第五讲模型收敛技巧

第五讲模型收敛技巧第1页，共44页。优选第五讲模型收敛技巧第2页，共44页。1.全局收敛第3页，共44页。收敛模块设计规定、撕裂流和优化都有一个与之相关联的收敛模块。收敛模块确定撕裂流或设计规定及优化的操作变量估值在迭代过程中如何更新。AspenPlus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AspenPlus定义的收敛模块，请看ControlPanel（控制面板）信息中的“FlowsheetAnalysis（流程分析）”部分。用户收敛模块可在convergence/convergence下进行指定。第4页，共44页。收敛模块的类型不同类型的收敛模块用作不同用途：要收敛撕裂流，请用:WEGSTEINDIRECTBROYDENNEWTON要收敛设计规定，请用:SECANTBROYDENNEWTON第5页，共44页。收敛模块的类型要收敛设计规定和撕裂流，请用:BROYDENNEWTON对于优化，请用:SQPCOMPLEX在Convergence/ConvOptions/Defaults窗体上可以规定全局的收敛选项。第6页，共44页。流程顺序要察看AspenPlus进行流程计算的流程顺序，请看ControlPanel（控制面板）中或者ControlPanel（控制面板）左窗格中的“COMPUTATIONORDERFORTHEFLOWSHEET”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。第7页，共44页。撕裂流哪些是可能的撕裂流?哪些是循环物流?撕裂流是AspenPlus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。撕裂流与循环物流是相关的，但又与循环物流不一样。S1S2S3S6S4S7S5MIXERB1MIXERB2FSPLITB3FSPLITB4第8页，共44页。撕裂流（续）要察看由AspenPlus选择的撕裂流，请看ControlPanel（控制面板）中的“FlowsheetAnalysis（流程分析）”部分。用户确定的撕裂流可在Convergence/

Tear

窗体上进行规定。为撕裂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”中的某个物流的信息，AspenPlus会自动把该物流选为撕裂流。第9页，共44页。练习：收敛目的:收敛这个流程。(convergence.bkp)LIQVAPORFEED-HTFEEDBOTDISTBOT-COOLGLYCOL塔预热器预闪蒸器T=165FP=15psia100lbmol/hrXH20=0.4XMethanol=0.3XEthanol=0.3Area=65sqftDP=0Q=0NSTAGES=10Mole-RR=5D:F=0.2FEEDSONSTAGE5P=1atmDV:D=0使用NRTL-RK物性方法T=70FP=35psia50lbmol/hrEthyleneGlycolC8.bkp循环量60t第10页，共44页。练习：收敛（续）关于收敛练习的提示:需要回答的问题:控制面板上显示了哪些信息?为什么有些模块显示出的流量为零?AspenPlus生成的流程执行顺序是什么?AspenPlus选择哪股物流做撕裂流?还有哪些其它可能的撕裂流?建议:给出撕裂流的初始估值。你可以选择的三种可能的撕裂流中，你最了解哪一种？（注释：如果你输入了“回路”中某个物流的信息，AspenPlus会自动选择该物流为撕裂流，并为之建立收敛模块）第11页，共44页。2.塔的收敛第12页，共44页。RCSTR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摩尔流量守恒方程

第13页，共44页。RadFrac收敛方法RadFrac模型为求解分离问题提供了多种收敛方法。每个收敛方法代表一种收敛算法和一个初始化方法。可用的收敛方法如下：Standard（标准的，缺省的）Petroleum/Wide-Boiling（石油/宽沸程）Stronglynon-idealliquid（强非理想液体）Azeotropic（共沸的）Cryogenic（低温的）Custom（自定义的）第14页，共44页。收敛方法（续）第15页，共44页。RadFrac收敛算法RadFrac

提供了四种收敛算法:Standard(有Absorber=Yes或No)Sum-Rates（流率求和）Nonideal（非理想的）Newton（牛顿）第16页，共44页。标准算法Standard(缺省时,Absorber=No)算法:使用原始的I-O方法对大多数问题都很有效和快速在中间回路中求解设计规定对于求解宽沸程或高度非理想的混合物可能有困难第17页，共44页。标准算法（续）当Absorber=Yes

时的Standard

算法:使用与古典的流率求和算法类似的修正方法只应用于吸收塔和汽提塔收敛迅速在中间回路中求解设计规定对于求解高度非理想的混合物可能有困难第18页，共44页。流率求和算法Sum-Rates算法:使用与经典流率求和算法类似的修正方法可在求解塔描述方程的同时求解设计规定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对高度非理想的混合物可能有困难第19页，共44页。非理想算法Nonideal算法:在局部物性方法中包含组成依赖性使用连续收敛法在中间回路中求解设计规定对于非理想问题是很有效的第20页，共44页。牛顿算法Newton算法:是Newton法的一个典型应用可以同时求解所有塔的描述方程用Powell

