化工過程分析-Aspen Plus 08 流程-模型分析

1、化學化工學院化學化工學院馮華馮華化工過程分析Aspen Plus學習與應用化工流程模擬系統(tǒng)的使用步驟化工流程模擬系統(tǒng)的使用步驟流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具為方便用戶可以控制以及分析流程，為方便用戶可以控制以及分析流程，Aspen PlusAspen Plus提供了一些有用的工具，這些提供了一些有用的工具，這些工具設置在：工具設置在：1 1、流、流程選項程選項(Flowsheeting Options(Flowsheeting Options) ) 設計規(guī)定設計規(guī)定(Design Spec(Design Spec) ) 計計算器算器(Calculator(Calculator)

2、) 傳傳遞模塊遞模塊( Transfer ) ( Transfer ) 平平衡模塊衡模塊( Balance ) ( Balance ) 2 2、模、模型分析工具（型分析工具（Model Analysis Model Analysis ToolsTools） 靈敏度分析（靈敏度分析（SensitivitySensitivity） 優(yōu)優(yōu)化（化（OptimizationOptimization） 約約束（束（ConstraintConstraint） 數(shù)數(shù)據(jù)擬合據(jù)擬合(Data Fit(Data Fit) ) 工工況分析況分析(Case Study)(Case Study)Aspen Plus的單元

3、操作模型及其主要功能流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具1 1、流、流程選項程選項(Flowsheeting Options(Flowsheeting Options) ) 設計規(guī)定設計規(guī)定(Design Spec(Design Spec) ) 計計算器算器(Calculator(Calculator) ) 傳傳遞模塊遞模塊( Transfer ) ( Transfer ) 平平衡模塊衡模塊( Balance ) ( Balance ) 苯苯和丙烯反應生成異丙苯和丙烯反應生成異丙苯，條件：條件： 原料原料FEEDFEED， 105 105，0.25MPa , 0.25MPa , 苯、苯

4、、丙烯摩爾流率丙烯摩爾流率各各18kmol/hr18kmol/hr 反應器反應器REACTORREACTOR， 絕熱操作，絕熱操作，0.1MPa0.1MPa，丙烯轉(zhuǎn)化率丙烯轉(zhuǎn)化率90%90%， 反應方程式：反應方程式： 冷凝器冷凝器COOLERCOOLER，出口溫度，出口溫度5454，壓降為，壓降為0.7kPa0.7kPa 分離器分離器SEPSEP，絕熱操作，壓降為，絕熱操作，壓降為0 0(1)(1)求求產(chǎn)品產(chǎn)品PRODUCTPRODUCT中異丙苯的摩爾流率中異丙苯的摩爾流率絕熱操作絕熱操作(2) (2) 要要求產(chǎn)品（求產(chǎn)品（PRODUCTPRODUCT）中異丙苯的含量為）中異丙苯的含量為98

5、%98%（molmol），求冷），求冷凝器出口的溫度？凝器出口的溫度？流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具1 1、流、流程選項程選項(Flowsheeting Options(Flowsheeting Options) ) 設計規(guī)定設計規(guī)定(Design Spec(Design Spec) ) 計計算器算器(Calculator(Calculator) ) 傳傳遞模塊遞模塊( Transfer ) ( Transfer ) 平平衡模塊衡模塊( Balance ) ( Balance ) 計算器（計算器（CalculatorCalculator）模）模塊又稱塊又稱為為FortranFor

6、tran模塊。用戶可以自行編寫模塊。用戶可以自行編寫Aspen Aspen PlusPlus可執(zhí)行的可執(zhí)行的FortranFortran程序，把語句插入到流程計算中，以便執(zhí)行用戶定義程序，把語句插入到流程計算中，以便執(zhí)行用戶定義的任務。例如：的任務。例如： 在使用輸入變量前計算和設定它們（前饋控制）；在使用輸入變量前計算和設定它們（前饋控制）； 把信息寫到控制面板上；把信息寫到控制面板上； 從一個文件中讀取輸入數(shù)據(jù)；從一個文件中讀取輸入數(shù)據(jù)； 把結(jié)果寫到把結(jié)果寫到Aspen PlusAspen Plus報告或?qū)懙饺我馔獠课募?；報告或?qū)懙饺我馔獠课募校?調(diào)用外部子程序；調(diào)用外部子程序； 編寫

