第八講帶循環(huán)物流的流程模擬收斂技巧

1、第八講 帶循環(huán)物流的流程模擬收斂技巧8.1設計規(guī)定（Design Specification）設計規(guī)定就是變化（調(diào)節(jié)）變量X，使得某一參數(shù)或變量Y達到一個設定值。特點：成對出現(xiàn)模塊或流程收斂后再加如不收斂，首先檢查X上下界不是任意參數(shù)都能做X一、模塊中的設計規(guī)定演示一：演示一：已知填料塔的填料總高度已知填料塔的填料總高度8m，進料以上，進料以上5m，填料為，填料為Mellapak250Y，分離含苯，分離含苯44 wt甲苯混和物，常壓泡點進料。甲苯混和物，常壓泡點進料。進料量進料量5000kg/h，常壓操作。問塔頂、底組成要求達到，常壓操作。問塔頂、底組成要求達到98%wt、99%，回流量？采出

2、量？，回流量？采出量？分析：分析：確定理論板數(shù)，查手冊：確定理論板數(shù)，查手冊：2.5塊塊/m,共共2.58121塊，塊，進料位置進料位置2.5513塊塊 需要需要兩個設計規(guī)定兩個設計規(guī)定（Spec） ，回流量塔頂組成、采出量，回流量塔頂組成、采出量塔底組成。塔底組成。X、Y不在同一模塊中二、流程中的設計規(guī)定l演示二演示二、一股物料用循環(huán)水冷卻，熱負荷、一股物料用循環(huán)水冷卻，熱負荷74352kcal/h，循環(huán)水溫度循環(huán)水溫度2838，求循環(huán)水流量。，求循環(huán)水流量。學習流程中學習流程中spec的用法的用法循環(huán)水流量循環(huán)水流量7000kg/hl設計規(guī)定求流量設計規(guī)定求流量 X:進水流量，進水流量，Y

3、水出口溫度水出口溫度lY只能選取模塊中輸入的參數(shù)（只能選取模塊中輸入的參數(shù)（本例中，模塊輸入的是壓力、熱本例中，模塊輸入的是壓力、熱負荷，但需要控制的是溫度，因此，只能以出口物流溫度為負荷，但需要控制的是溫度，因此，只能以出口物流溫度為Y）例1-2.exe8.2靈敏度分析（Sensitivity）靈敏度分析就是變化（調(diào)節(jié)）變量X，得到相應另一個參數(shù)或變量Y的值，從而得到一條X-Y對應曲線。特點：不一定成對出現(xiàn)x-y1,y2,y3,.模塊或流程收斂后再加如不收斂，首先檢查X上下界不是任意參數(shù)都能做Xl演示一：演示一： 分離含苯分離含苯44 wt甲苯混和物，常壓泡點進甲苯混和物，常壓泡點進料。進料

4、量料。進料量5000kg/h，塔頂苯收率，塔頂苯收率98%，純度不小于，純度不小于98%。采用回流量采用回流量4000kg/h理論板數(shù)取理論板數(shù)取19l確定進料位置？確定進料位置？l練習一練習一：進料流量由：進料流量由5000變化到變化到10000，塔內(nèi)液泛因子，塔內(nèi)液泛因子、壓降的變化。、壓降的變化。Y:PR-FLD-FAC,PR-DPSEC例2-3.exe8.3計算器（Calculator）根據(jù)變量X的變化，按照一定的規(guī)則為變量Y賦值。常用在物料補充、損耗。特點：作為一個模塊，需要給定計算順序常常用在有循環(huán)物流情況，幫助收斂補充或損耗、限制某參數(shù)l演示一：演示一： 100kg/hC4進一個

5、閃蒸罐之前，需要與進一個閃蒸罐之前，需要與C3按按2:1的重量比混合，閃蒸后氣相循環(huán)利用。閃蒸條件的重量比混合，閃蒸后氣相循環(huán)利用。閃蒸條件20C，4.1atm，求需要補充，求需要補充C3的量。的量。l練習一練習一：若規(guī)定：若規(guī)定C4與與C3的比例為的比例為3:2，求需要補充，求需要補充C3的的量。量。例2-3.exel演示二：演示二： 分離含苯分離含苯44 wt甲苯混和物，常壓泡點進料甲苯混和物，常壓泡點進料。進料量。進料量5000kg/h，塔頂苯收率，塔頂苯收率98%，純度不小于，純度不小于98%。進料流量不變，甲苯組成由。進料流量不變，甲苯組成由10%60%，求回流量變，求回流量變化?；?/p>

