X上下界不是任意参数都能做X第第第第 3 3 3 3 页页页页一、模块中的设计规定演演示示一一：已已知知填填料料塔塔的的填填料料总总高高度度8m，进进料料以以上上5m，填填料料为为Mellapak250Y，分分离离含含苯苯44 wt甲甲苯苯混混和和物物，常常压压泡泡点点进进料料。进进料料量量5000kg/h，常常压

2、压操操作作。问问塔塔顶顶、底底组组成成要要求求达达到到98%wt、99%，回流量？采出量？，回流量？采出量？分析：分析：确定理论板数，查手册：确定理论板数，查手册：2.5块块/m,共共2.58121块，块，进料位置进料位置2.5513块块 需需要要两两个个设设计计规规定定（Spec），回回流流量量塔塔顶顶组组成成、采采出出量量塔底组成。塔底组成。第第第第 4 4 4 4 页页页页X、Y不在同一模块中二、流程中的设计规定第第第第 5 5 5 5 页页页页l演示二演示二、一股物料用循环水冷却，热负荷、一股物料用循环水冷却，热负荷74352kcal/h，循环水温度循环水温度2838，求循环水流量。，

3、求循环水流量。学习流程中学习流程中spec的用法的用法循环水流量循环水流量7000kg/hl设计规定求流量设计规定求流量 X:进水流量，进水流量，Y水出口温度水出口温度lY只能选取模块中输入的参数（只能选取模块中输入的参数（本例中，模块输入的是压力、热本例中，模块输入的是压力、热负荷，但需要控制的是温度，因此，只能以出口物流温度为负荷，但需要控制的是温度，因此，只能以出口物流温度为Y）例1-2.exe第第第第 6 6 6 6 页页页页8.2灵敏度分析（Sensitivity）灵敏度分析就是变化（调节）变量X，得到相应另一个参数或变量Y的值，从而得到一条X-Y对应曲线。特点：不一定成对出现x-y

4、1,y2,y3,.模块或流程收敛后再加如不收敛，首先检查X上下界不是任意参数都能做X第第第第 7 7 7 7 页页页页l演示一：演示一：分离含苯分离含苯44 wt甲苯混和物，常压泡点进甲苯混和物，常压泡点进料。进料量料。进料量5000kg/h，塔顶苯收率，塔顶苯收率98%，纯度不小于，纯度不小于98%。采用回流量采用回流量4000kg/h理论板数取理论板数取19l确定进料位置？确定进料位置？l练习一练习一：进料流量由：进料流量由5000变化到变化到10000，塔内液泛因子、，塔内液泛因子、压降的变化。压降的变化。Y:PR-FLD-FAC,PR-DPSEC例2-3.exe第第第第 8 8 8 8

5、 页页页页8.3计算器（Calculator）根据变量X的变化，按照一定的规则为变量Y赋值。常用在物料补充、损耗。特点：作为一个模块，需要给定计算顺序常常用在有循环物流情况，帮助收敛补充或损耗、限制某参数第第第第 9 9 9 9 页页页页l演示一：演示一：100kg/hC4进一个闪蒸罐之前，需要与进一个闪蒸罐之前，需要与C3按按2:1的重量比混合，闪蒸后气相循环利用。闪蒸条件的重量比混合，闪蒸后气相循环利用。闪蒸条件20C，4.1atm，求需要补充，求需要补充C3的量。的量。l练习一练习一：若规定：若规定C4与与C3的比例为的比例为3:2，求需要补充，求需要补充C3的的量。量。例2-3.exe

6、第第第第 10101010 页页页页l演示二：演示二：分离含苯分离含苯44 wt甲苯混和物，常压泡点进料。甲苯混和物，常压泡点进料。进料量进料量5000kg/h，塔顶苯收率，塔顶苯收率98%，纯度不小于，纯度不小于98%。进料流量不变，甲苯组成由进料流量不变，甲苯组成由10%60%，求回流量变化。，求回流量变化。l分析：分析：l1）设计规定、灵敏度分析、计算器同时应用。）设计规定、灵敏度分析、计算器同时应用。l2）灵敏度中改变）灵敏度中改变C6流量（流量（5003000），计算器中求），计算器中求C7流量，利用设计规定达到设计要求。流量，利用设计规定达到设计要求。第第第第 11111111 页

