1-مقدمه

در رشته مهندسی شیمی، طراحی فرآیند نقش مهمی در توسعه و بهینه سازی فرآیندهای تولید دارد که این کار بسیار کارآمد و مقرون به صرفه دارد. با پیشرفت تکنولوژی، ابزارهای نرم افزاری در این فرآیند ضروری شده اند. دو راه حل نرم افزاری محبوب مورد استفاده در طراحی فرآیند Aspen HYSYS و Aspen Plus هستند. این ابزارهای قدرتمند طیف گسترده‌ای از مزیت ها را ارائه می‌دهند که به مهندسان کمک می‌کند فرآیند طراحی خود را ساده کنند، عملیات را بهینه کنند و بازده فرآیند را افزایش دهند. در ادامه به بررسی مزایای نرم افزار Aspen HYSYS یا Aspen Plus در طراحی فرآیند با نرم افزار متن باز DWSIM می‌پردازیم، شباهت‌ها و تفاوت‌های آن‌ها را مورد بحث قرار می‌دهیم.

جهت مشاهده کلیک کنید : آموزش نرم‌افزار اسپن هایسیس 

یکی از مزیت های قابل توجه استفاده از نرم افزارهای DWSIM و Aspen Plus توانایی آنها در انجام شبیه سازی دقیق فرآیند است. این راه حل‌های نرم افزاری بستر جامعی را برای مدل‌سازی و شبیه سازی فرآیندهای شیمیایی مختلف در اختیار مهندسان قرار می دهد. با وارد کردن داده‌های مربوطه، مانند تعریف ترکیبات موجود در شبیه سازی، انتخاب معادله ترمودینامیکی، سینتیک واکنش و ضرایب انتقال حرارت، مهندسان می‌توانند پیش‌بینی دقیقی در مورد رفتار فرآیندهای خود به دست آورند. قابلیت‌های شبیه سازی به مهندسان این امکان را می‌دهد تا عملکرد فرآیند را پیش‌بینی کنند، گلوگاه‌های بالقوه را شناسایی کنند و طرح‌های سیستم را قبل از اجرای آن‌ها در سناریوهای دنیای واقعی بهینه سازی کنند. این ویژگی خطرات مرتبط با طراحی فرآیند را تا حد زیادی کاهش می‌دهد و مهندسان را قادر می سازد تا تصمیمات آگاهانه بگیرند.

2- معرفی نرم افزار DWSIM

بهره‌وری یک جنبه حیاتی در طراحی فرآیند است و نرم افزار Aspen HYSYS و Aspen Plus و تا حدودی نرم افزار DWSIM قابلیت‌های بهینه سازی قوی را برای دستیابی به این هدف ارائه می‌دهند. این راه حل‌های نرم افزاری به مهندسان اجازه می دهد تا اهداف بهینه سازی مانند به حداکثر رساندن بازده محصول، به حداقل رساندن مصرف انرژی یا بهره وری محیط زیستی را تعریف کنند. با استفاده از الگوریتم‌های بهینه سازی پیشرفته، مهندسان می‌توانند به طور سیستماتیک گزینه‌های طراحی مختلف را بررسی کنند، معاوضه‌ها را تحلیل کنند و شرایط عملیاتی بهینه برای فرآیندهای خود را شناسایی کنند. این ویژگی به مهندسان کمک می کند تا در عین رعایت الزامات فرآیند و استانداردهای نظارتی، مقرون به صرفه ترین و پایدارترین راه حل ها را بیابند.

