Aspen Plus教程 第9章 流程选项与模拟分析工具

1、第第9章章 流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具作者：毕欣欣作者：毕欣欣 孙兰义孙兰义 为方便用户可以控制以及分析流程，为方便用户可以控制以及分析流程，Aspen Plus提供了一些有用的工具提供了一些有用的工具，这些工具设置在数据浏览窗口（，这些工具设置在数据浏览窗口（Data Browser）的）的流程选项流程选项(Flowsheeting Options)和和模型分析工具模型分析工具（Model Analysis Tools）目录下。）目录下。 流程选项主要包括流程选项主要包括设计规定设计规定(Design Spec)、计算器计算器(Calculator)、传递传递模块模块( T

2、ransfer ) 、平衡模块平衡模块( Balance ) 。模型分析工具主要包括模型分析工具主要包括灵敏度分析灵敏度分析（Sensitivity）、）、优化优化（Optimization）、约束约束（Constraint）、）、数据拟合数据拟合(Data Fit)以及以及工况分析工况分析(Case Study)。流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具9.1 流程选项流程选项 9.1.1 设计规定设计规定 9.1.2 计算器计算器 9.1.3 传递模块传递模块 9.1.4 平衡模块平衡模块9.2 模型分析工具模型分析工具 9.2.1 灵敏度分

3、析灵敏度分析 9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件 9.2.3 数据拟合数据拟合 9.2.4 工况分析工况分析9.1.1 设计规定设计规定采集变量：指定期望值采集变量：指定期望值 可以是可以是流程变量流程变量或或含含某些流程变量的函数某些流程变量的函数（此函数可以（此函数可以是任意涉及一个或多个流程变量的合法是任意涉及一个或多个流程变量的合法FortranFortran表达式表达式）操纵变量：被调整使采集变量接近期望值操纵变量：被调整使采集变量接近期望值 可以可以是一个模块输入变量、过程进料物流变量或其它模拟是一个模块输入变量、过程进料物流变量或其它模拟输入输入变量变量；模拟计算出的量不能

4、作为操纵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 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设计规定中实际满足的方程是：是： 设计规定会产生必须迭代求解的回路，缺省情况下，设计规定会产生必须迭代求解的回路，缺省情况下，Aspen Plus为每个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

5、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。次数。 规定值规定值-计算值计算值 容差容差9.1.1 设计规定设计规定定义一个设计规定一般包括以下定义一个设计规定一般包括以下5个步骤：个步骤： 建立设计规定；建立设计规定； 标识设计规定中的采集变量；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；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；标识操纵变量，并指定该操纵变量的上下限； 输入可选的输

6、入可选的Fortran语句。语句。9.1.1 设计规定设计规定创建设计规定创建设计规定输入采集变量输入采集变量9.1.1 设计规定设计规定9.1.1 设计规定设计规定定义采集变量定义采集变量9.1.1 设计规定设计规定输入采集变量的期望值及容差输入采集变量的期望值及容差9.1.1 设计规定设计规定定义操纵变量定义操纵变量9.1.1 设计规定设计规定例例9.1 例例2.1中已经建立了异丙苯的生产流程，现要求产中已经建立了异丙苯的生产流程，现要求产品（品（PRODUCT）中异丙苯的含量为）中异丙苯的含量为98%（mol），），求冷凝器出口的温度。求冷凝器出口的温度。9.1.2 计算器计算器 在早期

7、版本的在早期版本的Aspen Plus中，计算器（中，计算器（Calculator）模块称为）模块称为Fortran模块。在此模块中，用户可以自行编写模块。在此模块中，用户可以自行编写Aspen Plus可执行的可执行的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：如： 在使用输入变量前计算和设定它们（前馈控制）；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；把信息写到控制面板上； 从一个文件中读取输入数据；从一个文件中读取输入数据； 把结果写到把结果写到Aspen Plus报告或写到任意

8、外部文件中；报告或写到任意外部文件中； 调用外部子程序；调用外部子程序； 编写用户子程序。编写用户子程序。9.1.2 计算器计算器n常用的常用的Fortran运算符运算符运算符运算符意义意义举例举例运算结果运算结果=赋值赋值A=BB+加法加法A=A+A2A-减法减法A=A-A0/除法除法A=A/A1*乘法乘法A=A*AA2*乘方，幂乘方，幂A=A*BAB.LT.逻辑小于逻辑小于.GT.逻辑大于逻辑大于.EQ.逻辑等于逻辑等于9.1.2 计算器计算器Fortran语句的编写语句的编写编写编写Fortran语句时，需要注意：语句时，需要注意：第第1列不能以字母列不能以字母C开头；开头；第第2列空白

