化工流程模拟实训：Aspen Plus教程 第9章流程选项与模型分析工具

第9章流程选项与模型分析工具作者：毕欣欣孙兰义为方便用户可以控制以及分析流程，AspenPlus提供了一些有用的工具，这些工具设置在数据浏览窗口（DataBrowser）的流程选项(FlowsheetingOptions)和模型分析工具（ModelAnalysisTools）目录下。流程选项主要包括设计规定(DesignSpec)、计算器(Calculator)、传递模块(Transfer)、平衡模块(Balance)。模型分析工具主要包括灵敏度分析（Sensitivity）、优化（Optimization）、约束（Constraint）、数据拟合(DataFit)以及工况分析(CaseStudy)。流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具9.1流程选项9.1.1设计规定9.1.2计算器9.1.3传递模块9.1.4平衡模块9.2模型分析工具9.2.1灵敏度分析9.2.2优化及约束条件9.2.3数据拟合9.2.4工况分析9.1.1设计规定采集变量：指定期望值可以是流程变量或含某些流程变量的函数（此函数可以是任意涉及一个或多个流程变量的合法Fortran表达式）操纵变量：被调整使采集变量接近期望值可以是一个模块输入变量、过程进料物流变量或其它模拟输入变量；模拟计算出的量不能作为操纵变量9.1.1设计规定设计规定的目标是期望值等于计算值，模拟时需要规定容差，在该容差范围内满足目标函数关系，停止迭代计算。设计规定中实际满足的方程是：设计规定会产生必须迭代求解的回路，缺省情况下，AspenPlus为每个设计规定生成一个收敛模块并将收敛模块排序。设计规定在计算时，将物流或模块输入页中提供的操纵变量的值作为初值，为操纵变量提供一个合适的初值有助于减少设计规定收敛计算的迭代次数。∣规定值-计算值∣容差9.1.1设计规定定义一个设计规定一般包括以下5个步骤：建立设计规定；标识设计规定中的采集变量；为采集变量或函数指定期望值并指定容差；标识操纵变量，并指定该操纵变量的上下限；输入可选的Fortran语句。9.1.1设计规定创建设计规定输入采集变量9.1.1设计规定9.1.1设计规定变量名称变量类别具体定义变量定义采集变量9.1.1设计规定输入采集变量的期望值及容差9.1.1设计规定定义操纵变量9.1.1设计规定例9.1例2.1中已经建立了异丙苯的生产流程，现要求产品（PRODUCT）中异丙苯的含量为98%（mol），求冷凝器出口的温度。9.1.2计算器在早期版本的AspenPlus中，计算器（Calculator）模块称为Fortran模块。在此模块中，用户可以自行编写AspenPlus可执行的Fortran程序，把语句插入到流程计算中，以便执行用户定义的任务。例如：在使用输入变量前计算和设定它们（前馈控制）；把信息写到控制面板上；从一个文件中读取输入数据；把结果写到AspenPlus报告或写到任意外部文件中；调用外部子程序；编写用户子程序。9.1.2计算器常用的Fortran运算符运算符意义举例运算结果=赋值A=BB+加法A=A+A2A-减法A=A-A0/除法A=A/A1*乘法A=A*AA2**乘方，幂A=A**BAB.LT.逻辑小于————.GT.逻辑大于————.EQ.逻辑等于————9.1.2计算器Fortran语句的编写编写Fortran语句时，需要注意：第1列不能以字母C开头；第2列空白，不能进行编写；第3列至第5列用于进行语句的解释说明；执行的语句必须是从第7列或后面的列开始书写；变量的名字不要以IZ或ZZ开头；变量的名字须控制在7个字符以内。9.1.2计算器定义一个计算器模块一般包括以下4个步骤：建立一个计算器（Calculator）模块；标识模块的采集变量或操纵变量；输入Fortran语句；指定何时执行Calculator模块。