7、页页页第第第第 12121212 页页页页（一）化工流程中的循环回路大多数化工流程模拟都存在循环回路，大多数化工流程模拟都存在循环回路，存在两种循环：存在两种循环：l组分循环（循环质量和能量）组分循环（循环质量和能量）l热量循环（仅仅循环能量）热量循环（仅仅循环能量）8.4计算顺序与循环流第第第第 13131313 页页页页循环回路的种类l独立循环回路独立循环回路(Independent Loop)l嵌套循环回路嵌套循环回路(Nested Loop)l交叉循环回路交叉循环回路(Interconnected Loop)第第第第 14141414 页页页页（二）计算顺序 l序贯模块法序贯模块法l联

8、立方程法联立方程法l联立模块法联立模块法l在大多数过程模拟软件中在大多数过程模拟软件中(包括包括ASPENASPEN、ProII)ProII)，某一时间只计算某一时间只计算(模拟模拟)一个单元一个单元(采用序贯模块法采用序贯模块法)，单元和物流计算的先后次序称为计算顺序。，单元和物流计算的先后次序称为计算顺序。计算的顺序是自动按照模拟流程的信息流的顺序计算的顺序是自动按照模拟流程的信息流的顺序进行计算的进行计算的,而信息流取决于化工过程的规定。通而信息流取决于化工过程的规定。通常，过程原料物流的变量是指定的常，过程原料物流的变量是指定的,信息流与物料信息流与物料流平行。流平行。第第第第 151

9、51515 页页页页主流程处理顺序l从原料物流从原料物流(Feed streams)到产物物流到产物物流(Product streams)的流程顺序，称为主流程处理顺序的流程顺序，称为主流程处理顺序(Main Flow Processing Sequence)。l计算顺序必须包括所有的流程单元计算顺序必须包括所有的流程单元l计算顺序无须和主流程顺序相同，给定不同物流的初始计算顺序无须和主流程顺序相同，给定不同物流的初始假设值可选择不同的计算顺序，有时候可加速计算的收假设值可选择不同的计算顺序，有时候可加速计算的收敛速度敛速度 第第第第 16161616 页页页页Recycle Sream Gu

10、essedRecycle Sream GuessedCalculation SequenceCalculation SequenceR1R1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6S3S3U1，(U3，U4，U5，U2)，U6S4S4U1，(U4，U5，U2，U3)，U6S6S6U1，(U5，U2，U3，U4)，U6第第第第 17171717 页页页页切断物流与计算顺序的关系l在默认状态下，在默认状态下，ASPEN总是取切断物流数总是取切断物流数为最小时的计算顺序为最小时的计算顺序l最小切断物流数时的计算顺序并不一定是最小切断物流数时的计算顺序并不一定是最佳的计算顺序最佳的计算顺序 第第第第 1

11、8181818 页页页页（三）循环回路流程模拟的解决方法l为循环物流提供合适的初始值为循环物流提供合适的初始值l选择合适的单元计算顺序选择合适的单元计算顺序l选择合适的加速收敛方法选择合适的加速收敛方法l组合单元，对它们同时求解组合单元，对它们同时求解第第第第 19191919 页页页页（四）化工流程模拟的迭代解法l非线性方程组：非线性方程组：第第第第 20202020 页页页页循环回路的迭代方法l直接迭代直接迭代 (连续置换法连续置换法)l加速迭代加速迭代 Wegstein收敛法收敛法 Broyden的拟的拟-牛顿法牛顿法 对于高度非线性系统，连续置换法和对于高度非线性系统，连续置换法和We

12、gstein法法可能失败或效率非常低，也可采用各种更复杂的可能失败或效率非常低，也可采用各种更复杂的方法（包括牛顿拉夫森法，主本征值法）方法（包括牛顿拉夫森法，主本征值法）第第第第 21212121 页页页页收敛演示一苯加氢制环己烷，组分，热力学方法，流程如下第第第第 22222222 页页页页进料：H2IN、BZIN如下第第第第 23232323 页页页页模块参数如下：FEED-MEX:T-300F,P-330PSIREACT:计量反应器（stoichiometry）P-(-15PSI),T-400F 反应：3H2+BENZENE-C6H12-1 转化率：苯0.998HP-SEP:T-120

13、F,P-(-5PSI)VFLOW:LFLOW:COLUMN:12块板，8板进料，压力200psi，冷凝器为分凝器，回流比1.2（mole），调节塔底出料量初值99lbmol/hr,调节塔底出料量使产品（PRODUCT）收率0.9999第第第第 24242424 页页页页缺省：断RXIN,收敛顺序（View-control panel)如下：自定义：断H2RCY,CHRCY步骤：1）增加收敛模块C-1，输入断裂流2）输入计算顺序第第第第 25252525 页页页页增加设计规定，用VFLOW参数调节PURGE中H2浓度0.76缺省：将inside-Outside:第第第第 26262626 页页页

