اصول شبیه سازی فرآیندهای شیمیایی

[eghbali66]

با سلام، در مورد اهمیت شبیه ­سازی فرآیندهای مهندسی شیمی بحث زیاد شده، ولی نکته جالبی که به ذهنم میرسه اینه که هنوز که هنوزه تعدادی از اساتید مهندسی شیمی متاسفانه هیچ اعتقادی به شبیه سازی ندارند. مثلاً دانشجو کل وقتشو گذاشته برای انجام کارهای آزمایشگاهی، بعد میخاد این کارشه بیاره با یه نرم افزار شبیه ساز اعتبارسنجی کنه، حالا استاد میاد میگه من اعتقادی ندارم به شبیه سازی!! اینو باید بری با نرم افزار متلب کدشو بنویسی!!! آخه من موندم کاری که قبلاً انجام شده، بعد بصورت یه پک آماده در اختیار ما قرار داده شده، چرا نباید ازش استفاده کنیم؟؟ دوباره چند سال وقت بذاریم که آخرش آیا برسیم به جایی که به یه بنده خدای دیگه رفته!!!
ولی در کنار این اساتید، آدمای دیگه ای هم هستن که یه جور دیگه نگاه میکنن به قضیه، مثلاً استاد خودم دیدگاه جالبی داشت، میگفت بیایم این پک نرم افزاری رو با مدلهایی که خودمون دولوپ کردیم، ارتقا بدیم، این خیلی ایده خوبیه...

 

[eghbali66]

دکتر موسوی بفرویی از اساتید گروه بایو هست و تو زمینه شبیه­ سازی تبحر دارن، یه بار اتفاقی سر کلاسشون بودم (کلاس شبیه­ سازیشون تو اتاق کامپیوتر برگزار میشد، منم چون کار داشتم با کامپیوتر به روی خودم نیاوردم و از جام تکون نخوردم!!) واقعاً کلاسای خوبی دارن، استاد میگفت هنر مهندس در فرآیند شبیه­ سازی،اینه که اولاً مهندس باید به طورکلی بدونه یه فرایند از چه معادلاتی برای حل مسئله استفاده میکنه، درجه آزادی مسئله رو همیشه برای خودش تحلیل کنه، هر پارامتری رو که وارد نرم ­افزار میکنه بدونه که کجا استفاده میشه و نکته مهم تعبیر نتایج شبیه ­سازی است. بعنوان مثال امکان داره که کسر مولی یه جزء منفی دربیاد، خب مشخصه که یه جای کار می­لنگه. یا مثلاً براحتی میشه نتایج یه بلوک رو با داده ­های واقعی مقایسه کرد، اینم خودش میشه یه نوع تعبیر نتایج. در کنار این موارد، نحوه حل معادلات غیر خطی بسیار پیچیده مسئله ­ای است که در شبیه­ سازی چندان مهم نیست، هرچند در برنامه­ای مانند Aspen می­توان حتی روی این مورد هم مانور داد. یه مهندس میتونه بجای درگیر کردن خودش با حل معادلات وقتشه بذاره در انجام آنالیز حساسیت، بهینه­ سازی، شبیه­سازی یه فرآیند، ارتقاء بلوکها توسط مدلهای پیشرفته­ تر. من سراغ دارم دانشجویی رو که 2 سال وقتشه گذاشته برای مدلسازی ترمودینامیکی یه سیستم، ولی منم طی فقط 2 ماه به جواب اون رسیدم، ضمن آنکه ادعا میکنم، میزان درک من از مسئله به اندازه اون دوستمونه. هر چند من برای وقتی که گذاشتن برای حل معادلات خطی پیچیده احترام قائلم!!!
به طورخلاصه هنر شبیه ­سازی در درک صحیح مشخصات بلوکها شامل معادلات بقا (مانند موازنه جرم و انرژی)، معادلات افت فشار، فرضیات بلوک، درجه آزادی بلوک و ... است. یک مهندس شبیه­ ساز حتی میتونه روی نحوه حل این معادلات هم در برنامه شبیه­ سازی مانند Aspen نظارت داشته باشه.