7、用戶子程序。編寫用戶子程序。運算符運算符意義意義舉例舉例運算結(jié)果運算結(jié)果= =賦值A=BB+ +加法A=A+A2A- -減法A=A-A0/ /除法A=A/A1* *乘法A=A*AA2* * *乘方，冪A=A*BAB.LT.LT.邏輯小于.GT.GT.邏輯大于.EQ.EQ.邏輯等于常用的常用的FortranFortran運算運算符符編編寫寫FortranFortran語句時，需要注意：語句時，需要注意： 第第1 1列不能以字母列不能以字母C C開頭；開頭； 第第2 2列空白，不能進行編寫；列空白，不能進行編寫； 第第3 3列至第列至第5 5列用于進行語句的解釋說明；列用于進行語句的解釋說明； 執(zhí)

8、行的語句必須是從第執(zhí)行的語句必須是從第7 7列或后面的列開始書寫；列或后面的列開始書寫； 變量的名字不要以變量的名字不要以IZIZ或或ZZZZ開頭；開頭； 變量的名字須控制在變量的名字須控制在7 7個字符以內(nèi)。個字符以內(nèi)。（3 3）冷）冷凝器的壓降與冷凝器入口物流體積流率的關(guān)系為凝器的壓降與冷凝器入口物流體積流率的關(guān)系為P=-0.2VP=-0.2V2 2，其中，壓降其中，壓降P P單位為單位為kPakPa，體積流率，體積流率V V單位為單位為m m3 3/hr/hr，計算此時冷凝器，計算此時冷凝器的出口壓的出口壓力？力？流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具1 1、流、流程選項程選項(F

9、lowsheeting Options(Flowsheeting Options) ) 設計規(guī)定設計規(guī)定(Design Spec(Design Spec) ) 計計算器算器(Calculator(Calculator) ) 傳傳遞模塊遞模塊( Transfer ) ( Transfer ) 平平衡模塊衡模塊( Balance ) ( Balance ) 傳遞模塊（傳遞模塊（TransferTransfer）主要用來在物流或模塊間傳遞信息，使用傳遞模）主要用來在物流或模塊間傳遞信息，使用傳遞模塊可以將流程的變量值從流程圖的一部分復制到流程圖的另一部分。用塊可以將流程的變量值從流程圖的一部分復制到

10、流程圖的另一部分。用戶可以復制全部物流或任一物流的組成和流率或任意的流程變量（比如戶可以復制全部物流或任一物流的組成和流率或任意的流程變量（比如模塊變量），最常用的是將一個物流復制成另一個物流。模塊變量），最常用的是將一個物流復制成另一個物流。定義傳遞模塊主要包括以下幾個步驟：定義傳遞模塊主要包括以下幾個步驟： 創(chuàng)建傳遞模塊；創(chuàng)建傳遞模塊； 復制物流、物流流率、子物流、模塊參數(shù)或物流參數(shù)；復制物流、物流流率、子物流、模塊參數(shù)或物流參數(shù)； 可選擇地輸入目標物流的閃蒸規(guī)定；可選擇地輸入目標物流的閃蒸規(guī)定； 可選擇的輸入傳遞模塊的其他規(guī)定。可選擇的輸入傳遞模塊的其他規(guī)定。（4 4）最）最后的兩相閃蒸

11、器采用的是絕熱閃蒸，現(xiàn)要求將其結(jié)果與等后的兩相閃蒸器采用的是絕熱閃蒸，現(xiàn)要求將其結(jié)果與等溫閃蒸進行比較。溫閃蒸進行比較。 注：若要將絕熱閃蒸與等溫閃蒸進行比較，則需將閃蒸器注：若要將絕熱閃蒸與等溫閃蒸進行比較，則需將閃蒸器入口物流（入口物流（COOL-OUTCOOL-OUT）同時輸入一個等溫閃蒸器，可運用）同時輸入一個等溫閃蒸器，可運用TransferTransfer模塊完成模塊完成一次閃蒸中，在進料溫度下的等溫閃蒸與絕熱閃一次閃蒸中，在進料溫度下的等溫閃蒸與絕熱閃蒸的效果類似蒸的效果類似流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具1 1、流、流程選項程選項(Flowsheeting Opti

