AspenPlus教程第9章流程選項與模擬分析工具

1、第第9章章 流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具作者：畢欣欣作者：畢欣欣 孫蘭義孫蘭義 為方便用戶可以控制以及分析流程，為方便用戶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，這些工具設置在數(shù)據(jù)瀏覽窗口（，這些工具設置在數(shù)據(jù)瀏覽窗口（Data Browser）的）的流程選項流程選項(Flowsheeting Options)和和模型分析工具模型分析工具（Model Analysis Tools）目錄下。）目錄下。 流程選項主要包括流程選項主要包括設計規(guī)定設計規(guī)定(Design Spec)、計算器計算器(Calculator)、傳遞傳遞模塊模塊( T

2、ransfer ) 、平衡模塊平衡模塊( Balance ) 。模型分析工具主要包括模型分析工具主要包括靈敏度分析靈敏度分析（Sensitivity）、）、優(yōu)化優(yōu)化（Optimization）、約束約束（Constraint）、）、數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合(Data Fit)以及以及工況分析工況分析(Case Study)。流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具9.1 流程選項流程選項 9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定 9.1.2 計算器計算器 9.1.3 傳遞模塊傳遞模塊 9.1.4 平衡模塊平衡模塊9.2 模型分析工具模型分析工具 9.2.1 靈敏度分

3、析靈敏度分析 9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件 9.2.3 數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合 9.2.4 工況分析工況分析9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定采集變量：指定期望值采集變量：指定期望值 可以是可以是流程變量流程變量或或含某些流程變量的函數(shù)含某些流程變量的函數(shù)（此函數(shù)可以（此函數(shù)可以是任意涉及一個或多個流程變量的合法是任意涉及一個或多個流程變量的合法FortranFortran表達式表達式）操縱變量：被調整使采集變量接近期望值操縱變量：被調整使采集變量接近期望值 可以是一個模塊輸入變量、過程進料物流變量或其它模擬可以是一個模塊輸入變量、過程進料物流變量或其它模擬輸入變量輸入變量；模擬計算出的量不能

4、作為操縱變量模擬計算出的量不能作為操縱變量9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定 設計規(guī)定的目標是期望值等于計算值，模擬時需要規(guī)定容差，在該容設計規(guī)定的目標是期望值等于計算值，模擬時需要規(guī)定容差，在該容差范圍內滿足目標函數(shù)關系，停止迭代計算差范圍內滿足目標函數(shù)關系，停止迭代計算。設計規(guī)定中實際滿足的方程設計規(guī)定中實際滿足的方程是：是： 設計規(guī)定會產生必須迭代求解的回路，缺省情況下，設計規(guī)定會產生必須迭代求解的回路，缺省情況下，Aspen Plus為每個為每個設計規(guī)定生成一個收斂模塊并將收斂模塊排序。設計規(guī)定生成一個收斂模塊并將收斂模塊排序。 設計規(guī)定在計算時，將物流或模塊輸入頁中提供的操縱變量的值作為初

5、設計規(guī)定在計算時，將物流或模塊輸入頁中提供的操縱變量的值作為初值，為操縱變量提供一個合適的初值有助于減少設計規(guī)定收斂計算的迭代值，為操縱變量提供一個合適的初值有助于減少設計規(guī)定收斂計算的迭代次數(shù)。次數(shù)。 規(guī)定值規(guī)定值-計算值計算值 容差容差9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定定義一個設計規(guī)定一般包括以下定義一個設計規(guī)定一般包括以下5個步驟：個步驟： 建立設計規(guī)定；建立設計規(guī)定； 標識設計規(guī)定中的采集變量；標識設計規(guī)定中的采集變量； 為采集變量或函數(shù)指定期望值并指定容差；為采集變量或函數(shù)指定期望值并指定容差； 標識操縱變量，并指定該操縱變量的上下限；標識操縱變量，并指定該操縱變量的上下限； 輸入可選的輸

