علم و دانش کسب و کار مهندسی شیمی

آموزش توامان نرم افزار Hysys و Aspen Plus _ گام دوم (بخش اول): شروع کار با نرم افزار Hysys

محمدرضا فرزان
نوشته شده توسط محمدرضا فرزان

شاید بارزترین ویژگی نرم افزار HYSYS را بتوان در وسعت اطلاعات کتابخانه ای آن و وسعت معادلات ترمودینامیکی آن دانست.همین بانک اطلاعاتی بسیار قوی به مهندسان این امکان را می دهد که محاسبات را بسیار سریع انجام دهند و با تنظیم پارامتر ها، و انتخاب بهترین تجهیزات و ادوات،بهینه ترین طراحی را چه از نظر اقتصادی و چه از نظر مهندسی انجام دهند.به عنوان مثال مهندسان می توانند پدیده ی طغیان در برج های تقطیر و یا پدیده ی جرم گرفتگی در مبدل های حرارتی را بررسی کنند و آن را به حداقل برسانند.
این نرم افزار برخلاف بسیاری از نرم افزار های موجود بسیار محاوره ای و کاربر پسند است و در عین حال برای بسیاری از سیستم ها کاربرد دارد و محاسبات مربوط را بسیار دقیق انحام می دهد.در ضمن عملیات واحد های مختلف مثل مبدل های حرارتی،تجهیزات دوار مثل پمپ ها و کمپرسور،بج های تقطیر ، راکتور ها و عملیات جداسازی را در خود جای داده است.اتصال این نرم افزار به سایر نرم افزار ها مثل EXEL وWORD و MATLAB،از ویژگی های بارز نرم افزار HYSYS به شمار می آید.

 HYSYS:

هنگامی که نرم افزار HYSYS را اجرا می کنیم پنجره ای به شکل تصویر زیر باز می شود که به توضیح بخش های مختلف آن می پردازیم.اگر به پنجره ای که در سمت چپ این تصویر وجود دارد دقت کنیم، دو گزینه ی NEW  و OPEN FILE را مشاهده می کنیم که گزینه ی NEW برای ایجاد یک CASE جدید و یک شبیه سازی جدید است .و گزینه ی OPEN FILE برای باز کردن و اجرای مجدد شبیه سازی است که از قبل طراحی شده است و در حافظه ی کامپیوتر  کاربر ذخیره شده است.

در پنجره ای که در سمت چپ صفحه و تحت عنوان GET STARTED مشاهده می شود یکسری گزینه ها مانند کمک به صورت آنلاین و یا جستجو در محیط نرم افزار و یا توضیح در مورد بخش های مختلف نرم افزار  ویا ویدیو های آموزشی وجود دارد که به عنوان کمک به کاربر حین شبیه سازی مورد استفاده قرار می گیرد.

برای شروع یک شبیه سازی بر روی گزینه ی NEW کلیک کرده تا یک CASE جدید ایجاد شود.همانطور که در تصویر زیر مشاهده می کنیم،پنجره ای باز می شود که به آنCOMPONENT LIST یا همان لیست اجزا گفته می شود.اگر به پنجره ی سمت چپ که به آن PROPERTIES گفته می شود،دقت کنیم مشاهده می شود که شامل چندین پوشه است که پوشه ی اول تحت عنوان COMPONENT LIST به همراه یک علامت روی آن است که نشان دهنده ی ناقص بودن اطلاعات لیست اجزا است.و با انتخاب موادی که قرار است در شبیه سازی مورد استفاده قرار گیرند، این علامت به صورت یک تیک که نشان دهنده ی صحت و کامل بودن اطلاعات ورودی است در می آید.

اساس و بنیاد نرم افزار HYSYS  محاسبات ترمودینامیکی می باشد.شاید بدون اغراق بتوان گفت که ترمودینامیک مهمترین پایه ی مهندسی شیمی به حساب می آید،از این رو در هر CASE که تعریف شود باید FLUID PACKAGE یا همان پایه و اساس محاسباتی و معادله حالت مناسب برای آن را به دقت تعیین کرد.که در آموزش های بعدی به طور مفصل تر در مورد نحوه ی انتخاب مناسب توضیح داده خواهد شد.

