Aspen流程模拟中的循环问题

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本文中的内容很多都很有争议，所以全文仅代表作者乙醇个人观点及经验，不喜勿喷，也欢迎大佬的批评指正

什么是循环？为什么要循环？

在aspen流程模拟中，经常会碰到需要物料循环的情况，那么什么是循环，我们为什么要用循环呢？

循环顾名思义，就是将一部分物料，不管是未反应的原料也好，需要回收的萃取剂也好，热泵精馏的再沸蒸汽也好，循环回上一级的模块进行重新利用，在上一级的模块进行计算之后，随着有新物料的补充，循环的物料基本上属于守恒状态，让在循环内的模块达到一个稳态平衡，从而达到我们的目标。

至于为什么要使用循环，用丙烯气相水合制备异丙醇来说，单程转化率只有非常低的5-6%，如果不把未反应的原料循环回去再利用，那么原料的浪费将是非常非常大的，而且对后续的分离精制也会造成困扰，这就是循环的目的之一：寻求最优的转化率。在萃取精馏中，往往萃取剂的用量是非常大的，如果不对萃取剂进行回收循环利用，那哪个厂子能顶得住这么烧钱

前言

这篇文档我会分享自己在竞赛中打循环的经验和一些小技巧，当然我本人比较菜，很多东西也都是一知半解，甚至采取一些投机取巧的办法，可能并不是那么正确，所以本文只是做一个记录和分享，如果不符合您的观点和认知，出门左转就行，当然也欢迎您在评论区指出我的错误，但是请文明讨论

为了不被喷，我是真的心累

未反应的物料循环

本部分以丙烯气相水合制备异丙醇工艺为例

首先是工艺流程搭建，这就不多说了，从界外原料到反应器产物流股：

丙烯进料300kmol/h，丙烯体积分数99.6%，水进料195kmol/h，水丙烯摩尔比为0.65，反应温度200℃，压力20bar≈2MPa

可以看到，以丙烯表示的转化率为：(298.886-282.917)/298.886=5.34%

这个时候就必须要把丙烯循环回去，不然超大量的丙烯就会被浪费掉，转化率也太不经济了

那么，要把丙烯循环回去，首先就要把丙烯分离出来，而且要达到要求的纯度，比如丙烯气相直接水合的反应丙烯进料纯度要求在99.5%体积分数以上

所以首先肯定是要做丙烯分离，这里就不多赘述了，但是这个分离并不是把丙烯分离出去，达到纯度就完事了，最最重要的是分离序列一定一定要稳定，那么什么是稳定的分离呢？

这里就要说到两个意思，什么是临界参数什么是稳定参数

临界参数就是如果你使用灵敏度分析，把这个塔或者闪蒸罐的参数调的非常优，分离效果非常好，稍微再好一点点这个模块就会报错，这种时候，你的分离设备的参数就处于临界参数状态，如果这个时候把你的这个分离设备带入循环之内，基本上大概率是要出大问题，你就会发现无论你怎么调循环，这个循环就是会报错、不收敛等，这就是因为你的分离设备处于临界状态，每一次循环计算的时候，都不可能是完全准确无误的，都是会有误差的，特别是当你的循环物流具有杂质的时候，每次循环计算的误差都会导致你这个分离设备的分离效果偏离，根本达不到你的分离效果，分离效果达不到，循环回去的物流就越容易出现误差，这就成了一个恶行循环了，所以才会导致循环根本就不收敛，疯狂报错

什么是稳定参数呢，就是当你这个分离设备确定好分离效果之后，他的某些参数还具有余量，可以上下调整，这个时候当你去改变进料条件，它的分离效果并不会收到多大影响，它自己就会把这个幅度不大的扰动归到容差里，就很容易收敛

分离做好之后就开始做循环吧：

17就是循环流股，其中丙烯质量分数98.88%，温度27℃，压力1bar

需要注意的是，循环之后的总转化率和你循环丙烯的纯度并没有直接关系，反而和你循环量的多少有关系，如图所示：

16流股就是循环外流股，也就是去往下一工段的，其中含有36.19kmol/h的丙烯，而进料量有300kmol/h，所以这个损失是相当大的，最后总转化率可能比较低，所以如果想要提高总转化率，就得在未反应物的分离上下功夫，我这里只做循环的演示，所以这个小细节先忽略

