第3讲-复杂循环回路的流程模拟

第3讲复杂循环回路的化工流程模拟《Pro/II与化工过程模拟》本讲目的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。PurgeCompositionalRecycleProductFeedThermalRecycle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需要一定的求解技巧。循环回路的种类独立循环回路(IndependentLoop)嵌套循环回路(NestedLoop)交叉循环回路(InterconnectedLoop)独立循环回路(IndependentLoop)Case1:U1,(U2,U3),U4,(U5,U6),U7BetterCase2:U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9R1R2嵌套循环回路(NestedLoop)Case1:U1,(U2,U3,U4,U5,U6),U7Case2:U1,(U2,(U3,U4),U5,U6),U7BetterU1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9R1R2交叉循环回路(InterconnectedLoop)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),U7U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9R1R2（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(Feedstreams)到产物物流(Productstreams)的流程顺序，称为主流程处理顺序(MainFlowProcessingSequence)。U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1MainFlowProcessingSequence：U1，U2，U3，U4，U5，U6Fig3.2U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1MainFlowProcessingSequence：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Fig3.3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U1U6U7U4U5U3U2S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10R1CalculationSequence：U1，(U2，U3，U4，U5)，U6假设R1值，则Fig6.2的计算顺序：RecycleSreamGuessedCalculationSequenceR1U1，(U2，U3，U4，U5)，U6S3U1，(U3，U4，U5，U2)，U6S4U1，(U4，U5，U2，U3)，U6S6U1，(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:（三）切断物流（TearStream）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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SIMSCIMethod（Minimumnumberoftearstreams）AlternateMethodUser-DefinedMethod循环计算的收敛准则组分流量收敛准则温度收敛准则压力收敛准则Cnininimmm1TniniTT1PnininiPPP1默认：0.01默认：1℉，0.55℃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(Referencestreams)源物流(Sourcestream)目标物流(Targetstream)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E-1E-2F-1V-1V-2S2S3S4S5S63iterationstoconvergeE-1E-2F-1V-1V-2S2S3S4S6S5S5*源物流:S2目标物流:S5*2iterationstoconverge（五）化工流程模拟的迭代解法非线性方程组：0，,,0，,,0，,,21212211nnnnxxxfxxxfxxxf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calkkcalXXXfX1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kkcalkXXX1111内插松弛外推松弛kcalXfX松弛因子加速迭代1Wegstein法图真实根Wegstein法估算根01xfx12~xfx1111kkkkxxxfxf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2Broyden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6.4闪蒸过程循环物料的收敛问题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：1262663HCHHCBenzeneFeedMakeupH2S1S3S6S4S7E1F1S10S9S11PurgeGasC1500psigRecycleH2S13RX1DP=15E2300S5SP1CyclohexaneProduct120S12M1S8Task1：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：反应器温度控制在435℉苯的转化率为99.9％反应热为-87×103Btu/lb-mol苯（77℉时）1262663HCHHCRunA：1)需要经过多少循环迭代才收敛？耗时多少？2)氢气和甲烷的质量平衡误差分别为多少？3)ProII选择了怎样的计算顺序和切断物流？RunB：将循环物流的相对误差降低到0.001，并将物质的摩尔分率的检查阈值降低到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？Problems:Task2：使用Inside/Out方法进行上述流程的计算从上述RunB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)每个外循环需要进行多少次内循环才能收敛？2)外循环共进行了多少次迭代收敛？3)Reactor和HeatExchanger被计算了多少次？Flash和Compressor呢？4)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S3S6S4S7E1F1S10S9S11PurgeGasS13DP=15E2SP1CyclohexaneProduct120M1S8BenzeneFeedMakeupH2S1C1500psigRecycleH2RX1300S5S12S5*由Ｔask１\RunB开始计算：1)需要多少次迭代可收敛？（27）2)ProII采取了怎样的计算顺序？M1、R1、E1、E3、F1、SP1、C1、E26.2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。各单元设备操作参数a)E1-压降2psi；b)F1-等温（270℉）等压（32psi）闪蒸；c)T1-吸收塔，塔顶压力31psi；每板压降0.5psi；d)F2-即T1，等温（270℉）闪蒸；e)T2-精馏塔塔顶压力23psi；压降2psi（整塔），进料板第10块，回流比R=3；S11/S10=0.2Problems:1)默