9、，不能进行编写；列空白，不能进行编写；第第3列至第列至第5列用于进行语句的解释说明；列用于进行语句的解释说明；执行的语句必须是从第执行的语句必须是从第7列或后面的列开始书写；列或后面的列开始书写；变量的名字不要以变量的名字不要以IZ或或ZZ开头；开头；变量的名字须控制在变量的名字须控制在7个字符以内。个字符以内。9.1.2 计算器计算器 定义一个计算器模块一般包括以下定义一个计算器模块一般包括以下4个步骤：个步骤： 建立一个计算器（建立一个计算器（Calculator）模块；）模块； 标识模块的采集变量或操纵变量；标识模块的采集变量或操纵变量； 输入输入Fortran语句；语句； 指定何时执行

10、指定何时执行Calculator模块。模块。9.1.2 计算器计算器创建计算器模块创建计算器模块9.1.2 计算器计算器创建计算器模块创建计算器模块9.1.2 计算器计算器编写编写Fortran语句语句9.1.2 计算器计算器例例9.2 例例2.1中已经建立异丙苯的生产流程，其冷凝器中已经建立异丙苯的生产流程，其冷凝器压降设置为压降设置为0.7kPa，现设定冷凝器的压降与冷凝器，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入口物流体积流率的关系为P=-0.2V2，其中，压，其中，压降降P单位为单位为kPa，体积流率，体积流率V单位为单位为m3/hr，计算此，计算此时冷凝器的出口压力。时冷

11、凝器的出口压力。9.1.3 传递模块传递模块 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）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。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：定义传递模块主要包括以下几个步骤： 创建传递模块；

12、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；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。可选择的输入传递模块的其他规定。9.1.3 传递模块传递模块创建传递模块创建传递模块9.1.3 传递模块传递模块输入被复制物流信息输入被复制物流信息9.1.3 传递模块传递模块输入目标物流信息输入目标物流信息9.1.3 传递模块传递模块定义计算顺序定义计算顺序9.1.3 传递模块传递模块例例9.3 例例2.1中最后的两相闪蒸器采用的是绝热闪蒸，现要中最后的两相闪蒸器采用的是绝热闪蒸，现

13、要求将其结果与等温闪蒸进行比较。求将其结果与等温闪蒸进行比较。 注：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（流（COOL-OUT）同时输入一个等温闪蒸器，可运用）同时输入一个等温闪蒸器，可运用Transfer模块完模块完成成9.1.4 平衡模块平衡模块 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）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（这将删除流的流率（这将删除Calcu

14、lator模块）、进料物流流率和基于其它物模块）、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）。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：定义平衡模块一般包括以下几个步骤： 创建一个平衡模块；创建一个平衡模块； 规定平衡计算的模块和物流；规定平衡计算的模块和物流； 规定和更新物流变量；规定和更新物流变量； 平衡模块排序；平衡模块排序； 可选择地规定闪蒸条件。可选择地规定闪蒸条件。9.1.4 平衡模块平衡模块创建平衡模块创建平衡模块9.1.4 平衡模块平衡模块建立质量衡算建立质量衡算9.1.4 平衡模块平衡模块建立能量衡算建立

15、能量衡算9.1.4 平衡模块平衡模块选择计算物流选择计算物流9.1.4 平衡模块平衡模块例例9.4 欲使用温度为欲使用温度为10、压力为、压力为0.1MPa的水将温度的水将温度为为66、压力为、压力为0.1MPa、流率为、流率为100kg/hr的甲醇冷的甲醇冷却至却至37，要求水的出口温度为，要求水的出口温度为27，求所需冷却，求所需冷却水的质量流率水的质量流率。流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具9.1 流程选项流程选项 9.1.1 设计规定设计规定 9.1.2 计算器计算器 9.1.3 传递模块传递模块 9.1.4 平衡模块平衡模块9.2 模型分析工具模型分析工具 9.2.1 灵敏

16、度分析灵敏度分析 9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件 9.2.3 数据拟合数据拟合 9.2.4 工况分析工况分析9.2.1 灵敏度分析灵敏度分析 灵敏度分析灵敏度分析（Sensitivity）是检验过程改变如何对关键操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或多个流程变量并研究该变化对其它流程变量的影响影响。操纵变量操纵变量采集变量采集变量9.2.1 灵敏度分析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：定义一个灵敏度分析模块主要包括以下几个步骤：

17、 建立一个灵敏度分析；建立一个灵敏度分析； 标识采集变量；标识采集变量； 标识操纵变量；标识操纵变量； 定义要进行制表的变量；定义要进行制表的变量； 输入可选的输入可选的Fortran语句。语句。9.2.1 灵敏度分析灵敏度分析创建灵敏度分析模块创建灵敏度分析模块9.2.1 灵敏度分析灵敏度分析定义采集变量定义采集变量9.2.1 灵敏度分析灵敏度分析定义操纵变量定义操纵变量9.2.1 灵敏度分析灵敏度分析例例9.5 考察例考察例2.1中冷凝器（中冷凝器（COOLER）出口温度对闪）出口温度对闪蒸器（蒸器（SEP）底部产品（）底部产品（PRODUCT）中异丙苯摩尔）中异丙苯摩尔分率的影响分率的影

