化工过程分析-Aspen Plus 08 流程-模型分析

1、化学化工学院化学化工学院冯华冯华化工过程分析Aspen Plus学习与应用化工流程模拟系统的使用步骤化工流程模拟系统的使用步骤流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具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 PlusAspen Plus提供了一些有用的工具，这些提供了一些有用的工具，这些工具设置在：工具设置在：1 1、流、流程选项程选项(Flowsheeting Options(Flowsheeting Options) ) 设计规定设计规定(Design Spec(Design Spec) ) 计计算器算器(Calculator(Calculator)

2、) 传传递模块递模块( Transfer ) ( Transfer ) 平平衡模块衡模块( Balance ) ( Balance ) 2 2、模、模型分析工具（型分析工具（Model Analysis Model Analysis ToolsTools） 灵敏度分析（灵敏度分析（SensitivitySensitivity） 优优化（化（OptimizationOptimization） 约约束（束（ConstraintConstraint） 数数据拟合据拟合(Data Fit(Data Fit) ) 工工况分析况分析(Case Study)(Case Study)Aspen Plus的单元

3、操作模型及其主要功能流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具1 1、流、流程选项程选项(Flowsheeting Options(Flowsheeting Options) ) 设计规定设计规定(Design Spec(Design Spec) ) 计计算器算器(Calculator(Calculator) ) 传传递模块递模块( Transfer ) ( Transfer ) 平平衡模块衡模块( Balance ) ( Balance ) 苯苯和丙烯反应生成异丙苯和丙烯反应生成异丙苯，条件：条件： 原料原料FEEDFEED， 105 105，0.25MPa , 0.25MPa , 苯、苯

4、、丙烯摩尔流率丙烯摩尔流率各各18kmol/hr18kmol/hr 反应器反应器REACTORREACTOR， 绝热操作，绝热操作，0.1MPa0.1MPa，丙烯转化率丙烯转化率90%90%， 反应方程式：反应方程式： 冷凝器冷凝器COOLERCOOLER，出口温度，出口温度5454，压降为，压降为0.7kPa0.7kPa 分离器分离器SEPSEP，绝热操作，压降为，绝热操作，压降为0 0(1)(1)求求产品产品PRODUCTPRODUCT中异丙苯的摩尔流率中异丙苯的摩尔流率绝热操作绝热操作(2) (2) 要要求产品（求产品（PRODUCTPRODUCT）中异丙苯的含量为）中异丙苯的含量为98

5、%98%（molmol），求冷），求冷凝器出口的温度？凝器出口的温度？流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具1 1、流、流程选项程选项(Flowsheeting Options(Flowsheeting Options) ) 设计规定设计规定(Design Spec(Design Spec) ) 计计算器算器(Calculator(Calculator) ) 传传递模块递模块( Transfer ) ( Transfer ) 平平衡模块衡模块( Balance ) ( Balance ) 计算器（计算器（CalculatorCalculator）模）模块又称块又称为为FortranFor

6、tran模块。用户可以自行编写模块。用户可以自行编写Aspen Aspen PlusPlus可执行的可执行的FortranFortran程序，把语句插入到流程计算中，以便执行用户定义程序，把语句插入到流程计算中，以便执行用户定义的任务。例如：的任务。例如： 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 PlusAspen Plus报告或写到任意外部文件中；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

7、用户子程序。编写用户子程序。运算符运算符意义意义举例举例运算结果运算结果= =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.LT.逻辑小于.GT.GT.逻辑大于.EQ.EQ.逻辑等于常用的常用的FortranFortran运算运算符符编编写写FortranFortran语句时，需要注意：语句时，需要注意： 第第1 1列不能以字母列不能以字母C C开头；开头； 第第2 2列空白，不能进行编写；列空白，不能进行编写； 第第3 3列至第列至第5 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

8、行的语句必须是从第执行的语句必须是从第7 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IZIZ或或ZZZZ开头；开头； 变量的名字须控制在变量的名字须控制在7 7个字符以内。个字符以内。（3 3）冷）冷凝器的压降与冷凝器入口物流体积流率的关系为凝器的压降与冷凝器入口物流体积流率的关系为P=-0.2VP=-0.2V2 2，其中，压降其中，压降P P单位为单位为kPakPa，体积流率，体积流率V V单位为单位为m m3 3/hr/hr，计算此时冷凝器，计算此时冷凝器的出口压的出口压力？力？流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具1 1、流、流程选项程选项(F

