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1、第10章 工艺流程模拟,作者：王丁丁 孙兰义,目录,10.1 带循环的工艺流程 10.2 工艺流程模拟,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，存在两种循环： 组分循环（循环质量和能量） 热量循环（仅仅循环能量）,10.1 带循环的工艺流程模拟,独立循环回路(Independent Loop) 嵌套循环回路(Nested Loop) 交叉循环回路(Interconnected Loop),10.1 带循环的工艺流程模拟,循环回路的种类,10.1 带循环的工艺流程模拟,化工流程模拟的计算方法,序贯模块法 联立方程法 联立模块法,10.1 带循环的工艺流程模拟,在大多数过程模拟软件
2、中(包括ASPEN、PRO/II)，某一时间只计算(模拟)一个单元(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。,如果流程中存在循环物流，则需在包含循环物流的流程段，迭代计算直至流程计算收敛。,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，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 。,主流程处理顺序,从原料物流(Feed streams)到产物物流(Product streams)的流程顺序，称为主流程处理顺序(Main Flow Processing Sequence) 。,计算顺序必须包括所有的流程单元 计算顺序无须和主流程顺序相同，给定不同物流的
3、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敛速度,10.1 带循环的工艺流程模拟,主流程处理顺序,10.1 带循环的工艺流程模拟,撕裂流,撕裂流是Aspen Plus给出其初始估值的一股物流，并且该估值在迭代过程中逐次更新，直到连续的两个估值在规定的容差范围内为止 撕裂流与循环物流是相关的，但又与循环物流不一样 要确定由Aspen Plus选择的撕裂流，可在Control Panel（控制面板）中的“Flowsheet Analysis（流程分析）”页面查看 用户确定的撕裂流可在Convergence/Tear页面进行规定 为撕裂流提供估计值可以促进或者加快流程收敛（极力推荐，否则缺
4、省值为零） 如果输入了“回路”中的某个物流的信息，Aspen Plus会自动设法把该物流选为撕裂流,10.1 带循环的工艺流程模拟,撕裂流举例,10.1 带循环的工艺流程模拟,哪个是循环物流？,10.1 带循环的工艺流程模拟,哪个可能是撕裂流？,哪个是最好的撕裂流选择？,S7 S6,S7和S6 S2和S4 S3,S3（只需要一个撕裂流，而其它选择都是两个）,撕裂流举例,撕裂流与计算顺序的关系,在默认状态下，Aspen总是取撕裂流数为最小时的计算顺序 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,10.1 带循环的工艺流程模拟,10.1 带循环的工艺流程模拟,循环工艺流程,10.1 带循环
5、的工艺流程模拟,循环回路流程模拟的解决方法,1.为循环物流提供合适的初始值 2.选择合适的单元计算顺序 在默认状态下，ASPEN总是取切断物流数为最小时的计算顺序； 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。 3.增大迭代次数 4.选择合适的加速收敛方法 直接迭代法（Direct） 韦格斯坦法（Wegstein）,10.1 带循环的工艺流程模拟,4.选择合适的加速收敛方法,直接迭代法的收敛速度较慢，特别是当迭代矩阵的最大特征值接近1时； 韦格斯坦法具有计算简单、所需存储量少等优点，在化工过程模拟中应用广泛； 布洛伊顿拟牛顿法对迭代变量进行修正时，考虑了变量间的交互作用，特别适用于求解
