نرم افزار اسپن پلاس(ASPEN PLUS):
باتوجه به رشد روزافزون صنایع شیمیایی و فرآیندهای نفت، گاز و پتروشیمی استفاده از نرم افزارهای مهندسی برای شبیه سازی و ارزیابی واحدها گریز ناپذیر است. به کمک این نرم افزارهای شبیه ساز می توان واحدهای پیچیده ای همچون پالایشگاه ها را نیز مدل سازی و شبیه سازی کرد. از کاربردهای نرم افزار اسپن پلاس 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 که بخش عمده ای از نیازهای مهندسین شیمی را برطرف می کند. نقطه قوت نرم افزار اسپن پلاس نسبت به سایر نرم افزارهای شبیه سازی، بانک اطلاعاتی قوی این نرم افزار در زمینه خواص فیزیکی و شیمیایی جامدات، مایعات و گازها می باشد. همچنین امکان طراحی و شبیه سازی واحدهای فرآیندی پلیمری و فرآیندهای جامد، ویژگی دیگری می باشد که اسپن پلاس را نسبت به سایر نرم افزارها متمایز می کند. عمدتا اسپن پلاس به دلیل پایگاه اطلاعاتی مناسب برای مواد جامد نامتعارف پیشگام است.
نرم افزار اسپن( ASPEN) :
در سال ۱۹۷۰ تعدادی از دانشجویان دانشگاه HIT اقدام به نوشتن برنامه کامپیوتری برای شبیه سازی فرآیندهای شیمیایی کردند. با گذشت زمان و موفقیت هایی که در این زمینه حاصل شد در سال ۱۹۸۰ اقدام به پایه گذاری شرکت ASPEN TECH نمودند. در حال حاضر این شرکت، بزرگترین شرکت فعال در زمینه شبیه سازی فرآیندهای شیمیایی در جهان است. نرم افزار ASPEN جزء کاملترین و قوی ترین مجموعه نرم افزارهای شبیه سازی است و بخش های مختلف آن در قالب ASPEN Engineering suit به صورت بسته های مستقل نرم افزاری ارائه می گردند. بسته نرم افزاری ASPEN PLUS از مهمترین اعضا این مجموعه می باشد و به عنوان پایه سایر بسته های ASPEN استفاده می گردد. بدین معنی که می توان شبیه سازی دقیق تر و تخصصی فرآیندهای مختلف از قبیل ستون های تقطير، مبدل های حرارتی و… را در داخل بسته های مربوط انجام داده و نتایج حاصل را در ASPEN PLUS جایگزین نمود.
قابلیت های نرم افزار اسپن پلاس:
- دقت و سرعت بالا در محاسبه پیچیده ترین مسائل فرآیندهای شیمیایی
- پشتیبانی از اکثر فرآیندهای نفت، گاز، پتروشیمی، فرآیندهای الکترولیتی، دارویی و …
- طراحی دقیق و پیشرفته تجهیزات فرآیندی همچون برجها، راکتورها، مبدل های حرارتی و …
- قابلیت شبیه سازی فرآیندهای پلیمری
- قابلیت شبیه سازی فرآیندهای مربوط به مواد جامد
- امکان شبیه سازی تجهیزات و فرآیندهای غیر ایده آل
- امکان شبیه سازی فرآیند به صورت پایا و دینامیک
- امکان تغییر در شرایط و پارامترهای عملیاتی فرآیند و بهبود آنها
- امکان آنالیز و تحلیل و پارامترهای مختلف فرآیند توسط نمودارهای مختلف و بهینه سازی آن پارامترها
- امکان کدنویسی در تمامی قسمت های نرم افزار توسط زبان برنامه نویسی فورترن.