9、lowsheeting Options(Flowsheeting Options) ) 设计规定设计规定(Design Spec(Design Spec) ) 计计算器算器(Calculator(Calculator) ) 传传递模块递模块( Transfer ) ( Transfer ) 平平衡模块衡模块( Balance ) ( Balance ) 传递模块（传递模块（TransferTransfer）主要用来在物流或模块间传递信息，使用传递模）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。用块可以将流程的变量值从流程图的一部分复制到

10、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。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；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。（4 4）最）最后的两相闪蒸

11、器采用的是绝热闪蒸，现要求将其结果与等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。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（入口物流（COOL-OUTCOOL-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TransferTransfer模块完成模块完成一次闪蒸中，在进料温度下的等温闪蒸与绝热闪一次闪蒸中，在进料温度下的等温闪蒸与绝热闪蒸的效果类似蒸的效果类似流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具1 1、流、流程选项程选项(Flowsheeting Opti

12、ons(Flowsheeting Options) ) 设计规定设计规定(Design Spec(Design Spec) ) 计计算器算器(Calculator(Calculator) ) 传传递模块递模块( Transfer ) ( Transfer ) 平平衡模块衡模块( Balance ) ( Balance ) 平衡模块（平衡模块（BalanceBalance）主要用来计算一个或多个单元操作模块区的）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

13、删除CalculatorCalculator模块）、进料物流流率和基于其它模块）、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）。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：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。使用温度为使用温度为1010、压力为、压力为0.1MPa0.1MPa的水将温度为的水将温度为6666、压力为、压力

14、为0.1MPa0.1MPa、流率为、流率为100kg/hr100kg/hr的甲醇冷却至的甲醇冷却至3737，要求水的出口温，要求水的出口温度为度为2727，求所需冷却水的质量流率，求所需冷却水的质量流率。物物性方法性方法RKS-BMRKS-BM。流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具2 2、模、模型分析工具（型分析工具（Model Analysis Model Analysis ToolsTools） 灵敏度分析（灵敏度分析（SensitivitySensitivity） 优优化（化（OptimizationOptimization） 约约束（束（ConstraintConstraint

15、） 数数据拟合据拟合(Data Fit(Data Fit) ) 工工况分析况分析(Case Study)(Case Study)灵敏度分析灵敏度分析（SensitivitySensitivity）是检验过程改变如何对关键操作变量和设）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。究该变化对其它流程变量的影响。 采采集变集变量量 操纵变操纵变量量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： 建立一个灵敏度分析；建立

16、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FortranFortran语句语句。苯苯和丙烯反应生成异丙苯，求产品和丙烯反应生成异丙苯，求产品PRODUCTPRODUCT中异丙苯的摩尔流中异丙苯的摩尔流率率条件：条件： 原料原料FEEDFEED， 105 105，0.25MPa , 0.25MPa , 苯、苯、丙烯摩尔流率丙烯摩尔流率各各18kmol/hr18kmol/hr 反应器反应器REACTORREACTOR， 绝热操作，绝热操作，0.1MPa0.1MPa，丙烯转化率丙烯转化率90%90%

17、， 反应方程式：反应方程式： 冷凝器冷凝器COOLERCOOLER，出口温度，出口温度5454，压降为，压降为0.7kPa0.7kPa 分离器分离器SEPSEP，绝热操作，压降为，绝热操作，压降为0 0(5) 考察本例中考察本例中冷凝器冷凝器（HEATER）出口温度对闪蒸器出口温度对闪蒸器（FLASH2）底部产品（底部产品（PRODUCT）中异丙苯摩尔分率的影响？）中异丙苯摩尔分率的影响？流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具2 2、模、模型分析工具（型分析工具（Model Analysis Model Analysis ToolsTools） 灵敏度分析（灵敏度分析（Sensitivi

