مقدمه

امروزه نرم افزار شبیه سازی عملیاتی ابزاری کارآمد برای شبیه سازی عملیات شیمیایی در سطوح مختلف است که به منظور افزایش سرعت عمل، دقت، افزایش بهره وری و بهینه سازی مورد استفاده قرار می گیرد. نرم افزار هایسیس توانایی شبیه سازی پروژه های صنعتی در صنعت نفت، گاز، پتروشیمی، داروسازی و… را داراست که آموزش این موضوع برای مهندسین شیمی و مکانیک از اهمیت بالایی برخوردار است.

 

مقدمه

امروزه نرم افزار شبیه سازی عملیاتی ابزاری کارآمد برای شبیه سازی عملیات شیمیایی در سطوح مختلف است که به منظور افزایش سرعت عمل، دقت، افزایش بهره وری و بهینه سازی مورد استفاده قرار می گیرد. نرم افزار هایسیس توانایی شبیه سازی پروژه های صنعتی در صنعت نفت، گاز، پتروشیمی، داروسازی و… را داراست که آموزش این موضوع برای مهندسین شیمی و مکانیک از اهمیت بالایی برخوردار است.

 

اهداف دوره آموزشی

• آشنایی با مفاهیم اولیه شبیه سازی فرآیند
• آشنایی با محیط نرم افزار و تسلط بر آن با استفاده از قابلیت کلیدی آن
• آشنایی با تجهیزات فرآیندی و استفاده از آن ها در طول عملیات شبیه سازی
• تعریف برش های نفتی
• بهینه سازی فرآیندها
• استفاده از مثال های کاربردی فرآیندی  

 

 تعریف شبیه سازی و مدل سازی فرآیندها

شبیه سازی: پیش بینی و توصیف یک پدیده فیزیکی و شیمیایی با استفاده از مدل

مدل سازی: بیان یک پدیده فیزیکی-شیمیایی به زبان ریاضی

 

در شبیه سازی فرآیندها از مدل های مختلفی استفاده می شود:

مدل ترمودینامیکی: توصیف رفتار ماده (ماننده معادله حالت، مدل ضریب فعالیت …)

مدل تجهیزات: توصیف نحوه عملکرد دستگاه های فرآیندی (مانند مدل های پمپ، برج تقطیر و …)

یک نرم افزار شبیه سازی فرآیند دارای مدل های مختلفی است و بر اساس مجموعه ای از این مدل ها فرآیندهای مختلف شبیه سازی می شوند. تفاوت میان نرم افزارهای مختلف شبیه سازی فرآیند صرف نظر از ظاهرشان در مدل های ترمودینامیک، مدل های تجهیزاتی و گستردگی بانک اطلاعات مواد می باشد. شبیه سازی یا مدل سازی ریاضی، تبدیل کمیت های فیزیکی و رابطه متقابل این کمیت ها به روابط ریاضی و کمیت های عددی می باشد.

 

انواع مدل های تعریف شده:

تئوری: بر اساس قوانین تئوری استوارند مانند راکتورهای همزندار در صنعت

تجربی: صرفا بر اساس روابط تجربی شکل گرفته اند

نیمه تجربی: بر پایه روابط تئوری و با استفاده از نتایج اصلاحات تجربی به وجود می آیند.

 

مزیت های استفاده از نرم افزار های شبیه ساز

• پس از ساخت مدل می توان بارها آن را به کار گرفت
• استفاده از روش های شبیه سازی در کمک به تحلیل هر سیستم
• کم هزینه تر بودن دستیابی به دادهها شبیه سازی نسبت به فراهم آوردن داده های مربوط به سیستم های حقیقی
• آسان تر بودن بکارگیری روش های شبیه سازی نسبت به روش های تحلیلی
• ابزاری قابل اعتماد برای تحلیل گزینه های مختلف طراحی

 

یکی از محبوب ترین نرم افزارها در حیطه شبیه سازی فرآیند، نرم افزار هایسیس می باشد که محصول مشترک شرکت Hyprotech و Aspen Tech می باشد. این نرم افزار با بهره گیری از مجموعه نرم افزارهای کاربردی برای تخمین خواص فیزیکی و تعادلی فاز مایع و بخار، موازنه جرمی، موازنه گرمایی و شبیه سازی بسیاری از انواع تجهیزات مهندسی شیمی و راحتی کاربر در آن در بسیاری از شرکت های مهندسی در سراسر جهان از جمله ایران مورد استفاده قرار می گیرد.

