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

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羅茨風(fēng)機(jī) 模擬aspen：【全國化工設(shè)計(jì)競賽】Aspen的實(shí)戰(zhàn)詳解——循環(huán)(上)

　　?如何去實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)？答：借助循環(huán)。

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

　?。?）原料轉(zhuǎn)化率達(dá)不到

　　? ? ? ? 我們經(jīng)常遇到的一個(gè)問題是，原料的轉(zhuǎn)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(yīng)器出來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(xù)走下去，這種方式往往是多段反應(yīng)器串聯(lián)。二是從反應(yīng)器出來的流股，經(jīng)由分離單元等一系列操作后，使原料分離出來進(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)。

　　（2）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)解析出來也是一種提純，可以作為副產(chǎn)品銷售出去。

　?。?）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，使其得到分離提純。這種過程稱作萃取。在萃取過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(fèi)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

　　? ? ? ?沒想起來。

　　? ? ? 此時(shí)Aspen對應(yīng)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(jì)值，然后進(jìn)行迭代計(jì)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(xì)了，Aspen在計(jì)算中往往會自主選擇流股來進(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，有很大的可能不會收斂。

　　? ? ? ?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(yùn)行速度。

　　請結(jié)合本視頻觀看。

　　? ? ? 本題的求解思路有點(diǎn)類似于簡化的比賽求解過程，所以我會以比賽的形式來講題（后面加括號備注）。

　　? ? ? 首先我們明確我們的目的：

　　? ? ? 過程中發(fā)生的反應(yīng)有：（查文獻(xiàn)得出）

　　? ? ? ?我們設(shè)計(jì)的產(chǎn)量為：苯乙烯24萬噸/年，開工周期為8000h。

　　? ?

　　? ? ? ?根據(jù)這些信息，我們可以簡單的設(shè)計(jì)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(jì)量比是1：1的關(guān)系，所以設(shè)置甲醇的進(jìn)料量也為490.75kmol/h。（實(shí)際比賽中要看動力學(xué)方程，甲醇的量是否對甲苯轉(zhuǎn)化率有影響，如果有的話可能甲醇的比例要稍微高一點(diǎn)）

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

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

　　? ? ? ?那么我們反應(yīng)器前后的參數(shù)都可以輸入，并且運(yùn)行。

　　? ? 接下來，從反應(yīng)器出來的物質(zhì)有H2，H2O，以及有機(jī)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(fù)雜的多，而且也不是一個(gè)簡單的分相器就能分離的，這時(shí)候就考驗(yàn)各位的化工知識的水平了，也是展現(xiàn)自己的特色之一）

　　? ? ? ? 由于從反應(yīng)器出來的流股溫度較高，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，在比賽中可以通過換熱網(wǎng)絡(luò)來分析）。

　　? ? ? ? 接下來輸入設(shè)備參數(shù)，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(shù)往往是根據(jù)文獻(xiàn)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(jù)經(jīng)驗(yàn)得到，影響不算多大）

　　? ? ? 運(yùn)行后分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)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(jī)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(jié)約能量常用雙效精餾）

　　? ? ? ? 這里面我們根據(jù)進(jìn)塔物料的參數(shù)來添加設(shè)備，進(jìn)塔的壓力為145kpa（這個(gè)我估計(jì)是出題人根據(jù)前期模擬的一個(gè)探索過程，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(shù)可以根據(jù)工藝設(shè)計(jì)的期望值用D塔計(jì)算得出，然后換入到R塔中，或者文獻(xiàn)中提出的。）本題中給出了塔參數(shù)，那么按照題中那樣輸入。參數(shù)輸入如下圖所示：

　　? ? ? ? 我們的（塔底甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于60ppm，保證塔頂水的摩爾分?jǐn)?shù)小于0.001）。題中給的參數(shù)并不能滿足分離要求（這很正常），于是。塔板數(shù)我們就不改變了（因?yàn)榭偹逡蛔兓?，塔?nèi)壓力就會變化，進(jìn)料板數(shù)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足要求。

　　? ? ? ? 運(yùn)行模擬，發(fā)現(xiàn)差不多能滿足要求，但這時(shí)我們先不急著把S17連接到反應(yīng)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(yīng)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）。

　　? ? ? ? ?接下來的操作和甲醇回收操作一樣，設(shè)置塔內(nèi)規(guī)范，來盡可能地將甲苯分離出來。

　　? ? ? ? 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的產(chǎn)品流股必須含有288.46kmol/hr的流量。這時(shí)設(shè)置的變量的仍是進(jìn)料量，而且需要把第一個(gè)流股設(shè)計(jì)規(guī)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(shù)）。其中可能會出現(xiàn)很多錯(cuò)誤和警告，在視頻中我會詳細(xì)講解。而且書中的有些操作并不是太規(guī)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)分離出來了，也許產(chǎn)品流股還夾帶著部分的原料，但那些完全沒有必要循環(huán)回來，兩點(diǎn)原因：一方面，再循環(huán)回來需要添加許多設(shè)備，增加了工藝的復(fù)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(yīng)該像這樣來進(jìn)行思考）。

　　? ? ? ? 我們。前文已經(jīng)提到，后續(xù)循環(huán)回來的流股的狀態(tài)還是純度都已改變，所以我們要添加壓力變送設(shè)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)問題，那就是進(jìn)反應(yīng)器的原料一開始就有那樣的溫度和壓力嗎？仔細(xì)一想就知道不是的。通常來說，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(dāng)然，我說的是一般！為了使這些原料能達(dá)到我們反應(yīng)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(yīng)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：

　　? ? ? ? ? 來看上圖，進(jìn)料的兩股原料分別為甲醇和甲苯，經(jīng)過加壓后，達(dá)到了反應(yīng)的進(jìn)料壓力（已計(jì)算后續(xù)設(shè)備壓降損失），然后通過換熱器進(jìn)行相變（給后面的加熱爐分擔(dān)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)過加壓和換熱后，達(dá)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)過加壓和換熱后，達(dá)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(guī)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?jiǎng)h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(shè)計(jì)規(guī)定。這時(shí)候還要注意的是，循環(huán)的計(jì)算是一種反復(fù)的迭代過程，在這個(gè)過程中，許多值會不斷的變化，而前面做的塔內(nèi)的設(shè)計(jì)規(guī)定需要?jiǎng)h除，把結(jié)果代替原來的值。

　　? ? ? ? ? 這一段過程非常復(fù)雜，由于篇幅限制，我會在視頻中詳細(xì)介紹，請各位務(wù)必看我的視頻分析！

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

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

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

　　中國科技論文在線

　　富氧燃燒循環(huán)流化床中試系統(tǒng)床溫動態(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(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(tǒng)的燃燒本體裝置為仿真對象，對已有

　　穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了基于Aspen Dynamics 平臺的Oxy-CFB 床溫動態(tài)模型，研究了給

　　煤量和一次風(fēng)量對床溫的影響，并利用動態(tài)階躍試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，初步獲得了密相區(qū)和稀

　　10 相區(qū)床溫隨給煤量、一次風(fēng)量發(fā)生階躍變化的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，為 Oxy-CFB 鍋爐燃燒系統(tǒng)主

　　要過程參數(shù)的動態(tài)特性及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究產(chǎn)生有益的推動作用。

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

　　中圖分類號：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(jù)統(tǒng)計(jì) ，全球60% 以上的溫室氣體來源于CO2 的排放，其中燃煤電站是人類生產(chǎn)活

　　動中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(dá)到

　　了50% 。因此，將控制燃煤

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