aspen高级教程第10章 工艺流程模拟

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
Compositional Recycle
Product
Feed
Thermal Recycle
●
独立循环回路(Independent Loop)
●
嵌套循环回路(Nested Loop)
●
交叉循环回路(Interconnected Loop)
U1
U6
U7
U4
U5
U3
U2
S1
S2
S3S4
S5
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S8
S9
R1
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⏹
循环回路的种类
⏹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
⏹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。

⏹
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)。

U1
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S1
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S4S5
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S9S10
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
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R1
Recycle Stream Guessed Calculation Sequence
R1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6S3U1，(U3，U4，U5 ，U2)，U6S4U1，(U4，U5 ，U2，U3)，U6S6
U1，(U5 ，U2，U3，U4)，U6
主流程处理顺序
⏹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
●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
●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
撕裂流举例
S1
S2
S3
S6
S4
S7
S5
MIXER
B1
MIXER
B2
FSPLIT
B3
FSPLIT
B4
●哪个是循环物流？
●哪个可能是撕裂流？
●哪个是最好的撕裂流选择？
S7
S6
S7和S6
S2和S4
S3
S3（只需要一个撕裂流，而其它选择都是两个）
⏹撕裂流举例
⏹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
循环工艺流程
⏹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）
⏹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；
牛顿法收敛速度快，但计算量大。

⏹增大迭代次数
⏹选择收敛方法
⏹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
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。

组分塔进料中各组分进入塔底物流的分率DECANT 进料中各组分进入物流ORG 的分率DIST1DIST2乙醇
0.010.970.98水
0.970.00010.01环己烷0.090.00010.99
图10-1 共沸精馏分离乙醇和水流程图
表10-1 过程工艺数据
⏹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。

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。

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。

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。

⏹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（ETHAN-01）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。

⏹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；
⏹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；
●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。

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
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%；
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。

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。

物性方法采用UNIQUAC，系统的二元交互作用参数如表10-2所示。

组分i 组分j 苯乙烯苯乙烯乙苯乙苯水水
温度单位℃℃℃Aij000 Aji000 Bij-239.3595-889.45-968.37 Bji173.3769-331.65-354.23温度下限902020
温度上限1004040
表10-2系统二元交互作用参数
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
输入模块（H ）参数
输入模块（J
）参数
分离单元均用简单分离器模块计算
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
●
Properties ∣Parameters ∣Binary Interaction ∣UNIQ-1页面修改参数⏹
选择物形方法UNIQUAC 并修改二元交互作用参数
修改二元交互作用参数
●
对于乙苯和苯乙烯装置，可选择用于高压烃的状态方程和理想状态方程（PENG-ROB 、RK-SOAVE ）或液体活度系数方法（WILSON 、NRTL 、UNIQUAC ）。

由于本例题含水，所以选用UNIQUAC 热力学模型。

苯乙烯的生产——闪蒸和液液分离的严格计算⏹两相闪蒸器Separators∣Flash2∣V-DRUM1模块
⏹分相器Separators∣Decanter∣H-DRUM模块
查看物流结果
苯乙烯的生产——闪蒸和液液分离的严格计算⏹Blocks∣G∣Stream
Results∣Material页
面查看物流9中水的流率
为17.87kmol/hr，即大
部分水随着氢气从物流9
蒸出
⏹两相闪蒸器G的温度为50℃→将闪蒸的温度降为15℃
⏹灵敏度分析——研究进入系统的水量对产品和反应器进料流率和组成的影响
⏹闪蒸的温度为15℃。

水的流率的变化范围为1.35
～6.80kmol/hr。

H2PROD—物流9中氢的
摩尔分数；
ORGPRD—物流12中水
的摩尔流率，kmol/hr；
FLOS6—物流6的摩尔流
率，kmol/hr；
XH2OS6—在物流6中水
的摩尔分数；
XH2OS9—物流9中水的
摩尔分数。

以生产高纯度氢气为目标，则应使用1.35kmol/hr的水，物流9中氢气的摩尔分数达到97.05%，反应进料中含1%的水。

1. 精馏塔的简捷设计
进水量改为1.35kmol/hr，计算出精馏塔J的进料物流的参数，并将其作为精馏塔J的进料条件。

精馏塔J简捷设计，采用模块库中Columns∣DSTWU 模块。

模拟结果为全塔理论板数
62块，进料位置为第33块板
，回流比为4.21，塔顶流率
为81.03kmol/hr。

2. 精馏塔的严格计算
J采用Columns∣RadFrac模块；
灵敏度分析——考察回流比对苯乙烯纯度的影响，得到较高纯度的苯乙烯
图中S12XS为物流
12中苯乙烯的摩尔分数
选取回流比为9，苯
乙烯纯度达到98.59%
苯乙烯的生产——完整流程图 严格模块整合，流程未收敛
显示运行错误模块控制面板
1.
选择撕裂物流
在Streams∣8∣Input∣Specifications页面输入初值选择撕裂物流（8）
输入撕裂物流（8）初值
选择物流8为撕裂物流
2. 设置计算顺序
在Convergence∣Sequence∣SQ-1∣Specifications 页面，定义新的计算顺序
苯乙烯的生产——查看结果
重新运行模拟，模拟收敛，在Results对象下查看结果
查看产品物流（12）结果。