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(shè)計(jì)規(guī)定（Design Specification）設(shè)計(jì)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(dá)到一個(gè)設(shè)定值。特點(diǎn)：成對(duì)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(shè)計(jì)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(jìn)料以上，進(jìn)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(diǎn)進(jìn)料。甲苯混和物，常壓泡點(diǎn)進(jìn)料。進(jìn)料量進(jìn)料量5000kg/h，常壓操作。問(wèn)塔頂、底組成要求達(dá)到，常壓操作。問(wèn)塔頂、底組成要求達(dá)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(cè)：確定理論板數(shù)，查手冊(cè)：2.5塊塊/m,共共2.58121塊，塊，進(jìn)料位置進(jìn)料位置2.5513塊塊 需要需要兩個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)定兩個(gè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)定l演示二演示二、一股物料用循環(huán)水冷卻，熱負(fù)荷、一股物料用循環(huán)水冷卻，熱負(fù)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(xué)習(xí)流程中學(xué)習(xí)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(shè)計(jì)規(guī)定求流量設(shè)計(jì)規(guī)定求流量 X:進(jìn)水流量，進(jìn)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(fù)荷，但需要控制的是溫度，因此，只能以出口物流溫度為負(fù)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(yīng)另一個(gè)參數(shù)或變量Y的值，從而得到一條X-Y對(duì)應(yīng)曲線。特點(diǎn)：不一定成對(duì)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(diǎn)進(jìn)甲苯混和物，常壓泡點(diǎn)進(jìn)料。進(jìn)料

4、量料。進(jìn)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(jìn)料位置？確定進(jìn)料位置？l練習(xí)一練習(xí)一：進(jìn)料流量由：進(jìn)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(jì)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(bǔ)充、損耗。特點(diǎn)：作為一個(gè)模塊，需要給定計(jì)算順序常常用在有循環(huán)物流情況，幫助收斂補(bǔ)充或損耗、限制某參數(shù)l演示一：演示一： 100kg/hC4進(jìn)一個(gè)

5、閃蒸罐之前，需要與進(jìn)一個(gè)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(bǔ)充，求需要補(bǔ)充C3的量。的量。l練習(xí)一練習(xí)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(bǔ)充，求需要補(bǔ)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(diǎn)進(jìn)料甲苯混和物，常壓泡點(diǎn)進(jìn)料。進(jìn)料量。進(jìn)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(jìn)料流量不變，甲苯組成由。進(jìn)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(shè)計(jì)規(guī)定、靈敏度分析、計(jì)算器同時(shí)應(yīng)用。）設(shè)計(jì)規(guī)定、靈敏度分析、計(jì)算器同時(shí)應(yīng)用。l2）靈敏度中改變）靈敏度中改變C6流量（流量（5003000），計(jì)算器中求），計(jì)算器中求C7流量，利用設(shè)計(jì)規(guī)定達(dá)到設(shè)計(jì)要求。流量，利用設(shè)計(jì)規(guī)定達(dá)到設(shè)計(jì)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(jì)算順序與循環(huán)流PurgeCompositional RecycleProductFeedThermal Recyclel獨(dú)立循環(huán)回路獨(dú)

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?zāi)K法序貫?zāi)K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(guò)程模擬軟件中在大多數(shù)過(guò)程模擬軟件中( (包括包括A

8、SPENASPEN、ProII)ProII)，某一時(shí)間只計(jì)算某一時(shí)間只計(jì)算( (模擬模擬) )一個(gè)單元一個(gè)單元( (采用序貫?zāi)K法采用序貫?zāi)K法) )，單元和物流計(jì)算的先后次序稱(chēng)為計(jì)算順序。，單元和物流計(jì)算的先后次序稱(chēng)為計(jì)算順序。 計(jì)算的順序是自動(dòng)按照模擬流程的信息流的順序計(jì)算的順序是自動(dòng)按照模擬流程的信息流的順序進(jìn)行計(jì)算的進(jìn)行計(jì)算的, ,而信息流取決于化工過(guò)程的規(guī)定。通而信息流取決于化工過(guò)程的規(guī)定。通常，過(guò)程原料物流的變量是指定的常，過(guò)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(chēng)為主流程處理順序的流程順序，稱(chēng)為主流程處理順序(Main Flow Processing Sequence) 。U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1l計(jì)算順序必須包括所有的流程單元計(jì)算順序必須包括所有的流程單元l計(jì)算順序無(wú)須和主流程順序相同，給定不同物流的初始計(jì)算順序無(wú)須和主流程順序相同，給定不同物流的初始假設(shè)值可選擇不同的計(jì)算順序，有時(shí)候可加速計(jì)算的收假設(shè)值可選擇不同的計(jì)算順序，有時(shí)候可加速計(jì)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(rèn)狀態(tài)下，在默認(rèn)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(shí)的計(jì)算順序?yàn)樽钚r(shí)的計(jì)算順序l最小切斷物流數(shù)時(shí)的計(jì)算順序并不一定是最小切斷物流數(shù)時(shí)的計(jì)算順序并不一定是最佳的計(jì)算順序最佳的計(jì)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(jì)算順序選擇合適的單元計(jì)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(duì)它們同時(shí)求解組合單元，對(duì)它們同時(shí)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(duì)于高度非線性系統(tǒng)，連續(xù)置換法和對(duì)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(fù)雜的可能失敗或效率非常低，也可采用各種更復(fù)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(xué)方法，流程如下進(jìn)料：H2IN、BZIN如下模塊參數(shù)如下：FEED-MEX:T-300F,P-330PSIREACT:計(jì)量反應(yīng)器（stoichiome

