第八讲 流程模拟

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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
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演示一： 分离含苯44 甲苯混和物， 演示一： 分离含苯 ％ wt甲苯混和物，常压泡点进 甲苯混和物 料。进料量5000kg/h，塔顶苯收率 进料量 ，塔顶苯收率98%，纯度不小于 ， 98%。 。
切断物流与计算顺序的关系
在默认状态下， 在默认状态下，ASPEN总是取切断物流数 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
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（三）循环回路流程模拟的解决方法 （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， 组合单元，对它们同时求解
U7 S1 U1 S2 U2 S3 U3 S4 U4 S6 U5 S7 U6 S8
S5
计算顺序必须包括所有的流程单元
R1
计算顺序无须和主流程顺序相同， 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， 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
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（四）化工流程模拟的迭代解法
非线性方程组： 非线性方程组：
f1( x1, x2 ,… ，xn ) = 0 … … … … …
f2 ( x1, x2 ,… ， n ) = 0 … x fn ( x1, x2 ,… ，xn ) = 0 …
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循环回路的迭代方法
直接迭代 (连续置换法 ) 连续置换法 加速迭代 Wegstein收敛法 收敛法 Broyden的拟 牛顿法 的拟-牛顿法 的拟 对于高度非线性系统，连续置换法和Wegstein法 对于高度非线性系统，连续置换法和 法 可能失败或效率非常低， 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） 方法（包括牛顿－拉夫森法，主本征值法）
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收敛演示一
苯加氢制环己烷，组分，热力学方法，流程如下
Βιβλιοθήκη Baidu
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进料：H2IN、BZIN如下
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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:
例1-2.exe
X:进水流量 Y水出口温度 进水流量， 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 只能选取模块中输入的参数（本例中，模块输入的是压力、 只能选取模块中输入的参数
负荷，但需要控制的是温度，因此，只能以出口物流温度为 ） 负荷，但需要控制的是温度，因此，只能以出口物流温度为Y）
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进料：XYL
进料：A 进料：B-AND-C
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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；
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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。
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进料：FEED
进料：MAKEUP
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8.5 流程模拟计算的注意要点
1）物料流程的正确描述 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。 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）输入计算顺序
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增加设计规定，用VFLOW参数调节PURGE中H2浓度0.76 缺省：
将inside--》Outside:
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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
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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)
– 采用回流量 采用回流量4000kg/h – 理论板数取 理论板数取19
确定进料位置？ 确定进料位置？
例2-3.exe
练习一：进料流量由 变化到10000，塔内液泛因子 练习一：进料流量由5000变化到 变化到 ， 、压降的变化。Y:PR-FLD-FAC,PR-DPSEC 压降的变化。
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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。
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8.4计算顺序与循环流 （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， 大多数化工流程模拟都存在循环回路， 存在两种循环： 存在两种循环： 组分循环（循环质量和能量） 组分循环（循环质量和能量） 热量循环（仅仅循环能量） 热量循环（仅仅循环能量）
Purge Compositional Recycle
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
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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
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
Product
Feed
Thermal Recycle
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循环回路的种类
独立循环回路(Independent Loop) 独立循环回路
S8 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 U 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 U 7
R 1
R 2 S9
嵌套循环回路(Nested Loop) 嵌套循环回路
多 段 固 定 床
E-1 E-2
反 应 器
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S4 S2
S1
S5 F1 F2
S3
Stream Name Stream Descri ption Phas e Temperature Pres sure Flow rate Compos ition H YDRO GEN E THYLENE P ROPA NE B UTAN E P ENTA NE C ATM KG-MOL/H R
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)， 在大多数过程模拟软件中(包括ASPEN、ProII)， ASPEN 某一时间只计算(模拟)一个单元( 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。 )，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。 进行计算的,而信息流取决于化工过程的规定。通 过程原料物流的变量是指定的, 常，过程原料物流的变量是指定的,信息流与物料 流平行。 流平行。
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主流程处理顺序
从原料物流(Feed streams)到产物物流 到产物物流(Product 从原料物流 到产物物流 streams)的流程顺序，称为主流程处理顺序 的流程顺序， 的流程顺序 称为主流程处理顺序(Main Flow Processing Sequence) 。 S9 S10
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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。
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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。
S9
U7
S10
S1
U1
S2
U2
S3
U3
S4
U4
S6
U5
S7
U6
S8
S5 R1
Recycle Sream Guessed R1 S3 S4 S6
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 第 16 页
例2-3.exe
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演示二： 分离含苯44 甲苯混和物， 演示二： 分离含苯 ％ wt甲苯混和物，常压泡点进料 甲苯混和物 。进料量5000kg/h，塔顶苯收率 进料量 ，塔顶苯收率98%，纯度不小于 ，纯度不小于98% 。进料流量不变，甲苯组成由10%~60%，求回流量变 进料流量不变，甲苯组成由 ， 化。 分析： 分析： 1）设计规定、灵敏度分析、计算器同时应用。 ）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（500~3000），计算器中求 ）灵敏度中改变 流量 流量（ ），计算器中求 ），计算器中求C7 流量，利用设计规定达到设计要求。 流量，利用设计规定达到设计要求。
S1 U1 S2 U2 S3 U3 S4 U4 S5 U5 S6 U6 S7 U7
S8
R1 S9 R2
交叉循环回路(Interconnected Loop) 交叉循环回路
R 1 S8 S4 S5 S6 S7
S1
U 1
S2
U 2
S3
U 3
U 4
U 5
U 6
U 7
S9 R 2
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（二）计算顺序
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
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演示一： 进一个闪蒸罐之前， 演示一： 100kg/hC4进一个闪蒸罐之前，需要与 按 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 的重量比混合，闪蒸后气相循环利用。闪蒸条件 的重量比混合 的量。 ，4.1atm，求需要补充 的量。 ，求需要补充C3的量 练习一：若规定 与 的比例为 的比例为3:2，求需要补充C3的 练习一：若规定C4与C3的比例为 ，求需要补充 的 量。
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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， 演示一：已知填料塔的填料总高度 ，进料以上 ，填料为 Mellapak250Y，分离含苯44 ％ wt甲苯混和物，常压泡点进料。 ，分离含苯 甲苯混和物， 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 ，常压操作。问塔顶、底组成要求达到98%wt、 进料量 、 99%，回流量？采出量？ ，回流量？采出量？ 分析：确定理论板数，查手册： 块 分析：确定理论板数，查手册：2.5块/m, 共2.5×8＋1＝21块， × ＋ ＝ 块 进料位置2.5× ＝ 块 进料位置 ×5＝13块 需要两个设计规定（ 回流量－塔顶组成、 需要两个设计规定（Spec） ，回流量－塔顶组成、采出量 两个设计规定 ） －塔底组成。 塔底组成。
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二、流程中的设计规定 X、Y不在同一模块中
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演示二、一股物料用循环水冷却，热负荷 演示二、一股物料用循环水冷却，热负荷74352kcal/h， ， 循环水温度28℃ 循环水温度 ℃~38℃，求循环水流量。 ℃ 求循环水流量。
– 学习流程中 学习流程中spec的用法 的用法 – 循环水流量 循环水流量7000kg/h