صنعتعلوم و تکنولوژیفناوری و اطلاعاتوب سایت و اپلیکیشن

نرم افزارهای مهندسی شیمی

حوزه مهندسی شیمی در حال تغییر مداوم است، بنابراین مطابق آن ابزارهای محاسبه و نرم افزارهای مهندسی شیمی در دسترس قرار می گیرد. در زندگی روزمره سریع، این موضوع برای یک مهندس شیمی چالشی قابل توجه است که بداند کدام ابزار می تواند برای حل یک مشکل خاص بهتر عمل کند.

نرم افزارهای مختلف را می توان برای حل مشکلات معمول در بالانس جرم و انرژی، مکانیک سیالات، انتقال حرارت و جرم، عملیات واحد، مهندسی راکتور و طراحی و کنترل فرآیند و تجهیزات به کار برد.

در این مقاله، ما بر اساس تجربیات، مقالات موجود و بحث ها، مهمترین ابزارها و نرم افزارهای مهندسی شیمی را همراه با قابلیت های آنها برجسته می کنیم.

شکل زیر مفیدترین نرم افزارهای مهندسی شیمی را خلاصه می کند:

بنابراین بر اساس این شکل بررسی را ادامه می دهیم.

نرم افزارهای عمومی مدل سازی ریاضی

 MS Excel

این یک واقعیت شناخته شده است که مایکروسافت اکسل یک برنامه صفحه گسترده است که شامل محاسبات، ابزارهای نمودار، جداول و یک زبان برنامه نویسی ماکرو به نام ویژوال بیسیک است. مزیت اصلی اکسل این است که در دسترس است و به طور گسترده در صنعت و دانشگاه مورد استفاده قرار می گیرد. بنابراین، این یک ابزار یا رابط کامل نه تنها برای انجام محاسبات بلکه برای اتصال نرم افزارهای مختلف است تا کاربر نهایی بتواند با اکسل تعامل داشته باشد و در پشت صحنه نرم افزارهای دیگری مانند CHEMCAD ، MATLAB و غیره در حال اجرا و گزارش نتایج و برگشت اطلاعات به اکسل باشند. بنابراین یادگیری اکسل نیز در کنار نرم افزارهای مهندسی شیمی یک ضرورت است.

اکسل برای برای موارد زیر بهترین کاربرد را دارد:

  • توابع و فرمول های داخلی: تعداد زیادی توابع داخلی تعریف شده اند، مانند آمار (MEAN ، AVERAGE ، t-test)، عملیات جبری (SUM ، ROUND ، LOG ، LOG10)، عملیات منطقی (IF ، FALSE و غیره)، مرجع، پایگاه داده و اطلاعات. استفاده از آنها در انواع مختلف فرمول ها آسان است.
  • عملیات با ستون ها و ردیف ها: پیدا کردن و مرتب کردن داده ها و استفاده از آنها در فرمول های تکراری و غیره، آسان است.
  • ارائه نمودار: بسته به نیاز گزینه های زیادی وجود دارد.
  • حل کننده: این ابزاری است که در اکسل برای حل عددی مجموعه ای از معادلات، بهینه سازی مسئله شامل تطابق مجموعه ای از داده ها به معادله خطی و غیر خطی معین و موارد دیگر استفاده می شود. حل کننده یک برنامه افزودنی است که برای استفاده از آن باید فعال شود.
  • ایجاد توابع در ویژوال بیسیک برای برنامه ها: اکسل دارای قابلیت داخلی برای ایجاد توابع سفارشی با استفاده از ویژوال بیسیک برای برنامه ها (VBA) است. این یک ابزار قدرتمند است که می تواند در وقت شما صرفه جویی کند بدون اینکه در برنامه نویسی متخصص شوید زیرا امکان اجرای حلقه ها و شرط ها را در پس زمینه باز می کند. این قابلیت همچنین به کاربر اجازه می دهد تا معادلات نسبتاً بزرگی ایجاد کند که در چندین قسمت از کاربرگ استفاده می شود (به عنوان مثال، چند جمله ای برای برآورد گرمای خاص اجزاء) و به کاربر اجازه می دهد محاسبات را به راحتی با مشاهده فرمول های موجود در سلول ها بخواند.
  • پیوند اکسل با نرم افزارهای دیگر – اکسل به یک بسته استاندارد تبدیل شده است به طوری که تعدادی دیگر از نرم افزارهای تخصصی از آن به عنوان منبع اطلاعات برای گزارش داده ها استفاده می کنند زیرا کاربر پسندتر است. بنابراین، می توانیم از اطلاعات موجود در اکسل برای بارگیری در MATLAB ، Hysys یا CHEMCAD یا انتقال مجدد به اکسل استفاده کنیم.

