مدل سازی ریاضی یا شبیه سازی در اصل برای تبدیل کیفیت های فیزیکی و رابطه ای متقابل بین این کیفیت ها با مقادیر عددی و روابط ریاضی است. بدین ترتیب یک مدل ریاضی شامل متغیر ها و مجموعه معادلات وابسته به آنهاست که می تواند تأثیر متقابل این متغیر ها را ، همانطور که در دنیای واقعی اتفاق می افتد نشان دهد. به همین خاطر مدل ریاضی وسیله ای بسیار مناسب برای تحلیل کردن می باشد که با استفاده از آن می توانیم رفتارهای سیستم را قبل از انجام تغییرات واقعی اعمال کنیم. در این مطلب می خواهیم درباره نقش شبیه سازی فرآیندها با استفاده از نرم افزار Hysys صحبت کنیم و با آموزش نرم افزار Hysys بتوانیم شبیه سازی فرآیندهای صنعتی مانند پالایشگاه های پتروشیمی و صنایع ازین دست را انجام دهیم.

مدل سازی و شبیه سازی فرآیند چیست؟

در ابتدا باید این را بدانیم که مدل ها معمولا به سه دسته زیر تقسیم می شوند :

• مدل های تئوری

مدل تئوری اساسا برطبق قوانین و دستورات تئوری قرار دارند، مانند راکتورهای دارای همزن که در صنایع مختلف کاربرد کمتری دارد.

• مدل های نیمه تجربی

مدلهای نیمه تجربی بر پایه روابط تئوری و با استفاده از نتایج اصلاحات تجربی بوجود می آیند. معادلات حالت از این دسته اند.

• مدل های تجربی 

مدل های تحربی اساسا برطبق رابطه های تجربی بوجود آمده اند. با اینکه محدود کردن شرایط تعادل به تعادل فازها و حذف واکنش های شیمیایی به میزان زیادی از پیچیدگی این مجموعه معادلات کلی می کاهد، با این همه حل این معادلات تنها با توسل به روش های پیچیده محاسبات عددی و بهره جویی از امکانات محاسبات کامپیوتری امکان پذیر است.

برنامه های شبیه سازی فرآیند در واقع بسته های نرم افزاری هستند که تشکیل و حل معادلات را ممکن می سازند به عبارت دیگر شبیه سازی عبارت است از بکار گیری مدل ها و ایجاد ارتباط بین آنها برای توصیف عملی و علمی شرایط و حالات یک سیستم و تعیین خروجی های آن با توجه به داده های ورودی، لذا تکرار شبیه سازی در حالات و شرایط مختلف ورودی می تواند 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 شبیه ساز است. برای درک بهتر موضوع شبیه سازهای مخصوص صنایع می توانیم آموزش نرم افزار Hysys را با استفاده از فیلم های آموزشی فرادرس یاد بگیریم.

• مجموعه آموزش نرم افزار اسپن (Aspen) — کلیک کنید

معرفی کاربردهای شبیه سازها در صنایع

مهمترین موارد کاربرد شبیه سازها در بررسی عملکرد، رفع تنگناها و مشکلات فرآیندی، ایجاد تغییرات در شرایط عملیاتی و پیش بینی نتایج حاصل از آن می باشد. در بعضی موارد می توان از شبیه سازها برای انجام و بررسی آزمایشات پیچیده که تکرار آنها در عمل مستلزم وقت و هزینه بسیار زیاد است سود برد.

از دیگر موارد کاربرد شبیه سازی، افزایش مقیاس واحد های آزمایشگاهی م باشد که موجب حذف مرحله ساختن واحد نیمه صنعتی می گردد. از این جهت است که در سال های اخیر شبیه ساز های بسیاری در غالب بسته های نرم افزاری تهیه و به بازار عرضه شده اند. به کمک این نرم افزار ها می توان حتی واحد های پیچیده ای چون پالایشگاه ها را به منظور طراحی، توسعه، بهبود عملیات و رفع تنگناها به راحتی در زمان خیلی کوتاه بهینه سازی و شبیه سازی کرد.

