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ProII与化工过程模拟课件 第6讲-带循环物流的化工流程模拟


《ProII与化工过程模拟》第 6 讲

带循环物流的化工流程模拟
过程模拟与软件应用教科组

本节目的
能建立涉及循环回路和设计规定的模拟, 这些问题通常采用迭代控制算法完成。 懂得对循环计算和当满足设计规定时,如 何按PRO/II 、 ASPEN PLUS、CHEMCAD和 自动执行的计算顺序进行计算。 关于循环计

算,应当能通过定义切断流改 变计算顺序 使用参考物流解决循环回路的收敛速度

提纲
(一)化工流程中的循环回路 (二)循环回路的计算顺序 (三)循环回路的切断物流 (四)循环回路流程模拟的解决方法 (五)化工流程模拟的迭代解法 (六)案例分析

(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) 对这种存在循环回路的流程模拟比较耗费资 源,某些情况下,按软件默认的计算方法 可能不收敛。

Purge Compositional Recycle

Product

Feed

Thermal Recycle

Fig6.1

当反应操作涉及可逆反应或竞争反应,离 开分离装置的组分的分离率是如温度、压 力、回流比和存在排放物流这些操作条件 的复杂函数,那么迭代计算是必不可少的。 在这些情况下,模拟流程通常包含信息循 环回路,即已知的物流变量太少,不允许 独立求解每个单元的方程组的循环。对于 这些过程,要求解信息循环回路中所有单 元的全部方程是需要求解技巧的。

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)

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

Case1: U1,(U2,U3),U4,(U5,U6),U7 Better Case2: U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7

嵌套循环回路(Nested Loop)
S8 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7

U1

U2

U3

U4

U5

U6

U7

R1 S9 R2

Case1: U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7 Case2: U1,(U2,(U3,U4),U5,U6),U7 Better

交叉循环回路(Interconnected Loop)
R1 S8 S4 S5 S6 S7

S1

U1

S2

U2

S3

U3

U4

U5

U6

U7

S9 R2

解决此类回路最好的方法是将它们看作整体(大 回路): U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7

(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。

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 U7 S10 S1 S2 S3 S4 S6 S7 S8

U1

U2

U3

U4

U5

U6

S5 R1

Fig6.2

Main Flow Processing Sequence: U1,U2,U3,U4,U5,U6

S9

U7

S10

S5

U4

S6

U5 R1

S7

U6

S8

S4 S3 U3 U2

S2 S1 U1

Fig6.3

Main Flow Processing Sequence: U4,U5,U6
说明:一旦选择了主流程处理顺序,则循环物流也随之确定

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

S9

U7

S10

S1

U1

S2

U2

S3

U3

S4

U4

S6

U5

S7

U6

S8

S5 R1

假设R1值,则Fig6.2的计算顺序:
Calculation Sequence: U1,(U2,U3,U4,U5),U6

给定不同物流的初始假设值可选择不同的计算顺序:

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

(三)切断物流
为循环回路的某一物流提供估计值,用以 进行循环回路的迭代
S9 U7 S10

S1

U1

S2

U2

S3

U3

S4

U4

S6

U5

S7

U6

S8

R1in
R1

S5

R1out

可供选择的切断物流:R1、S3、S4、S6 循环物流总可以作为切断物流之一

根据切断流的估计值,信息由一个单元传到 下一个单元,直到计算出切断物流变量的新 值。这些新值被用于重复计算,直到满足收 敛容差。切断流的变量称为切断变量。 在大多数过程模拟软件中,收敛单元的位置 是自动确定的。

切断物流与计算顺序的关系
切断物流与计算顺序密切相关,确定了切 断物流即意味着确定了计算顺序,反之亦 然。 切断物流 计算顺序

R1

S8 S4 S5 S6 S7

S1

U1

S2

U2

S3

U3

U4

U5

U6

U7

S9 R2

切断物流为S4

计算顺序: U1,U4,U5 ,U6,U2,U3,U7 ProII默认计算顺序

切断物流为R1、R2

计算顺序:U1, U2,U3,U4,U5 ,U6,U7

切断物流与计算顺序的关系
在默认状态下,ProII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

(四)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

控制循环回路的方法

SIMSCI Method (Minimum number of tear streams) Alternate Method User-Defined Method

循环计算的收敛准则
组分流量收敛准则
min ? min ?1 ≤ εC n mi
默认:0.01

温度收敛准则

Ti ? Ti
n

n ?1

≤ εT

默认:1℉,0.55℃

压力收敛准则

Pi n ? Pi n ?1 ≤ εP n Pi

默认:0.01

参考物流
某物流的性质根据流程中其它物流的性质 来定义,该物流称为参考物流(Reference streams) 源物流 (Source stream) 目标物流 (Target stream) 源物流的状态 应为定值