折线策略来稳定收敛能够同时或在外部回路中求解设计规定能很好地处理非理想物系，并可在求解附近极好地收敛对共沸蒸馏塔推荐使用该算法第21页，共44页。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ValidPhases

（有效相）域中选择Vapor-Liquid-Liquid。Vapor-Liquid-Liquid

计算:严格地处理包括两个液相的塔计算处理倾析器用下列方法求解设计规定：对Newton算法即可用同时（缺省的）回路方法也可用中间回路方法所有其它算法都用中间回路方法第22页，共44页。收敛方法的选择对于Vapor-Liquid（汽-液）体系，要首先用Standard收敛方法。如果Standard方法失败，再用下列方法：如果该混合物的沸程非常宽则用Petroleum/WideBoiling方法。如果该塔是一个吸收塔或汽提塔，则用Custom方法，并在RadFrac/Convergence/Algorithm页上将Absorber改为Yes。如果该混合物是高度非理想的，则用Stronglynon-idealliquid

（强非理想液体）方法。对于可能有多解的共沸蒸馏问题用Azeotropic方法。对于高度非理想体系也可以使用Azeotropic算法。第23页，共44页。收敛方法的选择（续）对于Vapor-Liquid-Liquid（汽-液-液）体系:首先在RadFrac/Setup/Configuration

页的ValidPhases

域中选择Vapor-Liquid-Liquid，并使用Standard收敛方法。如果Standard法失败，再试一下包含Nonideal或Newton算法的Custom方法。第24页，共44页。RadFrac的初始化方法Standard是RadFrac模型的缺省初始化方法。该方法有下列功能:对合成进料执行闪蒸计算以得到平均的气体和液体组成假定一个恒定的组成分布数据根据合成进料的泡点和露点温度估算温度分布数据第25页，共44页。专用的初始化方法专用的初始化方法有四种。使用: 用于:Crude(粗的) 带有多采出点塔的宽沸程体系Chemical(化学的)窄沸程化学体系Azeotropic(共沸的) 共沸蒸馏塔Cryogenic(低温的) 低温的应用

第26页，共44页。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: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对宽沸程混合物的分离要求液体和/或气体流量估值。对于高度非理想体系、极端宽沸程（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。第27页，共44页。PetroFracPetroFrac是专用于炼油的模块，该模块使用的收敛方法（Schubert）及初始化算法（Crude）都是预定好的专用于石油宽沸程混合物的方法，无需修改，该模块不收敛时，可调整：

1.最大迭代次数-迭代次数不够引发的不收敛

2.阻尼水平-收敛过程出现过度震荡时可调整它来稳定收敛。阻尼水平分类：

NoneMildMediumSevere

阻尼水平越高，所需计算次数越多。第28页，共44页。塔的收敛问题小结如果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(物性方法的选择、参数有效性)。

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RadFracConvergenceBasic

页上增加最大迭代次数。第29页，共44页。塔的收敛问题小结（续）4.在模型调整阶段给定回流比比给定回流量好收敛，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。第30页，共44页。塔的收敛问题小结

(续)7. 在RadFrac/Estimates/Temperature

页上提供一些塔板温度的估值，在RadFrac/Estimates/Flow页上提供一些塔板上汽液相负荷的估值，对模型收敛有利。8. 在RadFracSetupConfiguration

页上尝试不同的收敛方法

>> 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。第31页，共44页。3.反应器的收敛第32页，共44页。RCSTR计算质量平衡的运算法则（Broyden）计算快速但是不太稳定，当反应动力学高度非线性时，最好不要使用这个方法。

可通过减小阻尼参数来增加该算法的稳定性，不过，减小阻尼参数，需增加迭代次数。

该算法对初值的依赖性较大，只有较好的初值，使用该算法才能使模型很快收敛。

第33页，共44页。RCSTR质量平衡运算法则（Newton）该算法计算速度较慢但是很稳定，特别适用于快速反应和动力学非线性的情况。当在幂率动力学模型或LHHW（LangmuirHinshelwoodHougenWatson）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。第34页，共44页。RCSTR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。第35页，共44页。RCSTRRCSTR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，引发过渡迭代，一般情况下，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-scaling

Newton算法的默认缩放策略：substream-scaling第36页，共44页。RCSTR控制面板诊断信息显示

Block/blockoptions/diagnostics/onscreen

将显示级别调整到7

如果反应器给定的是负荷而非温度，且控制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。

为反应器出口附初值：将有助于反应器收敛

(例6：C6.bkp)

组分流量温度第37页，共44页。RBATCH/RPLUGRBATCH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