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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中(包括ASP
2、EN、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，给定不同物流的初始假设值可选
3、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，否则缺省值为零）如果输入了“
4、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？,S7S6,S7和S6S2和S4S3,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 带循环的工艺流程模拟,循环回路流程模拟
5、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，特别适用于求解变量间存在较强交互作用的情况，并且在接近收敛值时，
6、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0.005kmol/hr。进料均为饱和液体，操作压力为0.
7、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 Analysis（流程分析）”页面查看默认撕裂流为RECY-H2O、
8、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 带循环的工艺流程模拟,改变收敛算法将默认的撕裂物流收敛算法（Default
9、 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,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
10、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. 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
11、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.
12、 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
13、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
14、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,两相闪蒸器 SeparatorsFlash2V-DRUM1模块分相器 Separators Deca
15、nter 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；ORGPRD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
16、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Columns
17、RadFrac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,显示运行错误模块,苯乙烯的生产收敛,1. 选择撕裂物流,在Streams8InputSpecifications页面输入初值,选择撕裂物流（8）,输入撕裂物流（8）初值,选择物流8为撕裂物流,苯乙烯的生产收敛,2. 设置计算顺序,在ConvergenceSequenceSQ-1Specifications页面，定义新的计算顺序,定义收敛顺序,5、世上最
18、美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。10、山有封顶，还有彼岸，慢慢长途，终有回转，余味苦涩，终有回甘。11、人生就像是一个马尔可夫链，你的未来取决于你当下正在做的事，而无关于过去做完的事。12、女人，要么有美貌，
19、要么有智慧，如果两者你都不占绝对优势，那你就选择善良。13、时间，抓住了就是黄金，虚度了就是流水。理想，努力了才叫梦想，放弃了那只是妄想。努力，虽然未必会收获，但放弃，就一定一无所获。14、一个人的知识，通过学习可以得到;一个人的成长，就必须通过磨练。若是自己没有尽力，就没有资格批评别人不用心。开口抱怨很容易，但是闭嘴努力的人更加值得尊敬。15、如果没有人为你遮风挡雨，那就学会自己披荆斩棘，面对一切，用倔强的骄傲，活出无人能及的精彩。5、人生每天都要笑，生活的下一秒发生什么，我们谁也不知道。所以，放下心里的纠结，放下脑中的烦恼，放下生活的不愉快，活在当下。人生喜怒哀乐，百般形态，不如在心里全部
20、淡然处之，轻轻一笑，让心更自在，生命更恒久。积极者相信只有推动自己才能推动世界，只要推动自己就能推动世界。6、人性本善，纯如清溪流水凝露莹烁。欲望与情绪如风沙袭扰，把原本如天空旷蔚蓝的心蒙蔽。但我知道，每个人的心灵深处，不管乌云密布还是阴淤苍茫，但依然有一道彩虹，亮丽于心中某处。7、每个人的心里，都藏着一个了不起的自己，只要你不颓废，不消极，一直悄悄酝酿着乐观，培养着豁达，坚持着善良，只要在路上，就没有到达不了的远方！8、不要活在别人眼中，更不要活在别人嘴中。世界不会因为你的抱怨不满而为你改变，你能做到的只有改变你自己！9、欲戴王冠，必承其重。哪有什么好命天赐，不都是一路披荆斩棘才换来的。10
21、、放手如拔牙。牙被拔掉的那一刻，你会觉得解脱。但舌头总会不由自主地往那个空空的牙洞里舔，一天数次。不痛了不代表你能完全无视，留下的那个空缺永远都在，偶尔甚至会异常挂念。适应是需要时间的，但牙总是要拔，因为太痛，所以终归还是要放手，随它去。11、这个世界其实很公平，你想要比别人强，你就必须去做别人不想做的事，你想要过更好的生活，你就必须去承受更多的困难，承受别人不能承受的压力。12、逆境给人宝贵的磨炼机会。只有经得起环境考验的人，才能算是真正的强者。自古以来的伟人，大多是抱着不屈不挠的精神，从逆境中挣扎奋斗过来的。13、不同的人生，有不同的幸福。去发现你所拥有幸运，少抱怨上苍的不公，把握属于自己
22、的幸福。你，我，我们大家都可以经历幸福的人生。14、给自己一份坚强，擦干眼泪；给自己一份自信，不卑不亢；给自己一份洒脱，悠然前行。轻轻品，静静藏。为了看阳光，我来到这世上；为了与阳光同行，我笑对忧伤。15、总不能流血就喊痛，怕黑就开灯，想念就联系，疲惫就放空，被孤立就讨好，脆弱就想家，不要被现在而蒙蔽双眼，终究是要长大，最漆黑的那段路终要自己走完。5、从来不跌倒不算光彩，每次跌倒后能再站起来，才是最大的荣耀。6、这个世界到处充满着不公平，我们能做的不仅仅是接受，还要试着做一些反抗。7、一个最困苦、最卑贱、最为命运所屈辱的人，只要还抱有希望，便无所怨惧。8、有些人，因为陪你走的时间长了，你便淡然了，其实是他们给你撑起了生命的天空；有些人，分开了，就忘了吧，残缺是一种大美。9、照自己的意思去理解自己，不要小看自己，被别人的意见引入歧途。10、没人能让我输，除非我不想赢！11、花开不是为了花落，而是为了开的更加灿烂。12、随随便便浪费的时间，再也不能赢回来。13、不管从什么时候开始，重要的是开始以后不要停止；不管在什么时候结束，重要的是结束以后不要后悔。14、当你决定坚持一件事情，全世界都会为你让路。15、只有在开水里，茶叶才能展开生命浓郁的香气。,