6、变量间存在较强交互作用的情况，并且在接近收敛值时，仍然具有很高的收敛速度； 牛顿法收敛速度快，但计算量大。,布洛伊顿拟牛顿法（Broyden） 牛顿法（Newton）,循环回路流程模拟的解决方法,10.1 带循环的工艺流程模拟,增大迭代次数,选择收敛方法,10.1 带循环的工艺流程模拟,用户自定义撕裂物流,用户自定义收敛次序,可以规定全部的计算顺序和局部的顺序,10.1 带循环的工艺流程模拟,例题 以环己烷作共沸剂，通过共沸精馏分离乙醇和水，流程图如图10-1所示。进料（FEED1）中乙醇和水的摩尔流率分别为10kmol/hr和225kmol/hr，进料（FEED2）为纯的环己烷，摩尔流率为0
7、.005kmol/hr。进料均为饱和液体，操作压力为0.1MPa，塔和分相器的压降可忽略。精馏塔（DIST1和DIST2）选用Sep2模块，分相器（DECANT）选用Sep模块，只做物料衡算，表10-1给出了各个模块的操作参数。试计算精馏塔（DIST2）塔底物流中乙醇的纯度。,10.1 带循环的工艺流程模拟,图10-1 共沸精馏分离乙醇和水流程图,表10-1 过程工艺数据,10.1 带循环的工艺流程模拟,输入物流FEED1和FEED2进料条件，模块DIST1和DIST2参数，运行模拟，控制面板显示错误，流程不收敛。,在Control Panel（控制面板）中的“Flowsheet Analys
8、is（流程分析）”页面查看默认撕裂流为RECY-H2O、RECYCLE。,10.1 带循环的工艺流程模拟,增加迭代次数 将收敛参数（Convergence parameters）中的流程最大计算次数（Maximum flowsheet evaluations）设置为100,初始化重新运行模拟不收敛，原因可能是Aspen Plus默认的撕裂物流不恰当或是该流程不适合用韦格斯坦法。,10.1 带循环的工艺流程模拟,改变撕裂物流 选择物流RECY-H2O和ORG为撕裂物流（Tear streams）,初始化后，重新运行模拟，控制面板依然出现警告和错误，此时需要修改收敛算法。,10.1 带循环的工艺流
9、程模拟,改变收敛算法 将默认的撕裂物流收敛算法（Default convergence methods）改为牛顿法（Newton）进行计算（撕裂物流不变）,初始化后，重新运行模拟，控制面板显示结果可行。,10.1 带循环的工艺流程模拟,查看结果 选择StreamsB-ETHNOLResults，在Material页面可看到DIST2模块塔底物流（B-ETHNOL）中乙醇（ETHAN-01）的摩尔分数为1.00,结论 模拟带有循环的工艺过程时，使用Aspen Plus默认的撕裂物流和收敛方法可能不收敛，此时可以尝试改变撕裂物流或收敛方法，使流程收敛。,工艺流程模拟经验总结,10.2 工艺流程模拟
10、,1. 将总流程划分为一系列子流程； 2. 每个子流程使用准确的物性方法； 3. 模拟子流程时，首先只进行物料衡算； 4. 计算时先采用系统默认设置，如收敛算法采用默认的韦格斯坦算法，一般此算法能解决多数问题； 5. 最初计算时使用简单的设计规定； 6. 随着流程的建立，严格模块逐步替代简单模块，并进行能量衡算； 7. 严格模块首先单独运行，模块参数以简单模块计算结果为初值；,10.2 工艺流程模拟,8. 当带循环的子流程用到严格模块时，将简单模块的计算结果作为其撕裂物流的初值； 9. 如果Aspen Plus选定的撕裂物流不合适，则定义新的撕裂物流，同时重新确定收敛模块和收敛顺序； 10.