 

[vahid.gerrard]

خییییییلی خوب بود ممنون.
خب شما بیا به ما راهکار بده.
من چند وقتیه تصمیم گرفتم که نرم افزار کار کنم.
اتفاقن به نظر منم نرم افزار اسپن رو هرکسی بتونه خوب یاد بگیره مهندس شیمی واقعی میشه.
منظورم از خوب یاد گرفتن اینه که بتونه به این دید برسه که چرا برای فلان دستگاه افت فشار رو باید اینقدر انتخاب کرد!؟
به صورت مفهومی!؟
یعنی اینقدر وارد بشه شخص که بتونه تشخصی بده که سیستمی ببنده که بتونه به نتایج دلخواهش برسه!؟
نه اینکه صرفا یه سری عدد بهت بدن و بزنی توو نرم افزار و ران بگیری!!!
چطور میشه به اون حد رسید که مفهوم فرایندهارو فهمید؟
لطفا یکم راهنمایی کنین.
اگه منبع خوبی هم برای یادگیری اسپن دارین بزارین برامون.
منابع تووی سایت رو خیلیاشون دانلود کردم هیچکدومشون اون چیزی که میخواستم نبودن!!

 

[eghbali66]

خییییییلی خوب بود ممنون.
خب شما بیا به ما راهکار بده.
من چند وقتیه تصمیم گرفتم که نرم افزار کار کنم.
اتفاقن به نظر منم نرم افزار اسپن رو هرکسی بتونه خوب یاد بگیره مهندس شیمی واقعی میشه.
منظورم از خوب یاد گرفتن اینه که بتونه به این دید برسه که چرا برای فلان دستگاه افت فشار رو باید اینقدر انتخاب کرد!؟
به صورت مفهومی!؟
یعنی اینقدر وارد بشه شخص که بتونه تشخصی بده که سیستمی ببنده که بتونه به نتایج دلخواهش برسه!؟
نه اینکه صرفا یه سری عدد بهت بدن و بزنی توو نرم افزار و ران بگیری!!!
چطور میشه به اون حد رسید که مفهوم فرایندهارو فهمید؟
لطفا یکم راهنمایی کنین.
اگه منبع خوبی هم برای یادگیری اسپن دارین بزارین برامون.
منابع تووی سایت رو خیلیاشون دانلود کردم هیچکدومشون اون چیزی که میخواستم نبودن!!

خب حقیقتش یه کتاب نیست که همشه توضیح داده باشه، ولی تسلط روی کتابای اساسی مهندسی شیمی مخصوصاً کتابای طراحی خیلی ضروریه.
بعنوان مثال در کتاب طراحی آقای داگلاس گفته با توجه به میزان سهولت جداسازی مواد، میزان نسبت جریان برگشتی واقعی بهینه، 1.1 تا 1.6 مقدار نسبت جریان برگشتی مینمم است (در این حالت TAC یا مجموع هزینه ثابت و هزینه عملیاتی مینیمم می شود).
در نرم افزار شما یه وقت میای تعداد مراحل و محل ورود خوراک رو بگونه ای تعیین میکنی که مقدار TAC مینیمم شود (اتفاقاً روش استاندارد همینه!) بعدش میای مقدار نسبت جریان برگشتی متناظر با اون رو محاسبه میکنی، اگه تو رنج 1.1 تا حتی 2 افتاد، درسته، ولی اگه به فرض شد 10 برابرش، مطمئناً یه جای کار می لنگه (مقدار نسبت جریان برگشتی مینمم با استفاده از رابطه Underwood قابل محاسبه است) .
بله! قواعد سرانگشتی (Rule of Thumb) نقشی غیر قابل انکار در طراحی (حتی در مرحله Detaild Design) داره.

