مقدمه ای بر شبیه‌سازی و مدل‌سازی

Simulation يا Modeling رياضي در واقع تبديل پارامترهای فيزيكي و روابط متقابل اين فرمول ‌‌ها به كميت‌ هاي عددي و روابط رياضي است. بدين ترتيب يك مدل رياضي شامل متغيرها و مجموعه معادلات وابسته به آنها است كه مي‌تواند تأثير متقابل اين متغيرها را ، همانطور كه در دنياي واقعي اتفاق مي‌افتد نشان دهد. به‌طور كلي در شبیه سازی يك فرآيند مهندسی شیمی و نفت مهم‌ترين قسمت انتخاب مدل‌هاي ترمودینامیکی براي پيش‌بيني خواص فيزيكي و شیمیایی سيستم است. زيرا خواص فيزيكي در محاسبات مربوط به تمامي نتایج شبیه سازی فرآیندها دخالت دارند و هر نوع خطاهای احتمالي در انتخاب يك مدل ترمودینامیکی مناسب موجب بروز خطا در نتايج شبيه سازي كل فرآیند و آنالیزهای مربوط به ماده خالص یا مخلوط خواهد شد.

جهت مشاهده کلیک کنید : آموزش نرم‌افزار اسپن هایسیس 

در شبیه ‌سازی با نرم افزار Aspen HYSYS مهم‌ترين خواص مورد نياز براي انجام محاسبات اصلي بر اساس انتخاب يك معادله حالت مناسب بدست خواهد آمد. اين خواص شامل حجم مولي، آنتروپی، آنتالپي، انرژي استاندارد آزاد گيبس و فوگاسيته (فشار برای ترکیبات واقعی) براي كليه مواد موجود در فرآيند است. به همين خاطر انتخاب يك معادله ترمودینامیکی مناسب از قسمت Fluid Package براي توصيف رفتار ترموديناميكي مواد موجود در فرآيند قسمت عمده‌اي از يك شبیه سازی فرآیند در مهندسی شیمی یا مهندسی فرآیند را تشكيل مي دهد. Aspen HYSYS داراي تعداد زيادي مدل‌هاي ترمودینامیکی دقیق است كه هر كدام توانایی بدست آوردن یا تخمین خواص يك سري از سيستم هاي مواد در شرايط عملياتي مختلف مي‌باشد. استفاده كننده با توجه به نوع و شرايط خاص مسئله خود بايد يك يا تعدادي از اين معادلات را انتخاب كند . به علاوه روش هاي خاصي جهت محاسبه بعضي از خواص نيز قابل انتخاب هستند. نرم افزار Aspen HYSYSبه دليل اينكه تمامي فرآيندهاي نفت، گاز و پتروشيمي و بسياري از فرآيندهاي موجـود در صنايع شیمیایی را تحت پوشش قرارمي دهد و همچنين توانايي مدل‌سـازي آن بـراي شبیه سازی ديناميكی و اقتصادی فرآيندها بسيار بالاست ، کاربرپسند و دقیق مي‌باشد ، لذا به عنـوان يكـي از نرم افزارهـاي جـامع و پركاربرد در زمينه مهندسي شیمی و نفت کاربرد دارد.

معرفی نرم افزار Aspen HYSYS

شبیه سازی فرآیندها با نرم افزار Aspen HYSYS در واقع اعمال معادلات موازنه جرم انرژی و سیالات به همراه شرایط تعادل فازها در یک سیستم است که معمولاً جهت سهولت کار به حالت پایایدار سیستم بسنده می­شود. در این حالت با اعمال شرایط تعادل ترمودینامیکی مجموعه معادلاتی به وجود خواهد آمد که در کنار معادلات متداول جرم و انرژی مجموعه معادلات هم­زمانی را تشکیل می­دهند که در واقع به مدل ریاضی فرآیند تعبیر می­شود. شکل 1 آیکون نرم افزار Aspen HYSYS را نشان می‌دهد. شکل 2 شبیه سازی برج و جدول موازنه جرم و انرژی را نشان می‌دهد.

