第八講帶循環(huán)物流的流程模擬收斂技巧

第八講帶循環(huán)物流的流程模擬收斂技巧第一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.1設(shè)計(jì)規(guī)定（DesignSpecification）設(shè)計(jì)規(guī)定就是變化（調(diào)節(jié)）變量X，使得某一參數(shù)或變量Y達(dá)到一個(gè)設(shè)定值。特點(diǎn)：成對(duì)出現(xiàn)模塊或流程收斂后再加如不收斂，首先檢查X上下界不是任意參數(shù)都能做X第二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日一、模塊中的設(shè)計(jì)規(guī)定演示一：已知填料塔的填料總高度8m，進(jìn)料以上5m，填料為Mellapak250Y，分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點(diǎn)進(jìn)料。進(jìn)料量5000kg/h，常壓操作。問(wèn)塔頂、底組成要求達(dá)到98%wt、99%，回流量？采出量？分析：確定理論板數(shù)，查手冊(cè)：2.5塊/m,共2.5×8＋1＝21塊，進(jìn)料位置2.5×5＝13塊需要兩個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)定（Spec），回流量－塔頂組成、采出量－塔底組成。第三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日X、Y不在同一模塊中二、流程中的設(shè)計(jì)規(guī)定第四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日演示二、一股物料用循環(huán)水冷卻，熱負(fù)荷74352kcal/h，循環(huán)水溫度28℃~38℃，求循環(huán)水流量。學(xué)習(xí)流程中spec的用法循環(huán)水流量7000kg/h設(shè)計(jì)規(guī)定求流量X:進(jìn)水流量，Y水出口溫度Y只能選取模塊中輸入的參數(shù)（本例中，模塊輸入的是壓力、熱負(fù)荷，但需要控制的是溫度，因此，只能以出口物流溫度為Y）例1-2.exe第五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.2靈敏度分析（Sensitivity）靈敏度分析就是變化（調(diào)節(jié)）變量X，得到相應(yīng)另一個(gè)參數(shù)或變量Y的值，從而得到一條X-Y對(duì)應(yīng)曲線。特點(diǎn)：不一定成對(duì)出現(xiàn)x-y1,y2,y3,...模塊或流程收斂后再加如不收斂，首先檢查X上下界不是任意參數(shù)都能做X第六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日演示一：分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點(diǎn)進(jìn)料。進(jìn)料量5000kg/h，塔頂苯收率98%，純度不小于98%。采用回流量4000kg/h理論板數(shù)取19確定進(jìn)料位置？練習(xí)一：進(jìn)料流量由5000變化到10000，塔內(nèi)液泛因子、壓降的變化。Y:PR-FLD-FAC,PR-DPSEC例2-3.exe第七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.3計(jì)算器（Calculator）根據(jù)變量X的變化，按照一定的規(guī)則為變量Y賦值。常用在物料補(bǔ)充、損耗。特點(diǎn)：作為一個(gè)模塊，需要給定計(jì)算順序常常用在有循環(huán)物流情況，幫助收斂補(bǔ)充或損耗、限制某參數(shù)第八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日演示一：100kg/hC4進(jìn)一個(gè)閃蒸罐之前，需要與C3按2:1的重量比混合，閃蒸后氣相循環(huán)利用。閃蒸條件20C，4.1atm，求需要補(bǔ)充C3的量。練習(xí)一：若規(guī)定C4與C3的比例為3:2，求需要補(bǔ)充C3的量。例2-3.exe第九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日演示二：分離含苯44％wt甲苯混和物，常壓泡點(diǎn)進(jìn)料。進(jìn)料量5000kg/h，塔頂苯收率98%，純度不小于98%。進(jìn)料流量不變，甲苯組成由10%~60%，求回流量變化。分析：1）設(shè)計(jì)規(guī)定、靈敏度分析、計(jì)算器同時(shí)應(yīng)用。2）靈敏度中改變C6流量（500~3000），計(jì)算器中求C7流量，利用設(shè)計(jì)規(guī)定達(dá)到設(shè)計(jì)要求。第十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日第十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日（一）化工流程中的循環(huán)回路大多數(shù)化工流程模擬都存在循環(huán)回路，存在兩種循環(huán)：組分循環(huán)（循環(huán)質(zhì)量和能量）熱量循環(huán)（僅僅循環(huán)能量）8.4計(jì)算順序與循環(huán)流第十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日循環(huán)回路的種類獨(dú)立循環(huán)回路(IndependentLoop)嵌套循環(huán)回路(NestedLoop)交叉循環(huán)回路(InterconnectedLoop)第十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日（二）計(jì)算順序