شبیه سازی:
شبیهسازی یا مدلسازی ریاضی در واقع تبدیل کیفیتهای فیزیکی و رابطه متقابل این کیفیت ها به کمیتهای عددی و روابط ریاضی است. بدین ترتیب یک مدل ریاضی شامل متغیرها و مجموعه معادلات وابسته به آنها است که میتواند تأثیر متقابل این متغیرها را، همان طور که در دنیای واقعی اتفاق میافتد نشان دهد. از این رو یک مدل ریاضی وسیلهی بسیار مناسبی در دست تحلیلگری است که با استفاده از آن میتواند رفتار یک سیستم را پیش از اعمال واقعی تغییرات پیشبینی کند. این خاصیت به خصوص در مورد سیستمهایی که امکان اعمال واقعی تغییرات در آنها محدود است بسیار مفید و کارآمد خواهد بود. یکی از مثالهای مشخص این سیستمها فرآیندهای شیمیایی است. در این مورد به دلیل تعداد زیاد متغیرهای عملیاتی و مخارج و مخاطرات زیاد تجربه کردن تغییر در هریک از این متغیرها، وجود یک مدل ریاضی که بتواند امکان انجام تجربیات مختلف را به سادگی در اختیار تحلیلگر قرار دهد، بسیار ارزشمند و قابل توجه است. از یک نظر شبیهسازی فرآیندها در واقع اعمال معادلات موازنه جرم و انرژی به همراه شرایط تعادل فازها در یک سیستم است که معمولا جهت سهولت کار به حالت پایای سیستم بسنده می شود. در این حالت با اعمال شرایط تعادل ترمودینامیکی مجموعه معادلاتی به وجود خواهد آمد که در کنار معادلات متداول موازنه جرم و انرژی مجموعه معادلات هم زمانی را تشکیل میدهند که درواقع به مدل ریاضی فرآیند تعبیر میشود. مدل ها غالبا به سه دسته تئوری، نیمه تجربی و تجربی تقسیم می شوند. مدل های تئوری به طور کامل براساس قوانین تئوری استوارند مانند راکتور همزن دار که در صنعت کاربرد کمتری دارد. مدلهای نیمه تجربی بر پایه روابط تئوری و با استفاده از نتایج اصلاحات تجربی بوجود میآیند. معادلات حالت از این دسته هستند. مدل های تجربی براساس روابط تجربی شکل گرفتهاند. با این که محدود کردن شرایط تعادل به تعادل فازها و حذف واکنش های شیمیایی به میزان زیادی از پیچیدگی این مجموعه معادلات کلی میکاهد، با این همه حل این معادلات تنها به وسیله روش های پیچیده محاسبات عددی و بهره جویی از امکانات محاسبات کامپیوتری امکان پذیر است. برنامههای شبیهسازی فرآیند در واقع بستههای نرم افزاری هستند که تشکیل و حل این معادلات را مقدور میسازند. به عبارت دیگر شبیهسازی عبارت است از به کارگیری مدل ها و ایجاد ارتباط بین آنها برای توصیف عملی و علمی شرایط و حالات یک سیستم و تعیین خروجیهای آن با توجه به داده های ورودی، لذا تکرار شبیه سازی در حالات و شرایط مختلف ورودی میتواند ما را در طراحی فرآیند یاری کند. آنچه مسلم است این دقت و میزان انحراف از نتایج تجربی است که ضامن اعتبار و اهمیت یک مدل یا یک شبیهساز است.
مهمترین موراد کاربرد شبیهسازها در بررسی عملکرد، رفع تنگناها و مشکلات فرآیندی، ایجاد تغییرات در شرایط عملیاتی و پیشبینی نتایج حاصل از آن میباشد. در بعضی از موارد میتوان از شبیهسازها برای انجام و بررسی آزمایشهای پیچیده که تکرار آنها در عمل مستلزم وقت و هزینه بسیار زیاد است، سود برد. از دیگر موارد شبیهسازی، افزایش مقیاس واحدهای آزمایشگاهی میباشد که موجب حذف مرحله ساختن واحد نیمهصنعتی میگردد. از این رو است که در سال های اخیر شبیهسازهای بسیاری در قالب بسته های نرم افزاری تهیه و به بازار عرضه شده اند. به کمک این نرم افزارها میتوان حتی واحدهای پیچیده ای چون پالایشگاه ها را به منظور طراحی، توسعه، بهبود عملیات و رفع تنگناها به راحتی در مدت زمان بسیار کوتاهی شبیهسازی و بهینه سازی نمود. در این میان از نرم افزارهایی چون HYSIM، CHEMSHARE، ASPEN، PRO/II، PROMAX، ASPEN HYSYS و HEXTRAN میتوان نام برد که در دنیا کاربرد وسیعی دارند. مقایسه قابلیتهای هریک از نرم افزارهای موجود و انتخاب نرمافزار مناسب، به میزان وسعت اطلاعات کتابخانهای و میزان دقت و فراوانی داده های ترموفیزیکی موجود در آن وابسته میباشد.
