第6讲-带循环物流的化工流程模拟

第第66讲讲带循环物流的化工流程模拟带循环物流的化工流程模拟《化工过程模拟软件工程应用》《化工过程模拟软件工程应用》本节目的本节目的„„能建立涉及循环回路和设计规定的模拟，能建立涉及循环回路和设计规定的模拟，这些问题这些问题通常采用迭代控制算法完成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，如懂得对循环计算和当满足设计规定时，如何按何按PRO/IIPRO/II、、ASPENPLUSASPENPLUS、、CHEMCADCHEMCAD和和自动执行的计算顺序进行计算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关于循环计算，应当能通过定义切断流改变计算顺序变计算顺序„„使用参考物流解决循环回路的收敛速度使用参考物流解决循环回路的收敛速度提纲提纲（（一）化工流程中的循环回路一）化工流程中的循环回路（二）循环回路的计算顺序（二）循环回路的计算顺序（三）循环回路的切断物流（三）循环回路的切断物流（四）循环回路流程模拟的解决方法（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（五）化工流程模拟的迭代解法（六）案例分析（六）案例分析（（一）化工流程中的循环回路一）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，大多数化工流程模拟都存在循环回路，存在两种循环：存在两种循环：„„组分循环（循环质量和能量）组分循环（循环质量和能量）„„热量循环（仅仅循环能量）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源，某些情况下，按软件默认的计算方法可能不收敛。可能不收敛。PurgeCompositionalRecycleProductFeedThermalRecycleFig6.1„„当反应操作涉及可逆反应或竞争反应，离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。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这些过程，要求解信息循环回路中所有单元的全部方程需要一定的求解技巧。元的全部方程需要一定的求解技巧。循环回路的种类循环回路的种类„„独立循环回路独立循环回路((IndependentLoop)IndependentLoop)„„嵌套循环回路嵌套循环回路((NestedLoop)NestedLoop)„„交叉循环回路交叉循环回路((InterconnectedLoop)InterconnectedLoop)独立循环回路独立循环回路((IndependentLoop)IndependentLoop)„„Case1:U1,(U2,U3),U4,(U5,U6),U7BetterCase1:U1,(U2,U3),U4,(U5,U6),U7Better„„Case2:U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7Case2:U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9R1R2嵌套循环回路嵌套循环回路((NestedLoop)NestedLoop)„„Case1:U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7Case1:U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7„„Case2:U1,(U2,(U3,U4),U5,U6),U7BetterCase2:U1,(U2,(U3,U4),U5,U6),U7BetterU1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9R1R2交叉循环回路交叉循环回路((InterconnectedLoop)InterconnectedLoop)„„解决此类回路最好的方法是将它们看作整体（大解决此类回路最好的方法是将它们看作整体（大回路）：回路）：U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9R1R2（（二）计算顺序二）计算顺序„„序贯模块法序贯模块法„„联立方程法联立方程法„„联立模块法联立模块法„„在大多数过程模拟软件中在大多数过程模拟软件中((包括包括ProIIProII))，，某一时间某一时间只计算只计算((模拟模拟))一个单元一个单元((采用序贯模块法采用序贯模块法))，单元，单元和物流计算的先后次序称为计算顺序。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进行计算的,,而信息流取决于化工过程的规定。通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常，过程原料物流的变量是指定的,,信息流与物料信息流与物料流平行。流平行。主主流程处理顺序流程处理顺序„„从原料物流从原料物流((Feedstreams)Feedstreams)到到产物物流产物物流((Productstreams)Productstreams)的流程顺序，称为主流程的流程顺序，称为主流程处理顺序处理顺序((MainFlowProcessingSequence)MainFlowProcessingSequence)。。