طراحی فرآیند با نرم افزارهای شبیه ساز

مقدمه

مهندسی شیمی، رشته‌ای است که با طراحی، توسعه و بهره‌برداری از فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی برای تولید مواد و محصولات مختلف سروکار دارد. از آنجایی که این فرآیندها اغلب پیچیده و شامل محاسبات گسترده هستند، استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی برای شبیه‌سازی، تحلیل و بهینه‌سازی آن‌ها امری ضروری است.

شبیه سازهای طراحی فرایند ابزار های قدرتمندی هستند که به مهندسان و محققان اجازه میدهند تا فرآیند های صنعتی را قبل از اجرا به صورت مجازی مدل سازی و تحلیل کنند. این نرم افزارها با استفاده از مدل های ریاضی ، می توانند رفتار سیستم های پیچیده را پیش بینی کرده و به مهندسان کمک کنند تا طراحی های بهینه تری را ارائه دهند.در ادامه به توضیح آنها خواهیم پرداخت.

چرا به نرم افزار های شبیه ساز طراحی فرایند احتیاج داریم؟

• کاهش هزینه‌ها: با شناسایی مشکلات و بهبود عملکرد فرآیند قبل از اجرا، هزینه‌های تولید و تعمیر و نگهداری کاهش می‌یابد.

• افزایش بهره‌وری: با بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند، می‌توان به حداکثر بهره‌وری رسید.

• کاهش ریسک: شبیه‌سازی به مهندسان اجازه می‌دهد تا سناریوهای مختلف را بررسی کرده و ریسک‌های احتمالی را شناسایی کنند.

• تسریع در طراحی و توسعه: با استفاده از شبیه‌سازی می‌توان طراحی و توسعه فرآیندها را سرعت بخشید.

اجزای اصلی یک شبیه‌ساز فرآیند

• رابط کاربری گرافیکی (GUI): برای ایجاد و ویرایش مدل‌های فرآیند

• کتابخانه اجزا: شامل اجزای استاندارد مانند پمپ‌ها، مخازن، مبدل‌های حرارتی و …

• حل‌کننده معادلات: برای حل معادلات دیفرانسیل و جبری که مدل فرآیند را توصیف می‌کنند

شبیه سازی فرآیند به دو شکل انجام می شود:

• پایا یا استاتیک (steady state)

• دینامیک (dynamic or unsteady state)

1. شبیه سازی فرآیند به صورت پایا به این شکل است که موازنه انرژی و ماده در شرایطی انجام می شود که فرآیند وابسته به زمان نیست.
2. مبنا و پایه شبیه سازی دینامیک همان شبیه سازی در حالت پایا یا steady state است.
3. برای شبیه سازی در حالت دینامیک، ابتدا باید شبیه سازی در حالت پایا انجام شود سپس بعضی از مشخصه ها و پارامترها باید در حالت دینامیک تعریف شوند و در نهایت شبیه سازی برای حالت دینامیک اجرا شود.
4. شبیه سازی در حالت دینامیک ریاضیات پیچیده تری دارد و زمان طولانی تری برای اجرا یا run نیاز دارد.

معرفی نرم افزار های طراحی فرایند

ASPEN PLUS

نرم افزار Aspen plus که به آن اسپن هم گفته می شود یکی از نرم افزارهای جامع و بسیار پر کاربرد در زمینه شبیه‌سازی و طراحی فرآیندهای شیمیایی است. واژه Aspen ترکیبی از حروف اول کلمات Advanced System for Process Engineering است.

این نرم افزار محصول شرکت Aspentech است که به صورت یک بسته نرم افزاری جامع و کامل به عنوان Aspen one ارائه می شود. 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. یکی از مهم ترین و جامع ترین نرم افزارها در این زمینه، نرم افزار اسپن پلاس می باشد.

