第八講帶循環(huán)物流的流程模擬收斂技巧課件

ASPENPLUS與化工過程模擬第八講帶循環(huán)物流的流程模擬收斂技巧ASPENPLUS與化工過程模擬第八講帶循環(huán)物流的流8.1設(shè)計規(guī)定（DesignSpecification）設(shè)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(dá)到一個設(shè)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X8.1設(shè)計規(guī)定（DesignSpecification）設(shè)一、模塊中的設(shè)計規(guī)定演示一：已知填料塔的填料總高度8m，進(jìn)料以上5m，填料為Mellapak250Y，分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點進(jìn)料。進(jìn)料量5000kg/h，常壓操作。問塔頂、底組成要求達(dá)到98%wt、99%，回流量？采出量？分析：確定理論板數(shù)，查手冊：2.5塊/m,共2.5×8＋1＝21塊，進(jìn)料位置2.5×5＝13塊需要兩個設(shè)計規(guī)定（Spec），回流量－塔頂組成、采出量－塔底組成。一、模塊中的設(shè)計規(guī)定演示一：已知填料塔的填料總高度8m，進(jìn)料X、Y不在同一模塊中二、流程中的設(shè)計規(guī)定X、Y不在同一模塊中二、流程中的設(shè)計規(guī)定演示二、一股物料用循環(huán)水冷卻，熱負(fù)荷74352kcal/h，循環(huán)水溫度28℃~38℃，求循環(huán)水流量。學(xué)習(xí)流程中spec的用法循環(huán)水流量7000kg/h設(shè)計規(guī)定求流量X:進(jìn)水流量，Y水出口溫度Y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.exe演示二、一股物料用循環(huán)水冷卻，熱負(fù)荷74352kcal/h，8.2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)另一個參數(shù)或變量Y的值，從而得到一條X-Y對應(yīng)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X8.2靈敏度分析（Sensitivity）靈敏度分析就是變化演示一：分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點進(jìn)料。進(jìn)料量5000kg/h，塔頂苯收率98%，純度不小于98%。采用回流量4000kg/h理論板數(shù)取19確定進(jìn)料位置？練習(xí)一：進(jìn)料流量由5000變化到10000，塔內(nèi)液泛因子、壓降的變化。Y:PR-FLD-FAC,PR-DPSEC例2-3.exe演示一：分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點進(jìn)料8.3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(bǔ)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(bǔ)充或損耗、限制某參數(shù)8.3計算器（Calculator）根據(jù)變量X的變化，按照一演示一：

100kg/hC4進(jìn)一個閃蒸罐之前，需要與C3按2:1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C3的量。練習(xí)一：若規(guī)定C4與C3的比例為3:2，求需要補(bǔ)充C3的量。例2-3.exe演示一：100kg/hC4進(jìn)一個閃蒸罐之前，需要與C3演示二：分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點進(jìn)料。進(jìn)料量5000kg/h，塔頂苯收率98%，純度不小于98%。進(jìn)料流量不變，甲苯組成由10%~60%，求回流量變化。分析：1）設(shè)計規(guī)定、靈敏度分析、計算器同時應(yīng)用。2）靈敏度中改變C6流量（500~3000），計算器中求C7流量，利用設(shè)計規(guī)定達(dá)到設(shè)計要求。演示二：分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點進(jìn)料。進(jìn)第八講帶循環(huán)物流的流程模擬收斂技巧（一）化工流程中的循環(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)：組分循環(huán)（循環(huán)質(zhì)量和能量）熱量循環(huán)（僅僅循環(huán)能量）8.4計算順序與循環(huán)流（一）化工流程中的循環(huán)回路大多數(shù)化工流程模擬都存在循環(huán)回路，循環(huán)回路的種類獨(dú)立循環(huán)回路(IndependentLoop)嵌套循環(huán)回路(NestedLoop)交叉循環(huán)回路(InterconnectedLoop)循環(huán)回路的種類獨(dú)立循環(huán)回路(IndependentLoop（二）計算順序

序貫?zāi)K法聯(lián)立方程法聯(lián)立模塊法在大多數(shù)過程模擬軟件中(包括ASPEN、ProII)，某一時間只計算(模擬)一個單元(采用序貫?zāi)K法)，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進(jìn)行計算的,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,信息流與物料流平行。

