第五讲模型收敛技巧精选文档.ppt

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1、第五讲模型收敛技巧本讲稿第一页，共四十六页主要内容主要内容1.1.全局收敛全局收敛2.2.塔的收敛塔的收敛3.3.反应器收敛反应器收敛4.4.其他其他本讲稿第二页，共四十六页1.1.全局收敛全局收敛本讲稿第三页，共四十六页收敛模块收敛模块v设计规定、撕裂流和优化都有一个与之相关联的收敛模块。v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。vAspen 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。v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 An

2、alysis（流程分析）”部分。v用户收敛模块可在convergence/convergence下进行指定。本讲稿第四页，共四十六页收敛模块的类型收敛模块的类型v不同类型的收敛模块用作不同用途：要收敛撕裂流，请用:WEGSTEIN DIRECTBROYDENNEWTON要收敛设计规定，请用:SECANTBROYDENNEWTON本讲稿第五页，共四十六页收敛模块的类型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:SQPCOMPLEXv在Convergence/ConvOptions/Defaults窗体上 可以规定全局的收敛选项。本讲稿第六页，共四十六页流

3、程顺序流程顺序v要察看Aspen Plus进行流程计算的流程顺序，请看Control 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。v用户规定的顺序可在Convergence/Sequence窗体上进行规定。v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。本讲稿第七页，共四十六页撕裂流撕裂流v哪些是可能的撕裂流?v哪些是循环物流?v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。v撕裂流与循环物流

4、是相关的，但又与循环物流不一样。S1S2S3S6S4S7S5MIXERB1MIXERB2FSPLITB3FSPLITB4本讲稿第八页，共四十六页撕裂流撕裂流（续）（续）v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。v用户确定的撕裂流可在 Convergence/Tear 窗体上进行规定。v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）。v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。本讲稿第九页，共四十六页练习：收敛练习：收敛目的目

5、的:收敛这个流程。收敛这个流程。(convergence.bkp)LIQVAPORFEED-HTFEEDBOTDISTBOT-COOLGLYCOL塔塔预热器预热器预闪蒸器预闪蒸器T=165 FP=15 psia100 lbmol/hrXH20 =0.4XMethanol=0.3XEthanol =0.3Area=65 sqftDP=0Q=0NSTAGES=10Mole-RR=5D:F=0.2FEEDS ON STAGE 5P=1 atmDV:D=0使用使用 NRTL-RK 物性方法物性方法T=70 FP=35 psia50 lbmol/hr Ethylene GlycolC8.bkp循环量循环

6、量60t本讲稿第十页，共四十六页练习：收敛练习：收敛（续）（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?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）本讲稿第十一页，共四十六页2.2.塔的收敛塔的收敛本讲稿第十二页，共四十六页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

7、 质量守恒方程 组分摩尔流量守恒方程 本讲稿第十三页，共四十六页RadFrac 收敛方法收敛方法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：vStandard（标准的，缺省的）vPetroleum/Wide-Boiling（石油/宽沸程）vStrongly non-ideal liquid（强非理想液体）vAzeotropic（共沸的）vCryogenic（低温的）vCustom（自定义的）本讲稿第十四页，共四十六页方法 算法 初始化Standard Standard StandardPetroleum/Wide-bo

8、iling Sum-Rates StandardStrongly non-ideal liquid Nonideal StandardAzeotropic Newton AzeotropicCryogenic Standard CryogenicCustom 任选其一 任选其一收敛方法收敛方法（续）（续）本讲稿第十五页，共四十六页RadFrac 收敛算法收敛算法RadFrac 提供了四种收敛算法:vStandard(有 Absorber=Yes 或 No)vSum-Rates（流率求和）vNonideal（非理想的）vNewton（牛顿）本讲稿第十六页，共四十六页标准算法标准算法Standar

9、d(缺省时,Absorber=No)算法:v使用原始的I-O方法v对大多数问题都很有效和快速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困难本讲稿第十七页，共四十六页标准算法标准算法（续）（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修正方法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困难本讲稿第十八页，共四十六页流率求和算法流率求和算法Sum-Rates 算法:v使用与经典流率求和算法类似的修正方法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