همانطور که از نام پوشه ی بعدی پیداست، PETROLEUM ASSAYS اطلاعات مربوط به Assay های نفتی که مخلوطی از نفت های خام با ترکیب درصد های مشخص هستند که به عنوان خوراک به پالایشگاه ها داده می شوند ،در این پوشه جای می گیرد.که در بحث مقدماتی آشنایی با این نرم افزار، به بحث ASSAY ورود پیدا نمی کنیم.

تا اینجا با این اطلاعات مقدماتی می توان بسیاری از مسائل ساده ی ترمودینامیکی را حل نمود.برای آشنایی بیشتر با نحوه ی انتخاب مواد و چگونگی انجام محاسبات ،به ذکر چند مثال ساده می پردازیم و توضیحات مفصل تر را در ضمن حل مثالها بیان خواهیم کرد.

مثال 1.دمای اشباع آب در فشار 350 کیلو پاسکال را تعیین کنید

مثال 2.فشار اشباع آب در دمای 300 درجه سانتی گراد را تعیین کنید

مثال 3.انرژی گرمایی مورد نیاز در تبدیل آب 40 درجه سانتی گراد و فشار 5 اتمسفر به بخار اشباع در همان فشار را تعیین کنید.

مثال 4.تغییرات انرژی آزاد گیبس در مثال 3 را بیابید.

برای حل مثالهای 1 تا 4 ، باید ابتدا ماده ی آب را به عنوان یک  جزء تعربف کنیم.برای این منظور با فشردن کلید ADD یک لیست اجزا (COMPONENT LIST)  تهیه می کنیم. و وارد صفحه ای به شکل تصویر 3 می شویم.همانطور که در این تصویر مشاهده می شود،چند گزینه وجود دارد که به توضیح آنها می پردازیم.

گزینه ی SELECT که یک گزینه ی کشویی است و با بازکردن آن می توان زیر کشو های آن را که شامل نوع ماده ی انتخابی است که آیا خالص است و یا یک ترکیب مجازی است ،مشاهده کرد.

گزینه ی بعدی،FILTER است که باز هم با باز کردن کشو های آن ،چند زیر گشو  مشاهده می شود که با انتخاب هر کدام از گزینه ها می توان فقط مواد و یا اجزایی را که در آن دسته قرار دارند برای شما نمایش داده شوند.از جمله ی این فیلتر ها می توان به فیلتر انتخاب گروه هیدروکربن ها، آمین ها،اسید ها ،الکل ها و … اشاره کرد.

گزینه ی بعدی SEARCH BY است که در واقع تعیین می کند که ماده ای که به دنبال آن هستید تا به لیست مواد انتخابی آن را اضافه کنید را بر چه اساسی جستجو کند.که در این گزینه ،زیر کشو هایی همچون :نام کامل، فرمول شیمیایی، ویا نام مجازی را می توان مشاهده کرد.

با نوشتن نام آب در گزینه ی SEARCH FOR ، آن را به فشردن کلید ADD به لیست اضافه می کنیم و با سبز شدن و نمایش OK در STATUS که در گوشه ی سمت چپ و پایین پنجره وجود دارد ،از اتمام مرحله ی انتخاب اجزا اطمینان حاصل می کنیم. که این مرحله را در شکل زیر می توانید مشاهده کنید.

اگر بر روی آب که در لیست قرار دارد 2 بار کلیک کنیم ،پنجره ای  به شکل زیر ظاهر می شود که ویژگی هایی چون نام و فرمول شیمیایی ، و با وارد شدن به سربرگ CRITICAL ،خواصی چون وزن مولکولی، نقطه ی جوش،چگالی،دمای بحرانی،فشار بحرانی،حجم بحرانی و ضریب بی مرکزی ، و با وارد شدن به سایر سربرگ ها ،دیگر خواص ماده ی مورد نظر که در این جا آب است ،مثل ضرایب آنتوان برای محاسبه ی فشار بخار را مشاهده کرد.