这两股物流必须含有相同的组成 这两股物流可以有不同的流量、温度、压 力 S6

S2 V-1 E-1

S3 V-2

S4

S5

E-2 F-1

3 iterations to converge

S6

S2 V-1 E-1

S3 V-2

S4

S5

E-2 S5* F-1

源物流 : S2 目标物流: S5*

2 iterations to converge

(五)化工流程模拟的迭代解法
非线性方程组:
f1 ( x1 , x 2 , ……,xn ) = 0 …… ……

f 2 ( x1 , x2 , ……,xn ) = 0 f n ( x1 , x 2 , ……,x n ) = 0

循环回路的迭代方法
直接迭代 (连续置换法 ) 加速迭代 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)

迭代解法涉及的问题
迭代变量的选择 迭代程序的组织 迭代收敛的加速
f1 ( x, y ) = 0

f 2 ( x, y ) = 0

迭代变量的选择

选择迭代变量的最基本要求是能够利用迭 代变量的设定值由部分方程求得所有其它 未知变量的值,以构成一定的迭代格式

迭代程序的组织
解决迭代变量和校核函数如何配对的问题。 当存在多个迭代变量和校核函数时,还必 须考虑: (1) 同时迭代还是分层迭代? (2) 外层迭代还是内层迭代? (3) 各层迭代回路内部,如何安排迭代顺序? 一般原则:把某迭代变量和残差主要由该迭 代变量决定的校核函数相配对。

迭代收敛的加速
直接迭代 将上一次迭代计算中得到的迭代变量的新值 直接作下一次迭代的设定值 对一个实际存在的循环系统,只要迭代变量 的初始值足够接近于解,直接迭代法必定 能收敛
X cal

(X ( ) ) = f
k

X (k +1) = X cal

直接迭代的收敛速度很慢,特别是当迭代 矩阵的最大特征值接近1时。因此,有必要 研究各种加速收敛的方法。

加速迭代
将迭代变量的上一次设定值和计算得到的 新值的某种加权平均值作为下一次的设定 值
X cal = f (X (k ) )
(k X (k +1) = ωX cal) + (1 ? ω )X (k )

ω <1

内插松弛 外推松弛

ω >1

加速迭代
1 Wegstein 法 图
0

真实根
ω <1

(x ( ) , x ( ) )
1

Wegstein 法估算根

(x ( ) , ~ ( ) ) x
1 2

x (0 )

x x (2 ) ~

x (1 )

x (1) = f x (0 )

( )
( )
1 f x ( k ) ? f x ( k ?1 )

~ (2 ) = f x (1) x

ω=

1?

( ) (

x ( k ) ? x ( k ?1 )

)

Wegstein 法是通过二次直接迭代来求取松弛因子。

Wegstein法中各变量的松弛因子完全根据 各变量在迭代过程中各自的变化信息所决 定,没有考虑各变量之间的相互影响(相当 一部分化工过程流程模拟中此假设是合理 的) Wegstein法具有计算简单,需要存储量少 等优点,在化工过程模拟中应用广泛

2 Broyden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的强 交联问题 在接近收敛值时,仍具有很高的收敛速度

(六)案例分析
6.1 苯加氢制环己烷工艺 6.2 氯苯分离工艺 6.3 合成氨工艺

6.1 苯加氢制环己烷工艺
苯加氢制备环己烷为气相加氢反应,反应方 程式如下:

C6 H 6 + 3H 2 → C6 H12

C1 500psig S12 S5 SP1 RX1 Recycle H 2 S13 300℉ S11 Purge Gas

DP=15 E2 S9 S6

Benzene Feed S1 M1 Make up H 2

S3 E1

S4

S7

S8

120℉

F1 S10 Cyclohexane Product

Task1:求解苯加氢制环己烷工艺流程的物料 平衡和热量平衡,物流条件如表所列,其 它条件示于流程图中。要求:不要切断能 量循环回路或使用其它任何加快收敛速度 的特殊手段。

过程条件: 将循环迭代次数提高到80 使用最小切断流数(默认) 使用SRK热力学模型(API液相密度) 换热器在冷热流体两侧均有5psi的压降 换热器E1为管壳式换热器(1壳程2管程), U=100Btu/℉-ft2,换热面积A=650ft2 排放物流占进分流器总物流的20% 反应条件: 气相反应:C H + 3H → C H 反应器温度控制在435℉ 苯的转化率为99.9% 反应热为-87×103 Btu/lb-mol苯(77℉时)
6 6 2 6 12

Problems:
1) 2) 3)

Run A: 需要经过多少循环迭代才收敛?耗时多少? 氢气和甲烷的质量平衡误差分别为多少? ProII选择了怎样的计算顺序和切断物流?