برخی از کاربردهای مورد نظر در یک برنامه و نرم افزار شبیه سازی در مهندسی فرآیند بصورت جامع آمده است که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت :

• مطالعه و بررسی گزینه های مختلف خط تولید از نظر افزایش ظرفیت واحد با هدف طراحی و ساخت واحد
• جلوگیری از اشتباهات پر خرج در طراحی و ساخت واحد.
• استفاده از اطلاعات حاصل از شبیه سازی در طراحی دستگاه ها، تجهیزات مکانیکی، پایپینگ، ابزار دقیق، سیستم های برقی و سازه و ساختمان و قابلیت اتصال نرم افزارهای شبیه سازی بـه برنامه های طراحی سیستمها و انتقال داده ها به آنها.
• پیش بینی عملکرد فرآیند در شرایط مختلف عملیاتی و تعیین نقطه بهینه عملکرد فرآیندی از لحاظ کاهش هزینه های عملیاتی مانند مصرف آب ، انرژی و … ، تعیین حداکثر ظرفیت های تولید فرآیند، بررسی صحت عملکرد های سیستم های کنترل موجود و تنظیم مجدد آنها و …
• تبادل اطلاعات با نرم افزارهای دیگر به صورت دو طرفه، توانایی دست ورزی در اطلاعات کتابخانه ای، افزودن مدل های دلخواه کاربر و اجرای برنامه طبق روش دلخواه کاربر.

در این میان از نرم افزار هایی چون HYSIM , CHEMSHARE , ASPEN , ІІ/PRO , HYSYS HEXTRAN می توان نام برد که در دنیا کاربرد وسیعی دارند. مقایسه قابلیت های هر یک از نرم افزارهای موجود و انتخاب نرم افزار مناسب ، به میزان وسعت اطلاعات کتابخانه ای و میزان دقت و فراوانی داده های ترموفیزیکی موجود در آن وابسته می باشد. به طور مثال با استفاده از آموزش نرم افزار Hysys می توانیم تمامی موارد و قابلیت های موجود برای شبیه سازها را ایجاد کنیم.

آشنایی با شبیه سازی در فرآیند شیمیایی

طور کلی در شبیه سازی یک فر آیند شیمیایی مهمترین قسمت انتخاب مدل های خواص فیزیکی برای پیش بینی خواص فیزیکی و ترمودینامیکی سیستم است. چون این خاصیت های فیزیکی در کلیه محاسبات مربوط به تمام مدلهای توصیف شده یک سیستم دخالت داشته و هرگونه خطای ممکن در انتخاب مدلی مناسب برای هریک از خواص فیزیکی، باعث بوجود آمدن خطا در نتیجه های مربوط به شبیه سازی کل یک سیستم می شود. دراین میان مهمترین خواص مورد نیاز برای انجام محاسبات اصلی بر اساس یک معادله حالت بدست می آید. این خواص شامل حجم مولی ، آنتالپی ، انرژی آزاد گیبس و ضرایب فو گاسیته برای کلیه مواد موجود در فرآیند می گردند.

منظور از مدل سازی فرآیند چیست؟

مدل سازی فرآیند دراصل تعریف ماهیت سیستم تولید در قالب و شکل معادله های ریاضی می باشد. این معادلات عموماً غیر خطی و به شکل معادلات جبری، دیفرانسیلی و یا مخلوط آنهاست که این معادلات همگی به صورت اطلاعات کتابخانه ای در نرم افزارهای شبیه سازی ذخیره شده اند که از کار هم قرار دادن این معادلات ، مدلی از فرآیند ساخته میی شود HYSYS دارای تعداد زیادی مدل های خواص فیزیکی است که هر کدام قادر به پیش بینی خواص یک سریاز سیستم های مواد در شرایط عملیاتی مختلف می باشد. استفاده کننده با توجه به نوع و شرایط خاص مسئله 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.