قابلیت های نرم افزار ASPEN PLUS

1. سرعت و دقت بالا در حل مسائل پیچیده شیمیایی و ترمودینامیکی

2. امکان شبیه سازی و طراحی فرآیند های شیمیایی مختلف از جمله فرآیند های نفت، گاز، پتروشیمی، الکترولیتی، پلیمری، دارویی و…

3. طراحی و شبیه سازی تجهیزات مختلف در فرآیندها از جمله انواع برج ها، میکسرها، پمپ و کمپرسور، مبدل های حرارتی و …

4. امکان شبیه سازی و طراحی فرآیندهای مرتبط با مواد جامد

5. شبیه سازی فرآیند به صورت پایا (steady state) و دینامیک (unsteady state)

6. امکان تجزیه و تحلیل پارامتر های مختلف بوسیله نمودارهای مختلف و بهینه سازی آنها

7. کد نویسی در تمام قسمت های نرم افزار با استفاده از زبان برنامه نویسی فرترن (FORTRAN)

HYSYS

نرم افزار Aspen-Hysys که به اختصار به آن Hysys هم گفته می شود، یکی از قدرتمندترین نرم افزارهای شبیه سازی فرآیند های شیمیایی است Hysys ترکیبی از دو عبارت Hyprotech که نام شرکت سازنده این نرم افزار و System است.

نرم‌ افزار هایسیس از نرم افزارهای قدرتمند مهندسی شیمی به شمار می رود. این نرم افزار ساخت شرکت نرم‌ افزاری مشهور Aspen Tech می باشد. ASPEN HYSYS در زمینه شبیه سازی فرآیندهای پالایشگاهی، پتروشیمی، الکترولیتی و مواد جامد بسیار قدرتمند و دقیق می باشد.

نرم افزار هایسیس می تواند بسیاری از محاسبات پایه و اصلی در زمینه مهندسی شیمی مانند موارد زیر را انجام دهد:

1. موازنه ماده (mass balance)

2. موازنه انرژی (energy balance)

3. تعادل بخار- مایع (vapor-liquid equilibrium)

4. انتقال حرارت (heat transfer)

5. انتقال جرم (mass transfer)

6. سینتیک شیمیایی (chemical kinetics)

7. جداسازی (fractionation or separation process)

8. افت فشار (pressure drop)

 تفاوت های 2 نرم افزار ASPEN PLUS و HYSYS

 محیط هر دو نرم افزار بسیار به یکدیگر شبیه است و تنها در بعضی از جزئیات متفاوت است.

یکی از تفاوت های این دو نرم افزار این است که وقتی از نرم افزار هایسیس برای شبیه سازی و طراحی فرآیند استفاده می کنیم، هر زمانی که حداقل اطلاعات ورودی که نرم افزار برای
انجام محاسبات به آن ها نیاز دارد کامل شود، بدون نیاز به دستور کاربر محاسبات اجرا یا به اصطلاح run می شود. به بیان دیگر solver یا سیستم حل کننده معادلات در نرم افزار هایسیس به صورت پیشفرض در حالت active یا فعال قرار دارد مگر اینکه کاربر بنا به ملاحظات مربوط به محاسبات بخواهد solver را در حالت on hold یا توقف قرار دهد تا هر زمان که بخواهد آن را به حالت فعال برگردانده و محاسبات را run کند.

برخلاف نرم افزار هایسیس، در نرم افزار Aspen، محاسبات زمانی run می شود که کاربر به نرم افزار اجازه اجرا و انجام محاسبات را داده باشد.نرم افزار هایسیس معمولا برای شبیه سازی و طراحی فرآیندهای زیر استفاده می شود:

• پتروشیمیایی
• پالایشگاهی
• صنایع مرتبط با نفت و گاز

نرم افزار Aspen معمولا برای شبیه سازی و طراحی فرآیندهای زیر مورد استفاده قرار می گیرد:

• شیمیایی
• الکترولیتی
• پلیمری
• مواد جامد

بنابراین علی رغم شباهت های این دو نرم افزار برای کارایی بهتر و دقت بالاتر در انجام محاسبات،بهتر است با توجه به نوع فرآیند از نرم افزار مناسب استفاده کنیم.

ASPEN ADSIM

نرم‌افزار  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 که در حال حاضر بزرگ‌ترین شرکت فعال در زمینه‌ی شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی است.

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. نرم‌افزار ASPEN از ماژول‌های متفاوتی تشکیل شده است که هر کدام بر روی بخش خاصی تمرکز دارند. برای مثال، ASPEN Plus‌ برای شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی، ASPEN Properties برای تعیین خواص فیزیکی و شیمیایی مواد و ASPEN B-JAC برای طراحی مبدل‌های حرارتی به کار می‌روند. یکی دیگر از این ماژول‌ها ASPEN Adsim می‌باشد که هدف آن شبیه‌سازی فرآیندهای جذب سطحی می‌باشد.