انتخاب مدل ترمودینامیکی:
به طور کلی در شبیهسازی یک فرآیند شیمیایی مهمترین قسمت انتخاب مدلهای خواص فیزیکی برای پیشبینی خواص فیزیکی و ترمودینامیکی سیستم است. زیرا خواص فیزیکی در محاسبات مربوط به تمامی مدلهای توصیف کننده سیستم دخالت دارند و هر نوع خطای احتمالی در انتخاب یک مدل نامناسب برای هر خاصیت فیزیکی موجب بروز خطا در نتایج شبیهسازی کل سیستم خواهد شد. در این میان مهمترین خواص مورد نیاز برای انجام محاسبات اصلی براساس یک معادله حالت به دست میآید. این خواص شامل حجم مولی، آنتالپی، انرژی آزاد گیبس و ضرائب فوگاسیته برای کلیه مواد موجود در فرآیند میگردد. به همین خاطر انتخاب یک معادله حالت مناسب برای توصیف رفتار ترمودینامیکی مواد موجود در فرآیند قسمت عمدهای از یک شبیهسازی را تشکیل میدهد. هایسیس دارای تعداد زیادی مدلهای خواص فیزیکی است که هر کدام قادر به پیش بینی خواص یک سری از سیستمهای مواد در شرایط عملیاتی مختلف میباشد. استفاده کننده با توجه به نوع و شرایط خاص مسأله خود باید یک یا تعدادی از این معادلات را انتخاب کند. به علاوه روش های خاصی جهت محاسبه بعضی از خواص نیز قابل انتخاب هستند.
مدلسازی فرآیند:
منظور از مدلسازی فرآیند توصیف ماهیت سیستم تولید (موازنههای جرم و انرژی) در قالب معادلات ریاضی است. این معادلات عموما غیرخطی و به شکل معادلات جبری، دیفرانسیلی و یا مخلوط آنها است که این معادلات همگی به صورت اطلاعات کتابخانهای در نرمافزارهای شبیهسازی ذخیره شدهاند که از کنار هم قرار دادن این معادلات، مدلی از فرآیند ساخته میشود.
شبیهسازی فرآیند:
منظور از شبیهسازی فرآیند به دست آوردن اطلاعات خروجی (به طور مثال مشخصات محصول) از طریق حل مدل های فوق براساس اطلاعات ورودی (به طور مثال مشخصات خوراك) و اطلاعات مربوط به مشخصات دستگاه های فرآیندی (که بخشی از آنها توسط کاربر به نرمافزار داده میشود) است.
کاربردهای یک نرم افزار جامع شبیهسازی فرآیند در مهندسی فرآیند شامل موارد زیر میباشد:
- مطالعه و بررسی گزینههای مختلف خط تولید از نظر افزایش ظرفیت واحد با هدف طراحی و ساخت واحد.
- جلوگیری از اشتباهات پرخرج در طراحی و ساخت واحد.
- استفاده از اطلاعات حاصل از شبیه سازی در طراحی دستگاهها، تجهیزات مکانیکی، پایپینگ، ابزار دقیق، سیستمهای برقی و سازه ساختمان و قابلیت اتصال نرمافزارهای شبیهسازی به نرم افزارهای طراحی این سیستمها و انتقال اطلاعات به آنها.
- پیشبینی عملکرد در شرایط مختلف عملیاتی و تعیین نقطه بهینه عملکرد فرآیندی از لحاظ کاهش هزینههای عملیاتی(مصرف آب، انرژی و …)، تعیین حداکثر ظرفیتهای تولید فرآیند، بررسی صحت عملکرد سیستمهای کنترل موجود و تنظیم مجدد آنها و … .
- تبادل اطلاعات با نرمافزارهای دیگر به صورت دوطرفه، توانایی دسترسی به اطلاعات کتابخانهای، افزودن مدلهای دلخواه کاربر و اجرای برنامه طبق روش دلخواه کاربر.
نرم افزار اسپن هایسیس(Aspen HYSYS):
نرم افزار اسپن هایسیس به دلیل این که تمامی فرآیندهای نفت، گاز، پتروشیمی و بسیاری از فرآیندهای موجود در صنایع را تحت پوشش قرار میدهد و همچنین توانایی مدلسازی آن برای حالتهای پویای (دینامیک) فرآیندها بسیار بالاست، ساده و سریع می باشد، لذا به عنوان یکی از نرم افزارهای جامع و پرکاربرد در زمینه مهندسی فرآیند مطرح است.
تواناییهای نرم افزار اسپن هایسیس(Aspen HYSYS):
- با اسپن هایسیس میتوان عملیات مجتمع را به سرعت بهبود بخشید و از صحت عملکرد دستگاه ها اطمینان حاصل کرد. برای مثال در تشخیص نقص دستگاه ها مانند میزان جرم گرفتگی مبدل ها و پدیده طغیان در برج های تقطیر میتوان از آن استفاده کرد.