12、try）P-(-15PSI),T-400F 反應(yīng)：3H2+BENZENE-C6H12-1 轉(zhuǎn)化率：苯0.998HP-SEP:T-120F,P-(-5PSI)VFLOW:LFLOW:COLUMN:12塊板，8板進(jìn)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?。簲郣XIN,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(jì)算順序增加設(shè)計(jì)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(jì)算順序：1）增加收斂模塊2）增加設(shè)計(jì)規(guī)定收斂模塊3）定義計(jì)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(xué)方法為（NRTL-RK)進(jìn)料：XYL進(jìn)料：A進(jìn)料：B-AND-C模塊參數(shù)如下：COLUMN-1:40塊板， XYL 27板進(jìn)料， B-AND-C 37板進(jìn)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(jìn)料， A 15板進(jìn)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(jìn)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(bǔ)充物流makeup，增加calculator，根據(jù)循環(huán)流中二甲苯量補(bǔ)充，使補(bǔ)充后的總二甲苯量450kg/h。Column-1可能不收斂！因?yàn)檫M(jìn)料變化，采出不變。3）為column-1增加設(shè)計(jì)規(guī)定，調(diào)整采出量，使產(chǎn)品純度為定值。結(jié)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(xué)方法為（UNIQUAC)。加入的苯量為進(jìn)料一定。進(jìn)料：FEED進(jìn)料：MAKEUP8.5

15、流程模擬計(jì)算的注意要點(diǎn)1 1）物料）物料流程的正確描述流程的正確描述 對(duì)物料流程圖中的單元設(shè)備能用合適的單元模塊進(jìn)行描述。對(duì)物料流程圖中的單元設(shè)備能用合適的單元模塊進(jìn)行描述。E-1E-2多段固定床反應(yīng)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(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)變量選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)變量 一個(gè)功能強(qiáng)大的流程模擬系統(tǒng)，其單元模塊都有超過(guò)一個(gè)功能強(qiáng)大的流程模擬系統(tǒng)，其單元模塊都有超過(guò)自由度數(shù)目的設(shè)計(jì)變量種類(lèi)可供選擇。應(yīng)根據(jù)過(guò)程特性自由度數(shù)目的設(shè)計(jì)變量種

17、類(lèi)可供選擇。應(yīng)根據(jù)過(guò)程特性分析，用過(guò)程最重要或必須滿(mǎn)足的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，分析，用過(guò)程最重要或必須滿(mǎn)足的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，若幾個(gè)參數(shù)的重要性相當(dāng)，則應(yīng)選擇較易估算的參數(shù)作若幾個(gè)參數(shù)的重要性相當(dāng)，則應(yīng)選擇較易估算的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。為設(shè)計(jì)變量。3)設(shè)計(jì)變量數(shù)目的決定 自由決定的設(shè)計(jì)變量的值可能不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該對(duì)過(guò)程特性有深刻的認(rèn)識(shí)和分析，進(jìn)行必要的手算或局部的計(jì)算機(jī)計(jì)算，以保證全流程的順利運(yùn)算，減少不必要的機(jī)時(shí)浪費(fèi)，這對(duì)有循環(huán)物流的過(guò)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(kuò)大流程計(jì)算的范圍逐步擴(kuò)大流程計(jì)算的范圍 一般一般的化工過(guò)程流程復(fù)雜，單元操作眾多，一次性完成計(jì)的化工過(guò)程流程復(fù)雜，單元操作眾多，一次性完成計(jì)算常有困難