第10章工藝流程模擬

第10章工藝流程模擬作者：王丁丁孫蘭義目錄10.1帶循環(huán)的工藝流程10.2工藝流程模擬化工流程中的循環(huán)回路大多數(shù)化工流程模擬都存在循環(huán)回路，存在兩種循環(huán)：組分循環(huán)（循環(huán)質(zhì)量和能量）熱量循環(huán)（僅僅循環(huán)能量）10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬獨(dú)立循環(huán)回路(IndependentLoop)嵌套循環(huán)回路(NestedLoop)交叉循環(huán)回路(InterconnectedLoop)10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬循環(huán)回路的種類(lèi)10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬化工流程模擬的計(jì)算方法序貫?zāi)K法聯(lián)立方程法聯(lián)立模塊法10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬在大多數(shù)過(guò)程模擬軟件中(包括ASPEN、PRO/II)，某一時(shí)間只計(jì)算(模擬)一個(gè)單元(采用序貫?zāi)K法)，單元和物流計(jì)算的先后次序稱(chēng)為計(jì)算順序。如果流程中存在循環(huán)物流，則需在包含循環(huán)物流的流程段，迭代計(jì)算直至流程計(jì)算收斂。計(jì)算的順序是自動(dòng)按照模擬流程的信息流的順序進(jìn)行計(jì)算的，而信息流取決于化工過(guò)程的規(guī)定。通常，過(guò)程原料物流的變量是指定的。主流程處理順序從原料物流(Feedstreams)到產(chǎn)物物流(Productstreams)的流程順序，稱(chēng)為主流程處理順序(MainFlowProcessingSequence)。計(jì)算順序必須包括所有的流程單元計(jì)算順序無(wú)須和主流程順序相同，給定不同物流的初始假設(shè)值可選擇不同的計(jì)算順序，有時(shí)候可加速計(jì)算的收斂速度10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬RecycleStreamGuessedCalculationSequenceR1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6S3U1，(U3，U4，U5，U2)，U6S4U1，(U4，U5，U2，U3)，U6S6U1，(U5，U2，U3，U4)，U6主流程處理順序10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬撕裂流撕裂流是AspenPlus給出其初始估值的一股物流，并且該估值在迭代過(guò)程中逐次更新，直到連續(xù)的兩個(gè)估值在規(guī)定的容差范圍內(nèi)為止撕裂流與循環(huán)物流是相關(guān)的，但又與循環(huán)物流不一樣要確定由AspenPlus選擇的撕裂流，可在ControlPanel（控制面板）中的“FlowsheetAnalysis（流程分析）”頁(yè)面查看用戶(hù)確定的撕裂流可在Convergence/Tear頁(yè)面進(jìn)行規(guī)定為撕裂流提供估計(jì)值可以促進(jìn)或者加快流程收斂（極力推薦，否則缺省值為零）如果輸入了“回路”中的某個(gè)物流的信息，AspenPlus會(huì)自動(dòng)設(shè)法把該物流選為撕裂流10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬撕裂流舉例10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬哪個(gè)是循環(huán)物流？

10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬哪個(gè)可能是撕裂流？哪個(gè)是最好的撕裂流選擇？S7S6S7和S6S2和S4S3S3（只需要一個(gè)撕裂流，而其它選擇都是兩個(gè)）撕裂流舉例撕裂流與計(jì)算順序的關(guān)系在默認(rèn)狀態(tài)下，Aspen總是取撕裂流數(shù)為最小時(shí)的計(jì)算順序最小切斷物流數(shù)時(shí)的計(jì)算順序并不一定是最佳的計(jì)算順序

