《化工流程模拟实训—aspenplus教程孙兰义主编》配套pps课件第10章工艺流程模拟

第 10章 工艺流程模拟作者：王丁丁 孙兰义目录n 10.1 带循环的工艺流程n 10.2 工艺流程模拟n 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 ：l 组 分循 环 （循 环质 量和能量）l 热 量循 环 （ 仅仅 循 环 能量）10.1 带循环的工艺流程模拟l 独立循 环 回路 (Independent Loop)l 嵌套循 环 回路 (Nested Loop)l 交叉循 环 回路 (Interconnected Loop)10.1 带 循 环 的工 艺 流程模 拟n 循 环 回路的种 类10.1 带循环的工艺流程模拟n 化工流程模 拟 的 计 算方法l 序 贯 模 块 法l 联 立方程法l 联 立模 块 法10.1 带 循 环 的工 艺 流程模 拟n 在大多数 过 程模 拟软 件中 (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 。n 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 。n 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 。 n 主流程 处 理 顺 序l 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) 。l 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Recycle Stream Guessed Calculation SequenceR1 U1， (U2， U3， U4， U5)， U6S3 U1， (U3， U4， U5 ， U2)， U6S4 U1， (U4， U5 ， U2， U3)， U6S6 U1， (U5 ， U2， U3， U4)， U6n 主流程 处 理 顺 序10.1 带 循 环 的工 艺 流程模 拟n 撕裂流l 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l 撕裂流与循 环 物流是相关的，但又与循 环 物流不一 样l 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l 用 户 确定的撕裂流可在 Convergence/Tear页 面 进 行规 定l 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 缺省 值为 零）l 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n 撕裂流 举 例10.1 带循环的工艺流程模拟l 哪个是循 环 物流 ？10.1 带 循 环 的工 艺 流程模 拟l 哪个可能是撕裂流？l 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）n 撕裂流 举 例n 撕裂流与 计 算 顺 序的关系l 在默 认 状 态 下， Aspen总 是取 撕裂流数 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n 循 环 工 艺 流程10.1 带 循 环 的工 艺 流程模 拟n 循 环 回路流程模 拟 的解决方法l 1.为 循 环 物流提供合适的初始 值l 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。l 3.增大迭代次数l 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l 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 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）n 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n 增大迭代次数n 选择 收 敛 方法10.1 带循环的工艺流程模拟n 用 户 自定 义 撕裂物流n 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n 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 0.005kmol/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 拟组 分 塔 进 料中各 组 分 进 入塔底物流的分率 DECANT进 料中各 组 分进 入物流 ORG的分率DIST1 DIST2乙醇 0.01 0.97 0.98水 0.97 0.0001 0.01环 己 烷 0.09 0.0001 0.99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n 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 。n 在 Control Panel（控制面板）中的“Flowsheet Analysis（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n 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n 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 流程模 拟n 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n 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 1.00n 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 。n 工 艺 流程模 拟经验总结10.2 工 艺 流程模 拟l 1. 将 总 流程划分 为 一系列子流程；l 2. 每个子流程使用准确的物性方法；l 3. 模 拟 子流程 时 ，首先只 进 行物料衡算；l 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 ；l 5. 最初 计 算 时 使用 简单 的 设计规 定；l 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；l 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l 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 ；l 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；l 10. 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 。n 工 艺 流程模 拟经验总结10.2 工 艺 流程模 拟n 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 11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 15。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