第10章Aspen工艺流程模拟
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撕裂流与循环物流是相关的，但又与循环物流不一样
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
用户确定的撕裂流可在Convergence/Tear页面进行 规定
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）
初始化后，重新运行模拟，控制面板依然出现警告和错 误，此时需要修改收敛算法。
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。
10.1 带循环的工艺流程模拟
查看结果
选择Streams∣B-ETHNOL∣Results，在Material页面可 看到DIST2模块塔底物流（B-ETHNOL）中乙醇（ETHAN01）的摩尔分数为1.00
结论
模拟带有循环的工艺过程时， 使用Aspen Plus默认的撕裂物流 和收敛方法可能不收敛，此时可以 尝试改变撕裂物流或收敛方法，使 流程收敛。
10.2 工艺流程模拟
工艺流程模拟经验总结
1. 将总流程划分为一系列子流程； 2. 每个子流程使用准确的物性方法； 3. 模拟子流程时，首先只进行物料衡算； 4. 计算时先采用系统默认设置，如收敛算法采用默认的韦
格斯坦算法，一般此算法能解决多数问题； 5. 最初计算时使用简单的设计规定； 6. 随着流程的建立，严格模块逐步替代简单模块，并进行
能量衡算； 7. 严格模块首先单独运行，模块参数以简单模块计算结果
为初值；
10.2 工艺流程模拟
工艺流程模拟经验总结
8. 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；
9. 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；
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。
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。
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。
10.1 带循环的工艺流程模拟
组分
乙醇 水 环己烷
表10-1 过程工艺数据
塔进料中各组分进入塔底物流的分率
DIST1
DIST2
0.01
0.97
0.97
0.0001
0.09
0.0001
DECANT进料中各组分 进入物流ORG的分率
0.98 0.01 0.99
图10-1 共沸精馏分离乙醇和水流程图
10.1 带循环的工艺流程模拟
在大多数过程模拟软件中(包括ASPEN、PRO/II) ，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 。
如果流程中存在循环物流，则需在包含循环物流 的流程段，迭代计算直至流程计算收敛。
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。 在 Control Panel （ 控 制 面 板 ） 中 的 “Flowsheet Analysis（流程分析）”页面查看 默认撕裂流为RECY-H2O、RECYCLE。
组分i 组分j 温度单位
Aij Aji Bij Bji 温度下限 温度上限
表10-2 系统二元交互作用参数
苯乙烯 乙苯
℃ 0 0 -239.3595 173.3769 90 100
苯乙烯 水
℃ 0 0 -889.45 -331.65 20 40
乙苯 水
℃ 0 0 -968.37 -354.23 20 40
U3
U4
U5
U6
S5
R1
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
10.1 带循环的工艺流程模拟
主流程处理顺序
S9
S10
U7
S1
S2
S3
S4
S6
S7
S8
U1
U2
U3
U4
U5
U6
S5
R1
Recycle Stream Guessed R1 S3 S4 S6
牛顿法收敛速度快，但计算量大。
10.1 带循环的工艺流程模拟
增大迭代次数
选择收敛方法
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
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。
10. 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。
10.2 工艺流程模拟
示例：苯乙烯的生产 乙苯催化脱氢生产苯乙烯的简化工艺流程图
如图10-2所示。
图10-2 乙苯催化脱氢生产苯乙烯的简化工艺流程图
苯乙烯的生产——问题描述
10.1 带循环的工艺流程模拟
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) 。
S9
S10
U7
S1
S2
S3
S4
S6
S7
S8
U1
U2
第10章 工艺流程模拟
作者：王丁丁 孙兰义
目录
10.1 带循环的工艺流程 10.2 工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
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）
Purge
Product
Compositional Recycle
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
4.选择合适的加速收敛方法 ➢ 布洛伊顿拟牛顿法（Broyden） ➢ 牛顿法（Newton）
直接迭代法的收敛速度较慢，特别是当迭代矩阵的最大特征 值接近1时；
韦格斯坦法具有计算简单、所需存储量少等优点，在化工过 程模拟中应用广泛；
布洛伊顿拟牛顿法对迭代变量进行修正时，考虑了变量间的 交互作用，特别适用于求解变量间存在较强交互作用的情况， 并且在接近收敛值时，仍然具有很高的收敛速度；
分离单元均用简单分离器模块计算
输入模块（H）参数
输入模块（J）参数
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
查看物流结果
苯乙烯的生产——物性参数
选择物形方法UNIQUACBaidu Nhomakorabea修改二元交互作用参数
Properties∣Parameters∣Binary Interaction∣UNIQ1页面修改参数
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