12、ons(Flowsheeting Options) ) 設計規(guī)定設計規(guī)定(Design Spec(Design Spec) ) 計計算器算器(Calculator(Calculator) ) 傳傳遞模塊遞模塊( Transfer ) ( Transfer ) 平平衡模塊衡模塊( Balance ) ( Balance ) 平衡模塊（平衡模塊（BalanceBalance）主要用來計算一個或多個單元操作模塊區(qū)的）主要用來計算一個或多個單元操作模塊區(qū)的物料平衡和能量平衡。平衡模塊可以計算帶循環(huán)工藝流程中補充物物料平衡和能量平衡。平衡模塊可以計算帶循環(huán)工藝流程中補充物流的流率（這將刪除流的流率（這將

13、刪除CalculatorCalculator模塊）、進料物流流率和基于其它模塊）、進料物流流率和基于其它物流和模塊信息的條件（這將刪除設計規(guī)定和收斂回路）。物流和模塊信息的條件（這將刪除設計規(guī)定和收斂回路）。定義平衡模塊一般包括以下幾個步驟：定義平衡模塊一般包括以下幾個步驟： 創(chuàng)建一個平衡模塊；創(chuàng)建一個平衡模塊； 規(guī)定平衡計算的模塊和物流；規(guī)定平衡計算的模塊和物流； 規(guī)定和更新物流變量；規(guī)定和更新物流變量； 平衡模塊排序；平衡模塊排序； 可選擇地規(guī)定閃蒸條件?？蛇x擇地規(guī)定閃蒸條件。使用溫度為使用溫度為1010、壓力為、壓力為0.1MPa0.1MPa的水將溫度為的水將溫度為6666、壓力為、壓力

14、為0.1MPa0.1MPa、流率為、流率為100kg/hr100kg/hr的甲醇冷卻至的甲醇冷卻至3737，要求水的出口溫，要求水的出口溫度為度為2727，求所需冷卻水的質(zhì)量流率，求所需冷卻水的質(zhì)量流率。物物性方法性方法RKS-BMRKS-BM。流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具2 2、模、模型分析工具（型分析工具（Model Analysis Model Analysis ToolsTools） 靈敏度分析（靈敏度分析（SensitivitySensitivity） 優(yōu)優(yōu)化（化（OptimizationOptimization） 約約束（束（ConstraintConstraint

15、） 數(shù)數(shù)據(jù)擬合據(jù)擬合(Data Fit(Data Fit) ) 工工況分析況分析(Case Study)(Case Study)靈敏度分析靈敏度分析（SensitivitySensitivity）是檢驗過程改變?nèi)绾螌﹃P(guān)鍵操作變量和設）是檢驗過程改變?nèi)绾螌﹃P(guān)鍵操作變量和設計變量產(chǎn)生影響的工具，用戶可以用它改變一個或多個流程變量并研計變量產(chǎn)生影響的工具，用戶可以用它改變一個或多個流程變量并研究該變化對其它流程變量的影響。究該變化對其它流程變量的影響。 采采集變集變量量 操縱變操縱變量量定義一個靈敏度分析模塊主要包括以下幾個步驟：定義一個靈敏度分析模塊主要包括以下幾個步驟： 建立一個靈敏度分析；建立

16、一個靈敏度分析； 標識采集變量；標識采集變量； 標識操縱變量；標識操縱變量； 定義要進行制表的變量；定義要進行制表的變量； 輸入可選的輸入可選的FortranFortran語句語句。苯苯和丙烯反應生成異丙苯，求產(chǎn)品和丙烯反應生成異丙苯，求產(chǎn)品PRODUCTPRODUCT中異丙苯的摩爾流中異丙苯的摩爾流率率條件：條件： 原料原料FEEDFEED， 105 105，0.25MPa , 0.25MPa , 苯、苯、丙烯摩爾流率丙烯摩爾流率各各18kmol/hr18kmol/hr 反應器反應器REACTORREACTOR， 絕熱操作，絕熱操作，0.1MPa0.1MPa，丙烯轉(zhuǎn)化率丙烯轉(zhuǎn)化率90%90%

