羅茨風(fēng)機 模擬aspen：aspen模擬風(fēng)機海川化工論壇

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羅茨風(fēng)機 模擬aspen：【全國化工設計競賽】Aspen的實(shí)戰詳解——循環(huán)(上)

　　?如何去實(shí)現這個(gè)目標？答：借助循環(huán)。

　　? 我們在比賽中應考慮的循環(huán)點(diǎn)有這幾個(gè)。

　?。?）原料轉化率達不到

　　? ? ? ? 我們經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題是，原料的轉化率可能不是太高，這時(shí)我們采取的一個(gè)方式就是將原料循環(huán)回去。這時(shí)有兩種選擇，一是從反應器出來(lái)的流股直接分為兩份，一部分循環(huán)，另一部分按照流程繼續走下去，這種方式往往是多段反應器串聯(lián)。二是從反應器出來(lái)的流股，經(jīng)由分離單元等一系列操作后，使原料分離出來(lái)進(jìn)行循環(huán)，產(chǎn)物進(jìn)入下一流程。這兩種各有其優(yōu)點(diǎn)。

　?。?）吸收劑的再生

　　? ? ? ?對于吸收-解析單元，解析塔的作用是對吸收劑的再生操作，一方面使吸收劑循環(huán)利用降低成本，另一方面將所吸收的物質(zhì)解析出來(lái)也是一種提純，可以作為副產(chǎn)品銷(xiāo)售出去。

　?。?）萃取劑的回收

　　? ? ? ?對于萃取單元，將混合物溶液中某些化合物組分，用另外一種液體（萃取劑）將其提取出來(lái)，使其得到分離提純。這種過(guò)程稱(chēng)作萃取。在萃取過(guò)程中萃取劑的用量往往是大量的，如果不對其進(jìn)行循環(huán)回收，不僅是一種浪費而且成本巨大。因此我們也需要對萃取劑進(jìn)行循環(huán)。這也是一種循環(huán)操作。

　?。?）其他

　　? ? ? ?沒(méi)想起來(lái)。

　　? ? ? 此時(shí)Aspen對應的操作則是選擇一條流股作為撕裂流股（這一條流股經(jīng)常是循環(huán)流股，但也不一定），給其賦予一個(gè)估計值，然后進(jìn)行迭代計算。這里我們介紹一下撕裂流股的定義：

　　? ? ? ? 上圖對撕裂流股的介紹已經(jīng)很詳細了，Aspen在計算中往往會(huì )自主選擇流股來(lái)進(jìn)行斷裂。Aspen本身選擇的流股可能不是那么的好，如果我們不進(jìn)行操作的話(huà)，有很大的可能不會(huì )收斂。

　　? ? ? ?所以我們往往還要自己選擇一條或者多條流股進(jìn)行斷裂，并且給其賦予初值，這不僅有助于收斂，而且能加快運行速度。

　　請結合本視頻觀(guān)看。

　　? ? ? 本題的求解思路有點(diǎn)類(lèi)似于簡(jiǎn)化的比賽求解過(guò)程，所以我會(huì )以比賽的形式來(lái)講題（后面加括號備注）。

　　? ? ? 首先我們明確我們的目的：

　　? ? ? 過(guò)程中發(fā)生的反應有：（查文獻得出）

　　? ? ? ?我們設計的產(chǎn)量為：苯乙烯24萬(wàn)噸/年，開(kāi)工周期為8000h。

　　? ?

　　? ? ? ?根據這些信息，我們可以簡(jiǎn)單的設計出工藝流程：

　　? 我們。首先是進(jìn)料。

　　? ? ? ? 進(jìn)料量未知：：

　　? ? ? ? 由上式算出甲苯的進(jìn)料量為490.75kmo/h。由于甲醇和甲苯的計量比是1：1的關(guān)系，所以設置甲醇的進(jìn)料量也為490.75kmol/h。（實(shí)際比賽中要看動(dòng)力學(xué)方程，甲醇的量是否對甲苯轉化率有影響，如果有的話(huà)可能甲醇的比例要稍微高一點(diǎn)）

　　? ? ? 反應條件為：反應物狀態(tài)495℃，400kpa。氣相反應，絕熱操作，壓降70kpa。（查文獻得出，可能還需要優(yōu)化）

　　? ? ? ?其中：苯乙烯摩爾轉化率為0.5878，乙苯摩爾轉化率為0.1212（在比賽中由動(dòng)力學(xué)限制）

　　? ? ? ?那么我們反應器前后的參數都可以輸入，并且運行。

　　? ? 接下來(lái)，從反應器出來(lái)的物質(zhì)有H2，H2O，以及有機相。由于物質(zhì)較少，而且也挺好分離的，那么我們考慮用一個(gè)三相分離器（實(shí)際比賽中這股流股要復雜的多，而且也不是一個(gè)簡(jiǎn)單的分相器就能分離的，這時(shí)候就考驗各位的化工知識的水平了，也是展現自己的特色之一）

　　? ? ? ? 由于從反應器出來(lái)的流股溫度較高，因此我們在分相器之前加入一個(gè)冷卻器（該冷卻器不僅能提高分離效果，而且可以將熱量綜合利用，在比賽中可以通過(guò)換熱網(wǎng)絡(luò )來(lái)分析）。

