前言：

        随着比赛的进行，各个队伍将会进入新的阶段，即“循环”的加入。循环怎么加？不收敛怎么解决？这都是经常困扰各位的地方。但由于不同队伍的情况不一样，所以不能给一个较为精确的指导，只能提供一些简单的技巧来帮助各位渡过这个难关。

Part 1  为什么要加循环？

       一个完善的工艺流程应该包括能量的多级利用和物质（包括原料和产物）的资源化利用。 如何去实现这个目标？答：借助循环。

       循环是能量和物质综合利用的体现。在一个工艺中，物质的利用率不可能达到100%，甚至有的物质利用率非常之低，但它又是不可缺少的。比如原料，因为受转化率和选择性的限制，导致很难全部生成目标产物，怎么办？和产物分离出来，打回去重新反应。像这种回去的过程就可以称之为循环。

        接着，我们思考这样一个问题：将循环回去的原料流股称之为B，新加进去的原料流股称之为A，那么，A和B能一样吗？不一样，此时的B无论是纯度还是其本身的状态（温度、压力等）都和A有了一定区别，而我们想要使其变得和A一样，怎么办？通过加换热器或者泵、风机改变其状态，通过塔或其他分离设备提高其纯度，具体到什么程度，那要根据自己队伍的工艺来分析。也许B比A更好呢？这也不是不可能。

       比如，我们假设这样一种情况，如果该反应是放热反应，分离出B流股的温度要大于进料温度，那么B流股的这股热量是不是可以用在其他方面？这是需要考虑的一个问题。由此观之，循环的加入是一个非常复杂的问题，几乎可以称之为对工艺的重塑，我们应该非常重视，并且要为该阶段的模拟预留出足够的时间。      

       上述只提到了一种循环的情况，在比赛中应用的还有很多，比如吸收剂的循环，萃取剂的循环等等。不过需要注意的一点是：我们不应该为了把所有东西都利用上而强加循环，而是为了节约成本才加的循环（减少三废排放也是一个关键点），如果只有很少的物质或能量可以利用，那么我们完全是没有必要加的。但还要注意的是：比赛的评分标准中明确要求了要加循环，所以说我们应该找准关键的地方加循环，而一些次要的地方少加，既可以为后面的经济核算降低成本，也可以减少做模拟同学的负担。

Part 2  循环怎么加？

      通过上部分的介绍，我们了解到加循环的目的所在。接下来我们详细介绍循环的选择与添加。

Q1: 循环点的选择

        我们来看一下有关循环的评分细则，在《“现代设计方法”专项评审 评分实施细则》中明确提到全流程应该划分为多个工段，并且每个工段都应该包含至少1个循环。比如你们的工艺有3个工段，那么每个工段都应该有一个循环，总共至少3个循环。但在实际比赛中，往往还包括跨工段循环等等，而且循环数越多也越能体现工艺的复杂性。如果我们想要冲击好的名次，就应该往多了去做，如果求稳，就少做一些。

      我们在比赛中应考虑的循环点有这几个。

（1）原料转化率达不到

        我们经常遇到的一个问题是，原料的转化率可能不是太高，这时我们采取的一个方式就是将原料循环回去。这时有两种选择，一是从反应器出来的流股直接分为两份，一部分循环，另一部分按照流程继续走下去，这种方式往往是多段反应器串联。二是从反应器出来的流股，经由分离单元等一系列操作后，使原料分离出来进行循环，产物进入下一流程。这两种各有其优点。

（2）吸收剂的再生

       对于吸收-解析单元，解析塔的作用是对吸收剂的再生操作，一方面使吸收剂循环利用降低成本，另一方面将所吸收的物质解析出来也是一种提纯，可以作为副产品销售出去。

（3）萃取剂的回收

       对于萃取单元，将混合物溶液中某些化合物组分，用另外一种液体（萃取剂）将其提取出来，使其得到分离提纯。这种过程称作萃取。在萃取过程中萃取剂的用量往往是大量的，如果不对其进行循环回收，不仅是一种浪费而且成本巨大。因此我们也需要对萃取剂进行循环。这也是一种循环操作。

（4）其他

       没想起来。

Q2：Aspen中循环计算的原理

       Aspen Plus中的单元模块计算方法默认为序贯模块法，也就是说我们输入进料参数和设备参数后，Aspen会进行计算得出输出物流参数。但是当我们加入循环后，我们循环回来的这条物流往往是不赋予值的，而它也算是进料流股了。这就有点意思了。

        此时Aspen对应的操作则是选择一条流股作为撕裂流股（这一条流股经常是循环流股，但也不一定），给其赋予一个估计值，然后进行迭代计算。这里我们介绍一下撕裂流股的定义：

