نرم‌افزارهای شبیه‌سازی فرآیندهای صنعتی

مقدمه

در گذشته، فرآیندهای مختلف شیمیایی، بیولوژیکی ، تولیدی و آزمایشگاهی با استفاده از مواد واقعی در آزمایشگاه ها یا کارخانه ها انجام می‌شد. علاوه بر ماهیت خطرناک برخی از این فرآیندها، پرهزینه و وقت گیر بودن آن ها نیز باعث ایجاد مشکلاتی می‌شد.

در دنیای مدرن، پیشرفت فناوری وسیله ای را فراهم کرده است. که از طریق آن می توان این فرآیندها را به طور عملی در یک محیط بدون خطر انجام داد. این امر با استفاده از راه حل ها و خدمات نرم افزاری شبیه سازی فرآیند حاصل می شود. شبیه سازی فرآیند برای طراحی، توسعه، آنالیز و بهینه سازی در فرآیندهای فنی از جمله: واحدهای شیمیایی، فرآیندهای شیمیایی، سیستم های محیط زیستی، ایستگاه های برق، عملیات های پیچیده تولید، فرآیندهای بیولوژیکی و کارهای فنی مشابه استفاده می‌شود.

شبیه سازی برخی اوقات به جای مدل سازی استفاده می‌شود ولی در واقع شبیه سازی نتیجه اجرای یک مدل است. ابتدا یک مدل تولید می‌شود. سپس از آن برای مطالعات و اجرای یک شبیه سازی استفاده می‌شود.

شبیه‌سازی فرآیند

شبیه سازی فرآیند، نمایش رایانه ای از یک سیستم یا فرآیند در دنیای واقعی است. هدف اصلی از شبیه سازی رایانه ای عمل کردن به عنوان یک جایگزین (از نقطه نظر رفتاری) برای یک فرآیند است. مطالعه بر روی یک فرآیند واقعی می تواند بسیار گران و مخرب باشد. علاوه بر آن بسیاری از فرآیندهای شبیه سازی شده هنوز وجود ندارند و در دست طراحی هستند.

همچنین یک شبیه سازی واقعی می‌تواند به درک بهتر یک سیستم واقعی و بهبود آن سیستم از نظر هزینه یا افزایش توان کمک کند. دلیل دیگر استفاده از شبیه سازی مبتنی بر رایانه این است که سیستم‌های دنیای واقعی بسیار پیچیده هستند. و تعامل زیادی بین متغیرها وجود دارد که ممکن است ناشناخته باشند یا تعریف دقیق از آن ها وجود نداشته باشد که باعث توجه به پارامترهای بی اهمیت و جزئی می‌شود. شبیه سازی یک فرآیند می‌تواند جزییات بی‌اهمیت را کنار بگذارد. اگر متغیری که قابلیت تعریف دارد وجود داشته باشد می توان آن را در شبیه‌سازی گنجاند تا نتیجه واقعی تری ارائه دهد.

اهداف اصلی شبیه‌سازی

• افزایش بازدهی محصولات
• کاهش زمان تولید
• کاهش خطاهای احتمالی در زمان تولید و گاها بعد از تولید
• کاهش هزینه ها

چرا باید فرآیندها را شبیه سازی کرد؟

واضح است که در دنیای رقابتی تولید و مهندسی فرآیند، استفاده از نرم افزار شبیه ساز فراگیر شده است و این امر که ابزاری ضروری برای ساده سازی و تجزیه و تحلیل فرآیندهای پیچیده است. این ابزار نه تنها فرآیندهای دنیای واقعی را شبیه سازی میکند بلکه محاسبات تکراری را با سرعت و کارایی بیشتری انجام می دهد. این امر باعث صرفه جویی در وقت، هزینه و افزایش ایمنی و شانس موفقیت در مراحل مختلف می شود.

انواع شبیه‌سازی

1. شبیه سازی استاتیک 

این مدل از شبیه سازی فرآیند مبتنی بر فرآیندهای حالت پایدار است. اگر متغیرهایی که رفتار فرآیند را تعریف می کنند. در زمان تغییر نکنند، این فرآیند در حالت پایدار قرار دارد. نرم افزار شبیه سازی فرآیند تعادل جرم و انرژی یک فرآیند در زمان ثابت را برای به دست آوردن یک مدل حالت پایدار از فرآیند انجام می‌دهد. مدل های حالت پایدار برای تولید نیاز به زمان و نیروی محاسباتی کمتری دارند. از این رو برای توسعه ساده تر هستند. این فرآیندها در مهندسی شیمی، مهندسی مکانیک و مهندسی برق متداول هستند.