10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬循環(huán)工藝流程10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬循環(huán)回路流程模擬的解決方法

1.為循環(huán)物流提供合適的初始值2.選擇合適的單元計(jì)算順序在默認(rèn)狀態(tài)下，ASPEN總是取切斷物流數(shù)為最小時(shí)的計(jì)算順序；最小切斷物流數(shù)時(shí)的計(jì)算順序并不一定是最佳的計(jì)算順序。3.增大迭代次數(shù)4.選擇合適的加速收斂方法直接迭代法（Direct）韋格斯坦法（Wegstein）10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬4.選擇合適的加速收斂方法直接迭代法的收斂速度較慢，特別是當(dāng)?shù)仃嚨淖畲筇卣髦到咏?時(shí)；韋格斯坦法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、所需存儲(chǔ)量少等優(yōu)點(diǎn)，在化工過(guò)程模擬中應(yīng)用廣泛；布洛伊頓擬牛頓法對(duì)迭代變量進(jìn)行修正時(shí)，考慮了變量間的交互作用，特別適用于求解變量間存在較強(qiáng)交互作用的情況，并且在接近收斂值時(shí)，仍然具有很高的收斂速度；牛頓法收斂速度快，但計(jì)算量大。布洛伊頓擬牛頓法（Broyden）牛頓法（Newton）循環(huán)回路流程模擬的解決方法10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬增大迭代次數(shù)選擇收斂方法10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬用戶(hù)自定義撕裂物流用戶(hù)自定義收斂次序可以規(guī)定全部的計(jì)算順序和局部的順序10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬例題以環(huán)己烷作共沸劑，通過(guò)共沸精餾分離乙醇和水，流程圖如圖10-1所示。進(jìn)料（FEED1）中乙醇和水的摩爾流率分別為10kmol/hr和225kmol/hr，進(jìn)料（FEED2）為純的環(huán)己烷，摩爾流率為0.005kmol/hr。進(jìn)料均為飽和液體，操作壓力為0.1MPa，塔和分相器的壓降可忽略。精餾塔（DIST1和DIST2）選用Sep2模塊，分相器（DECANT）選用Sep模塊，只做物料衡算，表10-1給出了各個(gè)模塊的操作參數(shù)。試計(jì)算精餾塔（DIST2）塔底物流中乙醇的純度。10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬組分塔進(jìn)料中各組分進(jìn)入塔底物流的分率DECANT進(jìn)料中各組分進(jìn)入物流ORG的分率DIST1DIST2乙醇0.010.970.98水0.970.00010.01環(huán)己烷0.090.00010.99圖10-1共沸精餾分離乙醇和水流程圖表10-1過(guò)程工藝數(shù)據(jù)10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬輸入物流FEED1和FEED2進(jìn)料條件，模塊DIST1和DIST2參數(shù)，運(yùn)行模擬，控制面板顯示錯(cuò)誤，流程不收斂。在ControlPanel（控制面板）中的“FlowsheetAnalysis（流程分析）”頁(yè)面查看默認(rèn)撕裂流為RECY-H2O、RECYCLE。10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬增加迭代次數(shù)將收斂參數(shù)（Convergenceparameters）中的流程最大計(jì)算次數(shù)（Maximumflowsheetevaluations）設(shè)置為100初始化重新運(yùn)行模擬不收斂，原因可能是AspenPlus默認(rèn)的撕裂物流不恰當(dāng)或是該流程不適合用韋格斯坦法。