6、。l分析：分析：l1）設計規(guī)定、靈敏度分析、計算器同時應用。）設計規(guī)定、靈敏度分析、計算器同時應用。l2）靈敏度中改變）靈敏度中改變C6流量（流量（5003000），計算器中求），計算器中求C7流量，利用設計規(guī)定達到設計要求。流量，利用設計規(guī)定達到設計要求。大多數(shù)化工流程模擬都存在循環(huán)回路，大多數(shù)化工流程模擬都存在循環(huán)回路，存在兩種循環(huán)：存在兩種循環(huán)：l組分循環(huán)（循環(huán)質(zhì)量和能量）組分循環(huán)（循環(huán)質(zhì)量和能量）l熱量循環(huán)（僅僅循環(huán)能量）熱量循環(huán)（僅僅循環(huán)能量）8.4計算順序與循環(huán)流PurgeCompositional RecycleProductFeedThermal Recyclel獨立循環(huán)回路獨

7、立循環(huán)回路(Independent Loop)l嵌套循環(huán)回路嵌套循環(huán)回路(Nested Loop)l交叉循環(huán)回路交叉循環(huán)回路(Interconnected Loop)U 1U 6U 7U 4U 5U 3U 2S 1S 2S 3S 4S 5S 6S 7S 8S 9R 1R 2U 1U 6U 7U 4U 5U 3U 2S1S2S3S4S5S6S7S8S9R 1R 2U 1U 6U 7U 4U 5U 3U 2S 1S 2S 3S 4S 5S 6S 7S 8S 9R 1R 2l序貫模塊法序貫模塊法l聯(lián)立方程法聯(lián)立方程法l聯(lián)立模塊法聯(lián)立模塊法l在大多數(shù)過程模擬軟件中在大多數(shù)過程模擬軟件中( (包括包括A

8、SPENASPEN、ProII)ProII)，某一時間只計算某一時間只計算( (模擬模擬) )一個單元一個單元( (采用序貫模塊法采用序貫模塊法) )，單元和物流計算的先后次序稱為計算順序。，單元和物流計算的先后次序稱為計算順序。 計算的順序是自動按照模擬流程的信息流的順序計算的順序是自動按照模擬流程的信息流的順序進行計算的進行計算的, ,而信息流取決于化工過程的規(guī)定。通而信息流取決于化工過程的規(guī)定。通常，過程原料物流的變量是指定的常，過程原料物流的變量是指定的, ,信息流與物料信息流與物料流平行。流平行。 l從原料物流從原料物流(Feed streams)到產(chǎn)物物流到產(chǎn)物物流(Product

9、 streams)的流程順序，稱為主流程處理順序的流程順序，稱為主流程處理順序(Main Flow Processing Sequence) 。U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1l計算順序必須包括所有的流程單元計算順序必須包括所有的流程單元l計算順序無須和主流程順序相同，給定不同物流的初始計算順序無須和主流程順序相同，給定不同物流的初始假設值可選擇不同的計算順序，有時候可加速計算的收假設值可選擇不同的計算順序，有時候可加速計算的收斂速度斂速度 U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6

10、U1，(U3，U4，U5 ，U2)，U6U1，(U4，U5 ，U2，U3)，U6U1，(U5 ，U2，U3，U4)，U6l在默認狀態(tài)下，在默認狀態(tài)下，ASPEN總是取切斷物流數(shù)總是取切斷物流數(shù)為最小時的計算順序為最小時的計算順序l最小切斷物流數(shù)時的計算順序并不一定是最小切斷物流數(shù)時的計算順序并不一定是最佳的計算順序最佳的計算順序 l為循環(huán)物流提供合適的初始值為循環(huán)物流提供合適的初始值l選擇合適的單元計算順序選擇合適的單元計算順序l選擇合適的加速收斂方法選擇合適的加速收斂方法l組合單元，對它們同時求解組合單元，對它們同時求解（四）化工流程模擬的迭代解法l非線性方程組：非線性方程組：0, 0,0,

11、21212211nnnnxxxfxxxfxxxf，l直接迭代直接迭代 (連續(xù)置換法連續(xù)置換法 )l加速迭代加速迭代 Wegstein收斂法收斂法 Broyden的擬的擬-牛頓法牛頓法 對于高度非線性系統(tǒng)，連續(xù)置換法和對于高度非線性系統(tǒng)，連續(xù)置換法和Wegstein法法可能失敗或效率非常低，也可采用各種更復雜的可能失敗或效率非常低，也可采用各種更復雜的方法（包括牛頓拉夫森法，主本征值法）方法（包括牛頓拉夫森法，主本征值法）苯加氫制環(huán)己烷，組分，熱力學方法，流程如下進料：H2IN、BZIN如下模塊參數(shù)如下：FEED-MEX:T-300F,P-330PSIREACT:計量反應器（stoichiome