初始化重新运行模拟不收敛，原因可能是Aspen Plus默 认的撕裂物流不恰当或是该流程不适合用韦格斯坦法。
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
模块G和H采用模块库中Separators∣Sep∣ICON1模 块，模块J采用模块库中Separators∣Sep2∣ICON2模块
初步估算分离模 块的参数使模拟结 果和过程描述基本 一致
输入模块（G）参数
苯乙烯的生产——简单模块流程
MIXER
FSPLIT
FSPLIT
S6
10.1 带循环的工艺流程模拟
撕裂流举例
哪个是循环物流？
➢ S7 ➢ S6
哪个可能是撕裂流？
➢ S7和S6 ➢ S2和S4 ➢ S3
哪个是最好的撕裂流选择？
➢ S3（只需要一个撕裂流，而其它选择都是两个）
10.1 带循环的工艺流程模拟
撕裂流与计算顺序的关系
在默认状态下，Aspen总是取撕裂流数为最小 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
10.1 带循环的工艺流程模拟
循环工艺流程
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
1.为循环物流提供合适的初始值 2.选择合适的单元计算顺序
➢ 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。 3.增大迭代次数 4.选择合适的加速收敛方法 ➢ 直接迭代法（Direct） ➢ 韦格斯坦法（Wegstein）
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%；
Calculation Sequence U1，(U2，U3，U4，U5)，U6 U1，(U3，U4，U5 ，U2)，U6 U1，(U4，U5 ，U2，U3)，U6 U1，(U5 ，U2，U3，U4)，U6
10.1 带循环的工艺流程模拟
撕裂流
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
Feed Thermal Recycle
10.1 带循环的工艺流程模拟
循环回路的种类
独立循环回路(Independent Loop)
S8
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
U1
U2
U3
U4
U5
U6
U7
R1
R2
S9
嵌套循环回路(Nested Loop) S8
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
U1
U2
U3
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）
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
撕裂流举例
S7
B1
B2
B3
B4
S1
S2
S3
S4
S5
MIXER
U4
U5
U6
U7
R1 S9
R2
交叉循环回路(Interconnected Loop)
R1 S8
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
U1
U2
U3
U4
U5
U6
U7
S9 R2
10.1 带循环的工艺流程模拟
化工流程模拟的计算方法
序贯模块法 联立方程法 联立模块法
10.1 带循环的工艺流程模拟
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
用户确定的撕裂流可在Convergence/Tear页面进行 规定
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）
初始化后，重新运行模拟，控制面板依然出现警告和错 误，此时需要修改收敛算法。
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。
10.1 带循环的工艺流程模拟
查看结果
选择Streams∣B-ETHNOL∣Results，在Material页面可 看到DIST2模块塔底物流（B-ETHNOL）中乙醇（ETHAN01）的摩尔分数为1.00
结论
模拟带有循环的工艺过程时， 使用Aspen Plus默认的撕裂物流 和收敛方法可能不收敛，此时可以 尝试改变撕裂物流或收敛方法，使 流程收敛。
10.2 工艺流程模拟
工艺流程模拟经验总结
1. 将总流程划分为一系列子流程； 2. 每个子流程使用准确的物性方法； 3. 模拟子流程时，首先只进行物料衡算； 4. 计算时先采用系统默认设置，如收敛算法采用默认的韦
格斯坦算法，一般此算法能解决多数问题； 5. 最初计算时使用简单的设计规定； 6. 随着流程的建立，严格模块逐步替代简单模块，并进行
能量衡算； 7. 严格模块首先单独运行，模块参数以简单模块计算结果
为初值；
10.2 工艺流程模拟
工艺流程模拟经验总结
8. 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；
9. 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；
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。
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。
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。
10.1 带循环的工艺流程模拟
组分
乙醇 水 环己烷
表10-1 过程工艺数据
塔进料中各组分进入塔底物流的分率
DIST1
DIST2
0.01
0.97
0.97
0.0001
0.09
0.0001
DECANT进料中各组分 进入物流ORG的分率
0.98 0.01 0.99
图10-1 共沸精馏分离乙醇和水流程图
10.1 带循环的工艺流程模拟
在大多数过程模拟软件中(包括ASPEN、PRO/II) ，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 。
如果流程中存在循环物流，则需在包含循环物流 的流程段，迭代计算直至流程计算收敛。
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。 在 Control Panel （ 控 制 面 板 ） 中 的 “Flowsheet Analysis（流程分析）”页面查看 默认撕裂流为RECY-H2O、RECYCLE。
组分i 组分j 温度单位
Aij Aji Bij Bji 温度下限 温度上限