شکل 1- آیکون نرم افزار Aspen HYSYS

شکل 2- اعمال موازنه جرم و انرژی در نرم افزار Aspen HYSYS

Aspen HYSYS در واقع نرم­افزار شبیه سازی هستند که ایجاد و حل معادلات جرم و انرژی را ساده می­سازد. به عبارت دیگر هدف از شبیه سازی فرآیندها در مهندسی شیمی و فرایند عبارت است از به­ کارگیری معادلات جرم و انرژی و ایجاد رابطه بین آن­ها برای توصیف عملکرد فرایند و تحلیل علمی شرایط و حالات یک سیستم و تعیین نتایج خروجی آن با توجه به داده­های ورودی است. حل دسته معادلات رياضی (جبری , ديفرانسيلی ,خطی يا غير خطـی ) حاصـل از موازنـه‌هـای جـرم و انرژی مربوط به مدل‌سازی تجهيزات مختلف فرآيندی همراه با معادلات ترموديناميکی و سـاير معـادلات ديگر به روش حل همزمان (Simultaneous or Oriented Equation) صورت می‌گيرد. اين نـرم افـزار جزو معدود نرم افزار هايي است که علاوه بر انجام محاسبات forwardمحاسبات backwardرا هم انجام می‌دهد. يعنی يک واحد را بدون داشتن اطلاعات ورودی و با داشتن اطلاعات خروجی می‌تـوان شبیه سازی کرد.

Aspen HYSYS نرم افزار شبیه سازی فرآیند پیشرو در صنعت انرژی است که توسط تولیدکنندگان برتر نفت و گاز، پالایشگاه‌ها و شرکت‌های مهندسی برای بهینه سازی فرآیند در طراحی و عملیات استفاده می‌شود. شکل 3 نمونه فرآیند شبیه سازی تولید همزمان برق و حرارت را در نرم افزار Aspen HYSYS نشان می‌دهد.

شکل 3- شبیه‎سازی فرآیند تولید برق و حرارت در نرم افزار Aspen HYSYS

همچنین Aspen HYSYS یک نرم افزار شبیه سازی فرآیند مبتنی بر گردش کار برای بهینه سازی طراحی مفهومی و عملیات است. Aspen HYSYSیکی از برترین شبیه‌سازهای فرآیند شیمیایی پیشرو در بازار (یا حداقل در دنیای مهندسی شیمی) است. Aspen HYSYS نرم افزاری است که به کاربر امکان می‌دهد یک مدل فرآیند بسازد و سپس با استفاده از محاسبات پیچیده (مدل ها، معادلات، محاسبات ریاضی، رگرسیون و غیره) آن را شبیه سازی کند. Aspen HYSYS یک محیط شبیه سازی فرآیند است که برای خدمت به بسیاری از صنایع فرآیندی طراحی شده است. این یک برنامه تعاملی، بصری، باز و قابل توسعه است. همچنین گزینه‌های افزودنی زیادی برای گسترش قابلیت‌های خود در صنایع خاص دارد. با این برنامه می‌توان مدل‌های حالت پایدار و پویا دقیق برای طراحی کارخانه ایجاد کرد. جدای از آن، نظارت، عیب یابی، بهبود عملیات، برنامه ریزی تجاری و مدیریت دارایی را می توان با کمک شبیه ساز فرآیند انجام داد. Aspen HYSYS با طیف گسترده‌ای از ویژگی ها و عملکردها می تواند برای رسیدگی به چالش های مهندسی در مدل سازی جریان چند فازی، پردازش گاز، پالایش و LNG استفاده شود و آن را به همه کاره ترین راه حل تبدیل کند. مهندسان معمولاً این را با استفاده نرم افزار Aspen HYSYS به منظور بهینه سازی طراحی و بهبود طرح های موجود شبیه ‌سازی می‌کنند.