6、入可選的Fortran語句。語句。9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定創(chuàng)建設計規(guī)定創(chuàng)建設計規(guī)定輸入采集變量輸入采集變量9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定定義采集變量定義采集變量9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定輸入采集變量的期望值及容差輸入采集變量的期望值及容差9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定定義操縱變量定義操縱變量9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定例例9.1 例例2.1中已經建立了異丙苯的生產流程，現(xiàn)要求產中已經建立了異丙苯的生產流程，現(xiàn)要求產品（品（PRODUCT）中異丙苯的含量為）中異丙苯的含量為98%（mol），），求冷凝器出口的溫度。求冷凝器出口的溫度。9.1.2 計算器計算器 在早期

7、版本的在早期版本的Aspen Plus中，計算器（中，計算器（Calculator）模塊稱為）模塊稱為Fortran模塊。在此模塊中，用戶可以自行編寫模塊。在此模塊中，用戶可以自行編寫Aspen Plus可執(zhí)行的可執(zhí)行的Fortran程序，把語句插入到流程計算中，以便執(zhí)行用戶定義的任務。程序，把語句插入到流程計算中，以便執(zhí)行用戶定義的任務。例如：例如： 在使用輸入變量前計算和設定它們（前饋控制）；在使用輸入變量前計算和設定它們（前饋控制）； 把信息寫到控制面板上；把信息寫到控制面板上； 從一個文件中讀取輸入數(shù)據(jù)；從一個文件中讀取輸入數(shù)據(jù)； 把結果寫到把結果寫到Aspen Plus報告或寫到任意

8、外部文件中；報告或寫到任意外部文件中； 調用外部子程序；調用外部子程序； 編寫用戶子程序。編寫用戶子程序。9.1.2 計算器計算器n常用的常用的Fortran運算符運算符運算符意義舉例運算結果=賦值A=BB+加法A=A+A2A-減法A=A-A0/除法A=A/A1*乘法A=A*AA2*乘方，冪A=A*BAB.LT.邏輯小于.GT.邏輯大于.EQ.邏輯等于9.1.2 計算器計算器Fortran語句的編寫語句的編寫編寫編寫Fortran語句時，需要注意：語句時，需要注意：第第1列不能以字母列不能以字母C開頭；開頭；第第2列空白，不能進行編寫；列空白，不能進行編寫；第第3列至第列至第5列用于進行語句的

9、解釋說明；列用于進行語句的解釋說明；執(zhí)行的語句必須是從第執(zhí)行的語句必須是從第7列或后面的列開始書寫；列或后面的列開始書寫；變量的名字不要以變量的名字不要以IZ或或ZZ開頭；開頭；變量的名字須控制在變量的名字須控制在7個字符以內。個字符以內。9.1.2 計算器計算器 定義一個計算器模塊一般包括以下定義一個計算器模塊一般包括以下4個步驟：個步驟： 建立一個計算器（建立一個計算器（Calculator）模塊；）模塊； 標識模塊的采集變量或操縱變量；標識模塊的采集變量或操縱變量； 輸入輸入Fortran語句；語句； 指定何時執(zhí)行指定何時執(zhí)行Calculator模塊。模塊。9.1.2 計算器計算器創(chuàng)建計

10、算器模塊創(chuàng)建計算器模塊9.1.2 計算器計算器創(chuàng)建計算器模塊創(chuàng)建計算器模塊9.1.2 計算器計算器編寫編寫Fortran語句語句9.1.2 計算器計算器例例9.2 例例2.1中已經建立異丙苯的生產流程，其冷凝器中已經建立異丙苯的生產流程，其冷凝器壓降設置為壓降設置為0.7kPa，現(xiàn)設定冷凝器的壓降與冷凝器，現(xiàn)設定冷凝器的壓降與冷凝器入口物流體積流率的關系為入口物流體積流率的關系為P=-0.2V2，其中，壓，其中，壓降降P單位為單位為kPa，體積流率，體積流率V單位為單位為m3/hr，計算此，計算此時冷凝器的出口壓力。時冷凝器的出口壓力。9.1.3 傳遞模塊傳遞模塊 傳遞模塊傳遞模塊（Trans