序貫?zāi)K法聯(lián)立方程法聯(lián)立模塊法在大多數(shù)過(guò)程模擬軟件中(包括ASPEN、ProII)，某一時(shí)間只計(jì)算(模擬)一個(gè)單元(采用序貫?zāi)K法)，單元和物流計(jì)算的先后次序稱為計(jì)算順序。計(jì)算的順序是自動(dòng)按照模擬流程的信息流的順序進(jìn)行計(jì)算的,而信息流取決于化工過(guò)程的規(guī)定。通常，過(guò)程原料物流的變量是指定的,信息流與物料流平行。

第十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日主流程處理順序從原料物流(Feedstreams)到產(chǎn)物物流(Productstreams)的流程順序，稱為主流程處理順序(MainFlowProcessingSequence)。計(jì)算順序必須包括所有的流程單元計(jì)算順序無(wú)須和主流程順序相同，給定不同物流的初始假設(shè)值可選擇不同的計(jì)算順序，有時(shí)候可加速計(jì)算的收斂速度

第十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日RecycleSreamGuessedCalculationSequenceR1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6S3U1，(U3，U4，U5，U2)，U6S4U1，(U4，U5，U2，U3)，U6S6U1，(U5，U2，U3，U4)，U6第十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日切斷物流與計(jì)算順序的關(guān)系在默認(rèn)狀態(tài)下，ASPEN總是取切斷物流數(shù)為最小時(shí)的計(jì)算順序最小切斷物流數(shù)時(shí)的計(jì)算順序并不一定是最佳的計(jì)算順序

第十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日（三）循環(huán)回路流程模擬的解決方法為循環(huán)物流提供合適的初始值選擇合適的單元計(jì)算順序選擇合適的加速收斂方法組合單元，對(duì)它們同時(shí)求解第十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日（四）化工流程模擬的迭代解法非線性方程組：第十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日循環(huán)回路的迭代方法直接迭代(連續(xù)置換法)加速迭代

Wegstein收斂法

Broyden的擬-牛頓法對(duì)于高度非線性系統(tǒng)，連續(xù)置換法和Wegstein法可能失敗或效率非常低，也可采用各種更復(fù)雜的方法（包括牛頓－拉夫森法，主本征值法）第二十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日收斂演示一苯加氫制環(huán)己烷，組分，熱力學(xué)方法，流程如下第二十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日進(jìn)料：H2IN、BZIN如下第二十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日模塊參數(shù)如下：FEED-MEX:T-300F,P-330PSIREACT:計(jì)量反應(yīng)器（stoichiometry）P-(-15PSI),T-400F