10、的问题 非常有效和快速v对高度非理想的混合物可能有困难本讲稿第十九页，共四十六页非理想算法非理想算法Nonideal 算法:v在局部物性方法中包含组成依赖性v使用连续收敛法v在中间回路中求解设计规定v对于非理想问题是很有效的本讲稿第二十页，共四十六页牛顿算法牛顿算法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 折线策略来稳定收敛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本讲稿第二十一页，共四十六页汽汽-液液-液计算液计算对于三相的汽-液-液体系可以使用Standard、

11、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严格地处理包括两个液相的塔计算v处理倾析器v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本讲稿第二十二页，共四十六页收敛方法的选择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：v如果该混合物的沸程非常宽则用P

12、etroleum/Wide Boiling方法。v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。v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。v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。本讲稿第二十三页，共四十六页收敛方法的选择收敛方法的选择（续）（续）对于Vapor-Liquid-Liquid（汽-液-液）体系:v首先在RadFrac/Setup/Configura

13、tion 页的Valid Phases 域中选择Vapor-Liquid-Liquid，并使用Standard收敛方法。v如果Standard法失败，再试一下包含Nonideal或 Newton算法的Custom方法。本讲稿第二十四页，共四十六页RadFrac 的初始化方法的初始化方法Standard 是RadFrac模型的缺省初始化方法。该方法有下列功能:v对合成进料执行闪蒸计算以得到平均的气体和液体组成v假定一个恒定的组成分布数据v根据合成进料的泡点和露点温度估算温度分布数据本讲稿第二十五页，共四十六页专用的初始化方法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

14、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)低温的应用本讲稿第二十六页，共四十六页估算估算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、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。本讲稿第二十七页，共四十六页PetroFracvPetroFrac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

15、）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。本讲稿第二十八页，共四十六页塔的收敛问题小结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

16、数。本讲稿第二十九页，共四十六页塔的收敛问题小结（续）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。本讲稿第三十页，共四十六页塔的收敛问题小结塔的收敛问题小结(续续)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 Con

17、figuration 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。本讲稿第三十一页，共四十六页3.3.反应器的收敛反应器的收敛本讲稿第三十二页，共四十六页RCSTRv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。本讲稿第三十三页，共四十六页RCSTRv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

18、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。本讲稿第三十四页，共四十六页RCSTRv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。本讲稿第三十五页，共四十六页RCSTRvRCSTR缩放策略 两种缩放策略：Component-scaling-单独对

19、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本讲稿第三十六页，共四十六页RCSTRv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

20、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)组分流量组分流量温度温度本讲稿第三十七页，共四十六页RBATCH/RPLUGvRBATCH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。本讲稿第三十八页，共四十六页RBATCH/RPLUGv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Direct法可加快计算速度。本讲稿第三十九页，共

21、四十六页RBATCH/RPLUGv缩放因子计算法-Error Method Static：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 一般情况下，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。本讲稿第四十页，共四十六页4.4.其他其他本讲稿第四十一页，共四十六页换热器换热器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方法是否合适 检查冷热物流的流量、温度、单位是否准确 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

22、热）或出口（逆流换热）温度高，检查温度指定是否合理。本讲稿第四十二页，共四十六页混合器混合器v混合器内可设定混合器的温度估值，如果此温度估值给定不合理，经常会引发混合器不收敛。v混合器闪蒸计算未收敛，可增加闪蒸迭代次数。本讲稿第四十三页，共四十六页泵泵v流体在泵内只允许以液相形式存在，如果物流在泵内做闪蒸计算时出现气相，就会导致泵设备的不收敛，此时应：检查计算泵设备的物性方法是否合适 泵压力的指定是否合理（注意单位）将闪蒸计算的有效相态设为纯液相 本讲稿第四十四页，共四十六页层析器层析器v层析器用于模拟液液分离过程，当层析器内无法出现两个液相时，层析器模块会报错，此时应：检查物性方法选择的是否合适 物性方法的二元交互作用参数是否全面 第二液相的关键组分选择的是否准确 必要时可应用软件的物性分析功能分析两关键组分在操作条件下是否存在分层现象。本讲稿第四十五页，共四十六页谢谢！谢谢！本讲稿第四十六页，共四十六页