（二）計算順序序貫?zāi)K法主流程處理順序從原料物流(Feedstreams)到產(chǎn)物物流(Productstreams)的流程順序，稱為主流程處理順序(MainFlowProcessingSequence)。計算順序必須包括所有的流程單元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(shè)值可選擇不同的計算順序，有時候可加速計算的收斂速度

主流程處理順序從原料物流(Feedstreams)到產(chǎn)物物RecycleSreamGuessedCalculationSequenceR1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6S3U1，(U3，U4，U5，U2)，U6S4U1，(U4，U5，U2，U3)，U6S6U1，(U5，U2，U3，U4)，U6RecycleSreamGuessedCalculati切斷物流與計算順序的關(guān)系在默認(rèn)狀態(tài)下，ASPEN總是取切斷物流數(shù)為最小時的計算順序最小切斷物流數(shù)時的計算順序并不一定是最佳的計算順序

切斷物流與計算順序的關(guān)系在默認(rèn)狀態(tài)下，ASPEN總是取切斷物（三）循環(huán)回路流程模擬的解決方法為循環(huán)物流提供合適的初始值選擇合適的單元計算順序選擇合適的加速收斂方法組合單元，對它們同時求解（三）循環(huán)回路流程模擬的解決方法為循環(huán)物流提供合適的初始值（四）化工流程模擬的迭代解法非線性方程組：（四）化工流程模擬的迭代解法非線性方程組：循環(huán)回路的迭代方法直接迭代(連續(xù)置換法

