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《化工流程模拟实训—Aspen Plus教程(孙兰义主编)》配套PPS课件第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
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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
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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 Product Compositional Recycle

Feed Thermal Recycle

10.1 带循环的工艺流程模拟
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循环回路的种类
独立循环回路(Independent Loop)
S8 S1 S2 S3 R1 S4 S5 S6 R2 S7 U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7

S9

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嵌套循环回路(Nested Loop)
S1 U1 S2 U2 S3 U3 S4 R1 R2 U4 S5 U5 S6 U6 S7 U7

S8

S9

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交叉循环回路(Interconnected Loop)
R1 S4 S5 S6 S7 S8 S1 U1 S2 U2 S3 U3 U4 U5 U6 U7

S9 R2

10.1 带循环的工艺流程模拟
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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

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10.1 带循环的工艺流程模拟
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。
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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 。
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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。
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10.1 带循环的工艺流程模拟
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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 S10
U7 S1 U1 S2 U2 S3 U3 S4 S5 R1 U4 S6 U5 S7 U6 S8

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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10.1 带循环的工艺流程模拟
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主流程处理顺序
S9 U7 S10 S1 U1 S2 U2 S3 U3 S4 S5 R1 U4 S6 U5 S7 U6 S8

Recycle Stream Guessed

Calculation Sequence

R1 S3
S4 S6

U1,(U2,U3,U4,U5),U6 U1,(U3,U4,U5 ,U2),U6
U1,(U4,U5 ,U2,U3),U6 U1,(U5 ,U2,U3,U4),U6

10.1 带循环的工艺流程模拟
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撕裂流
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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 Plus会自动设法把该物流选为撕裂流

10.1 带循环的工艺流程模拟
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撕裂流举例

S7

S1

B1
MIXER

S2

B2
MIXER

S3

B3
FSPLIT

S4

B4
FSPLIT

S5

S6

10.1 带循环的工艺流程模拟
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撕裂流举例
哪个是循环物流?
S7 S6

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哪个可能是撕裂流?
S7和S6 S2和S4 S3

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哪个是最好的撕裂流选择?
S3(只需要一个撕裂流,而其它选择都是两个)

10.1 带循环的工艺流程模拟
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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

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10.1 带循环的工艺流程模拟
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循环工艺流程

10.1 带循环的工艺流程模拟
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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)
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10.1 带循环的工艺流程模拟
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循环回路流程模拟的解决方法
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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。

10.1 带循环的工艺流程模拟
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增大迭代次数

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选择收敛方法

10.1 带循环的工艺流程模拟
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用户自定义撕裂物流

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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

10.1 带循环的工艺流程模拟
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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。

10.1 带循环的工艺流程模拟
表10-1 过程工艺数据
组分 乙醇 水 环己烷 塔进料中各组分进入塔底物流的分率 DIST1 DIST2 0.01 0.97 0.97 0.0001 0.09 0.0001 DECANT进料中各组分 进入物流ORG的分率 0.98 0.01 0.99

图10-1 共沸精馏分离乙醇和水流程图

10.1 带循环的工艺流程模拟
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。
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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。
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10.1 带循环的工艺流程模拟
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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。

10.1 带循环的工艺流程模拟
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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。

10.1 带循环的工艺流程模拟
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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。

10.1 带循环的工艺流程模拟
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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
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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。

10.2 工艺流程模拟
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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;

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10.2 工艺流程模拟
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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。

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10.2 工艺流程模拟
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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

苯乙烯的生产——问题描述
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%;

苯乙烯的生产——问题描述
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。

苯乙烯的生产——问题描述
物性方法采用 UNIQUAC,系统的二元交互作用参数如表 10-2所示。
表10-2 系统二元交互作用参数 组分i 组分j 温度单位 Aij Aji Bij Bji 温度下限 温度上限 苯乙烯 乙苯 ℃ 0 0 -239.3595 173.3769 90 100 苯乙烯 水 ℃ 0 0 -889.45 -331.65 20 40 乙苯 水 ℃ 0 0 -968.37 -354.23 20 40

苯乙烯的生产——简单模块流程
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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

苯乙烯的生产——简单模块流程
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分离单元均用简单分离器模块计算

输入模块(H)参数

输入模块(J)参数

苯乙烯的生产——简单模块流程
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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
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选择物形方法UNIQUAC并修改二元交互作用参数
Properties∣Parameters∣Binary Interaction∣UNIQ-1页面修改参数 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 、 RKSOAVE)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。

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修改二元交互作用参数

苯乙烯的生产——闪蒸和液液分离的严格计算
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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
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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

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两相闪蒸器G的温度为50℃ ? 将闪蒸的温度降为 15℃

苯乙烯的生产——确定水量
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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。
摩尔分数;

H2PROD—物流9中氢的 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 查看灵敏度分析结果 摩尔分数。

苯乙烯的生产——确定水量

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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。

苯乙烯的生产——精馏塔的严格法计算
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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。

苯乙烯的生产——精馏塔的严格法计算
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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%
灵敏度分析结果

苯乙烯的生产——完整流程图
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严格模块整合,流程未收敛

显示运行错误模块 控制面板

苯乙烯的生产——收敛
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1. 选择撕裂物流
选择物流8为撕裂物流 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

苯乙烯的生产——收敛
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2. 设置计算顺序

在Convergence∣Sequence∣SQ-1∣Specifications 页面,定义新的计算顺序

定义收敛顺序

苯乙烯的生产——查看结果
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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


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