第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
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)
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
n 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
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
组分
乙醇 水 环己烷
表10-1 过程工艺数据
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
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
第10章工艺流程模拟
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%；
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
n 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。 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。
第10章工艺流程模拟
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。
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 。
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。
第10章工艺流程模拟
10.2 工艺流程模拟
n 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
Properties∣Parameters∣Binary Interaction∣UNIQ1页面修改参数
用户自定义撕裂物流
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
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
n 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 。
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。
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
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) 。
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
撕裂流
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
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
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
循环工艺流程
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
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）
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。
第10章工艺流程模拟
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。
组分i 组分j 温度单位
Aij Aji Bij Bji 温度下限 温度上限
表10-2 系统二元交互作用参数
苯乙烯 乙苯 ℃
0 0 -239.3595 173.3769 90 100
苯乙烯 水 ℃ 0 0
-889.45 -331.65
第10章工艺流程模拟
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。
初始化后，重新运行模拟，控制面板显示结果可行。
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
n 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
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。
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
增大迭代次数
选择收敛方法
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
循环回路流程模拟的解决方法
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；
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 第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
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。
第10章工艺流程模拟
10.2 工艺流程模拟
n 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
第10章工艺流程模拟
2020/11/25
第10章工艺流程模拟
目录
n 10.1 带循环的工艺流程 n 10.2 工艺流程模拟
第10章工艺流程模拟
10.1 带循环的工艺流程模拟
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）
输入模块（G）参数
第10章工艺流程模拟
苯乙烯的生产——简单模块流程
n 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
第10章工艺流程模拟
苯乙烯的生产——简单模块流程
n 分离单元均用简单分离器模块计算
查看物流结果
第10章工艺流程模拟
苯乙烯的生产——物性参数
选择物形方法UNIQUAC并修改二元交互作用参数
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