 

[vahid.gerrard]

من دنبال این هستم که مفهوم رو بفهمم علاوه بر تسلط بر نرم افزار...
باید از کجا شورع کنم؟؟

 

[sorush_65]

خب حقیقتش یه کتاب نیست که همشه توضیح داده باشه، ولی تسلط روی کتابای اساسی مهندسی شیمی مخصوصاً کتابای طراحی خیلی ضروریه.
بعنوان مثال در کتاب طراحی آقای داگلاس گفته با توجه به میزان سهولت جداسازی مواد، میزان نسبت جریان برگشتی واقعی بهینه، 1.1 تا 1.6 مقدار نسبت جریان برگشتی مینمم است (در این حالت TAC یا مجموع هزینه ثابت و هزینه عملیاتی مینیمم می شود).
در نرم افزار شما یه وقت میای تعداد مراحل و محل ورود خوراک رو بگونه ای تعیین میکنی که مقدار TAC مینیمم شود (اتفاقاً روش استاندارد همینه!) بعدش میای مقدار نسبت جریان برگشتی متناظر با اون رو محاسبه میکنی، اگه تو رنج 1.1 تا حتی 2 افتاد، درسته، ولی اگه به فرض شد 10 برابرش، مطمئناً یه جای کار می لنگه (مقدار نسبت جریان برگشتی مینمم با استفاده از رابطه Underwood قابل محاسبه است) .
بله! قواعد سرانگشتی (Rule of Thumb) نقشی غیر قابل انکار در طراحی (حتی در مرحله Detaild Design) داره.

از توضیحات جامعتون ممنون
میشه لطفا تفاوت نرم افزارهای هایسیس و اسپن و بگین و اینکه مزایا و معایب هر یک چیه و بهتره برای چه فرایندی از هر یک از اونا استفاده کرد
و اینکه اگه با یادگیری هایسیس میشه گفت روی اسپن هم مسلط هستیم و اگه قرار باشه یکی از این دو رو یاد بگیریم شما کدومو پیشنهاد میکنید؟

 

[eghbali66]

از توضیحات جامعتون ممنون
میشه لطفا تفاوت نرم افزارهای هایسیس و اسپن و بگین و اینکه مزایا و معایب هر یک چیه و بهتره برای چه فرایندی از هر یک از اونا استفاده کرد
و اینکه اگه با یادگیری هایسیس میشه گفت روی اسپن هم مسلط هستیم و اگه قرار باشه یکی از این دو رو یاد بگیریم شما کدومو پیشنهاد میکنید؟

قبلاً در این ارتباط بحث زیاد شده، فقط اینو میگم که شما روی اسپن سرمایه گذاری کنین، بهتره

 

[eghbali66]

من دنبال این هستم که مفهوم رو بفهمم علاوه بر تسلط بر نرم افزار...
باید از کجا شورع کنم؟؟

خودم داره یه کتاب مینویسم که آخراشه، با این دید اومدم کتاب نوشتم.
در کنار این شما برای هر بلوک خب میتونین به کتابای رفرنس مراجعه کنین و اطلاعات لازم رو دریافت کنین. مثلاًً میخاین یه پمپ رو شبیه سازی کنین، بعد از منحنی عملکرد هم میخاین استفاده کنین، شما متونین مراجعه کنین به کتاب مثلاً آقای فاکس و اطلاعات لازم رو دریافت کنین. استفاده از هلپ خود نرم افزار هم کمک شایانی در این زمینه میکنه.
گزینه بعدی استفاده از تجربه است، تجربه در شبیه سازی که تنها با ممارست و تمرین بدست می آید...