18、响。9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件 优化优化模块模块(Optimization)及及约束条件约束条件模块模块(Constraint)经常联用完成一个优化过程。经常联用完成一个优化过程。 采用优化模块，调整操纵变量采用优化模块，调整操纵变量(进料条件、模块参数或其进料条件、模块参数或其它输入变量它输入变量)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标函数可以是含有一个或多个流程变量的合法Fortran表达式表达式。目标函数的容差是与优化问题相关的收敛模块的容差。用。目标函数的容差是与优化问题相关的收敛模块

19、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表达式或内嵌表达式或内嵌Fortran语句计算得到的流程变量函数语句计算得到的流程变量函数，且必须指定约束的容差，且必须指定约束的容差。9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件定义优化问题主要包括以下几个步骤：定义优化问题主要包括以下几个步骤： 创建一个优化问题创建一个优化问题 标识目标函数中所用的采集变量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，并指定调整的范围标识出操纵变量，并指定调

20、整的范围 输入可选的输入可选的Fortran语句语句 定义优化问题的约束条件定义优化问题的约束条件9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件n创建优化模块创建优化模块9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件定义变量定义变量9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件定义目标函数定义目标函数9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件定义操纵变量定义操纵变量9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件创建约束条件创建约束条件9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件定义变量定义变量9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件定义约束条件定义约束条件9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件添加约束条件添加约束条件9.

21、2.2 优化及约束条件优化及约束条件例例9.6 上图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，使物流模拟，使物流STM1和和STM2中的蒸汽总用量最少，物流中的蒸汽总用量最少，物流STM1和和STM2均为绝压均为绝压1.4MPa下的饱和蒸汽，两股蒸汽物流的流率范围下的饱和蒸汽，两股蒸汽物流的流率范围为为450kg/hr10000kg/hr。9.2.2 优化及约束条件优化及约束条件 两两个闪蒸塔个闪蒸塔FLASH1和和FLASH2分别在绝压分别在绝压136kPa和和130kPa下绝热进行。物流下绝热进行。物流FEED中含二氯甲烷和水

22、，流率分别中含二氯甲烷和水，流率分别为为635kg/hr、44725kg/hr，温度为，温度为37，压力为，压力为170kPa。 保证保证容差在容差在1ppm之内，之内，FLASH2底部物流底部物流BOTM2中的二中的二氯甲烷的最大允许浓度为氯甲烷的最大允许浓度为150ppm（质量）。物性方法采用（质量）。物性方法采用NRTL。9.2.3 数据拟合数据拟合 数据拟合数据拟合（Data Fit）模块可以将）模块可以将Aspen Plus模型与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

23、或估算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）估算最小平方或最大值似然（变量误差）估算9.2.3 数据拟合数据拟合定义定义数据拟合数据拟合问题主要包括以下几个步骤：问题主要包括以下几个步骤： 创建一个创建一个数据拟合数据拟合 定义变量并输入实验数据定义变量并输入实验数据 选择数据拟合模块选择数据拟合模块 输入回归参数输入回归参数9.2.3 数据拟

24、合数据拟合创建数据拟合创建数据拟合9.2.3 数据拟合数据拟合定义变量，输入实验数据定义变量，输入实验数据9.2.3 数据拟合数据拟合选择数据拟合模块选择数据拟合模块9.2.3 数据拟合数据拟合输入回归参数输入回归参数9.2.3 数据拟合数据拟合例例9.7 利用间歇式反应器实验数据拟合下述反应动力学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方程的指前因子。C3H6O (ALLYL , 丙烯醇丙烯醇)C3H6O (ACETONE, 丙酮丙酮) C6H12O2（PROD，丙酸丙酯），丙酸丙酯） 反应动力学方程在反应动力学方程在SI-CBAR制下为：制下为：9.2.3 数据拟合数据拟合 间歇式反应器，进料温度为间歇式反应器，进料温度为25，压力为，压力为0.1MPa，丙烯，丙烯醇及丙酮的进料流率分别为醇及丙酮的进料流率分别为180kg/hr、252kg/hr，反应在恒温，反应在恒温30下进行。下进行。30下测得的实验数据见下测得的实验数据见下表，下表，物性方法采用物性方法采用NRTL-RK。时间时间丙烯醇的摩尔丙烯醇的摩尔分率分率产品中丙酸丙酯的摩尔产品中丙酸丙酯的摩尔分率分率600s0.301490.19745900s0.256131900s0.149380.45829.2.4