第八讲带循环物流的流程模拟收敛技巧

第八讲带循环物流的流程模拟收敛技巧第一页，共三十九页，2022年，8月28日8.1设计规定（DesignSpecification）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第二页，共三十九页，2022年，8月28日一、模块中的设计规定演示一：已知填料塔的填料总高度8m，进料以上5m，填料为Mellapak250Y，分离含苯44％wt甲苯混和物，常压泡点进料。进料量5000kg/h，常压操作。问塔顶、底组成要求达到98%wt、99%，回流量？采出量？分析：确定理论板数，查手册：2.5块/m,共2.5×8＋1＝21块，进料位置2.5×5＝13块需要两个设计规定（Spec），回流量－塔顶组成、采出量－塔底组成。第三页，共三十九页，2022年，8月28日X、Y不在同一模块中二、流程中的设计规定第四页，共三十九页，2022年，8月28日演示二、一股物料用循环水冷却，热负荷74352kcal/h，循环水温度28℃~38℃，求循环水流量。学习流程中spec的用法循环水流量7000kg/h设计规定求流量X:进水流量，Y水出口温度Y只能选取模块中输入的参数（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Y）例1-2.exe第五页，共三十九页，2022年，8月28日8.2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X第六页，共三十九页，2022年，8月28日演示一：分离含苯44％wt甲苯混和物，常压泡点进料。进料量5000kg/h，塔顶苯收率98%，纯度不小于98%。采用回流量4000kg/h理论板数取19确定进料位置？练习一：进料流量由5000变化到10000，塔内液泛因子、压降的变化。Y:PR-FLD-FAC,PR-DPSEC例2-3.exe第七页，共三十九页，2022年，8月28日8.3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、限制某参数第八页，共三十九页，2022年，8月28日演示一：100kg/hC4进一个闪蒸罐之前，需要与C3按2:1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C3的量。练习一：若规定C4与C3的比例为3:2，求需要补充C3的量。例2-3.exe第九页，共三十九页，2022年，8月28日演示二：分离含苯44％wt甲苯混和物，常压泡点进料。进料量5000kg/h，塔顶苯收率98%，纯度不小于98%。进料流量不变，甲苯组成由10%~60%，求回流量变化。分析：1）设计规定、灵敏度分析、计算器同时应用。2）灵敏度中改变C6流量（500~3000），计算器中求C7流量，利用设计规定达到设计要求。第十页，共三十九页，2022年，8月28日第十一页，共三十九页，2022年，8月28日（一）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）8.4计算顺序与循环流第十二页，共三十九页，2022年，8月28日循环回路的种类独立循环回路(IndependentLoop)嵌套循环回路(NestedLoop)交叉循环回路(InterconnectedLoop)第十三页，共三十九页，2022年，8月28日（二）计算顺序

序贯模块法联立方程法联立模块法在大多数过程模拟软件中(包括ASPEN、ProII)，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。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,信息流与物料流平行。

第十四页，共三十九页，2022年，8月28日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

第十五页，共三十九页，2022年，8月28日RecycleSreamGuessedCalculationSequenceR1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6S3U1，(U3，U4，U5，U2)，U6S4U1，(U4，U5，U2，U3)，U6S6U1，(U5，U2，U3，U4)，U6第十六页，共三十九页，2022年，8月28日切断物流与计算顺序的关系在默认状态下，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

第十七页，共三十九页，2022年，8月28日（三）循环回路流程模拟的解决方法为循环物流提供合适的初始值选择合适的单元计算顺序选择合适的加速收敛方法组合单元，对它们同时求解第十八页，共三十九页，2022年，8月28日（四）化工流程模拟的迭代解法非线性方程组：第十九页，共三十九页，2022年，8月28日循环回路的迭代方法直接迭代(连续置换法)加速迭代

Wegstein收敛法

Broyden的拟-牛顿法对于高度非线性系统，连续置换法和Wegstein法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）第二十页，共三十九页，2022年，8月28日收敛演示一苯加氢制环己烷，组分，热力学方法，流程如下第二十一页，共三十九页，2022年，8月28日进料：H2IN、BZIN如下第二十二页，共三十九页，2022年，8月28日模块参数如下：FEED-MEX:T-300F,P-330PSIREACT:计量反应器（stoichiometry）P-(-15PSI),T-400F

反应：3H2+BENZENE->C6H12-1

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第二十三页，共三十九页，2022年，8月28日缺省：断RXIN,收敛顺序（View-controlpanel)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）输入计算顺序第二十四页，共三十九页，2022年，8月28日增加设计规定，用VFLOW参数调节PURGE中H2浓度0.76缺省：将inside--》Outside:第二十五页，共三十九页，2022年，8月28日自己定义计算顺序：1）增加收敛模块2）增加设计规定收敛模块3）定义计算顺序第二十六页，共三十九页，2022年，8月28日收敛演示二分离乙腈-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)第二十七页，共三十九页，2022年，8月28日进料：XYL进料：A进料：B-AND-C第二十八页，共三十九页，2022年，8月28日模块参数如下：COLUMN-1:40块板，XYL27板进料，B-AND-C37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-215板进料，A15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（mole），塔顶出料量422.5kg/hr；第二十九页，共三十九页，2022年，8月28日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。第三十页，共三十九页，2022年，8月28日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。第三十一页，共三十九页，2022年，8月28日收敛演示三分离异丙醇-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。第三十二页，共三十九页，2022年，8月28日进料：FEED进料：MAKEUP第三十三页，共三十九页，2022年，8月28日8.5流程模拟计算的注意要点1）物料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描述。第三十四页，共三十九页，2022年，8月28日第三十五页，共三十九页，2022年，8月28日2)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，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。第三十六页，共三十九页，2022年，8月28日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V1第三十七页，共三十九页，2022年，8月28日4)逐步扩大流程计算的范围一般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，可分割为单元模块较少的子流程进行计算，逐步推进，有利于解决大型流程的模拟问题5)有效地选择单元模块应在流程模拟的各个