17、， 反應方程式：反應方程式： 冷凝器冷凝器COOLERCOOLER，出口溫度，出口溫度5454，壓降為，壓降為0.7kPa0.7kPa 分離器分離器SEPSEP，絕熱操作，壓降為，絕熱操作，壓降為0 0(5) 考察本例中考察本例中冷凝器冷凝器（HEATER）出口溫度對閃蒸器出口溫度對閃蒸器（FLASH2）底部產(chǎn)品（底部產(chǎn)品（PRODUCT）中異丙苯摩爾分率的影響？）中異丙苯摩爾分率的影響？流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具2 2、模、模型分析工具（型分析工具（Model Analysis Model Analysis ToolsTools） 靈敏度分析（靈敏度分析（Sensitivi

18、tySensitivity） 優(yōu)優(yōu)化（化（OptimizationOptimization） 約約束（束（ConstraintConstraint） 數(shù)數(shù)據(jù)擬合據(jù)擬合(Data Fit(Data Fit) ) 工工況分析況分析(Case Study)(Case Study)優(yōu)化優(yōu)化模塊模塊(Optimization)(Optimization)及及約束約束條件模塊條件模塊(Constraint)(Constraint)經(jīng)常經(jīng)常聯(lián)用聯(lián)用完成一個優(yōu)完成一個優(yōu)化過程?；^程。 采用優(yōu)化模塊，調(diào)整操縱變量采用優(yōu)化模塊，調(diào)整操縱變量( (進料條件、模塊參數(shù)或其它輸入變量進料條件、模塊參數(shù)或其它輸入變量)

19、 )來使用戶指定的某個來使用戶指定的某個目標函數(shù)值最大或最小目標函數(shù)值最大或最小。目標函數(shù)可以是含有一個或多。目標函數(shù)可以是含有一個或多個流程變量的合法個流程變量的合法FortranFortran表達式表達式。目標函數(shù)的。目標函數(shù)的容差容差是與優(yōu)化問題相關(guān)的收是與優(yōu)化問題相關(guān)的收斂模塊的容差。用戶還可以對優(yōu)化施加斂模塊的容差。用戶還可以對優(yōu)化施加等式或不等式約束等式或不等式約束，約束可以是任意，約束可以是任意的的FortranFortran表達式或內(nèi)嵌表達式或內(nèi)嵌FortranFortran語句計算得到的語句計算得到的流程變量函數(shù)流程變量函數(shù)，且必須指定，且必須指定約束的約束的容差容差。定義優(yōu)

20、化問題主要包括以下幾個步驟：定義優(yōu)化問題主要包括以下幾個步驟： 創(chuàng)建一個優(yōu)化問題創(chuàng)建一個優(yōu)化問題 標識目標函數(shù)中所用的采集變量標識目標函數(shù)中所用的采集變量 指定目標函數(shù)，并標識出與問題有關(guān)的約束指定目標函數(shù)，并標識出與問題有關(guān)的約束 標識出操縱變量，并指定調(diào)整的范圍標識出操縱變量，并指定調(diào)整的范圍 輸入可選的輸入可選的FortranFortran語句語句 定義優(yōu)化問題的約束條定義優(yōu)化問題的約束條件件上圖所示流程為一個二氯甲烷溶劑回收系統(tǒng)的一部分。建立模擬，使上圖所示流程為一個二氯甲烷溶劑回收系統(tǒng)的一部分。建立模擬，使物流物流STM1STM1和和STM2STM2中的蒸汽總用量最少，物流中的蒸汽總

21、用量最少，物流STM1STM1和和STM2STM2均為絕壓均為絕壓1.4MPa1.4MPa下的飽和蒸汽，兩股蒸汽物流的流率范圍為下的飽和蒸汽，兩股蒸汽物流的流率范圍為450kg/hr450kg/hr10000kg/hr10000kg/hr。兩個閃蒸塔兩個閃蒸塔FLASH1FLASH1和和FLASH2FLASH2分別在絕壓分別在絕壓136kPa136kPa和和130kPa130kPa下絕熱進下絕熱進行。物流行。物流FEEDFEED中含二氯甲烷和水，流率分別為中含二氯甲烷和水，流率分別為635kg/hr635kg/hr、44725kg/hr44725kg/hr，溫度為，溫度為3737，壓力為，壓力