9.1.2计算器创建计算器模块9.1.2计算器创建计算器模块9.1.2计算器编写Fortran语句9.1.2计算器例9.2例2.1中已经建立异丙苯的生产流程，其冷凝器压降设置为0.7kPa，现设定冷凝器的压降与冷凝器入口物流体积流率的关系为ΔP=-0.2V2，其中，压降ΔP单位为kPa，体积流率V单位为m3/hr，计算此时冷凝器的出口压力。9.1.3传递模块传递模块（Transfer）主要用来在物流或模块间传递信息，使用传递模块可以将流程的变量值从流程图的一部分复制到流程图的另一部分。用户可以复制全部物流或任一物流的组成和流率或任意的流程变量（比如模块变量），最常用的是将一个物流复制成另一个物流。定义传递模块主要包括以下几个步骤：创建传递模块；复制物流、物流流率、子物流、模块参数或物流参数；可选择地输入目标物流的闪蒸规定；可选择的输入传递模块的其他规定。9.1.3传递模块创建传递模块9.1.3传递模块输入被复制物流信息9.1.3传递模块输入目标物流信息9.1.3传递模块定义计算顺序9.1.3传递模块例9.3例2.1中最后的两相闪蒸器采用的是绝热闪蒸，现要求将其结果与等温闪蒸进行比较。注：若要将绝热闪蒸与等温闪蒸进行比较，则需将闪蒸器入口物流（COOL-OUT）同时输入一个等温闪蒸器，可运用Transfer模块完成9.1.4平衡模块平衡模块（Balance）主要用来计算一个或多个单元操作模块区的物料平衡和能量平衡。平衡模块可以计算带循环工艺流程中补充物流的流率（这将删除Calculator模块）、进料物流流率和基于其它物流和模块信息的条件（这将删除设计规定和收敛回路）。定义平衡模块一般包括以下几个步骤：创建一个平衡模块；规定平衡计算的模块和物流；规定和更新物流变量；平衡模块排序；可选择地规定闪蒸条件。9.1.4平衡模块创建平衡模块9.1.4平衡模块建立质量衡算9.1.4平衡模块建立能量衡算9.1.4平衡模块选择计算物流9.1.4平衡模块例9.4欲使用温度为10℃、压力为0.1MPa的水将温度为66℃、压力为0.1MPa、流率为100kg/hr的甲醇冷却至37℃，要求水的出口温度为27℃，求所需冷却水的质量流率。流程选项与模型分析工具9.1流程选项9.1.1设计规定9.1.2计算器9.1.3传递模块9.1.4平衡模块9.2模型分析工具9.2.1灵敏度分析9.2.2优化及约束条件9.2.3数据拟合9.2.4工况分析9.2.1灵敏度分析灵敏度分析（Sensitivity）是检验过程改变如何对关键操作变量和设计变量产生影响的工具，用户可以用它改变一个或多个流程变量并研究该变化对其它流程变量的影响。操纵变量采集变量9.2.1灵敏度分析定义一个灵敏度分析模块主要包括以下几个步骤：建立一个灵敏度分析；标识采集变量；标识操纵变量；定义要进行制表的变量；输入可选的Fortran语句。9.2.1灵敏度分析创建灵敏度分析模块9.2.1灵敏度分析定义采集变量9.2.1灵敏度分析定义操纵变量9.2.1灵敏度分析例9.5考察例2.1中冷凝器（COOLER）出口温度对闪蒸器（SEP）底部产品（PRODUCT）中异丙苯摩尔分率的影响。9.2.2优化及约束条件优化模块(Optimization)及约束条件模块(Constraint)经常联用完成一个优化过程。采用优化模块，调整操纵变量(进料条件、模块参数或其它输入变量)来使用户指定的某个目标函数值最大或最小。目标函数可以是含有一个或多个流程变量的合法Fortran表达式。目标函数的容差是与优化问题相关的收敛模块的容差。用户还可以对优化施加等式或不等式约束，约束可以是任意的Fortran表达式或内嵌Fortran语句计算得到的流程变量函数，且必须指定约束的容差。