11、fer）主要用來在物流或模塊間傳遞信息，使用）主要用來在物流或模塊間傳遞信息，使用傳遞模塊可以將流程的變量值從流程圖的一部分復制到流程圖的傳遞模塊可以將流程的變量值從流程圖的一部分復制到流程圖的另一部分。用戶可以復制全部物流或任一物流的組成和流率或任另一部分。用戶可以復制全部物流或任一物流的組成和流率或任意的流程變量（比如模塊變量），最常用的是將一個物流復制成意的流程變量（比如模塊變量），最常用的是將一個物流復制成另一個物流。另一個物流。定義傳遞模塊主要包括以下幾個步驟：定義傳遞模塊主要包括以下幾個步驟： 創(chuàng)建傳遞模塊；創(chuàng)建傳遞模塊； 復制物流、物流流率、子物流、模塊參數(shù)或物流參數(shù)；復制物流、

12、物流流率、子物流、模塊參數(shù)或物流參數(shù)； 可選擇地輸入目標物流的閃蒸規(guī)定；可選擇地輸入目標物流的閃蒸規(guī)定； 可選擇的輸入傳遞模塊的其他規(guī)定。可選擇的輸入傳遞模塊的其他規(guī)定。9.1.3 傳遞模塊傳遞模塊創(chuàng)建傳遞模塊創(chuàng)建傳遞模塊9.1.3 傳遞模塊傳遞模塊輸入被復制物流信息輸入被復制物流信息9.1.3 傳遞模塊傳遞模塊輸入目標物流信息輸入目標物流信息9.1.3 傳遞模塊傳遞模塊定義計算順序定義計算順序9.1.3 傳遞模塊傳遞模塊例例9.3 例例2.1中最后的兩相閃蒸器采用的是絕熱閃蒸，現(xiàn)要中最后的兩相閃蒸器采用的是絕熱閃蒸，現(xiàn)要求將其結果與等溫閃蒸進行比較。求將其結果與等溫閃蒸進行比較。 注：注：若

13、要將絕熱閃蒸與等溫閃蒸進行比較，則需將閃蒸器入口物若要將絕熱閃蒸與等溫閃蒸進行比較，則需將閃蒸器入口物流（流（COOL-OUT）同時輸入一個等溫閃蒸器，可運用）同時輸入一個等溫閃蒸器，可運用Transfer模塊完模塊完成成9.1.4 平衡模塊平衡模塊 平衡模塊平衡模塊（Balance）主要用來計算一個或多個單元操作模塊區(qū)）主要用來計算一個或多個單元操作模塊區(qū)的物料平衡和能量平衡。平衡模塊可以計算帶循環(huán)工藝流程中補的物料平衡和能量平衡。平衡模塊可以計算帶循環(huán)工藝流程中補充物流的流率（這將刪除充物流的流率（這將刪除Calculator模塊）、進料物流流率和基模塊）、進料物流流率和基于其它物流和模塊

14、信息的條件（這將刪除設計規(guī)定和收斂回路）。于其它物流和模塊信息的條件（這將刪除設計規(guī)定和收斂回路）。定義平衡模塊一般包括以下幾個步驟：定義平衡模塊一般包括以下幾個步驟： 創(chuàng)建一個平衡模塊；創(chuàng)建一個平衡模塊； 規(guī)定平衡計算的模塊和物流；規(guī)定平衡計算的模塊和物流； 規(guī)定和更新物流變量；規(guī)定和更新物流變量； 平衡模塊排序；平衡模塊排序； 可選擇地規(guī)定閃蒸條件。可選擇地規(guī)定閃蒸條件。9.1.4 平衡模塊平衡模塊創(chuàng)建平衡模塊創(chuàng)建平衡模塊9.1.4 平衡模塊平衡模塊建立質量衡算建立質量衡算9.1.4 平衡模塊平衡模塊建立能量衡算建立能量衡算9.1.4 平衡模塊平衡模塊選擇計算物流選擇計算物流9.1.4 平

15、衡模塊平衡模塊例例9.4 欲使用溫度為欲使用溫度為10、壓力為、壓力為0.1MPa的水將溫度的水將溫度為為66、壓力為、壓力為0.1MPa、流率為、流率為100kg/hr的甲醇冷的甲醇冷卻至卻至37，要求水的出口溫度為，要求水的出口溫度為27，求所需冷卻，求所需冷卻水的質量流率水的質量流率。流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具9.1 流程選項流程選項 9.1.1 設計規(guī)定設計規(guī)定 9.1.2 計算器計算器 9.1.3 傳遞模塊傳遞模塊 9.1.4 平衡模塊平衡模塊9.2 模型分析工具模型分析工具 9.2.1 靈敏度分析靈敏度分析 9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件 9.2.3 數(shù)