Aspen Energy Analyzer

تحلیلگرهای انرژی ابزاری حیاتی برای بهینه‌سازی هزینه‌ها و مصرف انرژی، شناسایی و حل مسائل مربوط به کیفیت انرژی، حفاظت از تجهیزات و بهبود استراتژی‌های مدیریت انرژی هستند. به همین دلیل استفاده از آنالایزرهای انرژی به ویژه برای مطالعات در مقیاس بزرگ از جایگاه مهمی برخوردار است.

ویژگی‌های کلیدی Aspen Energy Analyzer

• شبیه‌سازی دقیق فرآیند: این نرم‌افزار قادر است مدل‌های بسیار دقیقی از فرآیندهای صنعتی ایجاد کند که شامل تجهیزات، جریان‌های سیال، و شرایط عملیاتی است.
• تحلیل مصرف انرژی: با استفاده از این مدل‌ها، Aspen Energy Analyzer می‌تواند مصرف انرژی در هر نقطه از فرآیند را محاسبه و تجزیه و تحلیل کند.
• شناسایی نقاط بحرانی مصرف انرژی: این نرم‌افزار به طور خودکار نقاطی از فرآیند را که بیشترین مصرف انرژی را دارند شناسایی می‌کند.
• ارائه راهکارهای بهینه‌سازی: Aspen Energy Analyzer با پیشنهاد تغییرات در شرایط عملیاتی، طراحی تجهیزات، یا انتخاب تجهیزات جدید، راهکارهای عملی برای کاهش مصرف انرژی ارائه می‌دهد.
• ارزیابی اقتصادی: این نرم‌افزار می‌تواند اثرات اقتصادی تغییرات پیشنهادی را بر روی هزینه‌های عملیاتی ارزیابی کند.

کاربرد ها

• بهینه‌سازی مصرف انرژی در واحدهای صنعتی: این نرم‌افزار می‌تواند برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در واحدهای مختلفی مانند پالایشگاه‌ها، پتروشیمی‌ها، و نیروگاه‌ها استفاده شود.
• طراحی واحدهای صنعتی جدید: Aspen Energy Analyzer می‌تواند در مرحله طراحی واحدهای صنعتی جدید برای انتخاب تجهیزات بهینه از نظر مصرف انرژی استفاده شود.
• کاهش هزینه‌های عملیاتی: با کاهش مصرف انرژی، هزینه‌های عملیاتی واحدهای صنعتی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.
• کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای: کاهش مصرف انرژی به معنای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و کمک به حفظ محیط زیست است.

`

ASPEN FLARENET

موضوع فلرینگ در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی از دو جهت کلی دارای اهمیتی بسیار می‌باشد. نخست اینکه گاز‌های انتقالی ارسالی به فلر گاز‌هایی با ارزش‌های اقتصادی بسیار قابل توجه می‌باشند و دومین نکته تاثیرات بسیار مخرب محیط زیستی ناشی از اشتعال و احتراق گاز‌های ذکر شده است. لذا جهت جلوگیری از فلرینگ (Flaring) باید مدیریتی اعمال شود که برای مقابله با سناریو‌های مختلف در یک پالایشگاه از هدر رفتن گاز‌های ارسالی به فلر جلوگیری شود و به نحوی استفاده بهینه به عمل آید. 

به جهت طراحی تخصصی و محاسبات مهندسی مربوطه و شبیه سازی این امر از نرم‌افزار تخصصی Aspen Flare Net استفاده می‌شود. 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.

PRO II

 نرم افزار PRO II نرم افزاری حرفه ای برای طراحی و شبیه‌سازی فرآیند های شیمیایی و تجزیه و تحلیل فرآیند ها در صنایع نفت، گاز و مواد شیمیایی است. 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.

همچنین می توان در صنایع مختلفی چون مهندسی سبز، پالایش، پروژه های نفت و گاز، پتروشیمی، مواد شیمیایی، پلیمر و داروسازی بهره برد.