آشنایی با نرم افزار قدرتمند HYSYS

نرم افزار HYSYS همان سرنگ اسن  فرآیندهای نفت ، گاز و پتروشیمی و بسیاری از فرآیندهای موجود در صنایع تولیدی را تحت پوشش قرار می دهد. همچنین توانایی مدلسـازی آن بـرای حالـت هـای پویـای (دینامیک) فرآیندها بسیار بالاست ولی ولی الیوت  ساده و سریع می باشد ، لذا به عنـوان یکـی از نـرم افزارهای جـامع و پرکاربرد در زمینه مهندسی فرآیند مطرح است.

قابلیت های کلیدی و مهم نرم افزار Hysys

در این بخش می خواهیم به برخی از قابلیت های مهم و اصلی در مورد آموزش نرم افزار Hysys‌ اشاره کنیم.

• در این نرم افزار مجموعه بسیار جامعی از داده های کتابخانه ای از قبیل خواص مواد خالص، معادلات حالات مختلف ، معادلات ضریب اکتیویته برای سیستم های ایده آل و غیر ایده آل وجود دارد.
• یک کتابخانه جامع ترکیبات خالص در HYSYS وجود دارد که قابلیت افزودن ترکیبات اختصاصی با استفاده از داده های شخصی و یا تهیه ترکیباتی با استفاده از گروه های UNIFAC را دارد. همچنین این نرم افزار قادر است تا برش های مختلف نفتی را بر اساس داده های تقطیر ASTM استاندارد به وجود آورد.
• توانایی انجام محاسبات سودمندی نظیر شرایط تشکیل هیدرات، خواص نفتی و محاسبات اندازه یابی دستگاه ها (Sizing) را داراست.
• در HYSYS عملیات واحد های متعدد و گوناگونی مانند انواع مبدل های حرارتی، تجهیزات دوار مانند پمپ، کمپرسور، جداکننده ها، برج های تقطیر، راکتورها، عملیات جداسازی جامدات و عملیات منطقی موجود است. علاوه بر این می توانیم عملیات های واحد خاص را از راه برنامه نویسی به این برنامه اضافه کنیم.
• کلیه واکنش های شیمیایی مورد نیاز برای یک فرآیند یک بار نوشته شده و در طول برنامه هر جا که مورد نیاز باشند مورد استفاده قرار می گیرند.
• این امکان در HYSYS 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.
• براحتی می توان نتایج محاسبات را به نرم افزار های عمومی نظیر EXCEL و WORD منتقل کرد.

روش حل معادلات در HYSYS

حل دسته معادلات ریاضی (جبری، دیفرانسیلی، خطی یا غیر خطـی) حاصل از موازنه های جرم و انرژی مربوط به مدلسازی تجهیزات مختلف فرآیندی همراه با معادلات ترمودینامیکی و سـایر معـادلات دیگر به روش حل همزمان (Simultaneous or Oriented Equation) صورت می گیرد. این نرم افزار جزء معدود نرم افزار هایی است که علاوه بر انجام محاسبات forward محاسبات backward را هم انجام می دهد. به این معنی که می توانیم یک واحد را بدون اینکه اطلاعات ورودی داشته باشیم و براساس داده های خروجی شبیه سازی کنیم.

• آموزش هایسیس – شبیه سازی فرایندهای شیمیایی با HYSYS — کلیک کنید

انتخاب روش ترمودینامیکی مناسب (PACKAGE PROPERTY)

انتخاب کردن یک شیوه ی ترمودینامیکی مناسب از مهمترین بخش ها و پارامترهای موجود در موفق شدن شبیه سازی فرآیند می باشد. روش های ترمودینامیکی موجود در HYSYS امکان تعیین خواص مخلوط هایی از محدوده سیستم های هیدروکربن های سبک تا سیستم های مخلوط های پیچیده برش های نفتی و سیستمهای شیمیایی بشدت نامربوط و غیر ایده آل را ایجاد می کند. کلیه ی معادله های ترمودینامیکی باید توانایی محاسبه خاصیت های ترمودینامیکی و انتقال دهنده سیستم ها را داشته باشند.

