手把手教你做MVR蒸发的ASPEN模拟 MVR蒸发器ASPEN模拟要诀

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。