aspen plus流程模拟培训专题第6讲模型收敛技巧

1、Aspen Plus 流程模拟培训专题6流程模拟收敛技巧工学会培训中心和化学工业培训中心1.全局收敛2.塔的收敛3.反应器收敛4.其他主要内容1.全局收敛收敛模块设计规定、收敛模块确定过程中如流和优化都有一个与之相关联的收敛模块。流或设计规定及优化的操作变量估值在迭代。Aspen Plus定义的收敛模块的名字以字符“$.”开头。§ 用户定义的收敛模块的名字一定不要以字符“$.”开头。要察看由Aspen Plus定义的收敛模块，请看Control Panel（中的“Flowsheet Analysis（流程分析）” 部分。面板）用户收敛模块可在convergence/convergen

2、ce下进行指定。收敛模块的类型不同类型的收敛模块用作不同用途：要收敛流，请用:WEGSTEIN DIRECT BROYDENNEWTON要收敛设计规定，请用:SECANT BROYDENNEWTON收敛模块的类型要收敛设计规定和 BROYDEN NEWTON对于优化，请用: SQP COMPLEX流，请用:v 在Convergence/ ConvOptions/ Defaults窗体上可以规定全局的收敛选项。流程顺序要察看Aspen Plus进行流程计算的流程顺序，请看Control Panel面板）中或者Control Panel（面板）左窗格中的“COMPUTATION ORDER FOR

3、 THE FLOWSHEET”部分。用户规定的顺序可在Convergence/ Sequence窗体上进行规定。用户规定的顺序即可以是全部的计算顺序也可以是局部的顺序。流哪些是可能的哪些是循环物流?流?S7B1B2B3B4S1S2S3S4S5MIXERMIXERFSPLITFSPLITS6流是Aspen Plus给出其初始估值的一股物流，并且该估值在迭代过程中逐次更新，直到连续的两个估值在规定的容差范围内为止。流与循环物流是相关的，但又与循环物流不一样。流（续）要察看由Aspen Plus选择的流，请看Control Panel（面板）中的“Flowsheet Analysis（流程分析）”部

4、分。用户确定的流可在 Convergence/ Tear窗体上进行规定。为流提供估值可以促进或者加快流程收敛（极力推荐，否则缺省值为零）。如果你输入了“回路”中的某个物流的， Aspen Plus会自动把该物流选为流。练习：收敛目的:收敛这个流程。(convergence.bkp)100 lbmol/hrT=165 FP=15 psiaT=70 FP=35 psia50 lbmol/hr Ethylene Glycol塔FEEDGLYCOLDISTXH20= 0.4XMethanol = 0.3XEthanol = 0.3预热器NSTAGES=10Mole-RR=5 D:F=0.2P=1 at

5、mFEEDS ON STAGE 5 DV:D=0BOT-COOLVAPORArea = 65 sqft预闪蒸器DP=0 Q=0FEED-HTLIQBOT使用 NRTL-RK 物性C8.bkp循环量60t练习：收敛（续）关于收敛练习的提示:需要回答的问题:面板上显示了哪些?为什么有些模块显示出的流量为零?Aspen Plus生成的流程执行顺序是什么?Aspen Plus选择哪股物流做流?还有哪些其它可能的流?建议:给出流的初始估值。§ 你可以选择的三种可能的流中，你最了解哪一种？（注， Aspen Plus释：如果你输入了“回路”中某个物流的会自动选择该物流为流，并为之建立收敛模块）2

6、.塔的收敛RCSTRv 全混流反应器采用试差法求解如下守恒方程：能量守恒方程质量守恒方程组分流量守恒方程RadFrac 模型为求解分离问题提供了多种收敛。每个收敛代表一种收敛算法和一个初始化v Standard （标准的，缺省的）。可用的收敛如下：v Petroleum / Wide-Boiling（石油/宽沸程）v Strongly non-ideal liquid（v Azeotropic（共沸的）v Cryogenic（低温的）v Custom（自定义的）理想液体）RadFrac 收敛算法初始化StandardPetroleum / Wide-boiling Strongly non-i

