流程模拟优化

塔顶热负荷 (104kcal/h) 塔底热负荷 (104kcal/h) 产量 塔顶馏 kg/h 分产量 主组成 及组成 mol% 产量 塔底馏 kg/h 分产量 主组成 及组成 mol%
工艺优化
表 10 脱乙烷塔优化前后结果比较
优化前 项目 压力 kg/cm2 30 塔顶热负荷 (104kcal/h) 塔底热负荷 (104kcal/h) 塔顶馏 分产量 及组成 塔底馏 分产量 及组成 产量 kg/h 主组成 mol% 产量 kg/h 主组成 mol% 59.96 73.37 356.7 C20：31.3 C3=：58.4 6003 C3=：76.4 C30：23.4 回流比 27.9 优化后 压力 kg/cm2 35 69.53 93.94 356.8 C20：31.3 C3=：58.2 6006 C3=：58.4 C30：23.3 回流比 38
♦由于是用存储空间去换时间，机时消耗 少，计算效率高，易于收敛，尤其是对热集成 度高的流程，而序贯模块法在这种情况下不易 收敛或不收敛。 缺点： ♦通用化困难； ♦不能利用现有的大量单元模块； ♦缺乏与实际流程的直观联系，计算失败 后难于诊断错误所在； ♦尚存在方程求解方法的问题，对初值要 求也比较苛刻。
流程模拟
表 7 脱戊烷塔塔顶馏分模拟与设计结果比较
组成 C3 C30 iC40 C4=-1 iC4= TC4=-2 nC40 C-C4= nC50 合计 工艺参数 Ｔ(º c) Ｐ Ｍav G
=
kmol／h 设计 0.10 0.18 64.35 21.36 30.57 29.01 15.03 20.89 0.02 180.45 模拟 0.039 0.070 64.58 20.46 30.71 29.87 15.48 15.50 3.74 180.449 设计 56.2 7 56.98 10282 设计 0.06 0.10 35.63 11.28 16.94 16.08 8.33 11.57 0.01 100
稳态模拟的基本方法
（1）序贯模块法 发展最成熟、应用最普遍。 给定输入流股向量与有关的设备参数向量， 给定断裂流股向量初值，按顺序逐个单元进行 模拟计算，直至各断裂流股收敛。
假定值 计算值
压缩机
分割器 闪 蒸 罐 减压阀
A(B,C)
A(B,C) 进料 A(B)
惰性 组分
C,A(B) 混合器 A
放热
内层 简化线性模型 联立求解 (在流程水平上)
是
结果输出
图1.8 联立模块法计算思路示意图
动态模拟的求解---非线性微分方程组求解
龙格库塔数值求解算法
已知系统模型 则有
dy f (y, u) dt
y(t t) y(t) y '(t) t y(t) f[y(t), u(t)] t
流程模拟
表 2 脱丙烷塔塔底馏分模拟与设计结果比较
组成 C3= C30 iC40 C4=-1 iC4= TC4=-2 nC40 C-C4= nC50 合计 工艺参数 Ｔ(º c) Ｐ Ｍav G kmol／h 设计 0.10 0.18 64.39 20.48 30.71 29.86 15.49 21.83 4.68 187.72 模拟 0.039 0.07 64.58 20.46 30.71 29.87 15.48 21.83 4.66 187.699 设计 106.7 20.5 57.35 10765 设计 0.05 0.10 34.30 10.91 16.36 15.91 8.25 11.63 2.49 100 模拟 112 20.5 11073 Mol% 模拟 0 0 34.4 10.9 16.4 15.9 8.20 11.6 2.5 100
（3）联立模块法（双层法）
该法既能继承序贯模块法多年来积累的大量单元模块 ，又能在流程计算中联立求解模型方程和设计规定方程， 使流程计算与设计计算同步完成。同时，由于是联立求解 简化模型，从而解决了联立方程法中遇到的计算问题。
产生简化模型的参数 外层 各模块严格模型 (在单元水平上) 否
收敛参数 迭代收敛?