Mathworks MATLAB

MATLAB یکی از پرکاربردترین بسته های نرم افزاری در مهندسی به طور کلی و همچنین در مهندسی شیمی است. مطالب زیادی در مورد این نرم افزار محبوب نوشته شده است، بیش از 1500 کتاب به بیش از 1 میلیون کاربر خدمات ارائه می دهد. این نرم افزار نیز در کنار نرم افزارهای تخصصی مهندسی شیمی بسیار کاربردی و مفید است.

MATLAB یک زبان برنامه نویسی است. عملکرد آن بر اساس استفاده از فایل های با پسوند دات ام است که می توانند در دو کلاس تقسیم شوند: اسکریپت ها و توابع. اسکریپت اساساً تعدادی عملیات است که می خواهیم با یک ترتیب خاص انجام دهیم. توابع نوع خاصی از اسکریپت ها هستند که باید با کلمه “function” در بالای آنها شروع شوند. توابع می توانند عملیات تعریف شده توسط کاربر یا معمولی مانند حل معادله یا معادلات دیفرانسیل باشند. ما در MATLAB، همه توابع جبری و آماری از پیش تعریف شده همراه با قابلیت ترسیم را داریم.

MATLAB تعدادی توابع دارد که امکان حل معادلات خطی و غیر خطی را می دهند (fzero: برای یک متغیر به تنهایی، fsolve) ، بهینه سازی یک تابع (fmincon: بهینه سازی محدود، linprog: برنامه ریزی خطی؛ fminin یا fminsearch: بهینه سازی بدون محدودیت؛ bintprog: بهینه سازی باینری و عدد صحیح) و حل معادلات دیفرانسیل (ode__) یا معادلات دیفرانسیل جزئی (pdepe). 

چند مثال از نحوه استفاده از MATLAB در مهندسی شیمی :

مومنتوم، جرم و انتقال انرژی: نمونه های متعددی در زمینه پدیده های انتقال وجود دارد که اگرچه نمایانگر پدیده های مختلف هستند، اما می توان آنها را با استفاده از یک معادله دیفرانسیل جزئی، جعبه ابزار “pdepe” توصیف کرد.

عملیات ستون تقطیر: (روش McCabeMethod) روش میانبر معمولی برای برآورد مفهومی اولیه عملکرد ستون های تقطیر باینری

مدلسازی انواع تجهیزات: مبدل های حرارتی، پمپ ها، ولو ها، اواپراتورها، ستون ها، راکتورها و غیره.

  • طراحی راکتور : مدل ها بر اساس معادلات جبری صریح و معادلات دیفرانسیل است. بنابراین، ما از عملکرد ODEXX در MATLAB برای حل غلظت، دما و/یا پروفایل فشار در طول عملکرد چنین تجهیزات استفاده می کنیم.
  • حلقه های کنترل: تجزیه و تحلیل، طراحی کنترل و تنظیم.

Simulink® (شبیه سازی و پیوند) یک برنامه افزودنی نرم افزاری برای MATLAB است که بر اساس مفهوم دیاگرام های بلوکی که در حوزه مهندسی کنترل رایج است، انجام می شود. محیطی برای شبیه سازی پویا و کنترل فرآیند است. هر یک از بلوک ها می توانند شامل یک زیر سیستم در درون باشند که برای مسائل بزرگ مفید است. ما فقط باید تعدادی بلوک را انتخاب کنیم و با دکمه سمت راست ماوس، کلیک و ایجاد زیرسیستم را انتخاب کنیم.

استفاده از Simulink برای مهندسان آسان تر است زیرا نیازی به مهارت های برنامه نویسی ندارد، بنابراین مدل ها را می توان به جای تعریف توابع با استفاده از بلوک ها ساخت. بنابراین آن را می توان یکی از ابزار کمکی برای نرم افزارهای مهندسی شیمی دانست.