9.2.2优化及约束条件定义优化问题主要包括以下几个步骤：创建一个优化问题标识目标函数中所用的采集变量指定目标函数，并标识出与问题有关的约束标识出操纵变量，并指定调整的范围输入可选的Fortran语句定义优化问题的约束条件9.2.2优化及约束条件创建优化模块9.2.2优化及约束条件定义变量9.2.2优化及约束条件定义目标函数9.2.2优化及约束条件定义操纵变量9.2.2优化及约束条件创建约束条件9.2.2优化及约束条件定义变量9.2.2优化及约束条件定义约束条件9.2.2优化及约束条件添加约束条件9.2.2优化及约束条件例9.6上图所示流程为一个二氯甲烷溶剂回收系统的一部分。建立模拟，使物流STM1和STM2中的蒸汽总用量最少，物流STM1和STM2均为绝压1.4MPa下的饱和蒸汽，两股蒸汽物流的流率范围为450kg/hr～10000kg/hr。9.2.2优化及约束条件两个闪蒸塔FLASH1和FLASH2分别在绝压136kPa和130kPa下绝热进行。物流FEED中含二氯甲烷和水，流率分别为635kg/hr、44725kg/hr，温度为37℃，压力为170kPa。保证容差在1ppm之内，FLASH2底部物流BOTM2中的二氯甲烷的最大允许浓度为150ppm（质量）。物性方法采用NRTL。9.2.3数据拟合数据拟合（DataFit）模块可以将AspenPlus模型与实际装置或实验数据拟合。用户可以为一个模型的输入和结果变量提供一套或多套测量数据，数据拟合可以调整或估算输入参数以便使模型与数据最吻合，也可以整和输入变量的测量数据来匹配被拟合的模型。数据拟合实际是进行了普通最小平方或最大值似然（变量误差）估算9.2.3数据拟合定义数据拟合问题主要包括以下几个步骤：创建一个数据拟合定义变量并输入实验数据选择数据拟合模块输入回归参数9.2.3数据拟合创建数据拟合9.2.3数据拟合定义变量，输入实验数据9.2.3数据拟合选择数据拟合模块9.2.3数据拟合输入回归参数9.2.3数据拟合例9.7利用间歇式反应器实验数据拟合下述反应动力学方程的指前因子。C3H6O(ALLYL,丙烯醇)＋C3H6O(ACETONE,丙酮)→C6H12O2（PROD，丙酸丙酯）反应动力学方程在SI-CBAR制下为：76.71070.5RTr1.510e[ALLYL][ACETONE]9.2.3数据拟合间歇式反应器，进料温度为25℃，压力为0.1MPa，丙烯醇及丙酮的进料流率分别为180kg/hr、252kg/hr，反应在恒温30℃下进行。30℃下测得的实验数据见下表，物性方法采用NRTL-RK。时间丙烯醇的摩尔分率产品中丙酸丙酯的摩尔分率600s0.301490.19745900s0.25613——1900s0.149380.45829.2.4工况分析工况分析（CaseStudy）可以对同一流程进行多个工况模拟。工况分析不影响基础工况的模拟或基础工况报告，AspenPlus对每个工况产生一个特定的报告。定义一个工况分析主要包括以下几个步骤：创建工况分析；标识工况分析变量；设定工况分析变量值；规定工况分析报告选项。9.2.4工况分析定义工况变量9.2.4工况分析设定工况分析变量值9.2.4工况分析规定工况分析报告选项页面规定General是否产生报告文件及包括哪部分报告Flowsheet流程选项报告包括在报告文件中Block模块报告包括在报告文件中Stream物流及物流的格式包括在物流报告中SupplementaryStream是否产生一个附加的物流报告，若是，物流及物流的格式包括在报告文件中工况分析输出报告各页面的意义9.2.4工况分析运行——批处理菜单栏Run∣Batch∣Submit9.2.4工况分析指定运行ID9.2.4工况分析批处理运行完成9.2.4工况分析运行菜单栏Run∣Run，或F59.2.4工况分析例9.8对例2.1中冷凝器出口温度分别为50℃、60℃、70℃的情况做工况分析。