)加速迭代

Wegstein收斂法

Broyden的擬-牛頓法對于高度非線性系統(tǒng)，連續(xù)置換法和Wegstein法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）循環(huán)回路的迭代方法直接迭代(連續(xù)置換法)收斂演示一苯加氫制環(huán)己烷，組分，熱力學(xué)方法，流程如下收斂演示一苯加氫制環(huán)己烷，組分，熱力學(xué)方法，流程如下進(jìn)料：H2IN、BZIN如下進(jìn)料：H2IN、BZIN如下模塊參數(shù)如下：FEED-MEX:T-300F,P-330PSIREACT:計量反應(yīng)器（stoichiometry）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模塊參數(shù)如下：缺?。簲郣XIN,收斂順序（View-controlpanel)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）輸入計算順序缺?。簲郣XIN,收斂順序（View-controlpan增加設(shè)計規(guī)定，用VFLOW參數(shù)調(diào)節(jié)PURGE中H2濃度0.76缺?。簩nside--》Outside:增加設(shè)計規(guī)定，用VFLOW參數(shù)調(diào)節(jié)PURGE中H2濃度0.7自己定義計算順序：1）增加收斂模塊2）增加設(shè)計規(guī)定收斂模塊3）定義計算順序自己定義計算順序：收斂演示二分離乙腈-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)收斂演示二分離乙腈-甲苯混合物，加入二甲苯精餾，組分，流程如進(jìn)料：XYL進(jìn)料：A進(jìn)料：B-AND-C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，XYL27板進(jìn)料，B-AND-C37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，F(xiàn)EED-215板進(jìn)料，A15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；COLUMN-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；模塊參數(shù)如下：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。1）將循環(huán)recycle直接連接到column-1上，顯然不Column-1可能不收斂！因為進(jìn)料變化，采出不變。3）為column-1增加設(shè)計規(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。Column-1可能不收斂！因為進(jìn)料變化，采出不變。收斂演示三分離異丙醇-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。收斂演示三分離異丙醇-水混合物，加入苯共沸精餾，組分，流程如進(jìn)料：FEED進(jìn)料：MAKEUP進(jìn)料：FEED進(jìn)料：MAKEUP8.5流程模擬計算的注意要點1）物料流程的正確描述對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。8.5流程模擬計算的注意要點1）物料流程的正確描述第八講帶循環(huán)物流的流程模擬收斂技巧2)選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量一個功能強(qiáng)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(shè)計變量種類可供選擇。應(yīng)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(shè)計變量，若幾個參數(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)計變量。2)選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量3)設(shè)計變量數(shù)目的決定自由決定的設(shè)計變量的值可能不滿足設(shè)計要求，應(yīng)該對過程特性有深刻的認(rèn)識和分析，進(jìn)行必要的手算或局部的計算機(jī)計算，以保證全流程的順利運(yùn)算，減少不必要的機(jī)時浪費(fèi)，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V13)設(shè)計變量數(shù)目的決定例：精餾塔塔頂氣相出料V14)逐步擴(kuò)大流程計算的范圍一般的化工過程流程復(fù)雜，單元操作眾多，一次性完成計算常有困難，可分割為單元模塊較少的子流程進(jìn)行計算，逐步推進(jìn)，有利于解決大型流程的模擬問題5)有效地選擇單元模塊應(yīng)在流程模擬的各個階段，用不同水平的模塊，由簡到繁來模擬各個單元過程，以得到合理的決策變量的設(shè)定值，減少用嚴(yán)格模型進(jìn)行全流程計算的時間。例：精餾塔的簡捷算法嚴(yán)格算法4)逐步擴(kuò)大流程計算的范圍5)有效地選擇單元模塊應(yīng)在流程模擬的各個階段，用不同水平的模塊，由簡到繁來模擬各個單元過程，以得到合理的決策變量的設(shè)定值，減少用嚴(yán)格模型進(jìn)行全流程計算的時間。例：精餾塔的簡捷算法(shortcut)嚴(yán)格算法(Distillation)5)有效地選擇單元模塊演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！ASPENPLUS與化工過程模擬第八講帶循環(huán)物流的流程模擬收斂技巧ASPENPLUS與化工過程模擬第八講帶循環(huán)物流的流8.1設(shè)計規(guī)定（DesignSpecification）設(shè)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(dá)到一個設(shè)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X8.1設(shè)計規(guī)定（DesignSpecification）設(shè)一、模塊中的設(shè)計規(guī)定演示一：已知填料塔的填料總高度8m，進(jìn)料以上5m，填料為Mellapak250Y，分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點進(jìn)料。進(jìn)料量5000kg/h，常壓操作。問塔頂、底組成要求達(dá)到98%wt、99%，回流量？采出量？分析：確定理論板數(shù)，查手冊：2.5塊/m,共2.5×8＋1＝21塊，進(jìn)料位置2.5×5＝13塊需要兩個設(shè)計規(guī)定（Spec），回流量－塔頂組成、采出量－塔底組成。一、模塊中的設(shè)計規(guī)定演示一：已知填料塔的填料總高度8m，進(jìn)料X、Y不在同一模塊中二、流程中的設(shè)計規(guī)定X、Y不在同一模塊中二、流程中的設(shè)計規(guī)定演示二、一股物料用循環(huán)水冷卻，熱負(fù)荷74352kcal/h，循環(huán)水溫度28℃~38℃，求循環(huán)水流量。學(xué)習(xí)流程中spec的用法循環(huán)水流量7000kg/h設(shè)計規(guī)定求流量X:進(jìn)水流量，Y水出口溫度Y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.exe演示二、一股物料用循環(huán)水冷卻，熱負(fù)荷74352kcal/h，8.2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)另一個參數(shù)或變量Y的值，從而得到一條X-Y對應(yīng)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X8.2靈敏度分析（Sensitivity）靈敏度分析就是變化演示一：分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點進(jìn)料。進(jìn)料量5000kg/h，塔頂苯收率98%，純度不小于98%。采用回流量4000kg/h理論板數(shù)取19確定進(jìn)料位置？練習(xí)一：進(jìn)料流量由5000變化到10000，塔內(nèi)液泛因子、壓降的變化。Y:PR-FLD-FAC,PR-DPSEC例2-3.exe演示一：分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點進(jìn)料8.3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(bǔ)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(bǔ)充或損耗、限制某參數(shù)8.3計算器（Calculator）根據(jù)變量X的變化，按照一演示一：

100kg/hC4進(jìn)一個閃蒸罐之前，需要與C3按2:1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C3的量。練習(xí)一：若規(guī)定C4與C3的比例為3:2，求需要補(bǔ)充C3的量。例2-3.exe演示一：100kg/hC4進(jìn)一個閃蒸罐之前，需要與C3演示二：分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點進(jìn)料。進(jìn)料量5000kg/h，塔頂苯收率98%，純度不小于98%。進(jìn)料流量不變，甲苯組成由10%~60%，求回流量變化。分析：1）設(shè)計規(guī)定、靈敏度分析、計算器同時應(yīng)用。2）靈敏度中改變C6流量（500~3000），計算器中求C7流量，利用設(shè)計規(guī)定達(dá)到設(shè)計要求。演示二：分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點進(jìn)料。進(jìn)第八講帶循環(huán)物流的流程模擬收斂技巧（一）化工流程中的循環(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)：組分循環(huán)（循環(huán)質(zhì)量和能量）熱量循環(huán)（僅僅循環(huán)能量）8.4計算順序與循環(huán)流（一）化工流程中的循環(huán)回路大多數(shù)化工流程模擬都存在循環(huán)回路，循環(huán)回路的種類獨(dú)立循環(huán)回路(IndependentLoop)嵌套循環(huán)回路(NestedLoop)交叉循環(huán)回路(InterconnectedLoop)循環(huán)回路的種類獨(dú)立循環(huán)回路(IndependentLoop（二）計算順序

序貫?zāi)K法聯(lián)立方程法聯(lián)立模塊法在大多數(shù)過程模擬軟件中(包括ASPEN、ProII)，某一時間只計算(模擬)一個單元(采用序貫?zāi)K法)，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進(jìn)行計算的,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,信息流與物料流平行。

（二）計算順序序貫?zāi)K法主流程處理順序從原料物流(Feedstreams)到產(chǎn)物物流(Productstreams)的流程順序，稱為主流程處理順序(MainFlowProcessingSequence)。計算順序必須包括所有的流程單元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(shè)值可選擇不同的計算順序，有時候可加速計算的收斂速度

主流程處理順序從原料物流(Feedstreams)到產(chǎn)物物RecycleSreamGuessedCalculationSequenceR1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6S3U1，(U3，U4，U5，U2)，U6S4U1，(U4，U5，U2，U3)，U6S6U1，(U5，U2，U3，U4)，U6RecycleSreamGuessedCalculati切斷物流與計算順序的關(guān)系在默認(rèn)狀態(tài)下，ASPEN總是取切斷物流數(shù)為最小時的計算順序最小切斷物流數(shù)時的計算順序并不一定是最佳的計算順序

切斷物流與計算順序的關(guān)系在默認(rèn)狀態(tài)下，ASPEN總是取切斷物（三）循環(huán)回路流程模擬的解決方法為循環(huán)物流提供合適的初始值選擇合適的單元計算順序選擇合適的加速收斂方法組合單元，對它們同時求解（三）循環(huán)回路流程模擬的解決方法為循環(huán)物流提供合適的初始值（四）化工流程模擬的迭代解法非線性方程組：（四）化工流程模擬的迭代解法非線性方程組：循環(huán)回路的迭代方法直接迭代(連續(xù)置換法

)加速迭代

Wegstein收斂法

Broyden的擬-牛頓法對于高度非線性系統(tǒng)，連續(xù)置換法和Wegstein法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）循環(huán)回路的迭代方法直接迭代(連續(xù)置換法)收斂演示一苯加氫制環(huán)己烷，組分，熱力學(xué)方法，流程如下收斂演示一苯加氫制環(huán)己烷，組分，熱力學(xué)方法，流程如下進(jìn)料：H2IN、BZIN如下進(jìn)料：H2IN、BZIN如下模塊參數(shù)如下：FEED-MEX:T-300F,P-330PSIREACT:計量反應(yīng)器（stoichiometry）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模塊參數(shù)如下：缺?。簲郣XIN,收斂順序（View-controlpanel)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）輸入計算順序缺?。簲郣XIN,收斂順序（View-controlpan增加設(shè)計規(guī)定，用VFLOW參數(shù)調(diào)節(jié)PURGE中H2濃度0.76缺省：將inside--》Outside:增加設(shè)計規(guī)定，用VFLOW參數(shù)調(diào)節(jié)PURGE中H2濃度0.7自己定義計算順序：1）增加收斂模塊2）增加設(shè)計規(guī)定收斂模塊3）定義計算順序自己定義計算順序：收斂演示二分離乙腈-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)收斂演示二分離乙腈-甲苯混合物，加入二甲苯精餾，組分，流程如進(jìn)料：XYL進(jìn)料：A進(jìn)料：B-AND-C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，XYL27板進(jìn)料，B-AND-C37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，F(xiàn)EED-215板進(jìn)料，A15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；COLUMN-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；模塊參數(shù)如下：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450k