نرم افزارهای مهندسی شیمی برای شبیه سازهای فرآیند

شبیه سازی، طراحی و بهینه سازی یک کارخانه فرآیندی شیمیایی، که شامل چندین واحد فرآیندی است که توسط جریانهای فرایندی به هم متصل شده اند، از فعالیتهای اصلی مهندسی فرآیند هستند. این وظایف مستلزم انجام بالانس جرم و انرژی، سایزینگ تجهیزات و محاسبه هزینه است. یک نرم افزار کامپیوتری که می تواند این وظایف را انجام دهد، به عنوان نرم افزار طراحی فرآیند به کمک رایانه یا به سادگی شبیه ساز فرایند شناخته می شود.

بازار شبیه سازی فرآیند در دهه 1985-1995 دچار تغییرات شدیدی شد. سیستم های نسبتاً کمی باقی مانده اند که شامل این موارد می شوند: CHEMCAD ، Aspen Plus ، Aspen HYSYS ، PRO/II ، ProSimPlus ، SuperPro Designer و gPROMS

Chemstations CHEMCAD

CHEMCAD مجموعه نرم افزاری Chemstations برای شبیه سازی فرآیند است. ویژگی های آن شامل توسعه فرایند، طراحی تجهیزات، سایزینگ تجهیزات، محاسبه ویژگی های ترموفیزیکی، شبیه سازی پویا، مطالعات افزایش ظرفیت فرآیند، بهره وری/بهینه سازی انرژی، تطبیق داده ها، اقتصاد فرآیند، عیب یابی/بهبود فرایند، مایکروسافت ویژوال بیسیک و غیره است.

مجموعه CHEMCAD شامل شش محصول است که می توانند به صورت جداگانه خریداری شوند یا در صورت نیاز برای صنایع، پروژه ها و فرآیندهای خاص با هم تهیه شوند.

شش بسته

CC- steady state شبیه سازی حالت پایدار فرآیندهای شیمیایی مداوم، دارای کتابخانه های اجزای شیمیایی، روش های ترمودینامیکی و عملیات واحد است که به شما امکان می دهد فرایندها را از مقیاس آزمایشگاهی تا مقیاس کامل شبیه سازی کنید. ایده آل برای کاربرانی که می خواهند فرآیندها را طراحی کرده یا به فرایندهای موجود در حالت پایدار امتیاز دهند.

CC– dynamics برای انجام تجزیه و تحلیل فلوشیت جریان پویا، بررسی عملکرد، تنظیم لوپ های PID، آموزش اپراتور، کنترل فرایند آنلاین و عملکرد حسگر نرم استفاده می شود. ایده آل برای کاربرانی که می خواهند فرآیندهای پویا را طراحی یا رتبه بندی کنند.

CC-THERM برای سایزینگ مبدل های حرارتی استفاده می شود، مبدل های پوسته و لوله، صفحه و قاب، مبدل های خنک کننده با هوا و دابل پایپ را پوشش می دهد. طراحی های دقیق بر اساس ویژگی های فیزیکی و داده های تعادل فاز است.

CC-BATCH به شما امکان می دهد یک ستون تقطیر ناپیوسته را طراحی یا رتبه بندی کنید.

CC-SAFETY NET برای تجزیه و تحلیل هر شبکه لوله و ایمنی با نرم افزار شبیه سازی استفاده می شود.

CC-FLASH  برای محاسبه خواص فیزیکی و تعادل فاز (VLE ، LLE ، VLLE) برای اجزای خالص و مخلوط ها با دقت بسیار زیاد استفاده می شود. همه محصولات موجود در مجموعه CHEMCAD دارای قابلیت های CC-FLASH هستند.

ASPEN HYSYS و ASPEN PLUS

این دو بسته نرم افزاری مشابه با همه ویژگی هایی که شبیه ساز فرآیند باید داشته باشد، در بین مهندسان شیمی محبوب ترین است. AspenTech مجموعه وسیعی از ابزارهای مدل سازی دارد که در میان آنها مهمترین و شناخته شده ترین ابزارهای شبیه سازی فرآیند Aspen Hysys و Aspen Plus هستند.