PRO/II دارای قدرت و انعطاف پذیری برای شبیه سازی طیف وسیعی از فرآیندها در حالت پایدار است، از پالایش گرفته تا مواد شیمیایی. همچنین نتایج قوی و دقیقی را بر اساس روش‌های ترمودینامیکی استاندارد صنعتی و داده‌های دارایی فیزیکی ارائه می‌دهد.

PROMAX

یک نرم افزار شبیه سازی فرآیند قدرتمند و همه کاره مبتنی بر جریان است. از PROMAX برای طراحی و بهینه سازی تاسیسات پردازش گاز، پالایش و شیمیایی استفاده می شود. برای 35 سال، Bryan Research & Engineering (BR&E) متعهد به ارائه نرم‌افزار شبیه‌سازی فرآیند به صنعت انرژی بوده است که به طور دقیق و کارآمد عملکرد پردازش گاز، پالایش و فرآیندهای شیمیایی را پیش‌بینی می‌کند.
امروزه، شبیه ساز Pro Max BR&E توسط مهندسان در سراسر جهان برای طراحی و بهینه سازی امکانات پردازش استفاده می شود. Pro Max که کاملاً با Microsoft Visio، Excel و Word یکپارچه شده است، یک ابزار جامع است که انعطاف پذیری بی نظیری را ارائه می دهد.

برخی از کاربرد های  رایج Pro Max عبارتند از

1. مشخصات نفت خام
2. فرآیند پالایش
3. شیرین کننده های گاز و مایع
4. بازیافت گوگرد
5. فرآیند های شیمیایی
6. بازیابی و تفکیک LPG
7. مهار هیدرات / کاهش آب گلیکول
8. سیستم های خط لوله

PETROSIM

پتروسیم یکی از نرم‌افزارهای پیشرو در زمینه شبیه‌سازی فرآیندهای پالایشگاهی است که توسط شرکت KBC توسعه یافته است. این نرم‌افزار به مهندسان فرآیند اجازه می‌دهد تا فرآیندهای پیچیده پالایشگاهی را مدل‌سازی، تحلیل و بهینه‌سازی کنند.

کاربردهای PETROSIM

• طراحی و شبیه‌سازی واحدهای پالایشگاهی جدید: پتروسیم به مهندسان کمک می‌کند تا واحدهای پالایشگاهی جدید را طراحی کرده و عملکرد آن‌ها را پیش‌بینی کنند.
• بهینه‌سازی فرآیندهای موجود: با استفاده از پتروسیم می‌توان فرآیندهای موجود را بهینه کرده و ظرفیت تولید را افزایش داد.
• تحلیل مشکلات عملیاتی: پتروسیم به شما کمک می‌کند تا مشکلات عملیاتی را شناسایی کرده و راه حل‌های مناسب برای آن‌ها پیدا کنید.
• آموزش: پتروسیم به عنوان یک ابزار آموزشی برای آموزش مهندسان فرآیند در زمینه شبیه‌سازی فرآیندهای پالایشگاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

Chemcad

یک نرم‌افزار جامع  برای شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی است که به مهندسان شیمی امکان می‌دهد تا فرآیندهای پیچیده را مدل‌سازی، تحلیل و بهینه‌سازی کنند.

چه کاری می‌توان با Chemcad انجام داد؟

1. شبیه‌سازی فرآیندهای مختلف: Chemcad قابلیت شبیه‌سازی انواع فرآیندهای شیمیایی از جمله تقطیر، جذب، استخراج، واکنش و … را دارد.
2. طراحی و بهینه‌سازی فرآیند: با استفاده از Chemcad می‌توان فرآیندهای جدید را طراحی کرده و فرآیندهای موجود را بهینه‌سازی نمود.
3. تحلیل حساسیت: این نرم‌افزار به شما اجازه می‌دهد تا تأثیر تغییرات پارامترهای مختلف بر روی عملکرد فرآیند را تحلیل کنید.
4. محاسبه موازنه جرم و انرژی: Chemcad به صورت خودکار موازنه جرم و انرژی را برای فرآیندهای شبیه‌سازی شده انجام می‌دهد.
5. طراحی تجهیزات: این نرم‌افزار قابلیت طراحی تجهیزات مختلف مانند برج‌های تقطیر، مبدل‌های حرارتی و … را دارد.
6. شبیه‌سازی دینامیکی: Chemcad قابلیت شبیه‌سازی دینامیکی فرآیندها را دارد که به شما اجازه می‌دهد تا رفتار فرآیند در شرایط مختلف را بررسی کنید

SUPERPRODEIGNER

این نرم افزار میتواند در ارزیابی و بهینه‌سازی فرآیندهای یکپارچه و پیوسته را در طیف گسترده‌ای از جمله صنایع بیوتکنولوژی، داروسازی، مواد شیمیایی، پردازش مواد غذایی، متالورژی ،مواد ، تصفیه آب ، تصفیه فاضلاب ،کنترل آلودگی هوا  کمک کند.