10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬改變撕裂物流選擇物流RECY-H2O和ORG為撕裂物流（Tearstreams）初始化后，重新運(yùn)行模擬，控制面板依然出現(xiàn)警告和錯(cuò)誤，此時(shí)需要修改收斂算法。10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬改變收斂算法將默認(rèn)的撕裂物流收斂算法（Defaultconvergencemethods）改為牛頓法（Newton）進(jìn)行計(jì)算（撕裂物流不變）初始化后，重新運(yùn)行模擬，控制面板顯示結(jié)果可行。10.1帶循環(huán)的工藝流程模擬查看結(jié)果選擇Streams∣B-ETHNOL∣Results，在Material頁(yè)面可看到DIST2模塊塔底物流（B-ETHNOL）中乙醇（ETHAN-01）的摩爾分?jǐn)?shù)為1.00結(jié)論模擬帶有循環(huán)的工藝過(guò)程時(shí)，使用AspenPlus默認(rèn)的撕裂物流和收斂方法可能不收斂，此時(shí)可以嘗試改變撕裂物流或收斂方法，使流程收斂。工藝流程模擬經(jīng)驗(yàn)總結(jié)10.2工藝流程模擬1.將總流程劃分為一系列子流程；2.每個(gè)子流程使用準(zhǔn)確的物性方法；3.模擬子流程時(shí)，首先只進(jìn)行物料衡算；4.計(jì)算時(shí)先采用系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置，如收斂算法采用默認(rèn)的韋格斯坦算法，一般此算法能解決多數(shù)問(wèn)題；5.最初計(jì)算時(shí)使用簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)規(guī)定；6.隨著流程的建立，嚴(yán)格模塊逐步替代簡(jiǎn)單模塊，并進(jìn)行能量衡算；7.嚴(yán)格模塊首先單獨(dú)運(yùn)行，模塊參數(shù)以簡(jiǎn)單模塊計(jì)算結(jié)果為初值；10.2工藝流程模擬8.當(dāng)帶循環(huán)的子流程用到嚴(yán)格模塊時(shí)，將簡(jiǎn)單模塊的計(jì)算結(jié)果作為其撕裂物流的初值；9.如果AspenPlus選定的撕裂物流不合適，則定義新的撕裂物流，同時(shí)重新確定收斂模塊和收斂順序；10.當(dāng)所有子流程計(jì)算完成后，將其組合為一個(gè)完整的流程。此時(shí)的流程計(jì)算可能需要改變撕裂物流，設(shè)計(jì)規(guī)定也逐步嚴(yán)格直到整個(gè)流程收斂。工藝流程模擬經(jīng)驗(yàn)總結(jié)10.2工藝流程模擬示例：苯乙烯的生產(chǎn)乙苯催化脫氫生產(chǎn)苯乙烯的簡(jiǎn)化工藝流程圖如圖10-2所示。圖10-2乙苯催化脫氫生產(chǎn)苯乙烯的簡(jiǎn)化工藝流程圖苯乙烯的生產(chǎn)——問(wèn)題描述1.乙苯轉(zhuǎn)化為苯乙烯的催化脫氫反應(yīng)式如下：C8H10（g）→C8H8（g）+H2（g）反應(yīng)器中通入蒸汽，其目的是抑制副反應(yīng)；2.物流1是新鮮乙苯，循環(huán)物流15的主要成分是乙苯，這兩股物流進(jìn)入混合器A得到物流3，然后通過(guò)加熱器B加熱到500℃，得到物流4；3.循環(huán)物流11的主要成分是水，物流14是補(bǔ)充水，這兩股物流進(jìn)入混合器E得到物流13，溫度是50℃；4.物流13被加熱器D加熱到700℃，得到物流5，和物流4一起進(jìn)入混合器C，得到物流6，溫度是560℃；5.物流6進(jìn)入反應(yīng)器F，反應(yīng)器出口物流7的溫度是560℃，壓力是0.1MPa，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率是35%；苯乙烯的生產(chǎn)——問(wèn)題描述6.物流7在兩相閃蒸器G中冷卻到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中進(jìn)一步冷卻到25℃，分離出水相物流11和有機(jī)相物流10；7.物流10在精餾塔J中進(jìn)行乙苯和苯乙烯的分離，塔底得到富含苯乙烯的物流12；塔頂?shù)玫礁缓冶降奈锪?，經(jīng)過(guò)冷卻器K被冷卻得到物流15。該工藝過(guò)程的進(jìn)料條件：物流1：純乙苯，摩爾流率為45.35kmol/hr，溫度為25℃，壓力為0.1MPa；物流14：純水，摩爾流率為18.14kmol/hr，溫度為25℃，壓力為0.1MPa。苯乙烯的生產(chǎn)——問(wèn)題描述物性方法采用UNIQUAC，系統(tǒng)的二元交互作用參數(shù)如表10-2所示。組分i組分j苯乙烯苯乙烯乙苯乙苯水水溫度單位℃℃℃Aij000Aji000Bij-239.3595-889.45-968.37Bji173.3769-331.65-354.23溫度下限902020溫度上限1004040表10?2系統(tǒng)二元交互作用參數(shù)苯乙烯的生產(chǎn)——簡(jiǎn)單模塊流程分離單元均用簡(jiǎn)單分離器模塊計(jì)算模塊G和H采用模塊庫(kù)中Separators∣Sep∣ICON1模塊，模塊J采用模塊庫(kù)中Separators∣Sep2∣ICON2模塊輸入模塊（G）參數(shù)初步估算分離模塊的參數(shù)使模擬結(jié)果和過(guò)程描述基本一致苯乙烯的生產(chǎn)——簡(jiǎn)單模塊流程輸入模塊（H）參數(shù)輸入模塊（J）參數(shù)分離單元均用簡(jiǎn)單分離器模塊計(jì)算苯乙烯的生產(chǎn)——簡(jiǎn)單模塊流程查看物流結(jié)果分離單元均用簡(jiǎn)單分離器模塊計(jì)算苯乙烯的生產(chǎn)——物性參數(shù)Properties∣Parameters∣BinaryInteraction∣UNIQ-1頁(yè)面修改參數(shù)選擇物形方法UNIQUAC并修改二元交互作用參數(shù)修改二元交互作用參數(shù)對(duì)于乙苯和苯乙烯裝置，可選擇用于高壓烴的狀態(tài)方程和理想狀態(tài)方程（PENG-ROB、RK-SOAVE）或液體活度系數(shù)方法（WILSON、NRTL、UNIQUAC）。由于本例題含水，所以選用UNIQUAC熱力學(xué)模型。苯乙烯的生產(chǎn)——閃蒸和液液分離的嚴(yán)格計(jì)算兩相閃蒸器Separators∣Flash2∣V-DRUM1模塊分相器Separators∣Decanter∣H-DRUM模塊查看物流結(jié)果苯乙烯的生產(chǎn)——閃蒸和液液分離的嚴(yán)格計(jì)算Blocks∣G∣StreamResults∣Material頁(yè)面查看物流9中水的流率為17.87kmol/hr，即大部分水隨著氫氣從物流9蒸出兩相閃蒸器G的溫度為50℃將閃蒸的溫度降為15℃苯乙烯的生產(chǎn)——確定水量靈敏度分析——研究進(jìn)入系統(tǒng)的水量對(duì)產(chǎn)品和反應(yīng)器進(jìn)料流率和組成的影響閃蒸的溫度為15℃。水的流率的變化范圍為1.35～6.80kmol/hr。查看靈敏度分析結(jié)果H2PROD—物流9中氫的摩爾分?jǐn)?shù)；ORGPRD—物流12中水的摩爾流率，kmol/hr；FLOS6—物流6的摩爾流率，kmol/hr；XH2OS6—在物流6中水的摩爾分?jǐn)?shù)；XH2OS9—物流9中水的摩爾分?jǐn)?shù)。苯乙烯的生產(chǎn)——確定水量以生產(chǎn)高純度氫氣為目標(biāo)，則應(yīng)使用1.35kmol/hr的水，物流9中氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到97.05%，反應(yīng)進(jìn)料中含1%的水。苯乙烯的生產(chǎn)——精餾塔的嚴(yán)格法計(jì)算1.精餾塔的簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)進(jìn)水量改為1.35kmol/hr，計(jì)算出精餾塔J的進(jìn)料物流的參數(shù)，并將其作為精餾塔J的進(jìn)料條件。精餾塔J簡(jiǎn)捷設(shè)計(jì)，采用模塊庫(kù)中Columns∣DSTWU模塊。模擬結(jié)果為全塔理論板數(shù)62塊，進(jìn)料位置為第33塊板，回流比為4.21，塔頂流率為81.03kmol/hr。苯乙烯的生產(chǎn)——精餾塔的嚴(yán)格法計(jì)算2.精餾塔的嚴(yán)格計(jì)算J采用Columns∣RadFrac模塊；靈敏度分析——考察回流比對(duì)苯乙烯純度的影響，得到較高純度的苯乙烯靈敏度分析結(jié)果圖中S12XS為物流12中苯乙烯的摩爾分?jǐn)?shù)選取回流比為9，苯乙烯純度達(dá)到98.59%苯乙烯的生產(chǎn)——完整流程圖嚴(yán)格模塊整合，流程未收斂控制面板顯示運(yùn)行錯(cuò)誤模塊苯乙烯的生產(chǎn)——收斂1.選擇撕裂物流在Streams∣8∣Input∣Specifications頁(yè)面輸入初值選擇撕裂物流（8）輸入撕裂物流（8）初值選擇物流8為撕裂物流苯乙烯的生產(chǎn)——收斂2.設(shè)置計(jì)算順序在Convergence∣Sequence∣SQ-1∣Specifications頁(yè)面，定義新的計(jì)算順序定義收斂順序苯乙烯的生產(chǎn)——查看結(jié)果重新運(yùn)行模擬，模擬收斂，在Results對(duì)象下查看結(jié)果查看產(chǎn)品物流（12）結(jié)果今天是阿龍高中生活的第一天，很早他便來(lái)到學(xué)校的403教室，由于個(gè)子很高，他被分到最后一排的第三個(gè)座位，他走過(guò)去坐了下來(lái)?！澳愫茫沂寝鞭?。”一個(gè)女孩站在阿龍身后輕輕拍了拍阿龍的肩膀。阿龍回過(guò)頭來(lái)，一個(gè)穿白裙子的女孩子映入眼簾，大大的眼睛，白白的皮膚，一頭烏黑的披肩發(fā)，散發(fā)出陣陣清香?！邦~，哦，你好，我叫阿龍”阿龍羞澀的撓了撓頭。“呵呵，你是我同桌，以后請(qǐng)多多關(guān)照”說(shuō)完，女孩走到座位前坐了下來(lái)。她拿出一本書(shū)仔細(xì)的讀了起來(lái)?！班?，阿龍，出去玩吧，我還沒(méi)在學(xué)校里轉(zhuǎn)過(guò)呢，你和我一起轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，熟悉一下環(huán)境”海峰從教室前面走過(guò)來(lái)。“我已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)了，你自己去吧”，阿龍漫不經(jīng)心的回答著?！胺凑谶@坐著也沒(méi)事，走吧，走啊，就算陪我”海峰邊說(shuō)邊拽阿龍。阿龍拗不過(guò)，“好吧，走”。兩人一起出了教室?！昂７?，你小子可真沒(méi)眼力勁，沒(méi)看我正和美女聊天呢，非把我拉出來(lái)”阿龍用責(zé)備的語(yǔ)氣說(shuō)道。海峰感覺(jué)莫名其妙，“和美女聊天，你小子就會(huì)做夢(mèng)”?！鞍ィ懔耍瑱C(jī)會(huì)有的是，我們同桌嘛”阿龍自己小聲嘟囔著。海峰沒(méi)有聽(tīng)清他在說(shuō)什么，也懶得理會(huì)，他興致勃勃的欣賞著校園的美景。很快，一周過(guò)去了，周五下午放學(xué)前，薇薇對(duì)阿龍說(shuō)“周末你能來(lái)我家嗎，你的功課好，你能幫我補(bǔ)習(xí)一下嗎？”她用乞求的語(yǔ)氣問(wèn)阿龍，一雙大大的眼睛巴巴地望著阿龍?！邦~，好吧，你家住什么地方？”“謝謝你，我家在華安大街146號(hào)。你一定要來(lái)啊，我等你?！狈艑W(xué)的鈴聲響了，海峰和阿龍兩家是鄰居，每天都一起上下學(xué)，海峰收拾好東西，在門(mén)口等阿龍。“海峰，好了走吧”“阿龍，周六咱們?nèi)メ烎~(yú)吧，好久沒(méi)去了?！焙７暹呑哌呎f(shuō)。“哦，不行，我答應(yīng)了薇薇要給她補(bǔ)習(xí)”阿龍回答道?！稗鞭保哭鞭笔钦l(shuí)?。俊薄拔彝腊?，你還不知道她名字啊，她長(zhǎng)得這么好看，這么有特點(diǎn)，你都沒(méi)記?。俊薄澳阃?？你同桌？啊哈哈哈哈，你開(kāi)什么玩笑，你哪有同桌啊，你不是一個(gè)人占一張桌子嗎！”“別胡說(shuō)，叫薇薇聽(tīng)見(jiàn)了多不好。不過(guò)，你真沒(méi)注意過(guò)她，我可是從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)這么漂亮的女孩子。還是我同桌，嘻嘻”阿龍得意洋洋的笑著?！皠e開(kāi)玩笑了阿龍，你到底去不去釣魚(yú)？”“不去，我明天真要給她補(bǔ)習(xí)，不然你和我一起去，一個(gè)人去我還有點(diǎn)害羞，哦，她家在華安大街146號(hào)，你知道這個(gè)地方嗎，我從來(lái)沒(méi)去過(guò)這條街？”“我知道，是墳地嘛，你呀，不想去釣魚(yú)就直說(shuō)，編這