流程模拟
表 5 丙烯塔塔顶馏分模拟与设计结果比较
组成 C20 C3= C30 合计 工艺参数 Ｔ(º c) Ｐ Ｍav G kmol／h 设计 0.01 106.69 0.71 107.21 模拟 0.01 106.76 0.43 107.2 设计 34.3 15 42.09 4512 设计 0.01 99.51 0.48 100 模拟 35 14.5 4507.9 Mol% 模拟 0 99.6 0.4 100
工艺优化
1.优化目标 在保证产品丙烯99.6%纯度的条件下，减少共 用工程用量，降低成本，提高经济效益。 2.优化方案
a.降低脱丙烷塔压力 b.提高脱乙烷塔压力
c.降低丙烯塔压力
3.优化结果
工艺优化
表 9 脱丙烷塔优化前后结果比较
优化前 项目 压力 kg/cm2 20 回流比 3.33 186.3 200.6 6359 C3=：75.3 C30：22.6 11073 iC40：34.4 优化后 压力 kg/cm2 15 回流比 2.3 159.2 152.2 6363 C3=：75.3 C30：22.5 11069 iC40：34.3
序贯模块法的特点： 优点：易于实现通用化,数学处理比较简单。 缺点：计算效率不高，回路多则比较复杂。
从循环结构示意图可知序贯模块法的迭代循环为五层， 在求解系统的设计与优化问题时效率大为降低。
物性 计算 单元计算 流程计算 设计计算 优化计算
(a)序贯模块法
单元计算 物 性 计 算 流 程 计 算 算
Mol% 模拟 0 0 35.8 11.3 17.0 16.6 8.6 8.6 2.1 100 模拟 59 7 10562
流程模拟
表 8 脱戊烷塔塔底馏分模拟与设计结果比较
组成 iC40 C4=-1 iC4= TC4=-2 nC40 C-C4= nC50 合计 工艺参数 Ｔ(º c) Ｐ Ｍav G kmol／h 设计 0.10 0.12 0.15 0.85 0.46 0.94 4.65 7.27 模拟 0 0 0 0 0 6.34 0.92 7.26 设计 87.7 7.3 66.53 483 设计 1.38 1.65 2.06 11.69 6.33 12.93 63.96 100 模拟 110 7.07 511 Mol% 模拟 0 0 0 0 0 87.3 12.7 100
流程模拟
表 3 脱乙烷塔塔顶馏分模拟与设计结果比较
组成 C20 C3= C30 合计 工艺参数 Ｔ(º c) Ｐ Ｍav G kmol／h 设计 2.90 5.63 0.71 9.24 模拟 2.901 5.408 0.951 9.26 设计 58.1 30 38.46 356 设计 31.39 60.93 7.68 100 模拟 53.7 30.0 356.72 Mol% 模拟 31.3 58.4 10.3 100
流程模拟
表 6 丙烯塔塔底馏分模拟与设计结果比较
组成 C3= C30 iC40 C4=-1 iC4= 合计 工艺参数 Ｔ(º c) Ｐ Ｍav G kmol／h 设计 0.77 32.62 0.35 0.02 0.04 33.80 模拟 0.97 32.58 0.17 0.02 0.04 33.78 设计 46.5 16.2 44.22 1495 设计 2.28 96.50 1.04 0.06 0.12 100 模拟 46.2 16.2 1491 Mol% 模拟 2.9 96.5 0.6 0 0 100
某石化厂气体分馏装置 工艺的模拟优化
流程描述 流程模拟 工艺优化 结论
流程描述
流程描述
B1 B3 B5 加热器 脱乙烷塔 脱戊烷塔 B2 B4 B6 脱丙烷塔 丙烯塔 泵
B7
B9
泵
加热器
B8
B10
泵
加热器
流程描述
表 0 原料气组成
组成 C2 0 C3= C3 0 iC40 C4=-1 iC4= TC4=-2 nC40 C-C4= nC50 合计 Ｔ(º c) Ｐ Ｍav G kmol／h 2.91 113.18 34.02 64.74 20.50 30.75 29.86 15.49 21.83 4.68 337.96 40 10.3 50.68 17128 Mol% 0.86 33.49 10.07 19.16 6.06 9.10 8.84 4.58 6.46 1.38 100