Aspen HYSYS (یا به سادگی HYSYS) یک شبیه ساز فرایند شیمیایی است که برای مدل سازی ریاضی فرآیندهای شیمیایی، از عملیات واحد گرفته تا کارخانه های شیمیایی کامل و پالایشگاه ها استفاده می شود. HYSYS قادر است بسیاری از محاسبات اصلی مهندسی شیمی را انجام دهد، از جمله محاسبات مربوط به بالانس جرم، بالانس انرژی ، تعادل بخار و مایع، انتقال حرارت، انتقال جرم، سینتیک شیمیایی، جدا سازی و افت فشار. HYSYS به طور گسترده در صنعت و دانشگاه برای شبیه سازی حالت پایدار و پویا، طراحی فرآیند، مدل سازی عملکرد و بهینه سازی استفاده می شود.

Aspen Plus یک ابزار مدل سازی فرآیند برای طراحی مفهومی، بهینه سازی و نظارت بر عملکرد صنایع شیمیایی، پلیمری، شیمیایی خاص، فلزات و مواد معدنی و صنایع زغال سنگ است. همچنین می تواند برای بالانس جرم و انرژی، شیمی فیزیکی، ترمودینامیک، مهندسی واکنش شیمیایی، عملیات واحد، طراحی فرآیند و کنترل فرایند استفاده شود.

به طور کلی می توان گفت که اسپن پلاس ابزار بهتری برای طراحی فرآیندهای شیمیایی مانند شیمی دقیق، مواد شیمیایی، داروسازی و غیره است، در حالی که HYSYS برای هیدروکربن، پتروشیمی، عملیات نفتی مانند گاز طبیعی، گازهای مایع، نفت خام و غیره…بهترین است.

نرم افزار تخصصی

دینامیک سیالات محاسباتی

دینامیک سیالات محاسباتی، معروف به CFD، روش عددی حل معادلات جرم، مومنتوم، انرژی و معامدلات بقا و پدیده های مرتبط با آن در رایانه با استفاده از زبان های برنامه نویسی است.

مدل سازی و شبیه سازی CFD و چند فیزیکی را می توان در بسیاری از رشته های علوم و مهندسی به کار برد. زمینه های اصلی کاربرد در مهندسی شیمی به شرح زیر است:

 فرآیندهای احتراق،

 مهندسی فرآیند غذا،

 سلولهای سوختی، باتریها و ابرخازنها،

 جریانها و دستگاههای ریزسیال،

 جریان در لوله و اختلاط،

 مهندسی واکنش

مبانی CFD معادلات دیفرانسیل جزئی است و بنابراین دانش ریاضیات عددی برای حل آنها با تکنیک عددی مناسب ضروری است.

از آنجا که این معادلات بقا در رایانه ها طراحی و حل می شوند، دانش زبان های برنامه نویسی مانند FORTRAN ، C ++ ، Java یا MATLAB از اهمیت برخوردار است.

ابزارهای CFD

ابزارهای مدل سازی نرم افزاری محبوب در جوامع علمی و مهندسی مبتنی بر CFD، ANSYS CFX ، ANSYS Fluent ، ANSYS Multiphysics ، COMSOL Multiphysics ، FLOW-3D ، STAR-CD و STAR-CCM+و یک ابزار نرم افزار منبع باز OpenFOAM هستند. سایر ابزارهای نرم افزاری مبتنی بر CFD، مانند AVL FIRE یا ANSYS Polyflow، نیز در بازار موجود هستند، اما برای سیستم های فیزیکی خاصی مانند موتورهای احتراق داخلی، زنجیره قدرت، پلیمرها، شیشه، فلزات و فناوری های سیمان تخصصی هستند.

پرکاربردترین ابزارهای نرم افزاری تجاری مانند ANSYS Fluent ، STAR-CD و STAR-CCM+بر اساس روش حجم محدود هستند، در حالی که ANSYS CFX از روش حجم کنترل مبتنی بر عناصر محدود استفاده می کند. از طرف دیگر، COMSOL Multiphysics بر اساس روش اجزای محدود است.

منبع:

http://www.simulatelive.com

نمایش بیشتر

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا