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塔收敛问题简单介绍
遇到精馏塔收敛问题时，首先不要质疑软件安装有问题，软件安装大概率没有问题，也不要怀疑软件版本问题，软件版本更新会带来些许变化，但大概率不是症结所在。
首先应该核对参数是否输入有误，避免没仔细看或手滑导致的输入错误，尤其是对于炼油塔这种，本身参数众多，塔不收敛后更是应该仔细核对输入的参数。比如：
- 某塔总进料 100 kmol/h（A、B组分各 50%），现场此塔数据是馏出物进料比 0.5，但在软件操作中却输入成塔顶采出 0.5 kmol/h；
- 全塔压降 20 kPa，却写成塔板压降 20 kPa；
- 单位输入错误。
最后，应该明白一点，不同的体系收敛难度是不一样的，并不存在什么收敛的通解，比如经典的乙醇-水-环己烷体系。
1.1 设计规定问题
有时较为严格的设计规定会使得软件计算困难，如：直接规定采出纯度 0.999，虽然实际可以达到这个纯度，但因计算较困难而出现不收敛情况，此时应先放宽设计规定，逐步计算同时调整参数，使得结果逐步趋近于 0.999。有时我们不只是有一个产品高纯度要求，同时还要控制杂质纯度，而同时指定两个纯度要求会增大计算难度，这时也应该更换设计规定逐渐调整参数使得纯度逐渐达标。
有时设计规定就是不可能达到，此时应该调整参数或工艺，如：分离乙醇-水（两组分各占 50%mol）不加萃取剂共沸剂的情况下，无论如何也不能使塔顶乙醇纯度达到 0.999。
有些设计规定可能相互矛盾，造成不可能收敛问题，如：
- 进料 50 kmol 水，50 kmol 乙二醇，同时规定塔顶水纯度 0.999 又规定
D/F为0.6； - 同时规定冷凝器温度与塔顶采出量。
而对于 Aspen 的话，一般来讲工艺流程选项下的设计规定要比塔内设计规定好收敛，也可借助灵敏度分析验证设计规定的可行性等。
1.2 Aspen
不同的操作规范带来的收敛难度并不一样，遇到不收敛时可考虑换一下操作规范，如：
- 设定
D/F或者W/F会比直接设置采出量好收敛； - 同时设置塔顶塔底两个流量规定会比设置
回流比+D/F收敛难度大很多。
考虑更换收敛算法，Aspen 中塔模型默认标准算法（Standard），除此之外
- 针对炼油提供石油/宽沸程算法（Petroleum/Wide-boiling）；
- 针对高度不理想液体、共沸等情况提供非常不理想的液体（Strongly non-ideal liquid）、共沸算法（Azeotropic）；
- 针对空分等低温系统提供深度冷冻算法（Cryogenic）；
- 此外也可以选择 Newton 算法。
针对塔收敛界面可以做出部分调整，增大收敛次数，增大阻尼等级。
也可以考虑更改初始化方法，除去 Standard 算法外，Aspen 还提供针对宽沸程的 Crude 方法（炼油），针对窄沸程的 Chemical 方法，针对共沸的 Azeotropic 方法，针对深度冷冻的 Cryogenic 方法。
同时要注意：
- 要注意区分开是设计规定导致的不收敛还是塔本身就不收敛；
- 不是说更换了什么算法就一定会收敛；
- 也并非面对共沸体系就一定要用共沸或非常不理想的液体算法；
- 不要只会盯着收敛算法、收敛次数、阻尼等级，这些都尝试过后仍然不行大概率是塔参数或设计规定设置的不合理。
关于塔收敛界面→高级的一些选项：
以下内容主要依据作者平时的使用经验所写，具体正确全面的解释详见 [1]P464-465 或帮助文件
- 关于
是/否吸收塔，选择是会增大收敛难度，一般来讲对于一个吸收塔无需特意更改这里。而对于气相在液相中溶解度高和惰性气体流量低的情况下较为适用，如：氯化氢吸收；宽沸程吸收过程。 - 在 Stable-Meth 处可以选择折线策略或者线性策略，遇到设计规定导致的不收敛时可考虑采用折线策略。
- 如果出现气液相流量趋近于 0 的警告，此时多半为塔在计算过程中某块或某段塔板的气体或液体流量过小导致，这个一般是不被允许的，可能是参数设置问题（此时可以调整下回流比等），也可能是软件计算过程中其它原因导致的不收敛使得流量计算结果严重错误，如果坚持此操作可以调整高级界面的 Fminfac1。（炼油体系中经常会出现干板情况，如原油常减压的减压塔，这种通常是没有问题的）
