第10章-工艺流程模拟--课件

第10章 工艺流程模拟1ppt课件课件目录10.1 带循环的工艺流程10.2 工艺流程模拟2ppt课件课件n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：l组分循环（循环质量和能量）l热量循环（仅仅循环能量）10.1 带循环的工艺流程模拟3ppt课件课件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)10.1带循环的工艺流程模拟循环回路的种类4ppt课件课件10.1带循环的工艺流程模拟化工流程模拟的计算方法l序贯模块法l联立方程法l联立模块法5ppt课件课件10.1带循环的工艺流程模拟n在在大大多多数数过过程程模模拟拟软软件件中中(包包括括ASPEN、PRO/II)，某某一一时时间间只只计计算算(模模拟拟)一一个个单单元元(采采用用序序贯贯模模块块法法)，单元和物流计算的先后次序称为，单元和物流计算的先后次序称为计算顺序计算顺序。n如如果果流流程程中中存存在在循循环环物物流流，则则需需在在包包含含循循环环物物流流的的流程段，迭代计算直至流程计算收敛。流程段，迭代计算直至流程计算收敛。n计计算算的的顺顺序序是是自自动动按按照照模模拟拟流流程程的的信信息息流流的的顺顺序序进进行行计计算算的的，而而信信息息流流取取决决于于化化工工过过程程的的规规定定。通通常常，过程原料物流的变量是指定的过程原料物流的变量是指定的。6ppt课件课件n主流程处理顺序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)。l 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10.1 带循环的工艺流程模拟7ppt课件课件Recycle Stream GuessedCalculation SequenceR1U1，(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8ppt课件课件n撕裂流l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l撕裂流与循环物流是相关的，但又与循环物流不一样l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l用户确定的撕裂流可在Convergence/Tear页面进行规定l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）l如果输入了“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9ppt课件课件n撕裂流举例10.1 带循环的工艺流程模拟10ppt课件课件l哪个是循环物流？10.1 带循环的工艺流程模拟l哪个可能是撕裂流？哪个可能是撕裂流？l哪个是最好的撕裂流选择？哪个是最好的撕裂流选择？S7S6S7和S6S2和S4S3S3（只需要一个撕裂流，而其它选择都是两个）（只需要一个撕裂流，而其它选择都是两个）撕裂流举例11ppt课件课件n撕裂流与计算顺序的关系l在默认状态下，Aspen总是取撕裂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10.1 带循环的工艺流程模拟12ppt课件课件10.1带循环的工艺流程模拟循环工艺流程13ppt课件课件10.1带循环的工艺流程模拟循环回路流程模拟的解决方法l1.为循环物流提供合适的初始值为循环物流提供合适的初始值l2.选择合适的单元计算顺序选择合适的单元计算顺序在在默默认认状状态态下下，ASPEN总总是是取取切切断断物物流流数数为为最最小小时时的的计计算顺序；算顺序；最最小小切切断断物物流流数数时时的的计计算算顺顺序序并并不不一一定定是是最最佳佳的的计计算算顺顺序。序。l3.增大迭代次数增大迭代次数l4.选择合适的加速收敛方法选择合适的加速收敛方法直接迭代法（直接迭代法（Direct）韦格斯坦法（韦格斯坦法（Wegstein）14ppt课件课件10.1带循环的工艺流程模拟l4.选择合适的加速收敛方法选择合适的加速收敛方法直直接接迭迭代代法法的的收收敛敛速速度度较较慢慢，特特别别是是当当迭迭代代矩矩阵阵的的最最大大特特征征值接近值接近1时；时；韦韦格格斯斯坦坦法法具具有有计计算算简简单单、所所需需存存储储量量少少等等优优点点，在在化化工工过过程模拟中应用广泛；程模拟中应用广泛；布布洛洛伊伊顿顿拟拟牛牛顿顿法法对对迭迭代代变变量量进进行行修修正正时时，考考虑虑了了变变量量间间的的交交互互作作用用，特特别别适适用用于于求求解解变变量量间间存存在在较较强强交交互互作作用用的的情情况况，并且在接近收敛值时，仍然具有很高的收敛速度；并且在接近收敛值时，仍然具有很高的收敛速度；牛顿法牛顿法收敛速度快，但计算量大。收敛速度快，但计算量大。