        上图对撕裂流股的介绍已经很详细了，撕裂流股就可以看作是为了方便进行迭代计算，而赋予初值的一条流股。Aspen在计算中往往会自主选择流股来进行断裂。Aspen本身选择的流股可能不是那么的好，如果我们不进行操作的话，有很大的可能不会收敛。

       所以我们往往还要自己选择一条或者多条流股进行断裂，并且给其赋予初值，这不仅有助于收敛，而且能加快运行速度。

Q2：添加循环的操作

            看Part 3

Part 3 循环实例

      可能上面讲了那么多，许多同学还是很懵逼，不知道我在讲些什么。接下来我将详细讲几个例子，在这些例子中我不仅会讲述如何添加循环，还会重点讲述我们做模拟的思路，包括如何和工艺联系起来？怎样去思考问题？发现问题？等等。

请结合本视频观看。

例1 

       来源：《化工过程模拟实训-Aspen Plus教程（第二版）》例11.3

       注：我不只是讲题，在讲题的过程中我会把一些经验技巧也分享出来，包括一些重要的思维方式等等。所以我建议各位自己先看一遍题目，无论做不做得出来，最好都再听我去讲一遍。

      本题的求解思路有点类似于简化的比赛求解过程，所以我会以比赛的形式来讲题（后面加括号备注）。

      首先我们明确我们的目的：甲苯甲醇侧链烷基化制苯乙烯（比赛中任务书给出，通过查阅文献确定上下游）

      过程中发生的反应有：（查文献得出）

       我们设计的产量为：苯乙烯24万吨/年，开工周期为8000h。

       根据这些信息，我们可以简单的设计出工艺流程：

  （1）     我们以反应器为中心，逐步展开。首先是进料。

        进料量未知：根据年产量和转化率来进行简单的推算：

        由上式算出甲苯的进料量为490.75kmo/h。由于甲醇和甲苯的计量比是1：1的关系，所以设置甲醇的进料量也为490.75kmol/h。（实际比赛中要看动力学方程，甲醇的量是否对甲苯转化率有影响，如果有的话可能甲醇的比例要稍微高一点）

        反应条件为：反应物状态495℃，400kpa。气相反应，绝热操作，压降70kpa。（查文献得出，可能还需要优化）

       其中：苯乙烯摩尔转化率为0.5878，乙苯摩尔转化率为0.1212（在比赛中由动力学限制）

       那么我们反应器前后的参数都可以输入，并且运行。

（2）        接下来考虑产物的分离，从反应器出来的物质有H2，H2O，以及有机相。由于物质较少，而且也挺好分离的，那么我们考虑用一个三相分离器（实际比赛中这股流股要复杂的多，而且也不是一个简单的分相器就能分离的，这时候就考验各位的化工知识的水平了，也是展现自己的特色之一）

        由于从反应器出来的流股温度较高，因此我们在分相器之前加入一个冷却器（该冷却器不仅能提高分离效果，而且可以将热量综合利用，在比赛中可以通过换热网络来分析）。

        接下来输入设备参数，冷凝器温度38℃，压降10kpa；分相器温度38℃，压降10kpa（本题中所有换热器的压降均为10kpa），分离器的物性方法改为UNIFAC，以便于分离。（温度参数往往是根据文献得到的一个参考，然后灵敏度分析得出最佳值，压降可以根据经验得到，影响不算多大）

        此时需要注意的是，分离器往往不可能将产物苯乙烯全部分离出来，但我们的产量是不能变的，所以我们需要对进料量作适当的调整，给这个分离器的产物损耗提高一个余量，因此需要添加设计规定来看看进料量改为多少合适。

        我们设置自变量为进料甲苯（S10），因变量为分离器油相采出的苯乙烯量（S14）。同时添加一个计算器，使甲醇和甲苯的变化量一样。

  （3）     运行后分析结果，发现分相器分离的三股流股，主要包含的物质分别为①氢气②苯乙烯和其他有机杂质③甲醇和水。我们思考对这三股流股分别进行处理。甲醇可以循环，水的存在会影响反应的效果，那么我们将其和水分离出来，再进行循环。   

        甲醇和水的分离我们常用精馏分离，这里面我们只用一个简单的精馏塔进行分离。（在比赛中这一点也是创新点的加入地方之一，比如工业中分离甲醇和水为了节约能量常用双效精馏）