设计计算 优 化
计
物性 设 计算 计 单元计算 计 算 流程计算 优 化 计 算
(b)联立方程法
(c)联立模块法
（2）联立方程法 是将整个过程系统各个单元模块的所有方程以 及模块间的联结方程，连同设计规定方程联立起 来，形成大型的非线性方程组。 求解策略：或将其分隔成若干较小规模的方程 组，并按照一定的顺序分别联立求解；或将其中 的非线性方程线性化，再与其中原有的线性方程 一起构成大型稀疏线性方程组，联立求解，迭代 收敛。 优点 ♦便于实现用户提出的设计性能要求。对于设 计型问题，该法只需增加几个等式约束条件。
流程模拟分类
• 稳态模拟
– 如果过程对象的输入输出关系，不再随着时间的推移 而变化，则称系统处于稳态，对系统的稳态状态建立 数学模型，并进行模拟，则称为稳态模拟。
• 动态模拟
– 由于（1）计划变更 （2）事物本身的不稳定性 （3）意外事故及 （4）开停车等，会令过程的实际运行 状态为动态。对过程动态特性的模拟，即为动态模拟 。输入输出之间的关系，随着时间的推移会发生变化 。
反应器 C 冷 却 器
产品 C(A,B)
首先选循环压缩机的输出流股为断裂流股。 给定流程总输入—混合器进料流股向量及冷却 器冷却介质流股的向量；给定有关设备参数—反 应程度ξ、热负荷Q、减压阀压降△P、分流比α、 压缩机效率η；为循环压缩机的输出流股赋初值 （假定值），依次计算各设备单元，直至压缩机 的输出流股的计算值与初值符合，即达到整个流 程模拟的最终收敛。 完成断裂流股的计算值与假定值的比较，以及 断裂流股新假定值的设定任务的模块称为收敛模 块。
流程模拟
表 4 脱乙烷塔塔底馏分模拟与设计结果比较
组成 C20 C3= C30 iC40 C4=-1 iC4= 合计 工艺参数 Ｔ(º c) Ｐ Ｍav G kmol／h 设计 0.01 107.46 33.13 0.35 0.02 0.04 141.01 模拟 0.005 107.74 33.01 0.17 0.02 0.04 140.988 设计 70.1 30.4 42.6 6007 设计 0.01 76.21 23.49 0.25 0.01 0.03 100 模拟 70 30 6003.12 Mol% 模拟 0 76.4 23.4 0.1 0 0 100
完成递推求解
稳态模拟与动态模拟的区别
稳态模拟与动态模拟的区别
稳态模拟与动态模拟的区别
模拟优化的一般作用
• 节约开发成本，适应性广
• 可缩短放大试验的进程，减少中间环节，大大缩 减新产品、新工艺投产的放大周期。 • 避免了化工过程系统中许多不确定的因素。 • 能够随时调整过程系统的最佳操作点，从而获得 系统的最大生产利润。
工 艺 参 数
流程模拟
表 1 脱丙烷塔塔顶馏分模拟与设计结果比较
组成 C20 C3= C30 iC40 C4=-1 iC4= 合计 工艺参数 Ｔ(º c) Ｐ Ｍav G kmol／h 设计 2.91 113.08 33.84 0.35 0.02 0.04 150.24 模拟 2.906 113.14 33.96 0.17 0.02 0.043 150.239 设计 48.9 20 42.35 6363 设计 1.94 75.27 22.52 0.23 0.01 0.03 100 模拟 47.7 20.3 6359.7 Mol% 模拟 1.9 75.3 22.6 0.01 0 0 100
●流程模拟是 —根据化工过程的数据，诸如物料的压力、温 度、流量、 组成和有关的工艺操作条件、工艺规定、产品规格以及一定 的设备参数，如蒸馏塔的板数、进料位置等，
—采用适当的模拟软件，将一个由许多个单元过程组成的化 工流程用数学模型描述，
—用计算机模拟实际的生产过程，并在计算机上通过改变各 种有效条件得到所需要的Leabharlann Baidu果。