18、tySensitivity） 优优化（化（OptimizationOptimization） 约约束（束（ConstraintConstraint） 数数据拟合据拟合(Data Fit(Data Fit) ) 工工况分析况分析(Case Study)(Case Study)优化优化模块模块(Optimization)(Optimization)及及约束约束条件模块条件模块(Constraint)(Constraint)经常经常联用联用完成一个优完成一个优化过程。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、模块参数或其它输入变量进料条件、模块参数或其它输入变量)

19、 )来使用户指定的某个来使用户指定的某个目标函数值最大或最小目标函数值最大或最小。目标函数可以是含有一个或多。目标函数可以是含有一个或多个流程变量的合法个流程变量的合法FortranFortran表达式表达式。目标函数的。目标函数的容差容差是与优化问题相关的收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敛模块的容差。用户还可以对优化施加等式或不等式约束等式或不等式约束，约束可以是任意，约束可以是任意的的FortranFortran表达式或内嵌表达式或内嵌FortranFortran语句计算得到的语句计算得到的流程变量函数流程变量函数，且必须指定，且必须指定约束的约束的容差容差。定义优

20、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，并指定调整的范围 输入可选的输入可选的FortranFortran语句语句 定义优化问题的约束条定义优化问题的约束条件件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，使物流物流STM1STM1和和STM2STM2中的蒸汽总用量最少，物流中的蒸汽总

21、用量最少，物流STM1STM1和和STM2STM2均为绝压均为绝压1.4MPa1.4MPa下的饱和蒸汽，两股蒸汽物流的流率范围为下的饱和蒸汽，两股蒸汽物流的流率范围为450kg/hr450kg/hr10000kg/hr10000kg/hr。两个闪蒸塔两个闪蒸塔FLASH1FLASH1和和FLASH2FLASH2分别在绝压分别在绝压136kPa136kPa和和130kPa130kPa下绝热进下绝热进行。物流行。物流FEEDFEED中含二氯甲烷和水，流率分别为中含二氯甲烷和水，流率分别为635kg/hr635kg/hr、44725kg/hr44725kg/hr，温度为，温度为3737，压力为，压力

22、为170kPa170kPa。保保证容差在证容差在1ppm1ppm之内，之内，FLASH2FLASH2底部物流底部物流BOTM2BOTM2中的二氯甲烷的最大中的二氯甲烷的最大允许浓度为允许浓度为150ppm150ppm（质量）。物性方法采用（质量）。物性方法采用NRTLNRTL。流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具2 2、模、模型分析工具（型分析工具（Model Analysis Model Analysis ToolsTools） 灵敏度分析（灵敏度分析（SensitivitySensitivity） 优优化（化（OptimizationOptimization） 约约束（束（Cons

23、traintConstraint） 数数据拟合据拟合(Data Fit(Data Fit) ) 工工况分析况分析(Case Study)(Case Study)数据拟合（数据拟合（Data Fit）模块可以将）模块可以将Aspen Plus模型与实际装置或实验模型与实际装置或实验数据拟合数据拟合。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。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。数据拟合实际也可以整和输入变量

24、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）是进行了普通最小平方或最大值似然（变量误差）估算估算.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： 间歇式反应器，进料温度为25，

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600s0.301490.19745900s0.256131900s0.149380.4582间歇操作周期间歇操作周期最大计算时间最大计算时间结果输出间隔结果输出间隔指定实验的测量变量指定实验的测量变量题题中已知的实验数据为不同时刻丙烯醇及产品丙酸丙酯的摩尔分率，需在被中已知的实验数据为不同时刻丙烯醇及产品丙酸丙酯的摩尔分率，需在被测模块变量（测模

26、块变量（Measured block variables)表中定义相应的摩尔分率表中定义相应的摩尔分率输入实验数据输入实验数据输入初始实验输入初始实验数据数据创建新的数据回归创建新的数据回归输入要回归的参数输入要回归的参数由于绝对误差限太大造成，因此需要将绝对误差减小！由于绝对误差限太大造成，因此需要将绝对误差减小！流程选项与模型分析工具流程选项与模型分析工具2 2、模、模型分析工具（型分析工具（Model Analysis Model Analysis ToolsTools） 灵敏度分析（灵敏度分析（SensitivitySensitivity） 优优化（化（OptimizationOptimization） 约约束（束（ConstraintConstraint） 数数据拟合据拟合(Data Fit(Data Fit) ) 工