2. شبیه سازی دینامیک

این مدل، یک حالت توسعه یافته از شبیه سازی فرآیند استاتیک است. همچنین وابستگی زمان به انباشت جرم و انرژی را تشریح می‌کند. شبیه سازی های دینامیک نسبت به شبیه سازی های استاتیک قوی تر هستند. چرا که توصیف، پیش بینی و کنترل تاثیر زمان بر فرآیندهای واقعی را در خود گنجانده اند. شبیه سازی دینامیک تمرین و توسعه پذیری فرآیند تولید را ممکن می‌کند. به طور کلی شبیه سازی های دینامیک پیچیده تر بوده و برای اجرا نیاز به زمان محاسبه و قدرت محاسباتی بیشتری دارند.

اهمیت شبیه سازی در مهندسی شیمی

شبیه سازی در مهندسی شیمی مانند تمامی رشته های دیگر، بسیار کاربردی و مفید می‌باشد. می توان با استفاده از مدل های ریاضی به عنوان مبنایی برای آنالیز، پیش بینی و کشف رفتارهای موجود فرآیند در شرایط واقعی استفاده کرد. به طور کلی شبیه سازی کمک بسیار زیادی برای افزایش اطلاعات از یک فرآیند خاص به ما می‌کند. در واقع مهندسی شیمی به ما چگونگی انجام یک فرآیند را می گوید. شبیه سازی نیز به ما کمک می کند تا گزینه های بهتری برای بهبود انجام یک فرآیند داشته باشیم.مهندسان شیمی می توانند با استفاده از شبیه سازی تمامی گزینه های طراحی یک فرآیند را بررسی کنند و بهترین گزینه را به اجرا در بیاورند.

نرم‌افزارهای مناسب شبیه‌سازی

نرم افزارهای مختلفی برای شبیه‌سازی فرآیندهای صنعتی در مهندسی شیمی وجود دارد که از جمله مهمترین آنها می‌توان به نرم افزارهای زیر اشاره کرد:

اسپن پلاس

اسپن پلاس یکی از معروف ترین نرم افزار های مهندسی شیمی است. که برای شبیه سازی و طراحی سیستم های معدنی ،سیستم های پالایشگاهی و پتروشیمی بکار می رود. از کاربردهای نرم افزار aspen plus در صنعت می توان به طراحی، توسعه، بهبود شرایط عملیاتی و بهینه سازی فرآیندهای پتروشیمیایی و پالایشگاهی اشاره کرد.

نقطه قوت این نرم افزارها نسبت به سایر نرم افزارهای بانک اطلاعاتی واقعا قوی این نرم افزار راجع به جامدات.مایعات و گازها است.از مهمترین مزیت های این نرم افزار قابلیت شبیه سازی سیستمهای پلیمری با آن است.

نمونه پروژه انجام شده توسط نرم افزار اسپن پلاس

شبیه‌سازی و ارزیابی اقتصادی تولید روغن زیستی از باگاس در نرم افزار اسپن پلاس

اسپن هایسیس

هایسیس جهت شبیه سازی سیستم های پالایشگاهی و پتروشیمی و سیستم های الکترولیتی و جامد استفاده می شود. نرم‌ افزار هایسیس از نرم افزارهای قدرتمند مهندسی شیمی به شمار می رود.

نرم‌ افزار Hysys با توجه به پردازشگر قدرتمندی که دارد، مسائل دشوار و پیچیده مهندسی را در کمترین زمان حل نموده و دقیق ترین تحلیل ها را ارائه می دهد. نتایج حاصل از شبیه‌ سازی فرآیند توسط نرم‌افزار هایسیس با توجه به فرضیات نرم‌ افزار از دقت بالایی برخوردار است. این نتایج قابل مقایسه با نتایج واقعی می‌ باشد و با فرضیات صحیح خطا ناچیز می شود.همچنین می‌ توان به کمک نرم‌ افزار Hysys یک فرآیند شیمیایی را مدل‌ سازی کرده و رفتار سیستم را در شرایط مختلف عملیاتی پیش‌ بینی کرد.

نمونه پروژه انجام شده توسط نرم افزار اسپن هایسیس

شبیه سازی و بهینه سازی بازیابی بنزن پالایشگاه ستاره خلیج فارس توسط اسپن هایسیس

کامسول

نرم‌افزار کامسول مولتی‌فیزیکس یک مجموعه کامل شبیه‌سازی است که می‌تواند معادلات دیفرانسیل سیستم‌های غیر خطی را توسط مشتق‌های جزئی به روش اجزاء محدود (FEM) در فضاهای یک، دو و سه بعدی حل نماید.

این نرم افزار کار مدل سازی و سپس شبیه سازی با دقت فوق العاده بالا را  امکان پذیر می سازد. زمان طولانی برای انجام یک آزمایش، عدم تکرار آزمایش با شرایط مختلف و مهم تر این که ممکن است آزمایش با هزینه فراوان همراه باشد که می توان با کمک نرم افزار این هزینه را بسیار کاهش داد.

نمونه پروژه انجام شده توسط کامسول

شبیه سازی برج تولید فرمالدهید از متانول در کامسول

ACM

نرم‌افزار Aspen Custom Modeler (ACM) یکی از ابزارهای پیشرفته در زمینه شبیه‌سازی و مدل‌سازی فرآیندهای صنعتی است. این نرم‌افزار توسط شرکت Aspen Technology توسعه یافته است., این نرم‌افزار به ویژه برای مهندسان و متخصصان صنایع شیمیایی، پتروشیمی، نفت و گاز، و سایر صنایع مشابه طراحی شده است.

نمونه پروژه انجام شده در ACM

شبیه‌سازی فرآیند ایزومریزاسیون پنتان-هگزان با ASPEN CUSTOM MODELER

اسپن پلاس دینامیک

یکی از قدرتمندترین نرم افزارهای شبیه سازی است. لازمه کنترل و شبیه سازی دقیق فرایند در حالت دینامیک (در نظر گرفتن تغییرات با زمان) است. برای شبیه سازی دینامیک فرایند، ابتدا باید فرایند در حالت استاتیک (صرف نظر کردن از تغییرات زمان) شبیه سازی شود. این نرم افزار قابلیت شبیه‌سازی فرایندهای شیمیایی در حالت دینامیک را دارا است.

پرومکس

نرم افزار شبیه سازی ProMax در حال حاضر یکی از قوی ترین نرم افزارهای موجود برای شبیه سازی فرایندهای پالایشگاهی و شیمیایی به شمار می آید. از قابلیت های ویژه این نرم افزار می توان به بانک غنی مواد آن و بسته های ترمودینامیکی آن، اشاره کرد. نرم افزار ProMax دارای ویژگی منحصر به فردی در زمینه معادلات ترمودینامیکی ویژه فرایندهای شیرین سازی و پالایشگاهی است. امکانات ویژه این نرم افزار برای فرایندهای شیرین سازی گاز، آن را متمایز و منحصر به فرد کرده است.

HTRI

یکی از ابزارهای مهم در انتقال حرارت، مبدل‌های حرارتی هستند. نرم‌افزار HTRI بهترین گزینه برای شبیه سازی مبدل‌های حرارتی است، با این نرم‌افزار دید بهتری به نحوه کار مبدل‌های حرارتی خواهید داشت و می‌توانید از آن برای ارزیابی، طراحی انواع مبدل‌های حرارتی استفاده کنید.

PRO II

این نرم افزار را برای طراحی برج های تقطیر پالایشگاه و همچنین برای شبیه سازی برجهای تقطیر واقعا توانایی خوبی دارد. علاوه بر موارد ذکر شده، سیستمهای پالایشگاهی و پتروشیمیایی غیر پلیمری را هم میتواند شبیه سازی کند.

این نرم افزار با محاسبه دقیق مقدار گرما و مواد در یک پروژه و همچنین ارائه مدل های مختلف ترمودینامیک در بسیاری از صنایع شیمیایی کاربردی و کارساز است.

Aspen Adsim

از جمله نرم‌افزارهای مهم و کاربردی در مهندسی شیمی، صنایع شیمیایی و پتروشیمیایی می باشد. این نرم افزار متعلق به شرکت ASPEN Tech می‌باشد. ویژگی‌های این نرم‌افزار مدل‌سازی و شبیه‌سازی فرآیندها، شناخت دقیق فرآیند و تحلیل رفتار فرآیند در حالت دینامیک، انجام عملیات محاسباتی و موازنه‌های انرژی و جرم به طور دقیق و بسیاری از کاربردهای دیگر می باشد.

نمونه پروژه انجام شده در این نرم افزار

شبیه سازی فرایند PSA بهینه برای جداسازی CO2/N2 در ADSIM

ASPEN-EDR

این نرم افزار در قالب ماژول‌های مختلف (مبدل‌های پوسته و لوله، مبدل‌های صفحه‌ای، Air‎ Cooler‎ و…) به طراحی و ساخت، شبیه‌سازی و ارزیابی مبدل‌های حرارتی می‌پردازد. استفاده از مبدل‌های حرارتی در صنایع مختلف پالایشگاهی، شیمیایی و پتروشیمیایی به فراوانی یافت می‌شود و در حقیقت مبدل‌های حرارتی تجهیزات بسیار کلیدی و حائز اهمیت برای قلب فرایند یعنی راکتورها، برج‌های تقطیر و… هستند.