11、当所有子流程计算完成后，将其组合为一个完整的流程。此时的流程计算可能需要改变撕裂物流，设计规定也逐步严格直到整个流程收敛。,工艺流程模拟经验总结,10.2 工艺流程模拟,示例：苯乙烯的生产,乙苯催化脱氢生产苯乙烯的简化工艺流程图如图10-2所示。,图10-2 乙苯催化脱氢生产苯乙烯的简化工艺流程图,苯乙烯的生产问题描述,1. 乙苯转化为苯乙烯的催化脱氢反应式如下： C8H10（g）C8H8（g）+H2（g） 反应器中通入蒸汽，其目的是抑制副反应； 2. 物流1是新鲜乙苯，循环物流15的主要成分是乙苯，这两股物流进入混合器A得到物流3，然后通过加热器B加热到500，得到物流4； 3. 循环物流1
12、1的主要成分是水，物流14是补充水，这两股物流进入混合器E得到物流13，温度是50； 4. 物流13被加热器D加热到700，得到物流5，和物流4一起进入混合器C，得到物流6，温度是560； 5. 物流6进入反应器F，反应器出口物流7的温度是560，压力是0.1MPa，反应转化率是35%；,苯乙烯的生产问题描述,6. 物流7在两相闪蒸器G中冷却到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中进一步冷却到25，分离出水相物流11和有机相物流10； 7. 物流10在精馏塔J中进行乙苯和苯乙烯的分离，塔底得到富含苯乙烯的物流12；塔顶得到富含乙苯的物流2，经过冷却器K被冷却得到物流1
13、5。 该工艺过程的进料条件： 物流1：纯乙苯，摩尔流率为45.35kmol/hr，温度为25，压力为0.1MPa； 物流14：纯水，摩尔流率为18.14kmol/hr，温度为25，压力为0.1MPa。,苯乙烯的生产问题描述,物性方法采用UNIQUAC，系统的二元交互作用参数如表10-2所示。,表102 系统二元交互作用参数,苯乙烯的生产简单模块流程,分离单元均用简单分离器模块计算,模块G和H采用模块库中SeparatorsSepICON1模块，模块J采用模块库中SeparatorsSep2ICON2模块,输入模块（G）参数,初步估算分离模块的参数使模拟结果和过程描述基本一致,苯乙烯的生产简单模
14、块流程,输入模块（H）参数,输入模块（J）参数,分离单元均用简单分离器模块计算,苯乙烯的生产简单模块流程,查看物流结果,分离单元均用简单分离器模块计算,苯乙烯的生产物性参数,PropertiesParametersBinary InteractionUNIQ-1页面修改参数,选择物形方法UNIQUAC并修改二元交互作用参数,修改二元交互作用参数,对于乙苯和苯乙烯装置，可选择用于高压烃的状态方程和理想状态方程（PENG-ROB、RK-SOAVE）或液体活度系数方法（WILSON、NRTL、UNIQUAC）。由于本例题含水，所以选用UNIQUAC热力学模型。,苯乙烯的生产闪蒸和液液分离的严格计算,
15、两相闪蒸器 SeparatorsFlash2V-DRUM1模块 分相器 Separators Decanter H-DRUM模块,查看物流结果,苯乙烯的生产闪蒸和液液分离的严格计算,Blocks G Stream Results Material页面查看物流9中水的流率为17.87kmol/hr，即大部分水随着氢气从物流9蒸出,两相闪蒸器G的温度为50 将闪蒸的温度降为15,苯乙烯的生产确定水量,灵敏度分析研究进入系统的水量对产品和反应器进料流率和组成的影响 闪蒸的温度为15。水的流率的变化范围为1.356.80kmol/hr。,查看灵敏度分析结果,H2PROD物流9中氢的摩尔分数； ORGP
16、RD物流12中水的摩尔流率，kmol/hr； FLOS6物流6的摩尔流率，kmol/hr； XH2OS6在物流6中水的摩尔分数； XH2OS9物流9中水的摩尔分数。,苯乙烯的生产确定水量,以生产高纯度氢气为目标，则应使用1.35kmol/hr的水，物流9中氢气的摩尔分数达到97.05%，反应进料中含1%的水。,苯乙烯的生产精馏塔的严格法计算,1. 精馏塔的简捷设计,进水量改为1.35kmol/hr，计算出精馏塔J的进料物流的参数，并将其作为精馏塔J的进料条件。 精馏塔J简捷设计，采用模块库中Columns DSTWU模块。,模拟结果为全塔理论板数62块，进料位置为第33块板，回流比为4.21，塔顶流率为81.03kmol/hr。,苯乙烯的生产精馏塔的严格法计算,2. 精馏塔的严格计算,J采用ColumnsRadFrac模块；,灵敏度分析考察回流比对苯乙烯纯度的影响，得到较高纯度的苯乙烯,灵敏度分析结果,图中S12XS为物流12中苯乙烯的摩尔分数 选取回流比为9，苯乙烯纯度达到98.59%,苯乙烯的生产完整流程图,严格模块整合，流程未收敛,控制面板,显示