17循环流股要接到压缩机上，这个时候就需要我们的计算器模块了

计算器模块

这两个都是计算器模块，创建一个计算器进入设置参数

在设置变量之前，我们要明白循环需要计算什么，什么守恒，哪个是自变量，哪个是因变量

首先一定要明白的是，丙烯和水的进料一定是按照水烯比来进料的，水的进料是固定的，那么丙烯的进料也就是固定的

丙烯的进料都固定了，在本例中，也就是298.886kmol/h是固定的，当这个进料量固定的时候，反应器的转化率也就是固定的，那么反应器出来的产物中未反应的丙烯就是固定的，那么分离之后的需要循环的丙烯也就是稳定的，这就是稳态，如果分离设备的参数是出于稳定参数状态的话，那么我们是不是只需要把循环回去的丙烯接入到压缩机上，然后用298.886减去循环丙烯的量，这个差值就是需要补充的新鲜气，把新鲜气的值赋给01进料，那么这个循环肯定就已经没问题了，因为其他的参数都已经固定了

但是实际上我们在计算的过程中并没有这么顺利，很多数据都不可能是绝对的，都是微微变动的，这个时候总不能我们每一次都自己去算一下差值，然后手动输入吧，所以就需要计算器模块帮我们计算，并自动输出计算结果

那么什么是导入变量，什么是导出变量呢？顾名思义导入变量就是要输入进计算器进行计算的自变量，导出变量就是计算结果输出的变量，那么在本例中，循环丙烯的量就是导入变量，新鲜气的量就是计算之后要输出的量

进行变量设置：

计算式输入：

意思就是：新鲜气的摩尔流量=298.886-循环气的摩尔流量

计算序列就是变量的计算、读取、输入的顺序，默认即可

计算器模块就设置完毕了，那么就可以把17流股接入到压缩机上进行计算了：

C-1就是计算器模块，重置之后，运行模拟

结果可以查询，但是控制面板有错误和警告

反应器的报错是焓值的误差，还有两个模块的警告是进料为0，这都不是严重的错误，不然就不会结果可查询了，只需要将报错的相关模块前的流股右键，调和即可

调和之后重置运行，无报错无警告

那么看一下计算器的结果吧：

可以看到01流股的值被改写成了51.78，也就是新鲜的补充气需要这么多

再来看看总转化率吧：

01就是新鲜气进料流股，16就是循环外流股，进入下一工段的流股

总转化率：(51.78-36.23)/51.78=30.08%，太低了，主要是因为丙烯分离的那里没做好，导致流失的丙烯太多了，这个先不说，主要看循环的效果

进反应器前的流股，可以看到循环成功，物料并没有累加，丙烯和水的比值也正确，总进料量守恒

至于总转化率问题，这是我竞赛的时候做的流程：

总转化率：(128.396-1.5889)/128.396=98.76%，相比之前的单程转化率只有5.34%好的太多了

但是实质上反应器的转化率改变了吗？并没有，如果你不看循环，只看反应器前后的原料变化来说，它的转化率还是只有5.3%，循环只是通过未反应的原料循环回去，让新鲜进料量减少，从而达到相对于新鲜进料量而言的总转化率，而循环气的作用只是为了在反应器中保持反应物远远过量的作用

原料带有杂质的循环

对于丙烯水合异丙醇的工艺，丙烯的纯度肯定不可能百分百，所以肯定带有一定的杂质，就是丙烷，或者其他的，那么当杂质量不少时，即使使用计算器模块，也会发生循环不收敛的情况，那么这个时候怎么办呢，其实我也不会，但是在实际工业中，循环中杂质积累的办法估计是停车排出吧，当然最好的办法肯定是在循环的时候能把杂质一并分离最好了

那么在模拟中怎么解决因为杂质而导致的循环不收敛问题呢？我这里有个投机取巧的办法，让杂质进料守恒，什么意思呢，和上面的丙烯进料298.88守恒一样，在初始进料的时候，杂质肯定有一个总量，那么用计算器模块就规定好它的杂质进料量，不让它在循环中积累，设置方法和丙烯循环一模一样，就不赘述了，说一下效果：