第五讲--模型收敛技巧1.ppt

1、Aspen Plus 流程模拟培训专题5,中国化工学会培训中心 中国石油和化学工业协会培训中心 2011年11月 成都,流程模拟收敛技巧,主要内容,1.全局收敛 2.塔的收敛 3.反应器收敛 4.其他,1.全局收敛,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。 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（控制面板）信息中的“Flowsheet Analysis

2、（流程分析）” 部分。 用户收敛模块可在convergence/convergence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： 要收敛撕裂流，请用: WEGSTEIN DIRECT BROYDEN NEWTON 要收敛设计规定，请用: SECANT BROYDEN NEWTON,收敛模块的类型,要收敛设计规定和撕裂流，请用: BROYDEN NEWTON 对于优化，请用: SQP COMPLEX 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Contr

3、ol Panel（控制面板）中或者Control Panel（控制面板）左窗格中的“COMPUTATION ORDER FOR 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。,撕裂流,哪些是可能的撕裂流? 哪些是循环物流? 撕裂流是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。 撕裂流与循环物流是相关的，但又与循环物流不一样。,S1,S2,S3,S6,S4,S7,S5,MIXER,B1,MIXER,

4、B2,FSPLIT,B3,FSPLIT,B4,撕裂流（续）,要察看由Aspen Plus选择的撕裂流，请看Control Panel（控制面板）中的“Flowsheet Analysis（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， Aspen Plus会自动把该物流选为撕裂流。,练习：收敛,目的: 收敛这个流程。(convergence.bkp),LIQ,VAPOR,FEED-HT,FEED,BOT,DIST,BOT-COOL,G

5、LYCOL,塔,预热器,预闪蒸器,T=165 F,P=15 psia,100 lbmol/hr,XH20 = 0.4,XMethanol = 0.3,XEthanol = 0.3,Area = 65 sqft,DP=0,Q=0,NSTAGES=10,Mole-RR=5,D:F=0.2,FEEDS ON STAGE 5,P=1 atm,DV:D=0,使用 NRTL-RK 物性方法,T=70 F,P=35 psia,50 lbmol/hr Ethylene Glycol,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: 控制面板上显示了哪些信息? 为什么有些模块

6、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， Aspen Plus会自动选择该物流为撕裂流，并为之建立收敛模块）,2.塔的收敛,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,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：

7、 Standard （标准的，缺省的） Petroleum / Wide-Boiling（石油/宽沸程） Strongly non-ideal liquid（强非理想液体） Azeotropic（共沸的） Cryogenic（低温的） Custom（自定义的）,方法 算法 初始化 Standard Standard Standard Petroleum / Wide-boiling Sum-Rates Standard Strongly non-ideal liquid Nonideal Standard Azeotropic Newton Azeotropic Cryogenic Stand

8、ard Cryogenic Custom 任选其一 任选其一,收敛方法 （续）,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）,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,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

9、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,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,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,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

10、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,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: 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,收敛方法的选择,对于Vapor-L

11、iquid（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 / Wide Boiling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Strongly non-ideal liquid （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。,收敛方法的选择 （续）,对于Va

12、por-Liquid-Liquid（汽-液-液）体系: 首先在RadFrac /Setup/ Configuration 页的Valid Phases 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。,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,专用的初始化方法,专用的初始化方法

13、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,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。,PetroFrac,PetroFrac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（C

14、rude）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： None Mild Medium Severe 阻尼水平越高，所需计算次数越多。,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RadFrac Convergence Basic 页上增加最大迭代次数。,塔的收

15、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。,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RadFrac Setup Configuration 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

16、始化通常是有好处的。,3.反应器的收敛,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。,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（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。

17、,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。,RCSTR,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，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

18、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,RCSTR,控制面板诊断信息显示 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,RBATCH/RPLUG,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。 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/RPLUG,求解算法-Corrector Direct：直接替代法 Newton：包含由扰动引发的斜坡变量 一般情况下，Newton法更好一点，不过当变量数目较多 时，使用Dire