16、據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合 9.2.4 工況分析工況分析9.2.1 靈敏度分析靈敏度分析 靈敏度分析靈敏度分析（Sensitivity）是檢驗過程改變如何對關鍵操是檢驗過程改變如何對關鍵操作變量和設計變量產生影響的工具，用戶可以用它改變一作變量和設計變量產生影響的工具，用戶可以用它改變一個或多個流程變量并研究該變化對其它流程變量的影響個或多個流程變量并研究該變化對其它流程變量的影響。操縱變量操縱變量采集變量采集變量9.2.1 靈敏度分析靈敏度分析定義一個靈敏度分析模塊主要包括以下幾個步驟：定義一個靈敏度分析模塊主要包括以下幾個步驟： 建立一個靈敏度分析；建立一個靈敏度分析； 標識采集變量；標識采集變量；

17、標識操縱變量；標識操縱變量； 定義要進行制表的變量；定義要進行制表的變量； 輸入可選的輸入可選的Fortran語句。語句。9.2.1 靈敏度分析靈敏度分析創(chuàng)建靈敏度分析模塊創(chuàng)建靈敏度分析模塊9.2.1 靈敏度分析靈敏度分析定義采集變量定義采集變量9.2.1 靈敏度分析靈敏度分析定義操縱變量定義操縱變量9.2.1 靈敏度分析靈敏度分析例例9.5 考察例考察例2.1中冷凝器（中冷凝器（COOLER）出口溫度對閃）出口溫度對閃蒸器（蒸器（SEP）底部產品（）底部產品（PRODUCT）中異丙苯摩爾）中異丙苯摩爾分率的影響分率的影響。9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件 優(yōu)化優(yōu)化模塊模塊(Optim

18、ization)及及約束條件約束條件模塊模塊(Constraint)經常聯(lián)用完成一個優(yōu)化過程。經常聯(lián)用完成一個優(yōu)化過程。 采用優(yōu)化模塊，調整操縱變量采用優(yōu)化模塊，調整操縱變量(進料條件、模塊參數(shù)或其進料條件、模塊參數(shù)或其它輸入變量它輸入變量)來使用戶指定的某個目標函數(shù)值最大或最小。目來使用戶指定的某個目標函數(shù)值最大或最小。目標函數(shù)可以是含有一個或多個流程變量的合法標函數(shù)可以是含有一個或多個流程變量的合法Fortran表達式表達式。目標函數(shù)的容差是與優(yōu)化問題相關的收斂模塊的容差。用。目標函數(shù)的容差是與優(yōu)化問題相關的收斂模塊的容差。用戶還可以對優(yōu)化施加等式或不等式約束，約束可以是任意的戶還可以對優(yōu)

19、化施加等式或不等式約束，約束可以是任意的Fortran表達式或內嵌表達式或內嵌Fortran語句計算得到的流程變量函數(shù)語句計算得到的流程變量函數(shù)，且必須指定約束的容差，且必須指定約束的容差。9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件定義優(yōu)化問題主要包括以下幾個步驟：定義優(yōu)化問題主要包括以下幾個步驟： 創(chuàng)建一個優(yōu)化問題創(chuàng)建一個優(yōu)化問題 標識目標函數(shù)中所用的采集變量標識目標函數(shù)中所用的采集變量 指定目標函數(shù)，并標識出與問題有關的約束指定目標函數(shù)，并標識出與問題有關的約束 標識出操縱變量，并指定調整的范圍標識出操縱變量，并指定調整的范圍 輸入可選的輸入可選的Fortran語句語句 定義優(yōu)化問題的約束條