7、deal liquid AzeotropicCryogenicCustomStandard Sum-Rates Nonideal Newton Standard任选其一Standard Standard Standard Azeotropic Cryogenic任选其一收敛（续）RadFrac 收敛算法RadFrac提供了四种收敛算法:v Standard (有Absorber=Yes 或 No)v Sum-Rates（流率求和）v Nonideal（非理想的）v Newton（）标准算法Standard(缺省时, Absorber=No)算法:v 使用原始的I-Ov 对大多数问题都很有效和快

8、速v 在中间回路中求解设计规定v 对于求解宽沸程或高度非理想的混合物可能有标准算法 （续）当Absorber=Yes 时的Standard 算法 :v 使用与古典的流率求和算法类似的v 只应用于吸收塔和汽提塔v 收敛迅速v 在中间回路中求解设计规定v 对于求解高度非理想的混合物可能有流率求和算法Sum-Rates 算法:v 使用与经典流率求和算法类似的v 可在求解塔描述方程的同时求解设计规定v 对于宽沸程混合物和带有多个设计规定的问题非常有效和快速v 对高度非理想的混合物可能有非理想算法Nonideal 算法:v 在局部物性中包含组成依赖性v 使用连续收敛法v 在中间回路中求解设计规定v 对于

9、非理想问题是很有效的Newton 算法:v 是Newton法的一个典型应用v 可以同时求解所有塔的描述方程v 用Powell 折线策略来收敛v 能够同时或在外部回路中求解设计规定v 能很好地处理非理想物系，并可在求解附近极好地收敛v 对共沸蒸馏塔推荐使用该算法算法汽-液-液计算对于三相的汽-液-液体系可以使用Standard、 Newton和Nonideal算法。在RadFrac /Setup /Configuration页上，在Valid Phases（有效相）域中选择Vapor-Liquid-Liquid 。Vapor-Liquid-Liquid 计算:v 严格地处理v 处理倾析器两个液相

10、的塔计算v 用下列求解设计规定：§ 对Newton算法即可用同时（缺省的）回路中间回路§ 所有其它算法都用中间回路也可用收敛的选择对于Vapor-Liquid（汽-液）体系，要首先用Standard收敛。如果Standard失败，再用下列：v 如果该混合物的沸程非常宽则用Petroleum / Wide Boiling。v 如果该塔是一个吸收塔或汽提塔，则用Custom，并在RadFrac /Convergence/ Algorithm页上将Absorber改为Yes 。v 如果该混合物是高度非理想的，则用Strongly non-ideal liquid（理想液体）。v

11、对于可能有多解的共沸蒸馏问题用Azeotropic理想体系也可以使用Azeotropic算法。对于高度非收敛的选择 （续）对于Vapor-Liquid-Liquid（汽-液-液）体系:v 首先在RadFrac /Setup/ Configuration 页的Valid Phases域中选择Vapor-Liquid-Liquid ，并使用Standard收敛。v 如果Standard法失败，再试一下包含Nonideal或 Newton算法的Custom。Standard 是RadFrac模型的缺省初始化。该v 对有下列功能:进料执行闪蒸计算以得到平均的气体和液体组成一个恒定的组成分布数据v 根据

12、进料的泡点和温度估算温度分布数据RadFrac 的初始化的初始化的初始化有四种。使用:用于:Crude(粗的)Chemical(化学的) Azeotropic(共沸的) Cryogenic(低温的)带有多采出点塔的宽沸程体系窄沸程化学体系共沸蒸馏塔低温的应用估算RadFrac模型通常不要求温度、流量和组成分布估值。下列情况要求估值:v 在出现收敛问题的情况下要求估算温度作为第一个尝试数据v 对宽沸程混合物的分离要求液体和/或气体流量估值。v 对于高度非理想体系、宽沸程（例如，富氢的）体系、共沸蒸馏体系或汽-液-液体系要求组成估值。PetroFracv PetroFrac是于炼油的模块，该模块使