　　? ? ? ? 接下來(lái)輸入設備參數，冷凝器溫度38℃，壓降10kpa；分相器溫度38℃，壓降10kpa（本題中所有換熱器的壓降均為10kpa），分離器的物性方法改為UNIFAC，以便于分離。（溫度參數往往是根據文獻得到的一個(gè)參考，然后靈敏度分析得出最佳值，壓降可以根據經(jīng)驗得到，影響不算多大）

　　? ? ? 運行后分析結果，發(fā)現分相器分離的三股流股，主要包含的物質(zhì)分別為①氫氣②苯乙烯和其他有機雜質(zhì)③甲醇和水。我們思考對這三股流股分別進(jìn)行處理。

　　? ? ? ? 甲醇和水的分離我們常用精餾分離，這里面我們只用一個(gè)簡(jiǎn)單的精餾塔進(jìn)行分離。（在比賽中這一點(diǎn)也是創(chuàng )新點(diǎn)的加入地方之一，比如工業(yè)中分離甲醇和水為了節約能量常用雙效精餾）

　　? ? ? ? 這里面我們根據進(jìn)塔物料的參數來(lái)添加設備，進(jìn)塔的壓力為145kpa（這個(gè)我估計是出題人根據前期模擬的一個(gè)探索過(guò)程，得出的進(jìn)料板的壓力在145kpa左右），所以，我們加一個(gè)泄壓閥，另外在工業(yè)上，精餾塔的進(jìn)料通常為泡點(diǎn)進(jìn)料， 那么我們加熱到VAPOR FRAC為0的狀態(tài)即為泡點(diǎn)。換熱器的壓降為10kpa，這樣甲醇的回收單元我們可以建立如下圖所示：

　　? ? ? （塔參數可以根據工藝設計的期望值用D塔計算得出，然后換入到R塔中，或者文獻中提出的。）本題中給出了塔參數，那么按照題中那樣輸入。參數輸入如下圖所示：

　　? ? ? ? 我們的（塔底甲醇的質(zhì)量分數小于60ppm，保證塔頂水的摩爾分數小于0.001）。題中給的參數并不能滿(mǎn)足分離要求（這很正常），于是。塔板數我們就不改變了（因為總塔板一變化，塔內壓力就會(huì )變化，進(jìn)料板數和壓力也要變，牽扯的東西很多）。我們先改變回流比和塔頂采出量試試能不能滿(mǎn)足要求。

　　? ? ? ? 運行模擬，發(fā)現差不多能滿(mǎn)足要求，但這時(shí)我們先不急著(zhù)把S17連接到反應器上，看看其他流股是不是也有甲醇可以分離循環(huán)。

　　? ? ? ? 產(chǎn)品流股S14中含有未反應的甲苯、副產(chǎn)物乙苯和少量水和甲醇。因此我們首先考慮分離甲苯。和回收甲醇操作一樣，加入泄壓閥泄壓，然后加入換熱器使其泡點(diǎn)進(jìn)料，利用精餾塔分離甲苯（在比賽中這一點(diǎn)也可以進(jìn)行自由發(fā)揮）。

　　? ? ? ? ?接下來(lái)的操作和甲醇回收操作一樣，設置塔內規范，來(lái)盡可能地將甲苯分離出來(lái)。

　　? ? ? ? 此時(shí)我們需要注意，為了保證總產(chǎn)量不變，所以我們從甲苯回收塔出來(lái)的產(chǎn)品流股必須含有288.46kmol/hr的流量。這時(shí)設置的變量的仍是進(jìn)料量，而且需要把第一個(gè)流股設計規定刪除掉（為了保證后面有288.46kmo/hr，那么S14必須得大于這個(gè)數）。其中可能會(huì )出現很多錯誤和警告，在視頻中我會(huì )詳細講解。而且書(shū)中的有些操作并不是太規范，雖然影響不大。

　　? ? ? 好的，到了目前這個(gè)地步，大批量的原料幾乎都已經(jīng)分離出來(lái)了，也許產(chǎn)品流股還夾帶著(zhù)部分的原料，但那些完全沒(méi)有必要循環(huán)回來(lái)，兩點(diǎn)原因：一方面，再循環(huán)回來(lái)需要添加許多設備，增加了工藝的復雜性，而且也增加了模擬的難度。另一方面，雖然只分離少量的原料但對于能量的損耗卻是巨大的，得不償失。（我們比賽中思考改進(jìn)工藝的思路也應該像這樣來(lái)進(jìn)行思考）。

　　? ? ? ? 我們。前文已經(jīng)提到，后續循環(huán)回來(lái)的流股的狀態(tài)還是純度都已改變，所以我們要添加壓力變送設備和換熱器對其進(jìn)行一些修正，使其盡可能地與原料差不多。