 

[eghbali66]

Conversion of Momentum


Chemical and Phase Equilibria


​

 

[eghbali66]

بعنوان مثال برای سیستم زیر معادله بقای انرژی بصورت شکل ضمیمه در می آید:

 

[eghbali66]

نیازی نیست که با حل این معادله درگیر بشین، شما باید بتونین این معادلات رو بنویسین، تا بدونین اولاً چه متغیرهایی در بیان توصیف رفتار سیستم دخیلن، ثانیاً رفتار متغیرهای مستقل تسبت به غیرمستقل چجوریه؟
شما وقتی یه تیک تو برنامه برمیدارین، یه فرض بر معادلات اعمال کردین و معادلات شکلش عوض خواهد شد

 

[eghbali66]

مثالی کاملتر و جامعتر، فلش چند جزئی، با فرض تعادل بخار و مایع در خروجی برج:


معادلات اساسی بلوک:

 

[eghbali66]

که در آن Mave از روی میانگین جرم مولکولی هر جزء بدست میآید
اگر Nc تعداد اجزای شرکت کننده باشد، تعداد متغیرهای سیستم برابر است با:

2+9(Nc-1)​

بصورت زیر:


تعداد کل معادلاتی که برای این سیستم می توان نوشت برابر است با:

2Nc+7
​

بصورت زیر:


لذا درجه آزادی سیستم برابر است با

DF=2Nc-2+9-2Nc-7=0​

و لذا سیستم کاملا مشخص است

 

[eghbali66]

بعنوان تمرین برای فرآیند تقطیر ناپیوسته شکل زیر معادلات رو نوشته، فرضیات رو بیان کرده و درجه آزادی سیستم رو بیان کنین:

 

[eghbali66]

آیا به نتایج شبیه سازی می توان اعتماد کرد؟؟؟

آیا به نتایج شبیه سازی می توان اعتماد کرد؟؟؟

آیا به نتایج شبیه سازی می توان اعتماد کرد؟؟؟؟ بحثی جامع و مفصل در مورد تجارب موفق و ناموفق در شبیه سازی برجای تقطیر. خیلی مورد خوبیه. دانلود کنین و بخونین.

 

[eghbali66]

یه نفری تو دانشگاه Texas A&M کار خوبی انجام داده، کوییزشو انجام داده، بعد دیده عجب کار خوبی شده!!
آقای صادق اومده یه مثال حل شده از کتاب تقطیر چند جزئی Holland رو با سه تا نرم افزار شبیه سازی کرده. مثالش خیلی ساده و میزان غیر ایده آلی مواد نیز از لحاظ ترمودینامیکی کمه. ولی خیلی قشنگ اومده گفته، یه ضریب بی مرکزی نامناسب چقدر راحت میتونه نتایج را زیر و رو کنه. بعلت بانک اطلاعاتی مناسب Aspen جوابهای این نرم افزار به نتایج محاسبات دستی آقای Holland نزدیکتر بود.
آخرشم اومده یه جمله از Kister گفته که از پیشگامان شبیه سازی و مدلسازی و فرآیندهای عملیاتی برجهای تقطیره:

There is a good deal more involved in process simulation than simply typing in data and obtaining converged solution
Students need to learn to subject the results obtained from simulators to the same kind of rigorous scrutiny as any other engineering calculation
​

وظیفه مهندس صرفا وارد کردن دیتا و خروجی گرفتن از برنامه نیست. مهندس باید نتایج رو تحلیل موشکافانه کنه. به قول معروف نتایجو بخوره!!! ضمن اینکه من میگم مهندس وقتی گزینه ران رو زد، باید بدونه که چی اتفاق میوفته داخل نرم افزار. مثلاً در مورد همین مثال قبلی. اگه شما با تجربه باشین، میدونین که این مثال غیر ایده آلی کمی داره، لذا یک مدل EOS مثه SRK جواب میده. ضمن اینکه قلب تپنده محاسبات شبیه سازی ، مدل ترمودینامیکی و پارامترهای آن است. در این مثال ، پارامترهای مورد نیاز مدل Tc، Pc و ضریب بی مرکزی و فشار بخار است. لذا مهندس باید جساسیت ویژه ای روی مقادیر آنها داشته باشد.

 

[eghbali66]

فگلر رو شاید بشناسین،تو کار رآکتوره. یه جایی دیدم مزایا و معایب شبیه سازی رو گفته بود:

منبع: کارگاه شبیه سازی با Aspenٰ، آقای فگلر
ولی این دست شماست که بتونین بر معایبش فائق بیاین........