20、件定義優(yōu)化問題的約束條件9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件n創(chuàng)建優(yōu)化模塊創(chuàng)建優(yōu)化模塊9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件定義變量定義變量9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件定義目標函數(shù)定義目標函數(shù)9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件定義操縱變量定義操縱變量9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件創(chuàng)建約束條件創(chuàng)建約束條件9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件定義變量定義變量9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件定義約束條件定義約束條件9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件添加約束條件添加約束條件9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件例例9.6 上圖上圖所示流程為一個二氯

21、甲烷溶劑回收系統(tǒng)的一部分。建立所示流程為一個二氯甲烷溶劑回收系統(tǒng)的一部分。建立模擬，使物流模擬，使物流STM1和和STM2中的蒸汽總用量最少，物流中的蒸汽總用量最少，物流STM1和和STM2均為絕壓均為絕壓1.4MPa下的飽和蒸汽，兩股蒸汽物流的流率范圍下的飽和蒸汽，兩股蒸汽物流的流率范圍為為450kg/hr10000kg/hr。9.2.2 優(yōu)化及約束條件優(yōu)化及約束條件 兩個閃蒸塔兩個閃蒸塔FLASH1和和FLASH2分別在絕壓分別在絕壓136kPa和和130kPa下絕熱進行。物流下絕熱進行。物流FEED中含二氯甲烷和水，流率中含二氯甲烷和水，流率分別為分別為635kg/hr、44725kg/

22、hr，溫度為，溫度為37，壓力為，壓力為170kPa。 保證容差在保證容差在1ppm之內，之內，F(xiàn)LASH2底部物流底部物流BOTM2中的二中的二氯甲烷的最大允許濃度為氯甲烷的最大允許濃度為150ppm（質量）。物性方法采用（質量）。物性方法采用NRTL。9.2.3 數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合 數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合（Data Fit）模塊可以將）模塊可以將Aspen Plus模型與模型與實際裝置或實驗數(shù)據(jù)擬合。用戶可以為一個模型的輸入和結實際裝置或實驗數(shù)據(jù)擬合。用戶可以為一個模型的輸入和結果變量提供一套或多套測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)擬合可以調整或估算果變量提供一套或多套測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)擬合可以調整或估算輸入?yún)?shù)以便使模

23、型與數(shù)據(jù)最吻合，也可以整和輸入變量的輸入?yún)?shù)以便使模型與數(shù)據(jù)最吻合，也可以整和輸入變量的測量數(shù)據(jù)來匹配被擬合的模型。數(shù)據(jù)擬合實際是進行了普通測量數(shù)據(jù)來匹配被擬合的模型。數(shù)據(jù)擬合實際是進行了普通最小平方或最大值似然（變量誤差）估算最小平方或最大值似然（變量誤差）估算9.2.3 數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合定義定義數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合問題主要包括以下幾個步驟：問題主要包括以下幾個步驟： 創(chuàng)建一個創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合 定義變量并輸入實驗數(shù)據(jù)定義變量并輸入實驗數(shù)據(jù) 選擇數(shù)據(jù)擬合模塊選擇數(shù)據(jù)擬合模塊 輸入回歸參數(shù)輸入回歸參數(shù)9.2.3 數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合創(chuàng)建數(shù)據(jù)擬合創(chuàng)建數(shù)據(jù)擬合9.2.3 數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合定義變量，輸

24、入實驗數(shù)據(jù)定義變量，輸入實驗數(shù)據(jù)9.2.3 數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合選擇數(shù)據(jù)擬合模塊選擇數(shù)據(jù)擬合模塊9.2.3 數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合輸入回歸參數(shù)輸入回歸參數(shù)9.2.3 數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合例例9.7 利用間歇式反應器實驗數(shù)據(jù)擬合下述反應動力學利用間歇式反應器實驗數(shù)據(jù)擬合下述反應動力學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） 反應動力學方程在反應動力學方程在SI-CBAR制下為：制下為：9.2.3 數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合 間歇式反應器，進料溫度為間歇式反應器，進料溫度為25，壓力為，壓力為0.1MPa，丙烯，丙烯醇及丙酮的進料流率分別為醇及丙酮的進料流率分別為180kg/hr、252kg/hr，反應在恒溫，反應在恒溫30下進行。下進行。30下測得的實驗數(shù)據(jù)見下測得的實驗數(shù)據(jù)見下表，下表，物性方法采用物性方法采用NRTL