第五章 aspen模型分析功能

1、ASPEN PLUS在化工过程设计中的应用在化工过程设计中的应用第五章第五章 模型分析功能模型分析功能第第五五章章 模型分析功能模型分析功能C5.1 敏感性分析（Sensitivity） C5.2 设计规定（Design Specification）C5.3 优化（Optimization）5.1 灵敏度分析灵敏度分析C在进行过程设计和分析时，常常需要了解某些过程变量受其它过程变量影响的敏感程度，ASPTEN Plus为此提供了一个非常有用的分析工具：模型分析工具(Model Analysis Tools)下的灵敏度(Sensitivity)对象。灵敏度分析灵敏度分析SensitivityC灵

2、敏度分析是检验一个过程如何对变化的关键操作变量和测量（采集）的流程变量反应的一个工具。A 用灵敏度分析来验证一个设计规定的解是否在操作变量的变化范围内。A 用灵敏度分析做简单的过程优化。A 用灵敏度分析模块生成随进料物流、模块输入参数或其它输入变量变化的模拟结果的表和（/或图）。灵敏度分析的步骤灵敏度分析的步骤C 定义被测量（采集）流程变量 它们是在模拟中计算的参量，在第4步将要用到 （Sensitivity Input Define页）C 定义被操作（改变的）变量 它们是要改变的流程变量（Sensitivity Input Vary页）C 定义被操作（改变的）变量范围 被操作变量的变化可以按

3、在一个间隔内等距点或变量值列表来规定（Sensitivity Input Vary页）C 规定要计算的或要制成表的参量 制表参量可以是任何合法的Fortran表达式，表达式含有步骤1中定义的变量(Sensitivity Input Tabulate页)创建灵敏度对象时，按以下步骤操作： 1、从数据浏览器右侧的对象管理器(Object Manager)中点击新建(New)按钮； 2、在弹出对话框中为新对象指定一个辨识号(ID)；定义被采集的流程变量定义被采集的流程变量3、在定义(Define)表单中点击新建(New) 按钮，创建灵敏度分析所需的测量（采集）变量；4、在弹出对话框中输入新变量的变量

4、名(Variable name)；被采集的流程变量被采集的流程变量被采集的流程变量的标识被采集的流程变量的标识C对于标变量，为6个或6个以下字符C对于矢变量，为5个或5个以下字符C以字母开头（A-Z）C后跟字母数字型字符（A-Z，0-9）C不要以IZ或ZZ开头5、在变量定义(Variable Definition)对话框中的下拉式选择框中选择变量的类别(Category)、类型(Type)、流股(Stream)或模块(Block)代号，并指定具体变量(Variable)。被采集的流程变量被采集的流程变量操纵变量操纵变量C在变化(Vary)表单中输入操作变量(Manupulated variab

5、le)的类型、名称和具体变量(variable)C变化范围A 值列表A 下限上限和等距点的个数（#Point）A 上限下限和点间的增量（Incr） C报告标签步骤6：制表步骤7：在列表(Tabulate)表单中输入需要进行灵敏度分析的被采集的流程变量(Tabulated v a r i a b l e ) 或 组 合 变 量 的 表 达 式(Expression) ，以及列表时的列序号(Column No.)。查看结果：步骤8：结果查看 从左侧索引栏中选择灵敏度对象下的结果(Results)项目，右侧的汇总(Summary)表单中按照指定的列序号列表给出调节变量和列表变量的对应值。变量关系图P

6、lotC在查看和分析灵敏度分析的列表数据时，用图形描述的函数关系曲线常常能让我们更直观和全面地了解过程变量间的依赖趋势；CASPTEN Plus为此提供了绘图(Plot)功能，可以将列表数据中的任意两列绘制成XY曲线图。步骤1：选择横坐标变量 在列表数据中选中一列，从窗口菜单Plot项的下拉框里选择X轴变量(X-Axis Variable)；变量关系图Plot步骤2：选择纵坐标变量 再选中列表数据的另一列，从窗口菜单Plot项的下拉框里选择Y轴变量(Y-Axis Variable)；变量关系图Plot变量关系图Plot步骤3：绘制曲线 然后点击窗口菜单Plot项的下拉框里的显示绘图(Displ