布洛伊顿拟牛顿法（布洛伊顿拟牛顿法（Broyden）牛顿法（牛顿法（Newton）循环回路流程模拟的解决方法15ppt课件课件10.1带循环的工艺流程模拟增大迭代次数选择收敛方法16ppt课件课件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17ppt课件课件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0.1MPa，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。18ppt课件课件10.1带循环的工艺流程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图图10-1 共沸精馏分离乙醇和水流程图共沸精馏分离乙醇和水流程图表表10-1 过程工艺数据过程工艺数据19ppt课件课件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。n在在 Control Panel（控控 制制 面面 板板）中中 的的“Flowsheet Analysis（流流程程分分析析）”页页面面查查看看默认撕裂流为默认撕裂流为RECY-H2O、RECYCLE。20ppt课件课件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初初始始化化重重新新运运行行模模拟拟不不收收敛敛，原原因因可可能能是是Aspen Plus默默认的撕裂物流不恰当或是该流程不适合用韦格斯坦法。认的撕裂物流不恰当或是该流程不适合用韦格斯坦法。21ppt课件课件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）初初始始化化后后，重重新新运运行行模模拟拟，控控制制面面板板依依然然出出现现警警告告和和错错误，此时需要修改收敛算法。误，此时需要修改收敛算法。22ppt课件课件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 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。初始化后，重新运行模拟，控制面板显示结果可行。23ppt课件课件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1.00n结论结论模模拟拟带带有有循循环环的的工工艺艺过过程程时时，使使用用Aspen Plus默默认认的的撕撕裂裂物物流流和和收收敛敛方方法法可可能能不不收收敛敛，此此时时可可以以尝尝试试改改变变撕撕裂裂物物流流或或收收敛敛方方法法，使使流流程程收敛。收敛。24ppt课件课件工艺流程模拟经验总结10.2工艺流程模拟l1.将总流程划分为一系列子流程；将总流程划分为一系列子流程；l2.每个子流程使用准确的物性方法；每个子流程使用准确的物性方法；l3.模拟子流程时，首先只进行物料衡算；模拟子流程时，首先只进行物料衡算；l4.计计算算时时先先采采用用系系统统默默认认设设置置，如如收收敛敛算算法法采采用用默默认认的的韦韦格斯坦算法，一般此算法能解决多数问题；格斯坦算法，一般此算法能解决多数问题；l5.最初计算时使用简单的设计规定；最初计算时使用简单的设计规定；l6.随随着着流流程程的的建建立立，严严格格模模块块逐逐步步替替代代简简单单模模块块，并并进进行行能量衡算；能量衡算；l7.严严格格模模块块首首先先单单独独运运行行，模模块块参参数数以以简简单单模模块块计计算算结结果果为初值；为初值；25ppt课件课件10.2工艺流程模拟l8.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；l9.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；l10.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26ppt课件课件10.2工艺流程模拟示例：苯乙烯的生产乙乙苯苯催催化化脱脱氢氢生生产产苯苯乙乙烯烯的的简简化化工工艺艺流流程程图图如图如图10-2所示。所示。图图10-2 乙苯催化脱氢生产苯乙烯的简化工艺流程图乙苯催化脱氢生产苯乙烯的简化工艺流程图27ppt课件课件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.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%；28ppt课件课件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。29ppt课件课件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。