 

مزایای نرم افزار Aspen Hysys

• این نرم افزار توانایی بالایی در شبیه سازی دینامیک فرآیندها دارا می باشد
• محیط ساده و کاربر پسند
• بانک اطلاعات مواد خالص
• بانک اطلاعات ترمودینامیک
• انجام محاسبات Backward علاوه بر Forward
• مکان برنامه نویسی در Matlab و Visual basic
• طراحی تمامی دستگاه های مورد نیاز در فرآیند به صورت جداگانه و پس از انجام شبیه سازی

 

توانایی های نرم افزار هایسیس

• طراحی سریع و قابل تغییر
• ترمودینامیک جامع
• محیط محاوره ای کامل
• عملیات واحد جامع
• سازگار با فن آوری اتوماسیون OLE

 

کاربردهای نرم افزار هایسیس

• بررسی گزینه های مختلف خط تولید و مطالعه افزایش ظرفیت با هدف طراحی و ساخت واحد
• کاهش هزینه های اضافی سرمایه گذاری
• کمک به طراحی سیستم های مختلف با استفاده از اطلاعات حاصل از شبیه سازی در حالت های مختلف
• کشف حداکثر ظرفیت های تولید موجود و قابل استفاده در خط تولید
• بررسی صحت عملکرد سیستم های کنترل موجود و تنظیم مجدد آن ها
• ارتباط با نرم افزار های دیگر و تبادل اطلاعات با نرم افزارهای دیگر به صورت دو طرفه

 

محدودیت های نرم افزار هایسیس

• محدودیت در شبیه سازی واحدهای جامد و الکترولیتی
• داشتن توانایی کم در زمینه حل جزئیات برخی از تجهیزات فرآیندی مانند مبدل های حرارتی

 

آشنایی با محیط نرم افزار هایسیس

محیط نرم افزار را می توان به طور کلی به سه بخش زیر تقسیم بندی نمود:

• محیط پایه Basic Environment
• محیط های جریان Flowsheet & sub-Flowsheet Environment
• محیط های برج Column Environment

آماده سازی محیط پایه، مرحله ای مهم در شبیه سازی است چرا که اصول ابتدایی شبیه سازی در این محیط تعریف می شود.

 

روش های حل معادلات در هایسیس

• معادلات ریاضی به شکل جبری – دیفرانسیلی خطی یا غیرخطی می باشد.
• معادلات حاصل از موازنه های جرم و انرژی مربوط به تجهیزات مختلف به همراه معادلات ترمودینامیکی و سایر معادلات دیگر می باشد.
• روش حل معادلات، حل همزمان می باشد.
• انجام محاسبات Backward علاوه بر Forward

 

نحوه انتخاب معادلات حالت مناسب برای ترکیبات

• در هایسیس تعداد زیادی مدل ترمودینامیکی جود دارد
• نحوه انتخاب مدل ترمودینامیکی بستگی به نوع سیالات فرآیندی دارد
• در صورت عدم انتخاب صحیح مدل، نرم افزار پیغام خطا می دهد اما عدم نمایش پیغام خطا به معنی انتخاب دقیق مدل نیست.

 

معرفی انواع مدل های ترمودینامیک

• معادلات حالت
• معادلات مدل های اکتیویته (فعالیت)
• مدل های Chao Seader
• مدل های فشاربخار
• مدل های متفرقه

 

معادلات حالت

• مشخص کننده رابطه بین فشار، دما و حجم سیال
• مناسب برای ترکیبات هیدروکربنی در بازه وسیع
• محدود به سیستم های غیرخطی با مواد مختصر قطبی

 

معادلات اکتیویته

• کاربرد در سیستم های به شدت غیر ایده آل
• تنها قابل اعمال بر روی فاز مایع اند

 

مدل های Chao Seader

• مدل شبیه تجربی
• کاربرد برای هیدروکربن های سنگین
• محاسبه خواص تعادلی

 

مدل های فشار بخار

• کاربرد برای مخلوط های ایده آل و فشارهای پایین
• کاربرد در حدس اولیه سیتم های غیرایده آل

 

مدل­های فشار بخار	موارد استفاده
Antoine	کاربرد در سیستم ­های ایده­ آل فشار پایین
Braunklo	کاربرد در سیستم­ های هیدروکربنی سنگین در فشارهای پایین و محاسبه K-value آن در نقطه جوش نرمال و فشار ۱۰psi
Essok	مانند روش قبل با تفاوت در روش K-value آن

 

 

نحوه انتخاب معادلات ترمودینامیکی مناسب

• پارامتر مهم در شبیه سازی موفق
• محاسبه خواص ترمودینامیکی و تعادلی سیستم
• بیانگر رفتار تعادل فازی و سطح انرژی ترکیبات خالص ریشه های مخلوط
• انتخاب بر اساس نوع سیالات فرآیندی

در صورت عدم انتخاب صحیح مدل، نرم افزار پیغام خطا می دهد اما عدم نمایش پیغام خطا حتما به معنای انتخاب دقیق مدل نیست!

