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 8.1设 计 规 定 （ Design Specification）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 ： 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 。 X、 Y不 在 同 一 模 块 中二 、 流 程 中 的 设 计 规 定 l 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/hl 设 计 规 定 求 流 量 X:进 水 流 量 ， Y水 出 口 温 度l 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 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 l 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 19l 确 定 进 料 位 置 ？l 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 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 l 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 。l 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 l 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 。l 分 析 ：l 1） 设 计 规 定 、 灵 敏 度 分 析 、 计 算 器 同 时 应 用 。l 2） 灵 敏 度 中 改 变 C6流 量 （ 5003000） ， 计 算 器 中 求 C7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 ，存 在 两 种 循 环 ：l 组 分 循 环 （ 循 环 质 量 和 能 量 ）l 热 量 循 环 （ 仅 仅 循 环 能 量 ）8.4计 算 顺 序 与 循 环 流Purge Compositional RecycleProductFeed Thermal Recycle l 独 立 循 环 回 路 (Independent Loop)l 嵌 套 循 环 回 路 (Nested Loop)l 交 叉 循 环 回 路 (Interconnected Loop)U 1 U 6 U 7U 4 U 5U 3U 2S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8S 9R 1 R 2 U 1 U 6 U 7U 4 U 5U 3U 2S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8S9R 1R 2 U 1 U 6 U 7U 4 U 5U 3U 2S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 S 7 S 8S 9R 1 R 2 l 序 贯 模 块 法l 联 立 方 程 法l 联 立 模 块 法l 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 。 l 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) 。U1 U6U7U4 U5U3U2S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8S9 S10R1l 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 U1 U6U7U4 U5U3U2S1 S2 S3 S4S5 S6 S7 S8S9 S10R1 U1， (U2， U3， U4， U5)， U6U1， (U3， U4， U5 ， U2)， U6U1， (U4， U5 ， U2， U3)， U6 U1， (U5 ， U2， U3， U4)， U6 l 在 默 认 状 态 下 ， ASPEN总 是 取 切 断 物 流 数为 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 佳 的 计 算 顺 序 l 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l 选 择 合 适 的 加 速 收 敛 方 法l 组 合 单 元 ， 对 它 们 同 时 求 解 （四）化工流程模拟的迭代解法l 非 线 性 方 程 组 ： 0, 0, 0, 21 212 211 nn nnxxxf xxxf xxxf ， l 直 接 迭 代 (连 续 置 换 法 )l 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 ） 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-C6H12-1 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（ mole） ， 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 ： MAKEUP 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 。 E-1 E-2 多段固定床反应器 F1 F2 S1 S2 S3 S4 S5 Stream NameStream Description Phase TemperaturePressure Flowrate Composition HYDROGEN ETHYLENE PROPANE BUTANE PENTANE CATM KG-MOL/HR S1 Mixed 25.00016.000 100.000 0.0020.320 0.1600.460 0.058 S2 Vapor 20.00016.000 623.385 0.0110.798 0.0810.102 0.007 S3 Liquid 20.00016.000 19.660 0.0000.231 0.1410.522 0.106 S4 Vapor -10.00010.000 555.904 0.0130.866 0.0690.051 0.001 S5 Liquid -10.00010.000 67.480 0.0000.240 0.1850.520 0.055 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 。 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 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 阶 段 ， 用 不 同 水 平 的 模 块 ， 由 简 到 繁 来模 拟 各 个 单 元 过 程 ， 以 得 到 合 理 的 决 策 变 量 的 设 定 值 ， 减 少 用 严格 模 型 进 行 全 流 程 计 算 的 时 间 。例 ： 精 馏 塔 的 简 捷 算 法 严 格 算 法