        这里面我们根据进塔物料的参数来添加设备，进塔的压力为145kpa（这个我估计是出题人根据前期模拟的一个探索过程，得出的进料板的压力在145kpa左右），所以，我们加一个泄压阀，另外在工业上，精馏塔的进料通常为泡点进料， 那么我们加热到VAPOR FRAC为0的状态即为泡点。换热器的压降为10kpa，这样甲醇的回收单元我们可以建立如下图所示：

        （塔参数可以根据工艺设计的期望值用D塔计算得出，然后换入到R塔中，或者文献中提出的。）本题中给出了塔参数，那么按照题中那样输入。参数输入如下图所示：

        我们的目的是塔顶采出纯度尽可能高的甲醇，塔釜损失的甲醇尽可能少（塔底甲醇的质量分数小于60ppm，保证塔顶水的摩尔分数小于0.001）。题中给的参数并不能满足分离要求（这很正常），于是用塔内设计规定来改变某些参数以达到目的。塔板数我们就不改变了（因为总塔板一变化，塔内压力就会变化，进料板数和压力也要变，牵扯的东西很多）。我们先改变回流比和塔顶采出量试试能不能满足要求。

        运行模拟，发现差不多能满足要求，但这时我们先不急着把S17连接到反应器上，看看其他流股是不是也有甲醇可以分离循环。我们进行下一步，思考产品的的去处，如何分离，能分离到什么程度。

    （4）    产品流股S14中含有未反应的甲苯、副产物乙苯和少量水和甲醇。因此我们首先考虑分离甲苯。和回收甲醇操作一样，加入泄压阀泄压，然后加入换热器使其泡点进料，利用精馏塔分离甲苯（在比赛中这一点也可以进行自由发挥）。

         接下来的操作和甲醇回收操作一样，设置塔内规范，来尽可能地将甲苯分离出来。

        此时我们需要注意，为了保证总产量不变，所以我们从甲苯回收塔出来的产品流股必须含有288.46kmol/hr的流量。这时设置的变量的仍是进料量，而且需要把第一个流股设计规定删除掉（为了保证后面有288.46kmo/hr，那么S14必须得大于这个数）。其中可能会出现很多错误和警告，在视频中我会详细讲解。而且书中的有些操作并不是太规范，虽然影响不大。

      好的，到了目前这个地步，大批量的原料几乎都已经分离出来了，也许产品流股还夹带着部分的原料，但那些完全没有必要循环回来，两点原因：一方面，再循环回来需要添加许多设备，增加了工艺的复杂性，而且也增加了模拟的难度。另一方面，虽然只分离少量的原料但对于能量的损耗却是巨大的，得不偿失。（我们比赛中思考改进工艺的思路也应该像这样来进行思考）。

  （5）        我们接下来进行的操作是将分离出来的流股循环回去。前文已经提到，后续循环回来的流股的状态还是纯度都已改变，所以我们要添加压力变送设备和换热器对其进行一些修正，使其尽可能地与原料差不多。

        然后我们还要思考一个问题，那就是进反应器的原料一开始就有那样的温度和压力吗？仔细一想就知道不是的。通常来说，原料一般储存在罐里，然后罐的温度和压力一般都是常温（25℃）常压（1atm），当然，我说的是一般！为了使这些原料能达到我们反应的程度，我们需要给其变压变温，甚至有的时候，原料需要我们自己反应或提纯，这都是很正常的。本题只需要变温变压即可。于是我们得到如下流程：

          来看上图，进料的两股原料分别为甲醇和甲苯，经过加压后，达到了反应的进料压力（已计算后续设备压降损失），然后通过换热器进行相变（给后面的加热炉分担压力），全部混合。然后上面这条流股主要是甲苯循环，也含有部分其他杂质，经过加压和换热后，达到了和进料流股差不多的状态。下面的这条流股主要是甲醇循环，经过加压和换热后，达到了和进料流股差不多的状态。这两股流股再与进料流股混合，然后一同送入加热炉进行进一步加热，达到反应温度。

            由于前面对产物的产量进行了规定（288.46kmol/h），而S10已经变成了中间的一条流股（这时我们不要删除初值，而是留在那有助于收敛），因此需要对前面的两条输入流股做设计规定。这时候还要注意的是，循环的计算是一种反复的迭代过程，在这个过程中，许多值会不断的变化，而前面做的塔内的设计规定需要删除，把结果代替原来的值。

          这一段过程非常复杂，由于篇幅限制，我会在视频中详细介绍，请各位务必看我的视频分析！

         然后运行就结束了，这就是循环的添加操作。后面的一些过程都是些简单的分离，不涉及循环，我便不讲了。

        下期讲不收敛的一些常见办法（我也不知道什么时候发下期，毕竟我也没有太多时间，O(∩_∩)O）。