 

جدول ۱ : انواع معادلات حالت

معادله حالت	موارد استفاده
(PR (Peng Robinson	کاربرد در سیستم­ های آلی با پیچیدگی­ های زیاد، قابل استفاده در گستره وسیع دمایی و فشاری و حالات یک،دو و سه فازی، ارائه پاسخ­ های دقیق­ تر در فاز گازی و تعادلات VLE
Kabadi Danner	کاربرد در تعادلات سیستم ­های آب – هیدروکربن بخصوص در غلظت­ های پایین
Lee Kesier plocker	کاربرد در ترکیبات و مخلوط­ های غیر قطبی
SRK	تشابه نتایج با معادله PR، اما با بازه عملیاتی بسیار محدودتر
Sour PR	ترکیب مدل PR و مدل اسیدیWilson Api-Sour ، کاربرد در سیستم­ های آبی-اسیدی
Sour SRK	مشابه مدل Sour PR با بازه عملیاتی محدودتر
Zud Kevitch Joffe	مدل تغییر یافته RK و کابرد در تعادل بخار-مایع سیستم­های هیدروکربنی و شامل هیدروژن

 

جدول ۲: انواع معادلات اکتیویته

مدل اکتیویته	موارد استفاده
Chein Null	امکان استفاده از بهترین مدل اکتیویته برای هر جفت از ترکیبات
Extended NRTL	کاربرد در مواردی که نقطه جوش دو ترکیب اختلاف زیادی دارند و یا نیاز به حل همزمان معادلات VLE و LLE می­ باشد
General NRTL	کاربرد آن همانند مدل Extended NRTL است و به علاوه امکان انتخاب ساختار معادله A و T را به وجود می­ آورد.
Margules	معادله­ای کاملا تجربی برای تخمین سریع خواص بخصوص در محاسبات پایداری
NRTL	نمایش رفتارهای فازی VLLE, VLE, LLE
UNIQUAC	کاربرد مشابه با NRTL و تفاوت در استفاده از روش ­های پیچیده آماری برای محاسبات
Van Laar	کاربرد در سیستم­هایی با انحراف مثبت و منفی زیاد از قانون رائولت غیر قابل استفاده در سیستم­ هایی شامل هیدروکربن­ های هالوژنه و الکل­ ها . عدم پیش بینی حالت ماکزیمم و مینیمم ضریب فعالیت
Wilson	کاربرد در سیستم­ های چند جزیی و غیر قابل استفاده در سیستم ­هایی با دو فاز مایع

 

جدول ۳ : معرفی برخی دیگر از معادلات

مدل­های متفرقه	موارد استفاده
Amine	کاربرد در شبیه ­سازی واحدهای جذب و دفع با آمین
ASME Steam	کاربرد برای  و استفاده از جدول ASME 1967
NBS Steam	کاربرد برای  و استفاده از جدول ASME 1984
MBWR	کاربرد برای مواد مشخص و در بازه عملیاتی معین

 

 

جدول ۴ : مقایسه معادلات حالت و مدل های اکتیویته

مدل­ های اکتیویته	معادلات حالت
استفاده برای مایعات به شدت غیرایده­ آل	مناسب نبودن برای محلول­های غیر ایده ­آل
ناسازگار در نواحی بحرانی	سازگار در نواحی بحرانی
سازگار با فاز مایع (برای گاز از معادله حالت استفاده می­ شود)	استفاده برای هر دو فاز مایع و گاز
وابستگی شدید پارامترهای دوتایی به دما	عملکرد خوب برای برونیابی پارامترها با دما

 

 

نحوه انتخاب بهترین معادله حالت

 

 

 

 

 

نحوه انتخاب بهترین معادله حالت (روشSeader)

 

 

 

آشنایی با قابلیت هایسیس در تعیین خواص فیزیکی مواد

• استفاده از بسته-ها و پکیج های خصوصیات مواد در داخل نرم افزار
• استفاده از پکیج های خصوصیات مواد در خارج از نرم افزار
• ایجاد پکیج هایی از خصوصیات مواد در محیط نرم افزار
• امکان پیش بینی دقیق از خواص فیزیکی، ترمودینامیکی و دگیر خواص هیدروکربنی، غیر هیدروکربنی، پتروشیمی و …. 

 

آنچه مطالعه کردید، توسط جناب آقای مجتبی صارمی به عنوان آموزش هایسیس (Hysys) – مرور مفاهیم، برداشت متنی بخش هایی از آموزش «آموزش هایسیس HYSYS برای شبیه سازی فرایندهای شیمیایی» تهیه شده و جهت استفاده مخاطبین گرامی در فرادرس منتشر می شود.