14、页自己定义计算顺序：1）增加收敛模块2）增加设计规定收敛模块3）定义计算顺序第第第第 27272727 页页页页收敛演示二分离乙腈-甲苯混合物，加入二甲苯精馏，组分，流程如下：热力学方法为（NRTL-RK)第第第第 28282828 页页页页进料：XYL进料：A进料：B-AND-C第第第第 29292929 页页页页模块参数如下：COLUMN-1:40块板，XYL 27板进料，B-AND-C 37板进料，压力0.1atm,压降0.4atm，冷凝器为全凝，回流比6（mole），塔顶出料量150.15kg/hr；COLUMN-2:40块板，FEED-2 15板进料，A 15板进料，压力1atm,忽

15、略压降，冷凝器为全凝，回流比6（mole），塔顶出料量362.9kg/hr；COLUMN-3:5块板，4板进料，压力1atm,忽略压降，冷凝器为全凝，回流比0.1（mole），塔顶出料量422.5kg/hr；第第第第 30303030 页页页页1）将循环recycle直接连接到column-1上，显然不收敛。2）增加补充物流makeup，增加calculator，根据循环流中二甲苯量补充，使补充后的总二甲苯量450kg/h。第第第第 31313131 页页页页Column-1可能不收敛！因为进料变化，采出不变。3）为column-1增加设计规定，调整采出量，使产品纯度为定值。结果表明：比较容易

16、收敛。第第第第 32323232 页页页页收敛演示三分离异丙醇-水混合物，加入苯共沸精馏，组分，流程如下：热力学方法为（UNIQUAC)。加入的苯量为进料一定。第第第第 33333333 页页页页进料：FEED进料：MAKEUP第第第第 34343434 页页页页8.5 流程模拟计算的注意要点1 1）物料）物料流程的正确描述流程的正确描述 对物料流程图中的单元设备能用合适的单元模块进行描述。对物料流程图中的单元设备能用合适的单元模块进行描述。第第第第 35353535 页页页页第第第第 36363636 页页页页2)选择适当的设计变量选择适当的设计变量 一个功能强大的流程模拟系统，其单元模块都

17、有超过一个功能强大的流程模拟系统，其单元模块都有超过自由度数目的设计变量种类可供选择。应根据过程特性自由度数目的设计变量种类可供选择。应根据过程特性分析，用过程最重要或必须满足的参数作为设计变量，分析，用过程最重要或必须满足的参数作为设计变量，若几个参数的重要性相当，则应选择较易估算的参数作若几个参数的重要性相当，则应选择较易估算的参数作为设计变量。为设计变量。第第第第 37373737 页页页页3)设计变量数目的决定 自由决定的设计变量的值可能不满足设计要求，应该对过程特性有深刻的认识和分析，进行必要的手算或局部的计算机计算，以保证全流程的顺利运算，减少不必要的机时浪费，这对有循环物流的过程

18、尤其重要。例：精馏塔塔顶气相出料例：精馏塔塔顶气相出料V1第第第第 38383838 页页页页4)逐步扩大流程计算的范围逐步扩大流程计算的范围 一般一般的化工过程流程复杂，单元操作众多，一次性完成计的化工过程流程复杂，单元操作众多，一次性完成计算常有困难，可分割为单元模块较少的子流程进行计算，逐步推算常有困难，可分割为单元模块较少的子流程进行计算，逐步推进，有利于解决大型流程的模拟进，有利于解决大型流程的模拟问题问题5)5)有效地选择单元模块有效地选择单元模块 应在流程模拟的各个阶段，用不同水平的模块，由简到繁来应在流程模拟的各个阶段，用不同水平的模块，由简到繁来模拟各个单元过程，以得到合理的

19、决策变量的设定值，减少用严模拟各个单元过程，以得到合理的决策变量的设定值，减少用严格模型进行全流程计算的时间。格模型进行全流程计算的时间。例：精馏塔的简捷算法严格算法例：精馏塔的简捷算法严格算法第第第第 39393939 页页页页5)5)有效地选择单元模块有效地选择单元模块 应在流程模拟的各个阶段，用不同水平的模块，由简应在流程模拟的各个阶段，用不同水平的模块，由简到繁来模拟各个单元过程，以得到合理的决策变量的设到繁来模拟各个单元过程，以得到合理的决策变量的设定值，减少用严格模型进行全流程计算的时间。定值，减少用严格模型进行全流程计算的时间。例：精馏塔的简捷算法例：精馏塔的简捷算法(shortcut)(shortcut)严格算法严格算法(Distillation)(Distillation)