22、為170kPa170kPa。保保證容差在證容差在1ppm1ppm之內(nèi)，之內(nèi)，F(xiàn)LASH2FLASH2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許濃度為允許濃度為150ppm150ppm（質(zhì)量）。物性方法采用（質(zhì)量）。物性方法采用NRTLNRTL。流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具2 2、模、模型分析工具（型分析工具（Model Analysis Model Analysis ToolsTools） 靈敏度分析（靈敏度分析（SensitivitySensitivity） 優(yōu)優(yōu)化（化（OptimizationOptimization） 約約束（束（Cons

23、traintConstraint） 數(shù)數(shù)據(jù)擬合據(jù)擬合(Data Fit(Data Fit) ) 工工況分析況分析(Case Study)(Case Study)數(shù)據(jù)擬合（數(shù)據(jù)擬合（Data Fit）模塊可以將）模塊可以將Aspen Plus模型與實際裝置或?qū)嶒災Ｐ团c實際裝置或?qū)嶒灁?shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合。用戶可以為一個模型的輸入和結(jié)果變量提供一套或多套測。用戶可以為一個模型的輸入和結(jié)果變量提供一套或多套測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)擬合可以調(diào)整或估算輸入?yún)?shù)以便量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)擬合可以調(diào)整或估算輸入?yún)?shù)以便使模型與數(shù)據(jù)最吻合使模型與數(shù)據(jù)最吻合，也可以整和輸入變量的測量數(shù)據(jù)來匹配被擬合的模型。數(shù)據(jù)擬合實際也可以整和輸入變量

24、的測量數(shù)據(jù)來匹配被擬合的模型。數(shù)據(jù)擬合實際是進行了普通最小平方或最大值似然（變量誤差）是進行了普通最小平方或最大值似然（變量誤差）估算估算.定義定義數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合問題主要包括以下幾個步驟：問題主要包括以下幾個步驟： 創(chuàng)建一個創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)擬合數(shù)據(jù)擬合 定義變量并輸入實驗數(shù)據(jù)定義變量并輸入實驗數(shù)據(jù) 選擇數(shù)據(jù)擬合模塊選擇數(shù)據(jù)擬合模塊 輸入回歸參數(shù)輸入回歸參數(shù)利用間歇式反應器實驗數(shù)據(jù)擬合下述反應動力學方程的指前因子。C3H6O (ALLYL , 丙烯醇)C3H6O (ACETONE, 丙酮) C6H12O2（PROD，丙酸丙酯） 反應動力學方程在SI-CBAR制下為： 間歇式反應器，進料溫度為25，

25、壓力為0.1MPa，丙烯醇及丙酮的進料流率分別為180kg/hr、252kg/hr，反應在恒溫30下進行。30下測得的實驗數(shù)據(jù)見下表，物性方法采用NRTL-RK。時間時間丙烯醇的摩爾丙烯醇的摩爾分率分率產(chǎn)品中丙酸丙酯的摩爾產(chǎn)品中丙酸丙酯的摩爾分率分率600s0.301490.19745900s0.256131900s0.149380.4582間歇操作周期間歇操作周期最大計算時間最大計算時間結(jié)果輸出間隔結(jié)果輸出間隔指定實驗的測量變量指定實驗的測量變量題題中已知的實驗數(shù)據(jù)為不同時刻丙烯醇及產(chǎn)品丙酸丙酯的摩爾分率，需在被中已知的實驗數(shù)據(jù)為不同時刻丙烯醇及產(chǎn)品丙酸丙酯的摩爾分率，需在被測模塊變量（測模

26、塊變量（Measured block variables)表中定義相應的摩爾分率表中定義相應的摩爾分率輸入實驗數(shù)據(jù)輸入實驗數(shù)據(jù)輸入初始實驗輸入初始實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)回歸創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)回歸輸入要回歸的參數(shù)輸入要回歸的參數(shù)由于絕對誤差限太大造成，因此需要將絕對誤差減?。∮捎诮^對誤差限太大造成，因此需要將絕對誤差減??！流程選項與模型分析工具流程選項與模型分析工具2 2、模、模型分析工具（型分析工具（Model Analysis Model Analysis ToolsTools） 靈敏度分析（靈敏度分析（SensitivitySensitivity） 優(yōu)優(yōu)化（化（OptimizationOptimization） 約約束（束（ConstraintConstraint） 數(shù)數(shù)據(jù)擬合據(jù)擬合(Data Fit(Data Fit) ) 工