- 对于带有高灵敏设计规定或带有较多（三个以上）较严格设计规定的塔，可以考虑减少 Rmsol0。
- 对于设计规定或优化问题可以考虑在高级界面的 Dsmeth 处更改设计规定收敛方法为 Nested（嵌套迭代法）1，以及更改内层循环算法 Ilmeth[1](P461-462 表12-23)。
- 运行 NQ 曲线分析不收敛时可考虑于 NQ-Fopt-Meth 处修改算法。
在塔的估算界面提供一组优秀的温度、流量、组成的估值（越接近最终收敛状态的估值越优秀）会极大的促进收敛，同样的，坏的估值也可能会阻碍收敛。在不确定情况下可反复运行生成估算值对比判断：
- 顺利的话塔板分布参数应该不断趋近于稳定；
- 沿着塔板数的增加，估值应该是平滑变化的，比如温度应该从上到下逐渐增加，而如果遇到不平滑变化的坏点可手动更正或删除估值。
对于某些特殊体系如：乙醇-水-环己烷共沸体系，参考 [1]10.2共沸精馏（P319 图10-26）由三元相图可以看出可操作区间很窄，使得软件计算收敛难度大增，并且此共沸精馏会存在多解（并不是说所有的共沸体系均存在多解），表现为有时切换收敛算法会出现截然不同的计算结果，对此一组正确的估值将有助于得到期望的结果。
对于收敛→基本页面的容许误差（外层循环的收敛容差），不建议增大（软件默认 0.0001），对某些高精度要求的操作可减小，作者听到过一种说法“本工艺的容许误差接受0.001可以增大容许误差”，我对此持反对态度，增大容许误差可能会使得温度流量等结果严重偏离实际。而对于减小容许误差的情况：回归塔板效率[1](P306 图9-97)；要得到微量成分的结果；某一液相量很少的液-液平衡；需要得到更高精度；严格塔模块在循环回路内部[1](P468 12.3.4)。
在 Aspen 中塔模型其实也存在多种，隔壁塔模型、三相精馏模型等，对于这类的收敛问题应具体问题具体分析，作者建议初步计算时可以考虑使用软件自带的模型，最后建议自己利用常规严格塔模型、三相分离器、换热器、闪蒸罐等模型自行搭建一个。
对于 Aspen 收敛部分总结的以上各种操作，要注意针对不同体系的收敛问题，并不存在通解，即使面对相同的体系，因塔的操作参数与设计参数不同，有时也需要调整收敛策略。但通常来讲，更改收敛算法、增大收敛次数、增加阻尼后塔一般就会收敛，但面对特殊体系，总是需要较多的收敛对策的。建议自行对乙醇-水-环己烷体系进行搭建，自行体会各种操作排列组合的过程。
1.3 HYSYS
首先要了解 HYSYS 中存在一些奇怪的 bug，偶尔在塔运行不收敛后出现自由度异常等导致无法运行的问题，此时可以考虑重置在运行，或者反复点击启用模块的忽略，或者将解算器挂起在启用，或者关闭文件在重新打开，或者只好重新搭建此塔模块了。
使用 HYSYS 一定注意保存副本，面对某些难收敛情况，因计算结果受初值影响，所以在参数调整后并且不收敛时可能会找不回之前的结果（即使设计规定与之前一致）。
在 HYSYS 中遇到点击运行立刻不收敛或运行缓慢甚至超过几百次仍不收敛时，大概率是参数设置问题，在排除手误输入错误后，首先应该考虑是设计规定设置问题，可能出现了过于严格甚至相互冲突的规定（考虑更换设计规定重置运行），参考 1.1。
HYSYS中参数→解算器页面介绍：
以下内容主要依据作者平时的使用经验所写，具体正确全面的解释详见 [2]塔单元模拟补充文件或帮助文件
- 更换收敛算法，个人使用感受下 Modified HYSIM Inside-Out 算法相比 HYSIM Inside-Out 算法偶尔会好收敛一些，对于一些共沸体系，如乙醇-水-环己烷体系的共沸塔，考虑选择 Sparse Continuation Solver 算法。
- 修改阻尼因子，面对计算震荡问题，可以考虑修改阻尼因子为 0.4~0.6，或者打开适应，面对有共沸体系，也可以考虑是否勾选共沸，在启用适应后如果出现适应阻尼因子迅速下降为 0.05 时，也从侧面说明此时不好收敛，建议做一些其它调整，调整后重新运行的时候记得手动将适应阻尼因子由上次计算的 0.05 改为 0.4~0.6 或者勾选重置初始阻尼因子。
- 标准初始化与程序生成估值选项，通常按默认即可，遇到超过 25 个组分体系考虑切换程序生成估值选项或者塔实在是不收敛时可考虑尝试切换程序生成估值选项 [2](塔单元模拟补充文件 P19)。
