第五章 aspen模型分析功能

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5.3 优化
优化：通过调整决策变量（进料物流、模块 输入或其它输入变量）来使一个用户指定的 目标函数最大化或最小化 。 优化问题的收敛
SQP方法（序贯二次优化方法）：最先进的拟牛 顿非线性编程算法。它可以将断裂流、等式约束 和非等式约束与优化问题同时收敛 Complex方法（复合型算法）：可行路径“黑箱” 式搜索法
ASPEN PLUS在化工过程设计中的应用
第五章 模型分析功能
第五章
模型分析功能
5.1 敏感性分析（Sensitivity）
5.2 设计规定（Design Specification） 5.3 优化（Optimization）
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5.1 灵敏度分析
在进行过程设计和分析时，常常需要了解某 些过程变量受其它过程变量影响的敏感程度， ASPTEN Plus为此提供了一个非常有用的分析 工具：模型分析工具(Model Analysis Tools)下 的灵敏度(Sensitivity)对象。
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定义被采集的流程变量 创建灵敏度对象时，按以下步骤操作： 1、从数据浏览器右侧的对象管理器 (Object Manager)中点击新建(New)按 钮； 2 、在弹出对话框中为新对象指定一个 辨识号(ID)；
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步骤1和步骤2：
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被采集的流程变量
Leabharlann Baidu
3 、在定义 (Define) 表单中点击新建 (New) 按钮， 创建灵敏度分析所需的测量（采集）变量； 4、在弹出对话框中输入新变量的变量名 (Variable name)；
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1
Phenol 600 kmol/hr 104 ℃ 137.5 kPa
7
14 MCH 100 kmol/hr Toluene 100 kmol/hr 104 ℃ 137.5 kPa
No. of stage number 22 Total Condenser Refluc Ratio 8 Distillate rate 100 kmol/hr Condenser pressure 110 kPa Reboil pressure 139 kPa
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d）定义被操作（改变的）变量
它是一个变量，设计规定改变它的值以满足 目标函数方程 (Design Spec Vary 页)
e）定义被操作（改变的）变量范围
这是范围的上限和下限，在该范围内Aspen Plus改变被操作变量（Design Spec Vary页）。 被改变变量的单位是由为设计规定声明的 Units Set所规定的变量类形的单位
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灵敏度分析的步骤
定义被测量（采集）流程变量 它们是在模拟中计算的参量，在第4步将要用到 （Sensitivity Input Define页） 定义被操作（改变的）变量 它们是要改变的流程变量（Sensitivity Input Vary页） 定义被操作（改变的）变量范围 被操作变量的变化可以按在一个间隔内等距点或变 量值列表来规定（Sensitivity Input Vary页） 规定要计算的或要制成表的参量 制表参量可以是任何合法的Fortran表达式，表达式 含有步骤1中定义的变量(Sensitivity Input Tabulate页)
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如果设计规定不收敛：
检查被操作变量是否在它的上限或下限上 核实在指定的被操作变量范围内是否存在解， 可通过执行灵敏度分析来完成。 检查被操作变量是否真正影响被采集变量 对被操作变量提供一个更好的初值
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尝试改变与设计规定相关的收敛模块特性 （迭代数和步长，运算法则等） 尝试把被操作变量范围变小，或放宽目标函 数允差以有利于收敛 确保目标函数在被操作变量变化范围内有平 直曲线区间
22 Methylcyclohexane(MCH) Recovery Column
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5.2 设计规定
设计规定：指定要操纵（调整）的一个模块输入变 量、过程进料物流变量或其它模拟输入变量来满足 规定。 设计规定通过调整一个由用户指定的输入变量来达 到它的目标。 被采集变量：为一个流程变量或一些流程变量的函 数指定一个你所希望的值。 被操纵变量：选择调整一个模块输入变量或过程进 料变量以便满足设计规定。
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变量关系图—Plot
步骤1：选择横坐标变量 在列表数据中选中一列，从窗口菜单 Plot 项 的 下 拉 框 里 选 择 X 轴 变 量 (X-Axis Variable)；
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变量关系图—Plot
步骤2：选择纵坐标变量 再选中列表数据的另一列，从窗口菜 单 Plot 项的下拉框里选择 Y 轴变量 (Y-Axis Variable)；
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优化的步骤
创建一个优化问题。 标识目标函数中所用的被采集变量。 为一个被采集变量或一些被采集变量的函数 指定目标函数，并标识出与问题有关的约束。 标识出为使目标函数最大或最小而被调整的 模拟输入变量，并指定它们可被调整的上下 限。 定义优化问题的约束条件。 输入可选的Fortran语句。
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优化
用于最大化/最小化目标函数 目标函数是用流程变量和内嵌的Fortran 表示的 优化可以有零个或多个约束条件 约束条件可以是等式或不等式 优化位于/Data/Model Analysis Tools/Optimization下 约束条件的规定位于/Data/Model Analysis Tools/Constraint下
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设计规定的收敛
设计规定产生必须迭代求解的回路。缺省情况下，ASPEN PLUS为每个设计规定生成一个收敛模块并排序。
在物流或模块输入中提供的被操纵变量的值被用作初始估值。
规定还必须有一个允差的方程是：
|规定值-计算值|<允差
通过选择相应Convergence（收敛）模块的Results（结果）页 面，可以查看收敛模块的摘要和收敛历史。
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设计规定的步骤
建立设计规定。 标识设计规定中所用的被采集流程变量。 为一个被采集变量或一些被采集变量函数指 定目标值并指定一个允差。 标识一个为达到目标值而被调整的模拟输入 变量，并指定调整该变量的上下限。 输入可选的Fortran 语句。
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设计规定的步骤---设计规定的计算示例
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灵敏度分析—Sensitivity