کاربردهای کلیدی نرم افزار Aspen HYSYS

از جمله کاربردهای نرم افزار Aspen HYSYS می‌توان به شبیه سازی فرآیندهای مهندسی شیمی، مهندسی نفت، مهندسی گاز، مهندسی پلیمر و در نهایت مهندسی مکانیک اشاره کرد. همچنین رشته های شیمی برای تخمین برخی آنالیزهای مواد نظیر ویسکوزیته، دانیسته، وزن مولکولی، کشش سطحی و … از این نرم افزار می توانند استفاده کنند.

در رشته مهندسی شیمی و فرآیند برای آنالیز مواد خالص و مخلوط و رسم نمودارهای مواد خالص (نظیر تغییرات ویسکوزیته، دانیسته، درصد بخار با دما یا فشار)، یا رسم نمودارها برای مواد دوتایی (نظیر رسم نمودارهای XY ، TXY ، PXY و بدست آوردن نقطه آزئوتروپ) و رسم نمودارها برای مواد مخلوط (نظیر رسم نمودارهای مثلثی و آنالیز خواص فیزیکی و ترمودنامیکی با تغییرات دما و فشار) از نرم افزار Aspen HYSYS استفاده می‌کنند. در واقع نرم افزار Aspen HYSYS یک هندبوک بسیار کاملی برای مهندسین شیمی است چرا که اطلاعات و آنالیزهای بسیاری از مواد را به راحتی میتوان از نرم افزار استخراج کرد. از طرفی با استفاده از این نرم ‌افزار میتوان خواص مواد نظیر نقطه جوش وزن مولکولی و .. بدست آورد. همچنین نرم افزار Aspen HYSYS این اجازه را به کاربر می‌دهد تا یک ترکیب خالص یا مخلوط را به صورت کاملا دقیقی بسازد.

مهم‌‌ترین کاربرد Aspen HYSYS شبیه سازی فرآیندهای رایج در صنعت است. برای شبیه سازی درست و دقیق باید در ابتدا خوراک‌های ورودی به فرآیند در ابتدا تعریف شوند. سپس دیتاهای ورودی به تجهیزات با توجه به درجه آزادی آن وارد شوند. آنالیز درجه آزادی برای بررسی و حل هر برنامه ای که یک واحد و یا یک قسمت از یک فرایند را شبیه سازی کند ، انجام می شود. این برنامه ها و یا مدل های ریاضی ، از دستگاه معادلاتی تشکیل می شوند که شامل چند معادله و چند مجهول هستند. برای این که این دستگاه معادلات قابل حل باشد، باید تعداد مجهولات با تعداد معادلات و روابط ریاضی موجود برابر باشد. درجه آزادی یک سیستم برابر است با اختلاف تعداد متغیرهای مستقل و تعداد معادلات. از نقطه نظر ریاضی، هنگامی که تعداد مجهولات بیشتر از تعداد معادلات باشد ، تعداد بیشمار جواب برای سیستم معادلات وجود داشته و اصطلاحأ حالت Under-Specified پیش می آید. یعنی برای حل معادلات باید مقادیر تعدادی از مجهولات مشخص ( Specify ) باشد. اما هنگامی که تعداد معادلات بیشتر از تعداد مجهولات ما باشد ، هیچ جوابی برای سیستم معادلات وجود نداشته و اصطلاحأ حالت Over-Specified پیش می‌آید. بدین معنی که مقادیر تعدادی از مجهولات ( بیشتر از درجه آزادی سیستم ) معین گردیده و در نتیجه تعداد آن ها کاهش یافته است. در این حالت باید تعدادی از مجهولات پاک شوند. به پارامترهایی که مقدار آن ها برای صفر کردن درجه آزادی مشخص می‌شود Spec گفته می شود. این که کدام پارامتر باید به عنوان Spec انتخاب شوند ، بسته به اهداف شبیه سازی دارد و باید به گونه‌ای انتخاب شوند که شبیه سازی را هرچه بیشتر به حالت عملکرد واقعی واحد نزدیکتر کند.