چه کاری میتوان با نرم افزار Super pro Designer انجام داد؟

• مدل‌سازی فرآیندهای پیچیده: SuperPro Designer قابلیت مدل‌سازی فرآیندهای پیچیده با چندین مرحله و واحد عملیاتی را دارد.
• شبیه‌سازی پارتچ‌های مختلف: این نرم‌افزار به شما اجازه می‌دهد تا پارتچ‌های مختلف یک فرآیند را شبیه‌سازی کرده و تأثیر تغییرات در هر پارتچ را بر روی کل فرآیند بررسی کنید.
• بهینه‌سازی فرآیند: SuperPro Designer به شما کمک می‌کند تا با تغییر پارامترهای مختلف، فرآیند را بهینه کرده و به حداکثر بازده و حداقل هزینه برسید.
• تحلیل اقتصادی: این نرم‌افزار قابلیت انجام تحلیل اقتصادی فرآیندها را دارد و به شما کمک می‌کند تا هزینه‌های تولید را تخمین بزنید.
• طراحی واحدهای عملیاتی: SuperPro Designer به شما امکان می‌دهد تا واحدهای عملیاتی مختلف مانند راکتورها، مبدل‌های حرارتی، فیلترها و … را طراحی کنید.
• شبیه‌سازی فرآیندهای جداسازی: این نرم‌افزار قابلیت شبیه‌سازی فرآیندهای جداسازی مانند تقطیر، استخراج، کریستالیزاسیون و … را دارد

COMSOL Multiphysics

این نرم افزار همه منظوره بوده و با استفاده از روش ­های حل عددی پیشرفته ، اقدام به مدل­سازی و شبیه ­سازی مسائل فیزیک ­محور می کند.

همینطور قادر خواهید بود که پلتفرم شبیه­ سازی را با استفاده از ابزارها و رابط­ه ای اختصاصی برای کاربردهای الکتریکی، مکانیکی، شیمیایی و جریان سیال توسعه دهید.

کاربرد های نرم افزار COMSOL

• مهندسی مکانیک: شبیه‌سازی جریان‌های سیال، انتقال حرارت، ساختارها، و ارتعاشات.
• مهندسی برق: شبیه‌سازی مدارهای الکترونیکی، الکترومغناطیس، و دستگاه‌های الکترونیکی.
• مهندسی شیمی: شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی، انتقال جرم، و واکنش‌های شیمیایی.
• علوم زیستی: شبیه‌سازی جریان خون، انتقال دارو، و رشد سلول‌ها.
• علوم زمین: شبیه‌سازی جریان زیرزمینی، زمین‌لرزه‌ها، و پدیده‌های جوی

نتیجه گیری

نرم‌افزارهای طراحی فرآیند به عنوان ابزارهای قدرتمند و ضروری، به مهندسان شیمی کمک می‌کنند تا فرآیندهای پیچیده را با دقت و سرعت بیشتری طراحی، تحلیل و بهبود بخشند. استفاده از این نرم‌افزارها نه تنها به افزایش بهره‌وری و کاهش هزینه‌ها منجر می‌شود، بلکه به نوآوری و توسعه محصولات جدید نیز کمک می‌کند. یادگیری این نرم‌افزارها نیازمند دانش پایه در زمینه مهندسی شیمی و همچنین تمرین و تجربه است. اما بسیاری از این نرم‌افزارها دارای رابط کاربری کاربرپسند و امکانات آموزشی هستند.در دنیای رقابتی امروز، تسلط بر این نرم‌افزارها به عنوان یک مزیت رقابتی برای مهندسان شیمی محسوب می‌شود.

---

کسب اطلاعات بیشتر