反應(yīng)：3H2+BENZENE->C6H12-1

轉(zhuǎn)化率：苯0.998HP-SEP:T-120F,P-(-5PSI)VFLOW:LFLOW:COLUMN:12塊板，8板進(jìn)料，壓力200psi，冷凝器為分凝器，回流比1.2（mole），調(diào)節(jié)塔底出料量初值99lbmol/hr,調(diào)節(jié)塔底出料量使產(chǎn)品（PRODUCT）收率0.9999第二十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日缺?。簲郣XIN,收斂順序（View-controlpanel)如下：自定義：斷H2RCY,CHRCY步驟：1）增加收斂模塊C-1，輸入斷裂流2）輸入計(jì)算順序第二十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日增加設(shè)計(jì)規(guī)定，用VFLOW參數(shù)調(diào)節(jié)PURGE中H2濃度0.76缺?。簩nside--》Outside:第二十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日自己定義計(jì)算順序：1）增加收斂模塊2）增加設(shè)計(jì)規(guī)定收斂模塊3）定義計(jì)算順序第二十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日收斂演示二分離乙腈-甲苯混合物，加入二甲苯精餾，組分，流程如下：熱力學(xué)方法為（NRTL-RK)第二十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日進(jìn)料：XYL進(jìn)料：A進(jìn)料：B-AND-C第二十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日模塊參數(shù)如下：COLUMN-1:40塊板，XYL27板進(jìn)料，B-AND-C37板進(jìn)料，壓力0.1atm,壓降0.4atm，冷凝器為全凝，回流比6（mole），塔頂出料量150.15kg/hr；COLUMN-2:40塊板，F(xiàn)EED-215板進(jìn)料，A15板進(jìn)料，壓力1atm,忽略壓降，冷凝器為全凝，回流比6（mole），塔頂出料量362.9kg/hr；COLUMN-3:5塊板，4板進(jìn)料，壓力1atm,忽略壓降，冷凝器為全凝，回流比0.1（mole），塔頂出料量422.5kg/hr；第二十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日1）將循環(huán)recycle直接連接到column-1上，顯然不收斂。2）增加補(bǔ)充物流makeup，增加calculator，根據(jù)循環(huán)流中二甲苯量補(bǔ)充，使補(bǔ)充后的總二甲苯量450kg/h。第三十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日Column-1可能不收斂！因?yàn)檫M(jìn)料變化，采出不變。3）為column-1增加設(shè)計(jì)規(guī)定，調(diào)整采出量，使產(chǎn)品純度為定值。結(jié)果表明：比較容易收斂。第三十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日收斂演示三分離異丙醇-水混合物，加入苯共沸精餾，組分，流程如下：熱力學(xué)方法為（UNIQUAC)。加入的苯量為進(jìn)料一定。第三十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日進(jìn)料：FEED進(jìn)料：MAKEUP第三十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日8.5流程模擬計(jì)算的注意要點(diǎn)1）物料流程的正確描述對(duì)物料流程圖中的單元設(shè)備能用合適的單元模塊進(jìn)行描述。第三十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日第三十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日2)選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)變量一個(gè)功能強(qiáng)大的流程模擬系統(tǒng)，其單元模塊都有超過(guò)自由度數(shù)目的設(shè)計(jì)變量種類可供選擇。應(yīng)根據(jù)過(guò)程特性分析，用過(guò)程最重要或必須滿足的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，若幾個(gè)參數(shù)的重要性相當(dāng)，則應(yīng)選擇較易估算的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。第三十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日3)設(shè)計(jì)變量數(shù)目的決定自由決定的設(shè)計(jì)變量的值可能不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該對(duì)過(guò)程特性有深刻的認(rèn)識(shí)和分析，進(jìn)行必要的手算或局部的計(jì)算機(jī)計(jì)算，以保證全流程的順利運(yùn)算，減少不必要的機(jī)時(shí)浪費(fèi)，這對(duì)有循環(huán)物流的過(guò)程尤其重要。例：精餾塔塔頂氣相出料V1第三十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日4)逐步擴(kuò)大流程計(jì)算的范圍一般的化工過(guò)程流程復(fù)雜，單元操作眾多，一次性完成計(jì)算常有困難，可分割為單元模塊較少的子流程進(jìn)行計(jì)算，逐步推進(jìn)，有利于解決大型流程的模擬問(wèn)題5)有效地選擇單元模塊應(yīng)在流程模擬的各個(gè)