高级功能与技巧

一、设计规定

设计规定的核心作用是通过自动化计算实现工艺参数的精准优化，其本质是通过建立“目标-变量”的关联，用迭代计算替代人工试错，高效实现目标驱动设计，尤其适用于分离要求明确但操作参数难以直接确定的场景（如精馏塔、吸收塔等）。

接下来讲解设计规定的具体操作过程。

在稳态模拟中搭建了乙醇水分离的精馏塔的工艺流程，分别输入进料参数和模块参数运行后，流股结果中塔顶流股乙醇的质量分率，要通过设计规定将质量分率提高至0.91，求此时精馏塔的回流比为多少。

精馏塔工艺流程

图精馏塔工艺流程

添加设计规定：进入分析工具中的设计规定界面，点击右上角的添加按钮，则在下方有一条记录，双击该记录，在弹框中设置自变量、因变量的属性及因变量的目标值（如下图中自变量为精馏塔的回流比、因变量为F002流股乙醇组分的质量分率、目标值0.91），点击运行按钮，右侧的变化曲线图展示的是向目标值不断迭代靠近的过程图，横坐标是自变量，纵坐标是因变量，绿线是目标值，每个蓝点是每次迭代计算的结果，然后构成的蓝色曲线，页面的下方是初始和最终的结果值的列表。

设计规定

图设计规定

验证结果：将设计规定中得到的回流比的值4.818更改到精馏塔的设计参数中，重置后再次点击运行，查看流股结果，F002流股乙醇的质量分率为0.9089，再次验证了设计规定的准确性。

图验证结果

视频设计规定

二、灵敏度分析

灵敏度分析的核心作用是量化设备的关键性能指标（如产品纯度、能耗、流量等）随某一（或多个）操作参数变化的规律，帮助用户理解参数对过程的影响程度，为操作优化、工艺设计或故障诊断提供依据。其本质是通过系统性改变输入参数，记录输出性能的变化趋势，建立“参数-性能”的关联关系，避免了人工逐个试算的繁琐，是过程分析与优化的重要手段。

继续使用精馏塔的例子来添加灵敏度分析，进入分析工具中的灵敏度界面，点击右上角的添加按钮，双击创建的灵敏度分析，在弹出框中自变量选择精馏塔的回流比，设置开始值、结束值和步长，因变量选择F002流股乙醇的质量分率，点击运行按钮。运行成功后分别有自变量因变量的变化曲线图和列表图，通过曲线图可直观的看出因变量随自变量的变化趋势，通过列表图可查看各点的坐标值。

灵敏度分析

图灵敏度分析

视频灵敏度分析

三、优化

优化工具主要用于寻找某个目标参数或目标函数的最大值或最小值，它不关注中间的变化及变化趋势，只专注于在目标变量或函数取得最大或最小值时输出对应的操作参数。约束工具用于定义某个变量的变化范围，可以输入等于、大于等于和小于等于三种约束，通常和优化工具联合使用，确保优化结果在实际操作中可行。

接下来来看具体的操作过程：

(1) 优化：进入分析工具中的优化界面，点击右上角的添加按钮，双击创建的优化001，在弹出框中的配置界面分别设置目标变量和操纵变量，点击添加按钮，自行选择模块和属性。对于目标变量，规则有最大化和最小化，表达式对应添加的名称，如果是一个变量，则直接对应名称，如果是两个及两个以上的目标变量，对应的表达式是所有变量名称的加和或相减，比如y1+y2或者y1-y2。操纵变量指在操纵变量的变化区间达到目标变量的设置，因此要输入上下限。通俗来说，是在操纵变量的上下限范围内得到目标变量的最大化或最小化。运行成功后在结果页查看结果即可。

优化的参数设置

图优化的参数设置

图优化的结果

(2) 约束-优化：将约束和优化联合使用时，先设置约束条件，进入分析工具中的约束界面，点击右上角的添加按钮，双击约束001，在弹框中点击添加按钮，确定模块和属性，弹框下方的约束表达式为名称，约束规则有等于、大于等于和小于等于三种，输入允许误差和约束值，如下图。

约束的参数设置

图约束的参数设置

再次进入分析工具-优化界面，新增一条优化，双击优化002，在配置中输入与优化001配置相同的目标变量和操纵变量；在约束中将设置好的约束001勾选至已选约束中，点击下方的运行按钮，如下图。计算结束后可在结果页和迭代结果页查看约束-优化的结果以及迭代的过程。