شبیه سازی کامپیوتری نقش کلیدی در طراحی فرآیندهای پتروشیمی و صنایع شیمیایی ایفا می‌کند. در حال حاضر، تعداد زیادی نرم افزار تجاری پذیرفته شده وجود دارد. به عنوان مثال، نرم افزار Aspen Plus که برای شبیه سازی فرآیندهای تولیدی در پتروشیمی، نفت، گاز و صنایع شیمیایی استفاده می‌شود، اما خرید مجوز و استفاده از این نرم افزار معتبر برای مقالات و ثبت اختراعات اغلب بسیار پرهزینه است. از سوی دیگر، از آنجایی که نرم افزار با لایسنس رایگان در دسترس است، مدل‌های شبیه سازی توسعه‌یافته با استفاده از نرم افزارهای با لایسنس رایگان می‌توانند توسط هر طرف علاقه‌مند مطالعه، بررسی و توسعه یابد. این امر به ترویج انتقال فناوری و انتشار دانش در هر دو بخش دانشگاهی و صنعتی کمک می‌کند. DWSIM یک نرم افزار شبیه‌ساز رایگان و با لایسنس رایگان و یک محیط محسابات کامپیوتری برای شبیه سازی فرایندهای نفت، گاز، پتروشیمی و صنایع مرتبط شیمیایی با استفاده از مدل‌های ترمودینامیکی متنوع است که تمام ویژگی‌های یک مجموعه جامع عملیات واحد شبیه سازی مدلهای پیشرفته ترمودینامیکی را در خود جای داده است. شکل1 شماتیک گرافیکی محیط نرم افزار DWSIM را نشان داده است.

شکل1 – شماتیک گرافیکی محیط نرم افزار DWSIM

دانشجویان و صنعت‌گران به طور خاص می‌توانند بر روی شبیه سازی فرآیند شیمیایی با استفاده از نرم افزار مدل‌سازی برای ارزیابی رفتار حرارتی و شیمیایی سیستم تمرکز شود که از فرآیندهای شیمیایی مربوط به تاسیسات نفت و گاز به عنوان مثال برای نشان دادن قابلیت‌های نرم افزار Aspen Plus و نرم افزار DWSIM استفاده می‌کند. تلاشی برای افزایش قابلیت ترمودینامیکی محیط مدل‌سازی و شبیه سازی با هدف عمومی OpenModelica انجام شده است. پایگاه داده دارایی ChemSep و الگوریتم‌های ترمودینامیکی DWSIM در OpenModelica در دسترس هستند. با استفاده از زبان‌های برنامه نویسی نظیر پایتون می‌توان توان محاسباتی نرم افزار DWSIM را افزایش داد. اما باز هم با افزایش توان محاسباتی نرم افزار DWSIM با زبان برنامه نویسی این نرم افزار قابل مقایسه با نرم افزار Aspen Plus نیست. نرم افزار DWSIM یک راهکار ساده و آسان و در عین حال قدرتمند برای شبیه سازی امن و بی خطر فرآیندهای شیمیایی پیش روی اساتید و دانش‌جویان می‌گذارد تا در شرایط صحیح آزمایشگاهی و فارغ از تعامل اصطکاکهای بیرونی و بدون هیچ هزینه‌ای به شبیه سازی آزمایش‌ها توسط انواع ابزارهای مجازی نظیر مخلوط کننده ها، جداکننده ترکیبات، تجهیزات تغییر فشار نظیر پمپ، کمپرسور و توربین، تجهیزات انتقال حرارت، شیر کنترلی، واکنشگاه‌های شیمیایی (راکتور)، ، برج تقطیر، ابزارهای کنترل و … و مشاهده نتایج آن بپردازند.

نرم افزار DWSIM علاوه بر اهداف آموزشی می‌تواند برای مهندسین شیمی، نفت و گاز نیز به عنوان ابزاری قابل اطمینان برای افزایش سرعت محاسبات پدیده‌ ها و عملیات واحدهای مربوطه و درک بهتر مهندسی شیمی مفید باشد. همچنین علاوه بر شبیه سازی توسط این برنامه می‌توانید اقدام به ایجاد ترکیبات و قطعات، تجزیه و تحلیل رگرسیون مدل ترمودینامیکی و مدیریت واکنشها کنید.