Run B: 将循环物流的相对误差降低到0.001,并将排除物的 摩尔分率降低到0.001,重新计算 1) 增加了多少循环迭代才能收敛? 2) 氢气和甲烷的质量平衡误差改善了吗?

Task2:使用Inside/Out 方法进行上述流程 的计算 从上述Run B开始进行计算 将计算顺序改为 M1,RX1,E1,E2,E3,F1,SP1,C1 定义内层循环(RX1 -> E2)和外层循环 (MIXER->COMPRSSOR)

1)

2) 3)

4)

每个外循环需要进行多少次内循环才能收 敛? 外循环共进行了多少次迭代收敛? Reactor和Heat Exchanger被计算了多少 次?Flash和Compressor呢? 使用了Inside/Out后流程求解更快了吗? 从中说明了什么问题?

Task3:切断热量循环回路

观察原流程,可发现: S5与S3有相同的组成 S5的压力可简单计算得到 S5的温度已知

C1 500psig S5* S12 S5 SP1 RX1 Recycle H 2 S13 300℉ S11 Purge Gas

DP=15 E2 S9 S6

Benzene Feed S1 M1 Make up H 2

S3 E1

S4

S7

S8

120℉

F1 S10 Cyclohexane Product

由Task1\RunB 开始计算:

1) 2)

需要多少次迭代可收敛? (27) ProII采取了怎样的计算顺序? M1、R1、E1、E2、E3、F1、SP1、C1

6.2 氯苯分离工艺
如流程图所示,含氯苯的原料在预热器H1中部分 气化,在闪蒸器F1中分离成两相。F1的气相出料 被送往吸收塔A1,大部分HCl气体通过该塔,而苯 大部分被循环的MCB吸收剂吸收。将来自F1和A1的 液体流出物合并,经处理除去残留的HCl,苯和 MCB只有微量的损失,再在塔D1中进行精馏,从 MCB中分离苯。塔顶馏出液的流率设定为等于进入 D1的原料中苯的流率,调节回流比以达到MCB在馏 出液中的指定含量。塔釜产物在换热器H2中被冷 却到120℉,在这之后,三分之一的塔釜产物作为 MCB产品移出,剩余的三分之二循环到吸收塔。

Problems:
1) 2)

3) 4)

在默认的循环迭代次数下计算能收敛吗? 需要多少次循环迭代计算才能收敛?耗时 多少? ProII使用了怎样的计算顺序? 计算结果达到了所规定的分离要求吗?

6.3 合成氨工艺

排放 压缩机 N2 少量Ar H2 少量CH4 压缩机 氨合成 反应器 R1 部分冷凝器 NH3

闪蒸器 F1

考虑合成氨的过程,在过程中 N2 和 H2( 有 Ar 和CH4杂质)在高压下转化为NH3。 用 ProII 模拟合成氨反应器回路,考察排放 / 循环比对排放和循环物流组成和流量的影响, 从结果可以得出什么结论? 对ProII流程,作下列规定:
混合器 反应器 热交换器 高压分离装置 分离器 循环压缩机 MIXER EQUILIBRRIMR SIMPLE HEATER FLASH SPLITTER COMPRESSOR

热力学性质估计选用Chao-Seader法。在 77℉和200 atm下,组合进料物流组成为:
Lbmol/hr 24 74.3 0.6 1.1 100.0 Mole Fraction 0.240 0.743 0.006 0.011 1.000

N2 H2 Ar CH4

各组分浓度的改变 0.8000 0.7000 0.6000 0.5000 0.4000 0.3000 0.2000 0.1000 0.0000 0.0000 0.0200 0.0400 0.0600 0.0800 0.1000 0.1200 排放循环比
排放物流中各组分的浓度随排放/循环比的影响

H2 N2 CH4 AR NH3

浓度

总流量 50.000 45.000 40.000 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0.000 0.0000 0.0200 0.0400 0.0600 0.0800 0.1000 0.1200 排放循环比
氨产量随排放/循环比的影响

总流量

系列1

总流量 700.000 600.000 500.000
流量

400.000 300.000 200.000 100.000 0.000 0.0000 0.0200 0.0400 0.0600 0.0800 0.1000 0.1200 排放循环比
循环量随排放/循环比的影响

总流量

Conclusions
排放量增大,原料气排放量增大,物料损 失增大; 排放量减小,物料循环量增大,循环能耗 增大。 因此,排放/循环比是一个具有双重影响的因 素,作为排放/循环比的函数,可对投资和 操作费用进行估算,并对利润率进行优化。


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