- 加速 K 值和 H 模型参数，收敛过程中平衡误差缓慢下降时可考虑勾选此处，加速收敛，由于共沸塔收敛趋于受阻，所以不能选择此项 [2](塔单元模拟补充文件 P18)。
初值估计问题：HYSYS 中初值既包括未启用设计规定的指定值，也包括塔内温度、组成、气液流量分布数据，重置功能只是清除塔内温度、组成、气液流量分布数据。
用户需要自行判断每次运行前是否点击重置在运行: 首先我们要知道 HYSYS 中塔是支持多次点击运行的，并不是说每次调整完参数或设计规定都必须重置在运行结果才可信（与 Aspen 的区别之一）。运行一次后 HYSYS 中的塔会获得一组塔内温度组成流量分布初值，如果我们在调整完参数或设计规定后不点击重置而是直接点击运行，则软件会以此组初值作为计算初始值去运行。
在面对含有多进料多采出或含有多个侧线塔或多个中段回流等多个侧线操作（侧线采出、侧线塔、中段回流）的情况下（如炼油塔），建议逐步搭建完善侧线操作，每次完成一项运行一项，收敛后获得初值，然后在进一步完善侧线操作，继续运行（此时建议不要点击重置而是直接点击运行）。
用户需要自行判断每次运行后是否点击更新未启用项: HYSYS 中塔初次运行收敛后，我们也可以点击更新未启用项为软件下一次运行提供另一组初值，通常我们会在调整优化塔参数时候会多次运行，而有了初值的塔下一次收敛会更容易。但也要明确一点，参数或设计规定调整过大的情况下，上一次运行的结果继续作为初值可能并不合适，这样反而会阻碍塔的收敛。总之，好的初值才会帮助收敛，坏的初值可能不仅起不到帮助还会阻碍收敛。
而如果遇到调整参数或设计规定导致不收敛的情况下，那么这时可以考虑逐渐的调整参数或设计规定，逐渐的更新初值，一点点调整也有助于判断是否调整的参数不合理，是否设置的设计规定达不到等。
如果塔初次运行都不收敛的话也可以主动提供未启用设计规定指定值以及温度分布值辅助收敛。
用户需要自行判断每次运行后计算结果是否受初值影响: HYSYS 中塔的计算结果很受初值（设计规定指定值，塔板分布数据等）的影响。在这组设计参数（塔板数、进料板位置、塔压力等）固定的情况下，面对我们指定的设计规定可能存在不只一组解，这就会使得未启用设计规定的指定值是否填写，填写的数值是多少以及是否重置，可能会很影响软件计算结果。同样的我们也可以通过手动更改未启用设计规定的指定值来影响软件的计算结果。同时也要注意塔板分布数据初值对于最终塔收敛解的影响。所以建议即使塔运行收敛，仍要多注意观察一些诸如回流比、热负荷等参数是否过大或过小，或者调整启用的设计规定进行尝试，判断参数变化，以及建议在对塔做大量调整的过程中及时保存副本。注：有时会怀疑每次重置后软件内部仍然有很多缓存数据，而下一次运行仍会使用这些缓存数据。
例：在水-乙二醇萃取剂回收塔中，在规定了塔顶塔底流股纯度后，手动修改回流比的指定值（此时回流比的设计规定并未启用），或者多次更改塔板数进料板位置（最后记得改回去），中间重置运行或者直接运行，此时可能就会发现每次运行收敛后的回流比计算结果的当前值各不相同（有时回流比的计算结果趋势会很跳跃），这样会导致塔顶塔底热负荷计算也不断跳跃。
在面对诸如炼油常减压塔，催化裂化主分馏塔，天然气凝液回收主塔，空分塔等包含多个侧线操作的塔的收敛问题时建议逐步搭建，逐步收敛，逐步调整设计规定。
1.4 PRO/II
同样的，PRO/II 中的塔选择不同的设计规定组合，收敛难易也不同，具体参考 1.1 节。 PRO/II 中设计规定下可以点击 the default tolerance 填写 Relative Tolerance 或 Absolute Tolerance，这样软件在计算中可以适当放宽设计规定，增加收敛速度，减小收敛难度。一般情况下默认即可。（也可以选择填写更小的公差，此时精度更高更难收敛）
PRO/II 中塔运行前必须填写一组产品流股的流量作为初值，此初值与结果偏差过大也会增大收敛难度。所以建议运行后或调整参数后注意核对此处的数值，防止偏差过大。
PRO/II 中有专门的侧线塔模块（Side Column），使用此模块的时候软件会将主塔与侧线塔当作一个模块运算求解，所以遇到侧线塔情况建议优先考虑此模块。
用户需要自行判断每次运行后是否点击 Update Initial Estimates或Delete Initial Estimates，是否需要多次点击运行（初值也可手动提供或调整）：
- PRO/II 推荐多次点击运行，每次运行会以上次运行的数据作为下次运行的初值。