نمونه پروژه انجام شده

طراحی و شبیه سازی واحد جداسازی دی کلرو دی متیل سیلان

ASPEN Energy Analyzer

نرم افزار Aspen Pinch ابزاری است که به مهندسین طراح، جهت بهینه سازی موازنه ارزش کل و انرژی، جهت کاهش هزینه ها کمک می کند. همچنین این نرم افزار برای حداقل کردن هزینه های طراحی در واحدهای شیمیایی، پالایشگاه ها و نیروگاه ها نیز مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه با توجه به کاهش روزافزون انرژی و گران بودن تجهیزات فرایند در پالایشگاه ها و نیروگاه ها، تکنولوژی پینچ ابزاری مناسب برای بهینه سازی واحدهای صنعتی است.

نمونه پروژه انجام شده

طراحی و بهینه سازی شبکه مبدل های حرارتی واحد ریفرمینگ پتروشیمی رازی

Aspen flare net

این نرم‌افزار به مهندسان فرایند اجازه می‌دهد تا عملکرد مشعل‌های خود را به صورت دقیق شبیه‌سازی کرده و پارامترهای مختلفی مانند دمای شعله، سرعت گازهای خروجی، میزان انتشار آلاینده‌ها و … را پیش‌بینی کنند. همچنین با ارائه قابلیت‌های پیشرفته و دقیق، به مهندسان کمک می‌کند تا عملکرد فرآیندهای خود را بهبود بخشند.

 Petro-SIM

نرم‌افزار Petro-SIM محصولی است که برای طراحی و شبیه‌سازی فرایندهای پالایشگاهی نظیر: صنایع بالادستی، صنایع میان‌‌دستی و صنایع پایین‌‌دستی به کار می‌رود. هرچند که می‌توان از آن برای سایر فرایندها نیز کمک گرفت، اما ویژگی و وجه تمایز اصلی آن، مجموعه‌های کاملی است که در این نرم‌افزار برای شبیه‌سازی فرایندهای پالایشگاهی مانند: آلکیلاسیون (Alkylation)، ریفرمینگ (Reforming)، ویسبریکینگ و… تعبیه شده است.

ANSYS Fluent

Ansys Fluent قوی ترین نرم افزار موجود جهان در زمینه تحلیل مسائل به کمک دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) است. این نرم افزار، این امکان را در اختیار کاربر قرار می دهد که با استفاده از آن، مدل های مورد نظر خود را تحلیل کرده و بازده آن ها را افزایش دهد. توانایی نرم افزار فلوئنت در حل دقیق وسیع‌ترین و پیچیده‌ترین مشکلات، آن را به بهترین نرم افزار شبیه‌ سازی سیالات در بازار تبدیل کرده است. از شبیه سازی جریان هوا بر روی یک وسیله نقلیه الکتریکی گرفته تا احتراق در یک توربین گاز در این نرم افزار انجام می‌شود.

نمونه پروژه انجام شده

شبیه سازی airfoil در انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent)

کاربردهای شبیه‌سازی

شبیه سازی در دنیای امروز کاربرد زیادی در صنعت دارد. که برخی از آنها به شرح زیر است

• انواع خط تولید (مثل خودروسازی،تولید فولاد و …)
• در کارخانه ها،سیستم های حمل و نفل
• فرودگاه ها و خطوط هوایی
• مدیریت زنجیره تامین (SCM) و سیستم های توزیع (DS)
• صنایع پتروشیمی،نفت و گاز

نتیجه‌گیری

در حالت کلی در زندگی امروزی شبیه سازی یکی از ابزارهای لازم برای بررسی هر پروژه علمی و صنعتی پیش از آغاز آن می باشد. در واقع واضح است که در دنیای رقابتی تولید و مهندسی فرآیند، استفاده از نرم افزار شبیه ساز فراگیر شده است و این امر ابزاری ضروری برای ساده سازی و تجزیه و تحلیل فرآیندهای پیچیده است. همانطور که اشاره شد در مهندسی شیمی نیز شیبه سازی بسیار کاربردی و لازم است و انجام فرآیند ها بدون شبیه سازی قبلی کاملا بی معنی است و تنها باعث اتلاف وقت و سرمایه می شود. به عبارتی شبیه‌سازی سبب صرفه جویی در وقت، هزینه و افزایش ایمنی می‌شود.