第八讲带循环物流的流程模拟收敛技巧

1、第八讲 带循环物流的流程模拟收敛技巧设计规定就是变化（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一、模块中的设计规定演示一：演示一：已知填料塔的填料总高度已知填料塔的填料总高度8m，进料以上，进料以上5m，填料为，填料为Mellapak250Y，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，常压操作。问塔顶、底组成要求达到，常压操作。问塔顶、底组成要求达到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

2、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 需要需要两个设计规定两个设计规定（Spec） ，回流量塔顶组成、采出量，回流量塔顶组成、采出量塔底组成。塔底组成。X、Y不在同一模块中二、流程中的设计规定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。，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

3、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.exe8.2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-y1,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Xl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%

4、，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.exe8.3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

5、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.exel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，求回流量变化。化。l分析：分析：l1）设计规定、灵敏度分析、计算器同时应用

6、。）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。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PurgeCompositional RecycleProductFeedThermal Recyclel独立循环回路独立循环回路(Independent Loop)l嵌套循环回

7、路嵌套循环回路(Nested Loop)l交叉循环回路交叉循环回路(Interconnected Loop)U 1U 6U 7U 4U 5U 3U 2S 1S 2S 3S 4S 5S 6S 7S 8S 9R 1R 2U 1U 6U 7U 4U 5U 3U 2S1S2S3S4S5S6S7S8S9R 1R 2U 1U 6U 7U 4U 5U 3U 2S 1S 2S 3S 4S 5S 6S 7S 8S 9R 1R 2l序贯模块法序贯模块法l联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

8、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。 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

9、，称为主流程处理顺序(Main Flow Processing Sequence) 。U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1l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 U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6U1，(U3，U4，U5 ，U2)，U6U1，(U4，U5

10、 ，U2，U3)，U6U1，(U5 ，U2，U3，U4)，U6l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 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l非线性方程组：非线性方程组：0, 0,0,21212211nnnnxxxfxxxfxxxf，l直接迭代直接迭代 (连续置换法连续

11、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Wegstein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）苯加氢制环己烷，组分，热力学方法，流程如下进料：H2IN、BZIN如下模块参数如下：FEED-MEX:T-300F,P-330PSIREACT:计量反应器（stoichiometry）P-(-15PSI),T-400F 反应：3H2+BENZENE-C6H12-

12、1 转化率：苯0.998HP-SEP:T-120F,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）输入计算顺序增加设计规定，用VFLOW参数调节PURGE中H2浓度0.76缺省：将inside-Outside: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

13、3）定义计算顺序分离乙腈-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)进料：XYL进料：A进料：B-AND-C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（mo

14、le），塔顶出料量422.5kg/hr；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。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：比较容易收敛。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。进料：FEED进料：MAKEUP1 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

15、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。E-1E-2多段固定床反应器F1F2S1S2S3S4S5Stream NameStream DescriptionPhaseTemperaturePressureFlowrateComposition HYDROGEN ETHYLENE PROPANE BUTANE PENTANECATMKG-MOL/HRS1Mixed25.00016.000100.0000.0020.3200.1600.4600.058S2Vapor20.00016.000623.3850.0110.7980.0810.1020.007S3Liquid20.0001

16、6.00019.6600.0000.2310.1410.5220.106S4Vapor-10.00010.000555.9040.0130.8660.0690.0510.001S5Liquid-10.00010.00067.4800.0000.2400.1850.5200.0552)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。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尤其重要。例：精馏塔塔顶气相出料例：精馏塔塔顶气相出料V14)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