　　? ? ? ? 然后我們還要思考一個(gè)問(wèn)題，那就是進(jìn)反應器的原料一開(kāi)始就有那樣的溫度和壓力嗎？仔細一想就知道不是的。通常來(lái)說(shuō)，原料一般儲存在罐里，然后罐的溫度和壓力一般都是常溫（25℃）常壓（1atm），當然，我說(shuō)的是一般！為了使這些原料能達到我們反應的程度，我們需要給其變壓變溫，甚至有的時(shí)候，原料需要我們自己反應或提純，這都是很正常的。本題只需要變溫變壓即可。于是我們得到如下流程：

　　? ? ? ? ? 來(lái)看上圖，進(jìn)料的兩股原料分別為甲醇和甲苯，經(jīng)過(guò)加壓后，達到了反應的進(jìn)料壓力（已計算后續設備壓降損失），然后通過(guò)換熱器進(jìn)行相變（給后面的加熱爐分擔壓力），全部混合。然后上面這條流股主要是甲苯循環(huán)，也含有部分其他雜質(zhì)，經(jīng)過(guò)加壓和換熱后，達到了和進(jìn)料流股差不多的狀態(tài)。下面的這條流股主要是甲醇循環(huán)，經(jīng)過(guò)加壓和換熱后，達到了和進(jìn)料流股差不多的狀態(tài)。

　　? ? ? ? ? ? 由于前面對產(chǎn)物的產(chǎn)量進(jìn)行了規定（288.46kmol/h），而S10已經(jīng)變成了中間的一條流股（這時(shí)我們不要刪除初值，而是留在那有助于收斂），因此需要對前面的兩條輸入流股做設計規定。這時(shí)候還要注意的是，循環(huán)的計算是一種反復的迭代過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，許多值會(huì )不斷的變化，而前面做的塔內的設計規定需要刪除，把結果代替原來(lái)的值。

　　? ? ? ? ? 這一段過(guò)程非常復雜，由于篇幅限制，我會(huì )在視頻中詳細介紹，請各位務(wù)必看我的視頻分析！

　　? ? ? ? ?然后運行就結束了，這就是循環(huán)的添加操作。后面的一些過(guò)程都是些簡(jiǎn)單的分離，不涉及循環(huán)，我便不講了。

　　? ? ? ? 下期講不收斂的一些常見(jiàn)辦法（我也不知道什么時(shí)候發(fā)下期，畢竟我也沒(méi)有太多時(shí)間，O(∩_∩)O）。

羅茨風(fēng)機 模擬aspen：富氧燃燒循環(huán)流化床中試系統床溫動(dòng)態(tài)模擬研究-中國科技論文在線(xiàn).PDF

　　中國科技論文在線(xiàn)

　　富氧燃燒循環(huán)流化床中試系統床溫動(dòng)態(tài)模

　　擬研究#

　　周建新，李崇，邵壯，司風(fēng)琪，徐治皋*

　　5 （東南大學(xué)能源熱轉換及其過(guò)程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，能源與環(huán)境學(xué)院，南京， ）

　　摘要：論文以某50kWth 富氧燃燒循環(huán)流化床中試系統的燃燒本體裝置為仿真對象，對已有

　　穩態(tài)模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了基于A(yíng)spen Dynamics 平臺的Oxy-CFB 床溫動(dòng)態(tài)模型，研究了給

　　煤量和一次風(fēng)量對床溫的影響，并利用動(dòng)態(tài)階躍試驗數據進(jìn)行驗證，初步獲得了密相區和稀

　　10 相區床溫隨給煤量、一次風(fēng)量發(fā)生階躍變化的動(dòng)態(tài)響應規律，為 Oxy-CFB 鍋爐燃燒系統主

　　要過(guò)程參數的動(dòng)態(tài)特性及其控制系統的設計研究產(chǎn)生有益的推動(dòng)作用。

　　關(guān)鍵詞：富氧燃燒；循環(huán)流化床；動(dòng)態(tài)模擬；床溫；流程模擬

　　中圖分類(lèi)號：TQ534

　　15 Study on the dynamic simulation of bed temperature for an

　　oxy-fuel CFB combustor pilot facility

　　ZHOU Jianxin, LI Chong, SHAO Zhuang, SI Fengqi, XU Zhigao

　　(Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, School of

　　Energy and Environment, Southeast University, Nanjing, , China)

　　20 Abstract: After modifying the steady-state model, the paper built a dynamic simulation model of

　　bed temperature for an oxy-fuel circulating fluidized bed combustor pilot facility was built based

　　on Aspen Dynamics which is a professional process simulation tool. The study focused on the

　　impacts of coal feed and primary air step changes and the simulation results were validated by

　　some dynamic step change tests. The dynamic response behaviors of bed temperature in dense

　　25 zone and dilute zone will actively promote the development of the research concerning the

　　dynamic characteristics and the control system design.

　　Key words: oxy-fuel combustion; circulating fluidized bed; dynamic simulation; bed temperature;

　　process simulation

　　30 0 引言

　　[1,2]

　　據統計 ，全球60% 以上的溫室氣體來(lái)源于CO2 的排放，其中燃煤電站是人類(lèi)生產(chǎn)活

　　動(dòng)中CO2 最集中的排放源，其排放量約占全球CO2 總排放的20% ，該比例在我國更是達到

　　了50% 。因此，將控制燃煤

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