U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1MainFlowProcessingSequence：U1，U2，U3，U4，U5，U6Fig6.2U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1MainFlowProcessingSequence：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Fig6.3„„计算顺序必须包括所有的流程单元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序，有时候可加速计算的收敛速度U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1CalculationSequence：U1，(U2，U3，U4，U5)，U6假设假设R1R1值，则值，则Fig6.2Fig6.2的计算顺序的计算顺序：：RecycleRecycleSreamSreamGuessedGuessedCalculationSequenceCalculationSequenceR1R1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6S3S3U1，(U3，U4，U5，U2)，U6S4S4U1，(U4，U5，U2，U3)，U6S6S6U1，(U5，U2，U3，U4)，U6给定不同物流的初始假设值可选择不同的计算顺序给定不同物流的初始假设值可选择不同的计算顺序::（（三）切断物流三）切断物流„„为循环回路的某一物流提供估计值，用以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进行循环回路的迭代U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1R1inR1out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。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，收敛单元的位置在大多数过程模拟软件中，收敛单元的位置是自动确定的。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的关系„„切断物流与计算顺序密切相关，确定了切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，反之亦断物流即意味着确定了计算顺序，反之亦然。然。切断物流切断物流计算顺序计算顺序U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9R1R2切断物流为S4计算顺序：U1，U4，U5，U6，U2，U3，U7切断物流为R1、R2计算顺序：U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7ProII默认计算顺序切断物流与计算顺序的关系切断物流与计算顺序的关系„„在在默认状态下，默认状态下，ProIIProII总是取切断物流数为总是取切断物流数为最小时的计算顺序最小时的计算顺序„„最小切断物流数时的计算顺序并不一定是最小切断物流数时的计算顺序并不一定是最佳的计算顺序最佳的计算顺序（（四）循环回路流程模拟的解决方法四）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单元计算顺序„„选择合适的加速收敛方法选择合适的加速收敛方法„„组合单元，对它们同时求解组合单元，对它们同时求解控制循环回路的方法控制循环回路的方法„„SIMSCIMethodSIMSCIMethod（（MinimumnumberofMinimumnumberoftearstreamstearstreams））„„AlternateMethodAlternateMethod„„UserUser--DefinedMethodDefinedMethod循环计算的收敛准则循环计算的收敛准则„„组分流量收敛准则组分流量收敛准则„„温度收敛准则温度收敛准则„„压力收敛准则压力收敛准则Cnininimmmε≤−−1TniniTTε≤−−1PnininiPPPε≤−−1默认：0.01默认：1℉，0.55℃默认：0.01参考物流参考物流„„某物流的性质根据流程中其它物流的性质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来定义，该物流称为参考物流((ReferenceReferencestreams)streams)„„源物流源物流((Sourcestream)Sourcestream)„„目标物流目标物流((Targetstream)Targetstream)源物流的状态源物流的状态应为定值应为定值„„这两股物流必须含有相同的组成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、压这两股物流可以有不同的流量、温度、压力力E-1E-2F-1V-1V-2S2S3S4S5S63iterationstoconvergeE-1E-2F-1V-1V-2S2S3S4S6S5S5*„„源物流源物流::S2S2„„目标物流目标物流::S5*S5*2iterationstoconverge（（五）化工流程模拟的迭代解法五）化工流程模拟的迭代解法„„非非线性方程组：线性方程组：()()()0,,0,,0,,21212211=………………=……=……nnnnxxxfxxxfxxxf，，，循环回路的迭代方法循环回路的迭代方法„„直接迭代直接迭代((连续置换法连续置换法))„„加速迭代加速迭代WegWegssteintein收敛法收敛法BroydenBroyden的拟的拟--牛顿法牛顿法对于高度非线性系统，连续置换法和对于高度非线性系统，连续置换法和WegsteinWegstein法可能失败或效率非常低，也可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－拉夫采用各种更复杂的方法（包括牛顿－拉夫森法，主本征值法）森法，主本征值法）迭代解法涉及的问题迭代解法涉及的问题„„迭代变量的选择迭代变量的选择„„迭代程序的组织迭代程序的组织„„迭代收敛的加速迭代收敛的加速()()0,0,21==yxfyxf迭代变量的选择迭代变量的选择„„选择迭代变量的最基本要求是能够利