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手把手教你做MVR蒸发的ASPEN模拟 MVR蒸发器ASPEN模拟要诀

作者:
汪博
2022/11/16 11:25
【摘要】:
海川石化是一家专注化工单元设计及工艺包开发的高新技术企业,业务范围已涵盖环保、钢铁、有色冶金、精细化工、石油化工、煤化工等领域,并将继续开拓新的业务领域。

MVR蒸发器的一个新型的高效节能蒸发设备,在环保医药领域应用很广泛。是传统蒸发设备替代产品优选项之一。

海川石化是一家专注化工单元设计及工艺包开发的高新技术企业,业务范围已涵盖环保、钢铁、有色冶金、精细化工、石油化工、煤化工等领域,并将继续开拓新的业务领域。其工艺流程大致如图1所示。

图1 以NaCL蒸发结晶为例,MVR蒸发器工艺流程

以上流程可简化如图2。(声明所用软件所有权为合作单位天津大学某实验室所独有),图中,软件中以闪蒸器和固液分离器代替实物图上的闪蒸罐、结晶器和固液分离器。

建立好流程以后,如果直接运行模拟,结果是不收敛的。建议新手断开所有循环流股,换热器以HEATER模块的HEATER代替,待所有模块收敛后,再进行下一步连接各循环流股。这是模拟的要诀1,圈起来,要考。

1 不带循环流股的流程模拟

如图3所示,这是不带所有循环流股的流程。

图2 以NaCL蒸发结晶为例,MVR蒸发器工艺流程的ASPEN流程模拟简化图

图3 图2的简化版,不带循环流股

图3中,有2个流股参数需要自行规定,这是蒸发器设计的关键,本文这里暂定TOMIXER1流股为饱和食盐水,流量为进料FEED流股(12000kg/h)的10倍,此处流股TOMIXER1的作用是避免闪蒸器物料温度状况及溶液浓度波动很大,维持在正常范围内。FRESHH2O流股为纯水,其作用是消除压缩机出来的过热蒸汽,通过调和达到饱和蒸汽,因为汽体传热效率太低,所以该流股也是必须的。其流量初值为400kg/h,再设置一个优化约束求解其流量。这是要诀2,运行以上流程,会发现什么?你会大概率发现同样不能收敛。

 
   

图4 CUFGE固液分离器模块不收敛

查其原因,发现CUFGE模块存在零流股。分析原因是蒸发的水量未达到NACL的饱和析出量。返回FLASH模块,查看流股结果,L1流股不存在NaCL(S).

图5 CUFGE固液分离器零流股

为解决这一问题,做个设计规定,操纵变量是FLASH模块的闪蒸气化率,目标量是从系统中移除的氯化钠量(包括NaCL(S)和Na+及CL-)为2000kg/h。

图6.1 设计规定目标变量

图6.2 设计规定操纵变量

运行模拟,结果同样不收敛。

图7 运行设计规定出现的错误信息

通过改变收敛方法也不能使之收敛。

最后竟然发现是操纵变量上下限过于狭窄,拓宽上下限幅度即可使之收敛。

图8 扩大上下限幅度使设计规定收敛

对于COMPR模块,设置如下:

图9 COMPR模块的设置

其中,压缩比是关键参数,通过此参数可得到SATUH2O流股饱和水蒸气的压力,进而得知其温度,此即为给FLASH模块换热的热流股温度。设换热过程冷热流股温差为10℃。由于冷流股温度查REC-H2O流股的计算结果可知,为105℃。则此处对应热流股温度为115℃,对应蒸汽压力约为1.7bar。故取压缩比R=1.7/0.9≈1.9. 此处是关键点4

MIXER2模块设置如下:

图10 MIXER2模块的设置

设置好MIXER2模块参数后,应检查一下FRESHH2O流股压力,因为模块压降为0,如果有多个流股加入模块,该模块会以最小压力模块作为基准。故为保持系统压降为零,应设置FRESHH2O流股压力高于SUPERVAP压力。

在这里,出现本流程第5个关键点:FRESHH2O流股流量的初始值设置及“优化”功能的使用。FRESHH2O流股的主要功能是时过热蒸汽刚好达到饱和蒸汽状态,因此。需要采用系统的设计规定自行计算解出结果,操纵变量为流股流量,目标变量为蒸汽饱和度。根据热力学,可以看出,随着流量的增加,蒸汽逐渐由过热慢慢达到饱和,在过热阶段汽相比率永远为1,如果采用“设计规定”,在此阶段,系统会认为目标变量随操纵变量无变化,从而得出,收敛错误。鉴于此,我们采用系统的“优化”功能。设置如下:

图11 优化模块“定义”的设置

 
   

图12 优化模块“目标和约束”的设置

图13 优化模块“变量”的设置

图14 约束模块“规定”的设置

以上设置完毕后,运行系统,系统收敛失败。

图15 对优化模块收敛失败

查看收敛控制信息,如上图所示,可以尝试改变收敛方法,或者增加迭代次数。这里,我们采用BOBYQA代替系统默认的SQP法。运行结果收敛。

下面连接循环物流。

2连接循环物流

首先连接流股TOMIXER1 和REC-H2O。连接之前先要使两流股参数值接近。方法是将REC-H2O运算值作为TOMIXER1初值,反复进行此操作,直至两参数结果接近。再连接两流股。重新运行,收敛成功,查看流股参数,符合预期。

接着在FLASH模块之前添加HEATX中SIMP-HS模块。将TOHEAT流股计算结果赋予进口热流SATUH2O,运行,结果无错误。

图16 HEATER4模块参数设置

至此,修改先前FLASH 模块的参数设置,如下图:

图17 FLASH模块参数设置

同时,将“设计规定”DS-1,对FLASH中气化率的操纵变量,改为对HEATER4中气化率的操纵变量.

图18 将设计规定DS-1操纵变量气化率归属的模块由FLASH模块改为HEATER4模块

设置成功后,运行收敛。

查看运行流股结果。满足预期要求。如下图

图19 HEATER4模块运行结果满足要求

连接流股TOHEAT和SATUH2O,再次运行,结果收敛。

接着将从HEATER4模块出来的热流股TOPREHE作为PREHEAT模块的热源。设置过程如上,运行收敛,结果如下图。出口热流体温度65℃,结果满足冬季运行,料液温度过低,需要更多热量的要求,符合实际情况。

图20 PREHEAT模块运行结果满足要求

最后,将热流股排出水的一部分返回系统MIXER2中,即作为FRESHH2O的流股。按照前述类似的办法,先给REPH2O的初值赋予FRESHH2O的计算结果,再将二流股连接。同时将优化设置操纵变量相应修改。

至此,MVR流程模拟完毕。

为调控排出废水的温度,可加入一个规定,操纵变量是COMPR模块的压缩比,目标变量为废水出口温度。

以上为整个流程MVR蒸发器ASPEN模拟过程,如有更优算法,可留言讨论,我们海川石化诚恳接受批评,每次错误总是我收获最丰盛的时候。

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