- در این نرم افزار مجموعه بسیار جامعی از داده های کتابخانهای از قبیل مواد خالص، معادلات حالات مختلف، معادلات ضریب اکتیویته برای سیستمهای ایده آل و غیر ایده آل وجود دارد.
- یک کتابخانه جامع ترکیبات خالص در اسپن هایسیس وجود دارد که قابلیت افزودن ترکیبات اختصاصی با استفاده از داده های شخصی و با تهیه ترکیباتی با استفاده از گروههای یونیفک را دارد. همچنین این نرم افزار قادر است تا برش های مختلف نفتی را براساس دادههای تقطیر استاندارد ASTM به وجود آورد.
- توانایی انجام محاسبات سودمندی نظیر شرایط تشکیل هیدارت گازی، خواص نفتی و محاسبات اندازه یابیها را داراست.
- در اسپن هایسیس عملیات واحدهای متعدد و گوناگونی مانند انواع مبدلهای حرارتی، تجهیزات دوار مانند پمپ و کمپرسور، جداکننده ها، برج های تقطیر، راکتورها، عملیات جداسازی جامدات و عملیات منطقی موجود است. به علاوه عملیات واحد خاص را نیز میتوان از طریق برنامه نویسی به این نرم افزار اضافه نمود.
- کلیه واکنشهای شیمیایی مورد نیاز برای یک فرآیند یک بار نوشته شده و در طول برنامه هرجا که مورد نیاز باشد مورد استفاده قرار میگیرند.
- این امکان در اسپن هایسیس وجود دارد که یک برج تقطیر پیچیده را در یک نمودار جریان فرعی به صورت جداگانه حل کرده و سپس محاسبات را در نمودار جریان اصلی ادامه داد.
- به راحتی میتوان نتایج محاسبات را به نرم افزارهای عمومی نظیر EXCEL و WORD منتقل نمود.
- PFD فرآیند را میتوان با فرمت DXF برای استفاده در سایر برنامهها تهیه کرد.
نمونه پروژه های انجام شده اسپن هایسیس(Aspen HYSYS) در موسسه انسیس سی اف دی:
پروژه شبیه سازی فرآیند جداسازی هیدروژن سولفید(H2S) و آمونیاک از آب ترش در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی سنتز پروپیلن گلایکول از هیدرولیز پروپیلن اکساید در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی جداسازی نیتروژن از متان به روش تقطیر تبریدی در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی جداسازی هپتان و تولوئن با تقطیر استخراجی به کمک حلال فنول در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی فرآیند تقطیر اتمسفریک نفت خام در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی جداسازی اتیلن و اتان در ستون تقطیر در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی جداسازی گاز دی اکسید کربن از گازهای دودکش در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی فرآیند تولید اِن-اکتان(n-Octane) در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی احتراق متان در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی فرآیند کلریناسیون بنزن(کلروبنزن) در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی فرآیند تولید سیکلوهگزان از هیدروژناسیون بنزن در نرم افزار اسپن هایسیس
پروژه شبیه سازی مبدل حرارتی در نرم افزار اسپن هایسیس
نمونه پروژه های انجام شده اسپن پلاس(Aspen PLUS) در موسسه انسیس سی اف دی:
پروژه شبیه سازی جذب گاز کربن دی اکسید در محلول آبی متیل دی اتانول آمین(MDEA) در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی تولید اتیل بنزن در راکتور ناپیوسته(RBatch) در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی سنتز آمونیاک از سینگاز(Syngas) در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی جداسازی مخلوط آزئوتروپیک اتانول و آب به روش تقطیر فشار نوسانی در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی فرآیند تولید ایزوپروپیل بنزن(کیومن) در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی حذف رطوبت از زغال تر(Wet Coal) در راکتور تبدیل RSTOIC در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی و بهینه سازی فرآیند تولید آمونیاک(Ammonia) از مخلوط گازها در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی تولید دی متیل اتر(DME) از گازهای سنتزی(مخلوط گازی CO2 و H2) در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی تولید استالدهید(Acetaldehyde) از اتانول در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی فرآیند سنتز و تولید متانول از گاز سنتز(سینگاز) در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی جداسازی و تولید بیودیزل از روغن گیاهی پالم در نرم افزار اسپن پلاس
پروژه شبیه سازی سیکل رانکین آلی در نرم افزار اسپن پلاس