7、ay Plot), 即可得到曲线图。变量关系图Plot变量关系图Plot敏感性分析的计算示例敏感性分析的计算示例 C例1：书P85页；C作业1：甲基环己烷-甲苯精馏塔的分析C通过ASPEN PLUS的敏感性分析找出精馏塔顶甲基环己烷纯度与苯酚加入量的关系，同时确定在苯酚加入量变化之后的塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷变化情况C热力学模型选择UNIFAC模型。 5.2 设计规定设计规定C 设计规定：指定要操纵（调整）的一个模块输入变量、过程进料物流变量或其它模拟输入变量来满足规定。C 设计规定通过调整一个由用户指定的输入变量来达到它的目标。C 被采集变量：为一个流程变量或一些流程变量的函数指定一个

8、你所希望的值。C 被操纵变量：选择调整一个模块输入变量或过程进料变量以便满足设计规定。设计规定的收敛设计规定的收敛C 设计规定产生必须迭代求解的回路。缺省情况下，ASPEN PLUS为每个设计规定生成一个收敛模块并排序。 C 在物流或模块输入中提供的被操纵变量的值被用作初始估值。 C 规定还必须有一个允差的方程是： |规定值-计算值|允差 C 通过选择相应Convergence（收敛）模块的Results（结果）页面，可以查看收敛模块的摘要和收敛历史。 如果设计规定不收敛：如果设计规定不收敛：C检查被操作变量是否在它的上限或下限上C核实在指定的被操作变量范围内是否存在解，可通过执行灵敏度分析来

9、完成。C检查被操作变量是否真正影响被采集变量C对被操作变量提供一个更好的初值C尝试改变与设计规定相关的收敛模块特性（迭代数和步长，运算法则等）C尝试把被操作变量范围变小，或放宽目标函数允差以有利于收敛C确保目标函数在被操作变量变化范围内有平直曲线区间设计规定的步骤设计规定的步骤C建立设计规定。C标识设计规定中所用的被采集流程变量。C为一个被采集变量或一些被采集变量函数指定目标值并指定一个允差。C标识一个为达到目标值而被调整的模拟输入变量，并指定调整该变量的上下限。C输入可选的Fortran 语句。 C 以第二章中苯和丙烯为原料合成异丙基苯为例，如下图：C 冷却器出口温度是多少才能使异丙基苯产品

10、纯度达到98%（摩尔百分数）？设计规定的步骤设计规定的步骤-设计规定的计算示例设计规定的计算示例选择选择Mole点击New按扭点击New按扭Ca）标识被测量（采集）变量 流程参量，通常是计算出的参量，用于目标函数中（Design Spec Define 页）点击Close按扭Cb）规定目标函数（Spec）和目标（Target） 它是规定要满足的等式（Design Spec Spec 页）。在目标函数中用的单位是由设计规定声明的Units Set所规定的变量类形的单位Cc）设置目标函数允差 如果在该允差范围内满足目标函数等式，规定就收敛了（Design Spec Spec 页）Cd）定义被操作（

11、改变的）变量 它是一个变量，设计规定改变它的值以满足目标函数方程 (Design Spec Vary 页)Ce）定义被操作（改变的）变量范围 这是范围的上限和下限，在该范围内Aspen Plus改变被操作变量（Design Spec Vary页）。被改变变量的单位是由为设计规定声明的Units Set所规定的变量类形的单位设计规定的计算示例设计规定的计算示例C从例2灵敏度分析的结果可以看出，为了使塔顶馏出物中甲基环己烷的纯度（摩尔分率）达到98%，萃取剂苯酚的进料流率大约在750kmol/hr左右。为了确定使得塔顶馏出物中甲基环己烷的纯度（摩尔分率）达到98%所需萃取剂苯酚的进料流率的具体值，

12、可以通过ASPEN PLUS模型分析功能中的设计规定（Design Specification）完成。 5.3 优化优化C优化：通过调整决策变量（进料物流、模块输入或其它输入变量）来使一个用户指定的目标函数最大化或最小化 。C优化问题的收敛A SQP方法（序贯二次优化方法）：最先进的拟牛顿非线性编程算法。它可以将断裂流、等式约束和非等式约束与优化问题同时收敛 A Complex方法（复合型算法）：可行路径“黑箱”式搜索法 优化优化C 用于最大化/最小化目标函数C 目标函数是用流程变量和内嵌的Fortran 表示的C 优化可以有零个或多个约束条件C 约束条件可以是等式或不等式C 优化位于/Dat