13、用的收敛（Schubert）及初始化算法（Crude）都是预定于石油宽沸程混合物的，无需修改，该模块不收敛时，可调整：1.最大迭代次数-迭代次数不够的不收敛2.阻尼水平-收敛过程出现过度震荡时可调整它来收敛。阻尼水平：MediumNoneMildSevere阻尼水平越高，所需计算次数越多。如果 RadFrac 没收敛, 做以下工作会有帮助:1.检查是否正确地规定了有关物性方面的问题法的选择、参数有效性) 。(物性方2.确保塔操作条件是可行的。3.如果塔的 err/tol 是一直减少的, 在RadFracConvergence Basic 页上增加最大迭代次数。4.在模型调整阶段给定回流比比给定

14、回流量好收敛，给定冷却器气化分率比给定冷却器的温度好收敛。5.如果是热虹吸式再沸器，给定汽化分率比给定温度好收敛。6.对于吸收塔，定义塔收敛页面的Absorber=yes将有助吸收塔收敛。塔的收敛问题小结（续）塔的收敛问题小结 (续)在RadFrac /Estimates /Temperature 页上提温度的估值，在RadFrac /Estimates /Flow页上提塔板上汽液相负荷的估值，对模型收敛有利。7.塔板在RadFrac Setup Configuration 页上尝试不同的收敛方法8.>>当一个塔不收敛时, 做了改变后重新初始化通常是有好处的。3.反应器的收敛RCS

15、TRv 计算质量平衡的运算法则（Broyden）计算快速但是不太，当反应动力学高度非线性时，最好不要使用这个。可通过减小阻尼参数来增加该算法的数，需增加迭代次数。性，不过，减小阻尼参该算法对初值的依赖性较大，只有较使模型很快收敛。初值，使用该算法才能RCSTRv 质量平衡运算法则（Newton）该算法计算速度较慢但是很力学非线性的情况。，特别适用于快速反应和动当在幂率动力学模型或LHHW（Langmuir Hinshelwood Hougen Watson）动力学模型中定义平衡反应时，应使用Newton运算法则进行计算。v 初始化算法可选择：不使用积分初始化一直使用积分初始化只在最开始使用积分

16、初始化该处的初始化算法是一种变步长的Gear积分算法，对质量平衡、能量平衡方程从初值到稳态进行积分。对于反应物较多、反应 速度较快、无中间产物的反应应使用积分初始化，有助于收敛。使用积分初始化将增加计算时间。RCSTRRCSTRv RCSTR缩放策略两种缩放策略：Component-scaling-单独对每一个变量进行缩放Substream-scaling-对所有变量使用相同的缩放因子如果选择组分缩放策略，需定义最小缩放因子，以防将公差设置过小，过渡迭代，情况下，组分缩放策略比子物流缩放策略更加准确。Broyden算法的默认缩放策略：component-scalingNewton算法的默认缩放

17、策略：substream-scalingRCSTR面板显示Block/block options/diagnostics/on screen将显示级别调整到7如果反应器给定的是负荷而非温度，且面板显示闪蒸计算未收敛时，可调整最大温度步长，将有助于闪蒸收敛。组分流量为反应器出口附初值：将有助于反应器收敛温度(例6：C6.bkp)v RBATCH和RPLUG均使用变步长的数值积分求解守恒方程的微分式，其求解速度及可靠性依赖于积分收敛公差。v 较小的收敛公差意味着较小的计算步长和较长的计算时间，不过模型精确度提高。RBATCH/RPLUGRBATCH/RPLUGv 求解算法-CorrectorDir

18、ect：直接替代法Newton：包含由扰动的斜坡变量情况下，Newton法更好一点，不过当变量数目较多时，使用Direct法可加快计算速度。RBATCH/RPLUGv 缩放因子计算法-Error MethodStatic：缩放因子基于进料流股的状态，一直是固定的Dynamic：缩放因子随时间不断更新情况下，Dynamic Scaling准确度更高，不过需要较长的计算时间。增大最小缩放因子，可加快模型的计算速度。4.其他换热器v 换热器出现的不收敛情况1.换热出现夹点检查计算冷热物流的物性是否合适检查冷热物流的流量、温度、是否准确冷热物流换热是否包含汽液混合物，此时最好指定汽化分率2.冷热物流指定不合理冷物流温度比热物流进口（顺流换热）或出口（逆流换热） 温度高，