第八讲带循环物流的流程模拟收敛技巧
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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
（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，对它们同时求解
（四）化工流程模拟的迭代解法
非线性方程组：
循环回路的迭代方法
直接迭代 (连续置换法 ) 加速迭代
第八讲带循环物流的流 程模拟收敛技巧
2020年7月26日星期日
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
• 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
演示一： 分离含苯44 ％ wt甲苯混和物，常压泡点进 料。进料量5000kg/h，塔顶苯收率98%，纯度不小于 98%。
– 采用回流量4000kg/h
– 理论板数取19
循环回路的种类
独立循环回路(Independent Loop)
嵌套循环回路(Nested Loop)
交叉循环回路(Interconnected Loop)
（二）计算顺序
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)， 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,信息流与物料 流平行。
分析： 1）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C7
流量，利用设计规定达到设计要求。
•
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， 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）
Wegstein收敛法 Broyden的拟-牛顿法 对于高度非线性系统，连续置换法和Wegstein法 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）
收敛演示一
•苯加氢制环己烷，组分，热力学方法，流程如下
•进料：H2IN、BZIN如下
•模块参数如下：
•FEED-MEX:T-300F,P-330PSI
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) 。
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
•共2.5×8＋1＝21块， •进料位置2.5×5＝13块 • 需要两个设计规定（Spec） ，回流量－塔顶组成、采出量 －塔底组成。
•二、流程中的设计规定 •X、Y不在同一模块中
演示二、一股物料用循环水冷却，热负荷74352kcal/h， 循环水温度28℃~38℃，求循环水流量。
– 学习流程中spec的用法 – 循环水流量7000kg/h
•REACT:计量反应器（stቤተ መጻሕፍቲ ባይዱichiometry）P-(-15PSI),T-400F
•
反应：3H2+BENZENE->C6H12-1
•
转化率：苯0.998
•HP-SEP:T-120F,P-(-5PSI)
•VFLOW:
•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
确定进料位置？
•例2-3.exe
练习一：进料流量由5000变化到10000，塔内液泛因子
、压降的变化。Y:PR-FLD-FAC,PR-DPSEC
•
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。
• 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
•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
•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，填料为 Mellapak250Y，分离含苯44 ％ wt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 98%wt、99%，回流量？采出量？ •分析：确定理论板数，查手册：2.5块/m,
Recycle Sream Guessed Calculation Sequence
R1
U1，(U2，U3，U4，U5)，U6
S3
U1，(U3，U4，U5 ，U2)，U6
S4
U1，(U4，U5 ，U2，U3)，U6
S6
U1，(U5 ，U2，U3，U4)，U6
切断物流与计算顺序的关系
在默认状态下，ASPEN总是取切断物流数 为最小时的计算顺序
演示一： 100kg/hC4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 ，4.1atm，求需要补充C3的量。
练习一：若规定C4与C3的比例为3:2，求需要补充C3的 量。
•例2-3.exe
演示二： 分离含苯44 ％ wt甲苯混和物，常压泡点进料 。进料量5000kg/h，塔顶苯收率98%，纯度不小于98% 。进料流量不变，甲苯组成由10%~60%，求回流量变 化。
•例1-2.exe
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
负荷，但需要控制的是温度，因此，只能以出口物流温度为Y）
•
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。
（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，对它们同时求解
（四）化工流程模拟的迭代解法
非线性方程组：
循环回路的迭代方法
直接迭代 (连续置换法 ) 加速迭代
第八讲带循环物流的流 程模拟收敛技巧
2020年7月26日星期日
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
• 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
演示一： 分离含苯44 ％ wt甲苯混和物，常压泡点进 料。进料量5000kg/h，塔顶苯收率98%，纯度不小于 98%。
– 采用回流量4000kg/h
– 理论板数取19
循环回路的种类
独立循环回路(Independent Loop)
嵌套循环回路(Nested Loop)
交叉循环回路(Interconnected Loop)
（二）计算顺序
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)， 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,信息流与物料 流平行。
分析： 1）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C7
流量，利用设计规定达到设计要求。
•
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， 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）
Wegstein收敛法 Broyden的拟-牛顿法 对于高度非线性系统，连续置换法和Wegstein法 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）
收敛演示一
•苯加氢制环己烷，组分，热力学方法，流程如下
•进料：H2IN、BZIN如下
•模块参数如下：
•FEED-MEX:T-300F,P-330PSI
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) 。
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
•共2.5×8＋1＝21块， •进料位置2.5×5＝13块 • 需要两个设计规定（Spec） ，回流量－塔顶组成、采出量 －塔底组成。
•二、流程中的设计规定 •X、Y不在同一模块中
演示二、一股物料用循环水冷却，热负荷74352kcal/h， 循环水温度28℃~38℃，求循环水流量。
– 学习流程中spec的用法 – 循环水流量7000kg/h
•REACT:计量反应器（stቤተ መጻሕፍቲ ባይዱichiometry）P-(-15PSI),T-400F
•
反应：3H2+BENZENE->C6H12-1
•
转化率：苯0.998
•HP-SEP:T-120F,P-(-5PSI)
•VFLOW:
•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
确定进料位置？
•例2-3.exe
练习一：进料流量由5000变化到10000，塔内液泛因子
、压降的变化。Y:PR-FLD-FAC,PR-DPSEC
•
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。
• 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
•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
•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，填料为 Mellapak250Y，分离含苯44 ％ wt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 98%wt、99%，回流量？采出量？ •分析：确定理论板数，查手册：2.5块/m,
Recycle Sream Guessed Calculation Sequence
R1
U1，(U2，U3，U4，U5)，U6
S3
U1，(U3，U4，U5 ，U2)，U6
S4
U1，(U4，U5 ，U2，U3)，U6
S6
U1，(U5 ，U2，U3，U4)，U6
切断物流与计算顺序的关系
在默认状态下，ASPEN总是取切断物流数 为最小时的计算顺序
演示一： 100kg/hC4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 ，4.1atm，求需要补充C3的量。
练习一：若规定C4与C3的比例为3:2，求需要补充C3的 量。
•例2-3.exe
演示二： 分离含苯44 ％ wt甲苯混和物，常压泡点进料 。进料量5000kg/h，塔顶苯收率98%，纯度不小于98% 。进料流量不变，甲苯组成由10%~60%，求回流量变 化。
•例1-2.exe
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
负荷，但需要控制的是温度，因此，只能以出口物流温度为Y）
•
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。