优化中绑定约束

图优化中绑定约束

约束-优化的结果

图约束-优化的结果

四、自定义模块

在自定义模块可以自己创建模块、配置属性、关联代码，再连接到流程图中运行模拟，具体操作如下：

点击自定义下的加号，在弹出框中输入模块名、描述和标识，如下图。

添加模版

图添加模版

鼠标右击创建的模块，有编辑和删除两项，点击编辑，在弹出框中对该模块进行配置：（1）在稳态算法路径中输入自写代码的路径（如D:\Cslab11\zidingyi_wentai.py）。（2）点击“+”，设置分页。（3）点击配置节点和图标，在弹框中设置图片、图片大小和节点个数、位置。（4）点击添加属性，在弹框中输入属性名、中文名等基础信息，在基本属性栏可继续编辑相关内容；点击基本属性的任一条属性右侧的按钮，可转移至设置好的分页中。

图模块配置界面

配置节点和图标

图配置节点和图标

图设置添加属性

图简单的代码示例

将自定义的闪蒸罐001模块拖拽至画布中，搭建如下图的流程，分别输入进料条件和模块条件，点击右上角的运行按钮，运行结束后单击闪蒸罐001，在右侧摘要栏可看到热负荷的值。

图搭建流程图

设置参数及运行结果

图设置参数及运行结果

五、塔板水力学

塔板水力学是连接过程模拟和实际塔器的桥梁，是对严格塔模拟计算结果的验证。添加并计算塔板水力学的作用有：1）将理论设计转化为实际设计：将“理论板”转化为具有具体尺寸（直径、板间距等）的“实际塔板”；2）验证操作的可行性：检查在给定的操作条件和进料负荷下，塔是否会发生液泛、过量漏液或雾沫夹带等不正常工况；3）提供关键工程设计数据：为后续的机械设计（如塔径、降液管尺寸、受液盘、支撑件等）和系统集成（如再沸器热源温度受塔底压力影响）提供输入。

CSLAB中可为计算结束的精馏塔MESH添加塔板水力学，自动在精馏塔设计板块生成创建的该塔板水力学，也可以直接在精馏塔设计中创建项目进行塔板水力学计算，此时需要导入稳态中已运行的精馏塔MESH。塔板水力学计算的思路是通过预估板间距、板上液层高度得到塔设计的相关参数，再通过校核这些参数进行流体力学验算和绘制出负荷性能图，如果结果不理想，可对某些参数进行调整，一直到满意为止。

下面介绍塔板水力学的具体应用。

(1) 首先创建稳态精馏塔MESH项目，搭建流程并运行，计算结束后检查分布中有无TPFQ、组成和K值的结果。

图稳态精馏塔 MESH 流程图

(2) 双击精馏塔MESH，进入塔板水力学界面，点击添加新项按钮，自行为塔板分段，每点击一次添加新项，会生成一行记录，分别输入起始板、结束板，选择塔设备，如下图所示。点击展开详情按钮，弹出框中的板间距、板上液层高度、空塔气速系数和堰径比均设置了默认值，用户可采用默认值，也可自行修改，然后点击设计运行按钮，计算结束后，点击操作里的查看塔板按钮，可查看各层塔板的计算结果，包含每层塔板的塔径、侧壁堰长、堰高、堰上液层高度、降液管底隙高度和侧壁降液管宽度，如下图所示。

塔板水力学设计过程和结果

图塔板水力学设计过程和结果

(3) 点击操作里的编辑更多按钮，进入到校核页面，在弹出框的几何尺寸校核中输入塔板参数。页面左侧部分的参数有默认值，可使用默认值，也可以自行修改。各层塔板的计算结果在设计运行成功后自动赋值到页面右侧部分的对应属性上，可以使用这些值校核计算，也可自行修改，其中，对于塔径的标准值，可点击塔径的方框处，在一系列的塔径值中就近选择计算出塔径值的标准值即可。此外，每层塔板的板间距、边缘区宽度和破沫区宽度的校核值需自行输入。塔板-x右侧的勾选框中有√时，参数值只需输入一次，代表给所有塔板赋值，如果没有√，则需要依次给每层塔板输入数值。最后点击校核运行按钮，进行校核计算。

几何尺寸校核页面