- Update Initial Estimates 选项下可以选择更新塔板温度、气液相流量、组成（组成需额外点击 Columns with Compositions）等数据辅助收敛，如需只对某一个塔进行更新参数，右键此塔选择此选项即可。
- Delete Initial Estimates 选项将清除塔板参数（塔板温度、气液相流量、组成），但塔顶、塔底、冷凝器、再沸器温度信息仍会保留，如需只对某一个塔进行删除参数，右键此塔选择此选项即可。
- Restore Input Data 选项，一次较为彻底的重置功能，尽可能清除运算结果，但塔顶、塔底、冷凝器、再沸器温度信息仍会保留，一般不建议点击此选项。
通常来讲 PRO/II 会更容易收敛，并且在灵活使用 Update Initial Estimates 功能后，即使是一个难收敛体系（如乙醇-水-环己烷共沸体系），即使塔位于循环中，仍然可以做到快速收敛，不过仍然建议多保存副本，以防止流程反复调整致使不收敛。
塔模块收敛解算相关设置：
以下内容主要依据作者平时的使用经验所写，具体正确全面的解释详见 [3]P200-215 或帮助文件
- PRO/II 中塔收敛次数（Number of Iterations）最大 200 次，并提供多种收敛算法（具体详见 [3]P204 8.3.1.15）。对于一个常规精馏塔主要使用 Insid-Out、Enhanced I/O（改进的 Insid-Out）、Sure（使用 Newton-Raphson 解法）、Chemdist（适用于共沸等难收敛非理想体系，支持反应精馏）、Electrolytic（支持电解质）、Liquid-Liquid（支持液-液萃取塔）、RATEFRAC（支持速率模式）。
- Initial Estimate Generation（初值发生器）选项，提供多种初始化算法（具体详见 [3]P209 8.3.4），Conventional（常用）、Refinery（适用于炼油塔）、Chemical（适用于共沸等难收敛非理想体系）、Electrolytic（适用于高度非理想电解质体系）、Simple（液-液萃取塔）。
- Damping Factor（阻尼因子），一般来说，炼油塔取 0.8，蒸汽汽提塔取 0.7，真空塔取 0.5~0.6，非理想物系取 0.4~0.6。
- Covergence Tolerance (Bubble Point、Enthalpy Balance、Equilibrium (K-value))，一般不建议增大。
- Homotopy Options for Convergence Specifications 选项，面对难以达到的设计规定可以在此处输入 Initial Value（初始值）与 Number of Intervals（间隔数），使得塔在计算中设计规定从较易收敛的 Initial Value开始，并通过一系列步骤（与 Number of Intervals 有关），使得设计规定最终逐渐接近设定值。
- 对于 Insid-Out 算法，书中 [3] (P211-214) 提供详细的收敛历史数据（菜单栏 Run→View Calculation History）的解读方法。
每个软件对塔的收敛部分都提供大量的选项，但并不存在收敛的通解，而虽然软件不存在通解但用户却存在通病。所以在遇到不收敛问题时，尤其是大量调整后（收敛次数、收敛算法、阻尼因子等等之类）仍然不收敛时候，此时更应该核对输入参数是否有误，应该进一步思考明确设计规定是否冲突或过于严格。而面对难收敛体系时（如乙醇-水-环己烷体系），应该更多的关注初值问题，一个好的初值将会极大促进收敛。最后不建议大家死磕某些难以达到的设计规定，应采用逐步调整设计规定或者更换设计规定的策略。
BY 花生酥本酥
2025 年 11 月
源PDF文件下载链接：
塔收敛问题简单介绍-0版-魔女-20251204.pdf (481.2 KB)
参考阅读：
[1] 孙兰义，化工过程模拟实训—Aspen Plus教程[M]，2版.
[2] 孙兰义，过程模拟实训—Aspen HYSYS教程[M]，2版.
[3] 孙兰义，过程模拟实训—PRO/II教程[M].
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