برنامه DWSIM علاوه بر متن‌باز بودن قابلیت گسترش توسط اسکریپتهای IronPython و Lua را نیز دارد و این امکان را به شما می‌دهد تا با داشتن دانش کمی از برنامه نویسی قابلیتهای برنامه را بسته به نیازهای خود افزایش داده و عملکردهای آن را سفارشی کنید. دانشجویان و صنعت‌گران به طور خاص می‌توانند بر روی شبیه سازی فرآیند شیمیایی با استفاده از نرم افزار مدل‌سازی برای ارزیابی رفتار حرارتی و شیمیایی سیستم تمرکز شود که از فرآیندهای شیمیایی مربوط به تاسیسات نفت و گاز به عنوان مثال برای نشان دادن قابلیت‌های نرم افزار Aspen Plus و نرم افزار DWSIM استفاده می‌کند. تلاشی برای افزایش قابلیت ترمودینامیکی محیط مدل‌سازی و شبیه سازی با هدف عمومی OpenModelica انجام شده است. پایگاه داده دارایی ChemSep و الگوریتم های ترمودینامیکی DWSIM در OpenModelica در دسترس هستند. با استفاده از زبان‌های برنامه نویسی نظیر پایتون می‌توان توان محاسباتی نرم افزار DWSIM را افزایش داد. اما باز هم با افزایش توان محاسباتی نرم افزار DWSIM با زبان برنامه نویسی این نرم افزار قابل مقایسه با نرم افزار Aspen Plus نیست. نرم افزار DWSIMدر زمینه بهینه سازی چندهدفه و ابزارهای آنالیز حساسیت ابزارهای قابل اتکایی دارد.

3- مقایسه بین دو نرم افزار Aspen Plus و DWSIM

در ادامه مقایسه‌ای بین دو نرم افزار DWSIM و Aspen Plus می‌کنیم.

• برخی از تفاوت‌های نرم افزار DWSIM با نرم افزار Aspen Plus عبارتند از:
• شبیه سازی فرایندهای نفت، گاز و پتروشیمی با استفاده از مدل حرارتی پیشرفته در نرم افزار DWSIM نسبت به نرم افزار Aspen Plus
• پایگاه داده قدرتمند نرم افزار Aspen Plus نسبت به نرم افزار DWSIM
• تنوع بیشتر انواع واکنش‌های شیمیایی و معادلات واکنشهای شیمیایی نرم افزار Aspen Plus نسبت به نرم افزار DWSIM
• در نرم افزار DWSIM محاسبات ترمودینامیکی در قالب Spreadsheet نمایش می‌دهد، اما در نرم افزار Aspen Plus محاسبات ترمودینامیکی را در محیط Properties نمایش می‌دهد.
• نرم افزار DWSIMمدل‌های ترمودینامیکی نظیر مدل‌های حالت Peng-Robinson، Redlich kwong، Lee-Kesler، UNIFAC، UNIQUAC و … را پشتیبانی می‌کند اما در نرم افزار Aspen Plus مدل‌های ترمودینامیکی بیشتر و متنوع‌تری پشتیبانی می‌کند.
• نرم افزار DWSIMمدل‌های ترمودینامیکی تجربی کم‌تری نسبت به نرم افزار Aspen Plus دارد.
• نرم افزار DWSIMبرای بررسی خواص نفت خام از تحلیل‌های ASTM/TBP استفاده می‌کند اما در نرم افزار Aspen Plus تحلیل‌های بیشتری نظیر کروماتوگرافی، ASTM D86 و … برای ایجاد برش نفتی و تحلیل آن دارد.
• نرم افزار DWSIMاز مدل‌های مختلف برج تقطیر و تجهیزات جداسازی پشتیبانی می‌کند اما این پشتیبانی دقت و سرعت حل برج‌های تقطیر، برج جذب، برج استخراج مایع-مایع و … در نرم افزار Aspen Plus بسیار بیشتر است.
• نرم افزار DWSIMبر خلاف نرم افزار Aspen Plus تجهیزات یا عملیات واحدی برای محاسبات میان‌بر برج تقطیر برای محاسبات تعداد سینی‌های بهینه، سینی خوراک، نسبت جریان برگشتی مینیمم، نسبت جریان برگشتی واقعی، بار حرارتی ریبویلر، بار حرارتی کندانسور، نسبت جریان تقطیر به خوراک، دمای ریبویلر، دمای کندانسور و …. ندارد.
• نرم افزار DWSIMبر خلاف نرم افزار Aspen Plus تجهیزات یا عملیات واحدهای کم تری برای تجهیزات واکنش دارد.
• نرم افزار DWSIMبر خلاف نرم افزار Aspen Plus اطلاعات کتابخانه‌ای کم‌تری در مورد واکنش‌های تعادلی نظیر واکنش‌های شیفت گاز-آب، واکنش ریفرمینگ متان با بخار آب و … دارد.