带循环物流的流程模拟收敛技巧

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,*,页,第八章,ASPEN PLUS,应用,第四节 换热器计算,计算机与化工研究所,李玉刚,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,ASPEN PLUS,与化工过程模拟,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,2.58,1,21,块，,进料位置,2.55,13,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,演示二,、一股物料用循环水冷却，热负荷,74352kcal/h,，循环水温度,2838,，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,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,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,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,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,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（,5003000,），计算器中求,C7,流量，利用设计规定达到设计要求。,（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,循环回路的种类,独立循环回路,(Independent Loop),嵌套循环回路,(Nested Loop),交叉循环回路,(Interconnected Loop),（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。,主流程处理顺序,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),。,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,Recycle Sream Guessed,Calculation Sequence,R1,U1,，,(U2,，,U3,，,U4,，,U5),，,U6,S3,U1,，,(U3,，,U4,，,U5,，,U2),，,U6,S4,U1,，,(U4,，,U5,，,U2,，,U3),，,U6,S6,U1,，,(U5,，,U2,，,U3,，,U4),，,U6,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,（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,（四）化工流程模拟的迭代解法,非线性方程组：,循环回路的迭代方法,直接迭代,(,连续置换法,),加速迭代,Weg,s,tein,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）,收敛演示一,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-330PSI,REACT:,计量反应器（,stoichiometry,）,P-(-15PSI),T-400F,反应：,3H2+BENZENE-C6H12-1,转化率：苯,0.998,HP-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,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),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。,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。,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。,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,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,(shortcut),严格算法,(Distillation),