13、a/Model Analysis Tools/Optimization下C 约束条件的规定位于/Data/Model Analysis Tools/Constraint下优化的步骤优化的步骤C创建一个优化问题。C标识目标函数中所用的被采集变量。C为一个被采集变量或一些被采集变量的函数指定目标函数，并标识出与问题有关的约束。C标识出为使目标函数最大或最小而被调整的模拟输入变量，并指定它们可被调整的上下限。C定义优化问题的约束条件。C输入可选的Fortran语句。C a）确定实测（采集）变量C 它们是用来计算目标函数的流程变量（在Optimization Define页上）C b）规定目标函数（表

14、达式）C 这是一个将被最大化或最小化的Fortran表达（在Optimization Objective & Constraints页上）C c）规定目标函数的最大化或最小化（在Optimization Objective & Constraints页上）C d）规定约束条件（可选的）C 它们是在优化期间所用的约束条件（在Optimization Objective & Constraints页上）C e）规定操作（可变）变量C 它们是优化模块为了实现目标函数的最大化/最小化而要改变的变量（在Optimization Vary页上）C f）规定操作（可变）变量的范围C

15、它们是操作变量变化的下限和上限（在Optimization Vary页上）目标函数目标函数被调整的模拟输入变量被调整的模拟输入变量与问题有关的约束与问题有关的约束推荐的做优化过程推荐的做优化过程 C从一个模拟开始（而不是从一个优化开始）。使用该方法有下列原因：A 较容易检测到模拟中的流程错误。A 用户可以确定合理的规定。A 用户可以确定一个合理的决策变量范围。A 用户可以为断裂物流得到很好的估值。C在优化之前做灵敏度分析，以便找出合适的决策变量和它们的范围。C用灵敏度分析来估算问题的解以便确定最优值是宽还是窄。 C 优化的收敛对操作变量的初始值可以很敏感C 目标、约束条件以及操作参数在1到10

16、0的范围内最好。这可通过简单地乘以或除以该函数来实现C 优化算法只能找出目标函数中的局部最大值和最小值。在有些工况中，从求解区间中的不同点开始计算在理论上可能得到目标函数的不同最大值/最小值C 优化范围内的等式约束条件与设计规定类似C 如果优化不收敛，可用与优化相同的操作变量运行灵敏度研究，以确保目标函数相对于任何操作变量都不是间断的C 优化模块也有与它们关联的收敛模块。如果优化不收敛，可以使用任何用于收敛模块的通用技术C 目的：目的：优化一个过程的蒸汽使用。C 下页所示流程是一个二氯甲烷溶剂回收系统的一部分。两个闪蒸塔TOWER1和TOWER2分别在19.7和18.7 psia（磅/平方英寸

17、）绝压下绝热运行。物流FEED中含有1400 lb/hr的二氯甲烷和98600 lb/hr的水，温度为100 oF，压力为24 psia。建立如下所示的模拟，使物流STEAM1和STEAM2中的蒸汽总用量最少，物流STEAM1和STEAM2都含有200 psi（磅/平方英寸）绝压下的饱和蒸汽。C 要保证容差在2 ppm之内，从TOWER2出来的物流EFFLUENT中的二氯甲烷的最大允许浓度应为150 ppm（质量）。物性方法用NRTL法。两股蒸汽物流的流量范围为1000 lb/hr到20,000 lb/hr。C 在运行之前要保证物流的流量要以质量流量单位和质量分率单位来报告。完成后，文件名存为

18、：OPT.BKP。优化的计算示例优化的计算示例BOT1EFFLUENTFEEDSTEAM1STEAM2TOP1TOP2Mass Flowlb/hrCH2CL2161.42216.7231400001238.578144.700H2O109377.398110375.6879860011656.3452119.135878.9471120.845Mass FracCH2CL21474 PPM151 PPM0.014000.5850.114H2O0.9990.99980.986110.4150.886Total Flowlb/hr109538.82110392.40910000011656.34521