组分组分i i组分组分j j苯乙烯苯乙烯苯乙烯苯乙烯乙苯乙苯乙苯乙苯水水水水温度单位温度单位AijAij0 00 00 0AjiAji0 00 00 0BijBij-239.3595-239.3595-889.45-889.45-968.37-968.37BjiBji173.3769173.3769-331.65-331.65-354.23-354.23温度下限温度下限909020202020温度上限温度上限10010040404040表表10 2 系统二元交互作用参数系统二元交互作用参数30ppt课件课件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模块块G和和H采采用用模模块块库库中中Separators Sep ICON1模模块，模块块，模块J采用模块库中采用模块库中Separators Sep2 ICON2模块模块输入模块（输入模块（G）参数）参数初初步步估估算算分分离离模模块块的的参参数数使使模模拟拟结结果果和和过过程程描描述述基基本本一致一致31ppt课件课件苯乙烯的生产简单模块流程输入模块（输入模块（H）参数）参数输入模块（输入模块（J）参数）参数分离单元均用简单分离器模块计算32ppt课件课件苯乙烯的生产简单模块流程查看物流结果查看物流结果分离单元均用简单分离器模块计算33ppt课件课件苯乙烯的生产物性参数lPropertiesParametersBinary 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修改二元交互作用参数l对对于于乙乙苯苯和和苯苯乙乙烯烯装装置置，可可选选择择用用于于高高压压烃烃的的状状态态方方 程程 和和 理理 想想 状状 态态 方方 程程（PENG-ROB、RK-SOAVE）或或液液体体活活度度系系数数方方法法（WILSON、NRTL、UNIQUAC）。由由于于本本例例 题题 含含 水水，所所 以以 选选 用用UNIQUAC热力学模型。热力学模型。34ppt课件课件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 Decanter H-DRUM模块查看物流结果查看物流结果35ppt课件课件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n两两相相闪闪蒸蒸器器G的的温温度度为为50 将将闪闪蒸蒸的的温温度度降降为为1536ppt课件课件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查看灵敏度分析结果H2PROD物物流流9中中氢氢的的摩尔分数；摩尔分数；ORGPRD物物流流12中中水水的摩尔流率，的摩尔流率，kmol/hr；FLOS6物物流流6的的摩摩尔尔流流率，率，kmol/hr；XH2OS6在在物物流流6中中水水的摩尔分数；的摩尔分数；XH2OS9物物流流9中中水水的的摩尔分数。摩尔分数。37ppt课件课件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。38ppt课件课件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进水水量量改改为为1.35kmol/hr，计计算算出出精精馏馏塔塔J的的进进料料物物流流的的参数，并将其作为精馏塔参数，并将其作为精馏塔J的进料条件。的进料条件。精精馏馏塔塔J简简捷捷设设计计，采采用用模模块块库库中中Columns DSTWU模模块。块。模模拟拟结结果果为为全全塔塔理理论论板板数数62块块，进进料料位位置置为为第第33块块板板，回回流流比比为为4.21，塔塔顶顶流流率率为为81.03kmol/hr。39ppt课件课件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采用采用Columns RadFrac模块；模块；灵灵敏敏度度分分析析考考察察回回流流比比对对苯苯乙乙烯烯纯纯度度的的影影响响，得得到到较高纯度的苯乙烯较高纯度的苯乙烯灵敏度分析结果灵敏度分析结果图图 中中 S12XS为为 物物 流流12中苯乙烯的摩尔分数中苯乙烯的摩尔分数选选取取回回流流比比为为9，苯苯乙烯纯度达到乙烯纯度达到98.59%40ppt课件课件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控制面板显示运行错误模块显示运行错误模块41ppt课件课件苯乙烯的生产收敛1.选择撕裂物流在在Streams 8 Input Specifications页面输入初值页面输入初值选择撕裂物流（选择撕裂物流（8）输入撕裂物流（输入撕裂物流（8）初值）初值选择物流选择物流8为撕裂物流为撕裂物流42ppt课件课件苯乙烯的生产收敛2.设置计算顺序在在Convergence Sequence SQ-1 Specifications页页面面，定义新的计算顺序定义新的计算顺序定义收敛顺序定义收敛顺序43ppt课件课件苯乙烯的生产查看结果重新运行模拟，模拟收敛，在Results对象下查看结果查看产品物流（查看产品物流（12）结果）结果44ppt课件课件