12、try）P-(-15PSI),T-400F 反應：3H2+BENZENE-C6H12-1 轉化率：苯0.998HP-SEP:T-120F,P-(-5PSI)VFLOW:LFLOW:COLUMN:12塊板，8板進料，壓力200psi，冷凝器為分凝器，回流比1.2（mole），調(diào)節(jié)塔底出料量初值99lbmol/hr,調(diào)節(jié)塔底出料量使產(chǎn)品（PRODUCT）收率0.9999缺省：斷RXIN,收斂順序（View-control panel)如下：自定義：斷H2RCY,CHRCY步驟：1）增加收斂模塊C-1，輸入斷裂流2）輸入計算順序增加設計規(guī)定，用VFLOW參數(shù)調(diào)節(jié)PURGE中H2濃度0.76缺?。簩

13、nside-Outside:自己定義計算順序：1）增加收斂模塊2）增加設計規(guī)定收斂模塊3）定義計算順序分離乙腈-甲苯混合物，加入二甲苯精餾，組分，流程如下：熱力學方法為（NRTL-RK)進料：XYL進料：A進料：B-AND-C模塊參數(shù)如下：COLUMN-1:40塊板， XYL 27板進料， B-AND-C 37板進料，壓力0.1atm,壓降0.4atm，冷凝器為全凝，回流比6（mole），塔頂出料量150.15kg/hr；COLUMN-2:40塊板， FEED-2 15板進料， A 15板進料，壓力1atm,忽略壓降，冷凝器為全凝，回流比6（mole），塔頂出料量362.9kg/hr；COLU

14、MN-3:5塊板， 4板進料，壓力1atm,忽略壓降，冷凝器為全凝，回流比0.1（mole），塔頂出料量422.5kg/hr；1）將循環(huán)recycle直接連接到column-1上，顯然不收斂。2）增加補充物流makeup，增加calculator，根據(jù)循環(huán)流中二甲苯量補充，使補充后的總二甲苯量450kg/h。Column-1可能不收斂！因為進料變化，采出不變。3）為column-1增加設計規(guī)定，調(diào)整采出量，使產(chǎn)品純度為定值。結果表明：比較容易收斂。分離異丙醇-水混合物，加入苯共沸精餾，組分，流程如下：熱力學方法為（UNIQUAC)。加入的苯量為進料一定。進料：FEED進料：MAKEUP8.5

15、流程模擬計算的注意要點1 1）物料）物料流程的正確描述流程的正確描述 對物料流程圖中的單元設備能用合適的單元模塊進行描述。對物料流程圖中的單元設備能用合適的單元模塊進行描述。E-1E-2多段固定床反應器F1F2S1S2S3S4S5Stream NameStream DescriptionPhaseTemperaturePressureFlowrateComposition HYDROGEN ETHYLENE PROPANE BUTANE PENTANECATMKG-MOL/HRS1Mixed25.00016.000100.0000.0020.3200.1600.4600.058S2Vapor2

16、0.00016.000623.3850.0110.7980.0810.1020.007S3Liquid20.00016.00019.6600.0000.2310.1410.5220.106S4Vapor-10.00010.000555.9040.0130.8660.0690.0510.001S5Liquid-10.00010.00067.4800.0000.2400.1850.5200.0552)選擇適當?shù)脑O計變量選擇適當?shù)脑O計變量 一個功能強大的流程模擬系統(tǒng)，其單元模塊都有超過一個功能強大的流程模擬系統(tǒng)，其單元模塊都有超過自由度數(shù)目的設計變量種類可供選擇。應根據(jù)過程特性自由度數(shù)目的設計變量種

17、類可供選擇。應根據(jù)過程特性分析，用過程最重要或必須滿足的參數(shù)作為設計變量，分析，用過程最重要或必須滿足的參數(shù)作為設計變量，若幾個參數(shù)的重要性相當，則應選擇較易估算的參數(shù)作若幾個參數(shù)的重要性相當，則應選擇較易估算的參數(shù)作為設計變量。為設計變量。3)設計變量數(shù)目的決定 自由決定的設計變量的值可能不滿足設計要求，應該對過程特性有深刻的認識和分析，進行必要的手算或局部的計算機計算，以保證全流程的順利運算，減少不必要的機時浪費，這對有循環(huán)物流的過程尤其重要。例：精餾塔塔頂氣相出料例：精餾塔塔頂氣相出料V14)逐步擴大流程計算的范圍逐步擴大流程計算的范圍 一般一般的化工過程流程復雜，單元操作眾多，一次性完成計的化工過程流程復雜，單元操作眾多，一次性完成計算常有困難