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灵敏度分析是检验一个过程如何对变化的关 键操作变量和测量（采集）的流程变量反应 的一个工具。
用灵敏度分析来验证一个设计规定的解是否在操 作变量的变化范围内。 用灵敏度分析做简单的过程优化。 用灵敏度分析模块生成随进料物流、模块输入参 数或其它输入变量变化的模拟结果的表和（/或 图）。
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目标函数
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被调整的模拟输入变量
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与问题有关的约束
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推荐的做优化过程
报告标签
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步骤6：
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步骤6：
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制表
步骤 7 ：在列表 (Tabulate) 表单中输入需要进行灵 敏度分析的被采集的流程变量 (Tabulated variable) 或 组 合 变 量 的 表 达 式 (Expression) ， 以 及 列 表 时 的 列 序 号 (Column No.)。
以第二章中苯和丙烯为原料合成异丙基苯为例，如下图：
冷却器出口温度是多少才能使异丙基苯产品纯度达 到98%（摩尔百分数）？
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选择Mole
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点击New按扭
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点击New按扭
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a）标识被测量（采集）变量 流程参量，通常是计算出的参量，用于目标 函数中（Design Spec Define 页）
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a）确定实测（采集）变量 它们是用来计算目标函数的流程变量（在Optimization Define页上） b）规定目标函数（表达式） 这是一个将被最大化或最小化的Fortran表达（在Optimization Objective & Constraints页上） c）规定目标函数的最大化或最小化（在Optimization Objective & Constraints页上） d）规定约束条件（可选的） 它们是在优化期间所用的约束条件（在Optimization Objective & Constraints页上） e）规定操作（可变）变量 它们是优化模块为了实现目标函数的最大化/最小化而要改变的变量（在 Optimization Vary页上） f）规定操作（可变）变量的范围 它们是操作变量变化的下限和上限（在Optimization Vary页上）
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步骤5：
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可以定义多个分析所需的变量，如下图所示：
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操纵变量
步骤6：
在变化(Vary)表单中输入操作变量 (Manupulated variable)的类型、名称和具体变 量(variable) 变化范围
值列表 下限上限和等距点的个数（#Point） 上限下限和点间的增量（Incr）
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变量关系图—Plot
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变量关系图—Plot
步骤3：绘制曲线 然后点击窗口菜单Plot项的下拉框里的 显示绘图(Display Plot), 即可得到曲线图。
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变量关系图—Plot
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敏感性分析的计算示例
例1：书P85页；
作业1：甲基环己烷-甲苯精馏塔的分析 通过ASPEN PLUS的敏感性分析找出精馏塔 顶甲基环己烷纯度与苯酚加入量的关系，同 时确定在苯酚加入量变化之后的塔顶冷凝器 和塔底再沸器的热负荷变化情况 热力学模型选择UNIFAC模型。
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步骤3和步骤4：
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被采集的流程变量的标识
对于标变量，为6个或6个以下字符 对于矢变量，为5个或5个以下字符 以字母开头（A-Z） 后跟字母数字型字符（A-Z，0-9） 不要以IZ或ZZ开头
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被采集的流程变量
5、在变量定义(Variable Definition)对话框中的下 拉式选择框中选择变量的类别(Category)、类 型(Type)、流股(Stream)或模块(Block)代号， 并指定具体变量(Variable)。
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步骤 7 ：
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查看结果：
步骤8：结果查看 从左侧索引栏中选择灵敏度对象下的结果 (Results) 项目，右侧的汇总 (Summary) 表单中按 照指定的列序号列表给出调节变量和列表变量 的对应值。
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步骤8：
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变量关系图—Plot
在查看和分析灵敏度分析的列表数据时，用 图形描述的函数关系曲线常常能让我们更直 观和全面地了解过程变量间的依赖趋势； ASPTEN Plus为此提供了绘图(Plot)功能，可 以将列表数据中的任意两列绘制成 X~Y曲线 图。
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设计规定的计算示例
从例2灵敏度分析的结果可以看出，为了使塔 顶馏出物中甲基环己烷的纯度（摩尔分率） 达到98%，萃取剂苯酚的进料流率大约在 750kmol/hr左右。为了确定使得塔顶馏出物中 甲基环己烷的纯度（摩尔分率）达到98%所需 萃取剂苯酚的进料流率的具体值，可以通过 ASPEN PLUS模型分析功能中的设计规定 （Design Specification）完成。
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点击 Close 按扭
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b）规定目标函数（Spec）和目标 （Target）
它是规定要满足的等式（Design Spec Spec 页）。在目标函数中用的单位是由设计规定 声明的Units Set所规定的变量类形的单位
c）设置目标函数允差
如果在该允差范围内满足目标函数等式，规 定就收敛了（Design Spec Spec 页）