خواص ترمودینامیکی عبارتند از:

• ضریب فوگاسیته
• آنتالپی
• آنتروپی
• انرژی آزاد گیبس
• حجم

و خواص انتقالی عبارتند از :

• ویسکوزیته
• ضریب هدایت حرارتی
• ضریب نفوذ
• کشش سطحی

در HYSYS مدل های ترمودینامیکی مورد نظر در (PACKAGE PROPERTY) بـه شش صـورت معادلات حالت، معادلات مدل های اکتیویته (فعالیت)، مدل های Seader Chao، مـدل های فشار بخار و مدل های متفرقه دسته بندی می شوند. معادلات حالت برای ترکیبات هیدروکربنی در بازه وسیعی از شرایط عملیاتی مناسب می باشند اما کاربرد آنها محدود به سیستم های غیر قطبی یا مواد مختصر قطبی است. برای سیستم های شیمیایی غیر ایده آل یا قطبی بهتر است از سیستم ترمودینـامیکی دو گانـه استفاده گردد. در این حالت یک معادله حالت برای پیش بینی ضرایب فوگاسیته فاز بخـار (معمـولاً سیستم GAS IDEAL، یا معادلات حالت PR , RK , SRK) و یک مدل ضریب فعالیت بـرای فـاز مایع انتخاب می شود.

مدل های اکتیویته برای محدوده فشارهای معمولی و برای مواقعی استفاده مـی شوند کـه رفتـار سیستم به تغییرات فشار وابستگی زیادی را نشان دهد. در این حالت انتخـاب ایـن مـدل هـا بـرای شبیه سازی باید بادقت و احتیاط زیادی انجام شود و تنظیم پارامترهای این مدل ها باید براساس نمونه های مشاهده شده از اطلاعات تجربی صورت گیرد و به این خاطر این مدل ها را نمی توانیم براساس خصوصیات عملیاتی آزمایش نشده مورد بهره برداری قرار دهیم.

معرفی مهمترین شبیه سازی ها با نرم افزار Hysys

در این بخش می خواهیم برخی از مهمترین شبیه سازی هایی که با آموزش نرم افزار Hysys می توان در این نرم افزار پیاده سازی کرد را بیان کنیم :

• شبیه سازی انواع برج تقطیر
• شبیه سازی برج تقطیر با نقطه ی آزئوتروپ و شیوه ی تشخیص آن
• شبیه سازی استراخ کننده مایع – مایع (Liquid – Liquid Extractor)
• شبیه سازی جداکننده کامپوننت ها (Component splitter)
• شبیه سازی میکسر (Mixer و Tee)
• شبیه سازی مقدار کنترل (Control Valve)
• شبیه سازی جریانهای انرژی و مواد در نرم افزار
• شبیه سازی تجهیزات گرما و سرما  ‏(Heater ‌‏و Cooler)
• شبیه سازی جدا کننده های 2 فازی و 3 فازی
• شبیه سازی مبدل های Shell &Tube
• شبیه سازی ابزارها و Utility های مختلف نرم افزار
• شبیه سازی راکتور Conversion و Equilibrium
• شبیه سازی فرایند تقطیر بدون در اختیار داشتن تعداد سینی
• شبیه سازی پمپ و ایجاد منحنی مشخص به پمپ
• شبیه سازی کمپرسورهای جابه جایی مثبت و سانتریفوژ
• تعریف ابزار های منطقی نرم افزار (Recycle , Adjust , Set , Balance)
• شبیه سازی برج جذب

جمع بندی درباره آموزش نرم افزار Hysys

در این مطلب سعی کردیم در مورد یکی از نرم افزارهای تخصصی و مهم در زمینه شبیه سازی فرآیندهای صنعتی و شیمیایی صحبت کنیم و به معرفی نرم افزار Hysys بپردازیم و در ادامه با خصوصیات این نرم افزار آشنا شدیم و برای اینکه آموزش نرم افزار Hysys را یاد بگیریم برخی از نکات و کاربردهای آن را در انواع فرآیندهای شیمیایی بیان کردیم. پیشنهاد می کنیم برای اینکه با کلیه ی جزئیات و بخش های نرم افزار Hysys آشنا شوید می توانیم فیلم های آموزشی فرادرس را که توسط اساتید باتجربه و خبره این موضوع تدریس شده است مشاهده کنید.

• آموزش اسپن هایسیس Aspen HYSYS – مقدماتی — کلیک کنید