工艺流程模拟课件

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(IndependentLoop)嵌套循环回路(NestedLoop)交叉循环回路(InterconnectedLoop)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(Feedstreams)到产物物流(Productstreams)的流程顺序，称为主流程处理顺序(MainFlowProcessingSequence)。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RecycleStreamGuessedCalculationSequenceR1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6S3U1，(U3，U4，U5，U2)，U6S4U1，(U4，U5，U2，U3)，U6S6U1，(U5，U2，U3，U4)，U6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AspenPlus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AspenPlus选择的撕裂流，可在ControlPanel（控制面板）中的“FlowsheetAnalysis（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“回路”中的某个物流的信息，AspenPlus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带循环的工艺艺流程模拟哪个是循环物物流？10.1带循环的工艺艺流程模拟哪个可能是撕撕裂流？哪个是最好的的撕裂流选择择？S7S6S7和S6S2和S4S3S3（只需要一个个撕裂流，而而其它选择都都是两个）撕裂流举例撕裂流与计算算顺序的关系系在默认状态下下，Aspen总是取撕裂流数为最最小时的计算顺序序最小切断物流流数时的计算算顺序并不一一定是最佳的的计算顺序10.1带循环的工艺艺流程模拟10.1带带循环的工艺艺流程模拟循环工艺流程程10.1带循环的工艺艺流程模拟循环回路流程程模拟的解决决方法1.为循环物流提提供合适的初初始值2.选择合适的单单元计算顺序序在默认状态下下，ASPEN总是取切断物物流数为最小小时的计算顺顺序；最小切断物流流数时的计算算顺序并不一一定是最佳的的计算顺序。。3.增大迭代次数数4.选择合适的加加速收敛方法法直接迭代法（（Direct）韦格斯坦法（（Wegstein）10.1带循环的工艺艺流程模拟4.选择合适的加加速收敛方法法直接迭代法的收敛速度较较慢，特别是是当迭代矩阵阵的最大特征征值接近1时；韦格斯坦法具有计算简单单、所需存储储量少等优点点，在化工过过程模拟中应应用广泛；布洛伊顿拟牛牛顿法对迭代变量进进行修正时，，考虑了变量量间的交互作作用，特别适适用于求解变变量间存在较较强交互作用用的情况，并并且在接近收收敛值时，仍仍然具有很高高的收敛速度度；牛顿法收敛速度快，，但计算量大大。布洛伊顿拟牛牛顿法（Broyden）牛顿法（Newton）循环回路流程程模拟的解决决方法10.1带带循环的工艺艺流程模拟增大迭代次数数选择收敛方法法10.1带带循循环的的工艺艺流程程模拟拟用户自自定义义撕裂裂物流流用户自自定义义收敛敛次序序可以规规定全部的的计算算顺序序和局局部的的顺序序10.1带循环环的工工艺流流程模模拟例题以环己己烷作作共沸沸剂，，通过过共沸沸精馏馏分离离乙醇醇和水水，流流程图图如图图10-1所示。。进料料（FEED1）中乙乙醇和和水的的摩尔尔流率率分别别为10kmol/hr和225kmol/hr，进料料（FEED2）为纯纯的环环己烷烷，摩摩尔流流率为为0.005kmol/hr。进料料均为为饱和和液体体，操操作压压力为为0.1MPa，塔和和分相相器的的压降降可忽忽略。。精馏馏塔（（DIST1和DIST2）选用用Sep2模块，，分相相器（（DECANT）选用用Sep模块，，只做做物料料衡算算，表表10-1给出了了各个个模块块的操操作参参数。。试计计算精精馏塔塔（DIST2）塔底底物流流中乙乙醇的的纯度度。10.1带循环环的工工艺流流程模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DIST1DIST2乙醇0.010.970.98水0.970.00010.01环己烷0.090.00010.99图10-1共沸精精馏分分离乙乙醇和和水流流程图图表10-1过程工工艺数数据10.1带循环环的工工艺流流程模模拟输入物物流FEED1和FEED2进料条条件，模块块DIST1和DIST2参数，运行行模拟拟，控控制面面板显显示错错误，，流程程不收收敛。。在ControlPanel（控制面面板）中中的“FlowsheetAnalysis（流程分分析）””页面查看看默认撕撕裂流为为RECY-H2O、RECYCLE。10.1带循环的的工艺流流程模拟拟增加迭代代次数将收敛参参数（Convergenceparameters）中的流流程最大大计算次次数（Maximumflowsheetevaluations）设置为为100初始化重重新运行行模拟不不收敛，，原因可可能是AspenPlus默认的撕撕裂物流流不恰当当或是该该流程不不适合用用韦格斯斯坦法。。10.1带循环的的工艺流流程模拟拟改变撕裂裂物流选择物流流RECY-H2O和ORG为撕裂物物流（Tearstreams）初始化后后，重新新运行模模拟，控控制面板板依然出出现警告告和错误误，此时时需要修修改收敛敛算法。。10.1带循环的的工艺流流程模拟拟改变收敛敛算法将默认的的撕裂物物流收敛敛算法（（Defaultconvergencemethods）改为牛牛顿法（（Newton）进行计计算（撕撕裂物流流不变））初始化后后，重新新运行模模拟，控控制面板板显示结结果可行行。10.1带循环的的工艺流流程模拟拟查看结果果选择Streams∣B-ETHNOL∣Results，在Material页面可看看到DIST2模块塔底底物流（（B-ETHNOL）中乙醇醇（ETHAN-01）的摩尔尔分数为为1.00结论模拟带有有循环的的工艺过过程时，，使用AspenPlus默认的撕撕裂物流流和收敛敛方法可可能不收收敛，此此时可以以尝试改改变撕裂裂物流或或收敛方方法，使使流程收收敛。工艺流程程模拟经经验总结结10.2工艺流程程模拟1.将总流程程划分为为一系列列子流程程；2.每个子流流程使用用准确的的物性方方法；3.模拟子流流程时，，首先只只进行物物料衡算算；4.计算时先先采用系系统默认认设置，，如收敛敛算法采采用默认认的韦格格斯坦算算法，一一般此算算法能解解决多数数问题；；5.最初计算算时使用用简单的的设计规规定；6.随着流程程的建立立，严格格模块逐逐步替代代简单模模块，并并进行能能量衡算算；7.严格模块块首先单单独运行行，模块块参数以以简单模模块计算算结果为为初值；；10.2工艺流程程模拟8.当带循环环的子流流程用到到严格模模块时，，将简单单模块的的计算结结果作为为其撕裂裂物流的的初值；；9.如果AspenPlus选定的撕裂裂物流不合合适，则定定义新的撕撕裂物流，，同时重新新确定收敛敛模块和收收敛顺序；；10.当所有子流流程计算完完成后，将将其组合为为一个完整整的流程。。此时的流流程计算可可能需要改改变撕裂物物流，设计计规定也逐逐步严格直直到整个流流程收敛。。工艺流程模模拟经验总总结10.2工艺流程模模拟示例：苯乙乙烯的生产产乙苯催化脱脱氢生产苯苯乙烯的简简化工艺流流程图如图图10-2所示。图10-2乙苯催化脱脱氢生产苯苯乙烯的简简化工艺流流程图苯乙烯的生生产——问题描述1.乙苯转化为为苯乙烯的的催化脱氢氢反应式如如下：C8H10（g）→C8H8（g）+H2（g）反应器中通通入蒸汽，，其目的是是抑制副反反应；2.物流1是新鲜乙苯苯，循环物物流15的主要成分分是乙苯，，这两股物物流进入混混合器A得到物流3，然后通过过加热器B加热到500℃，得到物流流4；3.循环物流11的主要成分分是水，物物流14是补充水，，这两股物物流进入混混合器E得到物流13，温度是50℃；4.物流13被加热器D加热到700℃，得到物流流5，和物流4一起进入混混合器C，得到物流流6，温度是560℃；5.物流6进入反应器器F，反应器出出口物流7的温度是560℃，压力是0.1MPa，反应转化化率是35%；苯乙烯的生生产——问题描述6.物流7在两相闪蒸蒸器G中冷却到50℃，得到富含含H2的物流9，去流程的的其他部分分。物流8在分相器H中进一步冷冷却到25℃，分离出水水相物流11和有机相物物流10；7.物流10在精馏塔J中进行乙苯苯和苯乙烯烯的分离，，塔底得到到富含苯乙乙烯的物流流12；塔顶得到到富含乙苯苯的物流2，经过冷却却器K被冷却得到到物流15。该工艺过程程的进料条条件：物流1：纯乙苯，，摩尔流率率为45.35kmol/hr，温度为25℃，压力为0.1MPa；物流14：纯水，摩摩尔流率为为18.14kmol/hr，温度为25℃，压力为0.1MPa。苯乙烯的生生产——问题描述物性方法采采用UNIQUAC，系统的二二元交互作作用参数如如表10-2所示。组分i组分j苯乙烯苯乙烯乙苯乙苯水水温度单位℃℃℃Aij000Aji000Bij-239.3595-889.45-968.37Bji173.3769-331.65-354.23温度下限902020温度上限1004040表10‑2系统二元交交互作用参参数苯乙烯的生生产——简单模块流流程分离单元均均用简单分分离器模块块计算模块G和H采用模块库库中Separators∣Sep∣ICON1模块，模块块J采用模块库库中Separators∣Sep2∣ICON2模块输入模块（（G）参数初步估算分分离模块的的参数使模模拟结果和和过程描述述基本一致致苯乙烯的生生产——简单模块流流程输入模块（（H）参数输入模块（（J）参数分离单元均均用简单分分离器模块块计算苯乙烯的生生产——简简单模块流流程查看物流结结果分离单元均均用简单分分离器模块块计算苯乙烯的生生产——物性参数Properties∣Parameters∣BinaryInteraction∣∣UNIQ-1页面修改参参数选择物形方方法UNIQUAC并修改改二元元交互互作用用参数数修改二二元交交互作作用参参数对于乙乙苯和和苯乙乙烯装装置，，可选选择用用于高高压烃烃的状状态方方程和和理想想状态态方程程（PENG-ROB、RK-SOAVE）或液液体活活度系系数方方法（（WILSON、NRTL、UNIQUAC）。由由于本本例题题含水水，所所以选选用UNIQUAC热力学学模型型。苯乙烯烯的生生产——闪蒸和和液液液分离离的严严格计计算两相闪闪蒸器器Separators∣∣Flash2∣V-DRUM1模块分相器器Separators∣∣Decanter∣∣H-DRUM模块查看物物流结结果苯乙烯烯的生生产——闪蒸和和液液液分离离的严严格计计算Blocks∣∣G∣∣StreamResults∣∣Material页面查查看物物流9中水的的流率率为17.87kmol/hr，即大大部分分水随随着氢氢气从从物流流9蒸出两相闪闪蒸器器G的温度度为50℃℃将闪蒸蒸的温温度降降为15℃℃苯乙烯烯的生生产——确定水水量灵敏度度分析析——研究进进入系系统的的水量量对产产品和和反应应器进进料流流率和和组成成的影影响闪蒸的的温度度为15℃℃。水的的流率率的变变化范范围为为1.35～6.80kmol/hr。查看灵灵敏度度分析析结果果H2PROD——物流9中氢的的摩尔尔分数数；ORGPRD——物流12中水的的摩尔尔流率率，kmol/hr；FLOS6—物流6的摩尔尔流率率，kmol/hr；XH2OS6——在物流流6中水的的摩尔尔分数数；XH2OS9——物流9中水的的摩尔尔分数数。苯乙烯烯的生生产——确定水水量以生产产高纯纯度氢氢气为为目标标，则则应使使用1.35kmol/hr的水，，物流流9中氢气气的摩摩尔分分数达达到97.05%，反应应进料料中含含1%的水。。苯乙烯烯的生生产——精馏塔塔的严严格法法计算算1.精馏塔塔的简简捷设设计进水量量改为为1.35kmol/hr，计算算出精精馏塔塔J的进料料物流流的参参数，，并将将其作作为精精馏塔塔J的进料料条件件。精馏塔塔J简捷设设计，，采用用模块块库中中Columns∣∣DSTWU模块。。模拟结结果为为全塔塔理论论板数数62块，进进料位位置为为第33块板，，回流流比为为4.21，塔顶顶流率率为81.03kmol/hr。苯乙烯的的生产——精馏塔的的严格法法计算2.精馏塔的的严格计计算J采用Columns∣RadFrac模块；灵敏度分分析——考察回流流比对苯苯乙烯纯纯度的影影响，得得到较高高纯度的的苯乙烯烯灵敏度分分析结果果图中S12XS为物流12中苯乙烯烯的摩尔尔分数选取回流比为为9，苯乙烯烯纯度达达到98.59%苯乙烯的的生产———完整整流程图图严格模块块整合，，流程未未收敛控制面板板显示运行行错误模模块苯乙烯的的生产——收敛1.选择撕裂裂物流在Streams∣8∣Input∣Specifications页面输入初值值选择撕裂裂物流（8）输入撕裂裂物流（（8）初值选择物流流8为撕裂物物流苯乙烯的的生产——收敛2.设置计算算顺序在Convergence∣Sequence∣SQ-1∣Specifications页面面，定义义新的计计算顺序序定义收敛敛顺序苯乙烯的的生产——查看结果果重新运行行模拟，，模拟收收敛，在在Results对象下查查看结果果查看产品物流（12）结果9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨雨中中黄黄叶叶树树，，灯灯下下白白头头人人。。。。13:08:2213:08:2213:0812/29/20221:08:22PM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2213:08:2213:08Dec-2229-Dec-2212、故人江江海别，，几度隔隔山川。。。13:08:2213:08:2213:08Thursday,December29,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2213:08:2213:08:22December29,202214、他他乡乡生生白白发发，，旧旧国国见见青青山山。。。。29十十二二月月20221:08:22下下午午13:08:2212月月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月221:08下下午午12月月-2213:08December29,202216、行动出成果果，工作出财财富。。2022/12/2913:08:2213:08:2229December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。1:08:22下下午1:08下下午13:08:2212月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事情努努力了未必有有结果，但是是不努力却什什么改变也没没有。。13:08:2313:08:2313:0812/29/20221:08:23PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2213:08:2313:08Dec-2229-Dec-2212、世世间间成成事事，，不不求求其其绝绝对对圆圆满满，，留留一一份份不不足足，，可可得得无无限限完完美美。。。。13:08:2313:08:2313:08Thursday,December29,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2213:08:2313:08:23December29,202214、意意志志坚坚强强的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥块块一一样样任任意意揉揉捏捏。。29十十二二月月20221:08:23下下午午13:08:2312月月-2215、楚塞塞三湘湘接，，荆门门九派派通。。。。十二月月221:08下下午午12月月-2213:08December29,202216、少少年年十十五五二二十十时时，，步步行行夺夺得得胡胡马马骑骑。。。。2022/12/2913:08:2313:08:2329December202217、空山新新雨后，，天