表10-2 系统二元交互作用参数
苯乙烯 乙苯
℃ 0 0 -239.3595 173.3769 90 100
苯乙烯 水
℃ 0 0 -889.45 -331.65 20 40
乙苯 水
℃ 0 0 -968.37 -354.23 20 40
U3
U4
U5
U6
S5
R1
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
10.1 带循环的工艺流程模拟
主流程处理顺序
S9
S10
U7
S1
S2
S3
S4
S6
S7
S8
U1
U2
U3
U4
U5
U6
S5
R1
Recycle Stream Guessed R1 S3 S4 S6
牛顿法收敛速度快，但计算量大。
10.1 带循环的工艺流程模拟
增大迭代次数
选择收敛方法
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
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。
10. 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。
10.2 工艺流程模拟
示例：苯乙烯的生产 乙苯催化脱氢生产苯乙烯的简化工艺流程图
如图10-2所示。
图10-2 乙苯催化脱氢生产苯乙烯的简化工艺流程图
苯乙烯的生产——问题描述
10.1 带循环的工艺流程模拟
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) 。
S9
S10
U7
S1
S2
S3
S4
S6
S7
S8
U1
U2
第10章 工艺流程模拟
作者：王丁丁 孙兰义
目录
10.1 带循环的工艺流程 10.2 工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
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）
Purge
Product
Compositional Recycle
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
4.选择合适的加速收敛方法 ➢ 布洛伊顿拟牛顿法（Broyden） ➢ 牛顿法（Newton）
直接迭代法的收敛速度较慢，特别是当迭代矩阵的最大特征 值接近1时；
韦格斯坦法具有计算简单、所需存储量少等优点，在化工过 程模拟中应用广泛；
布洛伊顿拟牛顿法对迭代变量进行修正时，考虑了变量间的 交互作用，特别适用于求解变量间存在较强交互作用的情况， 并且在接近收敛值时，仍然具有很高的收敛速度；
分离单元均用简单分离器模块计算
输入模块（H）参数
输入模块（J）参数
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
查看物流结果
苯乙烯的生产——物性参数
选择物形方法UNIQUACBaidu Nhomakorabea修改二元交互作用参数
Properties∣Parameters∣Binary Interaction∣UNIQ1页面修改参数
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
初始化重新运行模拟不收敛，原因可能是Aspen Plus默 认的撕裂物流不恰当或是该流程不适合用韦格斯坦法。
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
模块G和H采用模块库中Separators∣Sep∣ICON1模 块，模块J采用模块库中Separators∣Sep2∣ICON2模块
初步估算分离模 块的参数使模拟结 果和过程描述基本 一致
输入模块（G）参数
苯乙烯的生产——简单模块流程
MIXER
FSPLIT
FSPLIT
S6
10.1 带循环的工艺流程模拟
撕裂流举例
哪个是循环物流？
➢ S7 ➢ S6
哪个可能是撕裂流？
➢ S7和S6 ➢ S2和S4 ➢ S3
哪个是最好的撕裂流选择？
➢ S3（只需要一个撕裂流，而其它选择都是两个）
10.1 带循环的工艺流程模拟
撕裂流与计算顺序的关系
在默认状态下，Aspen总是取撕裂流数为最小 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
10.1 带循环的工艺流程模拟
循环工艺流程
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
1.为循环物流提供合适的初始值 2.选择合适的单元计算顺序
➢ 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。 3.增大迭代次数 4.选择合适的加速收敛方法 ➢ 直接迭代法（Direct） ➢ 韦格斯坦法（Wegstein）
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%；
Calculation Sequence U1，(U2，U3，U4，U5)，U6 U1，(U3，U4，U5 ，U2)，U6 U1，(U4，U5 ，U2，U3)，U6 U1，(U5 ，U2，U3，U4)，U6
10.1 带循环的工艺流程模拟
撕裂流
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
Feed Thermal Recycle
10.1 带循环的工艺流程模拟
循环回路的种类
独立循环回路(Independent Loop)
S8
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
U1
U2
U3
U4
U5
U6
U7
R1
R2
S9
嵌套循环回路(Nested Loop) S8
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
U1
U2
U3
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）
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
撕裂流举例
S7
B1
B2
B3
B4
S1
S2
S3
S4
S5
MIXER
U4
U5
U6
U7
R1 S9
R2
交叉循环回路(Interconnected Loop)
R1 S8
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
U1
U2
U3
U4
U5
U6
U7
S9 R2
10.1 带循环的工艺流程模拟
化工流程模拟的计算方法
序贯模块法 联立方程法 联立模块法
10.1 带循环的工艺流程模拟