مرحله ی بعد و شاید مهمتر

ین مرحله که در صحت و درستی شبیه سازی تاثیر گذار است ، مرحله ی انتخاب FLUID PACKAGE است که با وارد شدن به پوشه ی مربوط به آن پنجره ای به شکل زیر ظاهر می شود.

توضیح مفصل تر اینکه بسته ی نرم افزاریه مناسب جهت محاسبات ترمودینامیکی بر چه اساسی انتخاب می شود به بخش بعد موکول می شود.ولی جهت حل مثالهای ارائه شده با توجه به اینکه ماده ی مورد نظر ما آب است از ASME STEAM استفاده می کنیم.و همانطور که در شکل زیر هم مشاهده می شود در بجش PROPERTY PKG با نمایش سبز رنگ OK ،درستی این انتخاب تایید می شود.

در اینجا کار در مرحله ی PROPERTIES تمام شده و با انتخاب SIMULATION که در پنجره ی سمت چپ و پایین قرار دارد  وارد مرحله ی شبیه سازی می شویم.

همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید ،با فشردن گزینه ی SIMULATION وارد محیطی می شویم که از بخش مهمی به نام PALLET  تشکیل شده است و این پنجره تشکیل شده از ابزار و ادواتی است که در فرایند شبیه سازی مورد استفاده قرار می گیرد.که دربخش بعدی توضیح دقیق تری در مورد هر کدام از این تجهییزات داده می شود.برای آشنایی بیشتر با محیط FLOWSHEET به ادامه ی حل مثال ها می پردازیم.

برای این منظور روی فلش آبی رنگ که نشان دهنده ی یک جریان مواد است کلیک کرده و با ایجاد یک علامت + روی نشان گر موس ،جریان را در مکان دلخواه در صفحه جایگذاری کنید.توجه داشته باشید که فلش قرمز رنگ نشان دهنده ی جریان انرژی است که در توضیح تجهیزات دوار به طور مفصل تر در مورد آن صحبت خواهد شد.

با 2 بار کلیک کردن روی جریان،وارد پنجره های می شویم که در آن می توان اطلاعات مربوط به جریان را وارد کرد.شمای این پنجره را می توان در شکل زیر مشاهده کرد.

در این پنجره همانطور که مشاهده می کنید ،می توان مشخصات جریان را وارد کرد،معمولا اطلاعاتی که باید وارد شوند ،فشار یا دما،دبی مولی یا جرمی، و ترکیب درصد و نسبت بخار به مایع است.که با وارد کردن این اطلاعات ،با توجه به نوع معادله حالت انتخاب شده ،سایر اطلاعات با توجه به روابط ترمودینامیکی محاسبه می شود و در این پنجره ظاهر می شود.

در مورد مثال های ارائه شده، فشار را 350 کیلو پاسکال وارد می کنیم.توجه داشته باشید که یکی از ویژگی های مهم این نرم افزار این است که در هنگام وارد کردن اطلاعات،نرم افزار کلیه ی واحد های آن پارامتر را نشان می دهد تا کاربر بتواند بدون آن که نیاز به تبدیل واحد در محیطی خارج از نرم افزار داشته باشد،پارامتر مورد نظر را با توجه به واحد ارائه شده در مساله وارد کند.همانطور که می دانیم ،چون آب در حالت اشباع است ،پس نسبت بخار به مایع را باید صفر وارد کرد.با وارد شدن به زیر پنجره ی COMPOSITION که به شکل زیر است،جر مولی را که در اینجا 1 است را وارد می کنیم.و کلید OK را فشار می دهیم.اگر به این پنجره به طور دقیق تر نگاه کنیم،مشاهده می کنیم که در سمت راست،زیر پنجره ای به نام COMPOSITION BASIS وجود دارد و در آن می توان انتخاب کرد که درصد حضور اجزای مختلف را بر چه اساسی وارد کنیم.گاها مشاهده می شود کهخوراک بر اساس دبی جرمی به ما داده می شود و در این چنین مواردی می توان به راحتی با انتخاب MASS FLOW ،بدون اینکه نیاز باشد به صورت دستی تبدیل واحد انجام دهیم،اطلاعات را بر اساس دبی جرمی وارد می کنیم.

گزینه ی مهم بعدی NORMALIZE است و هنگامی می توان از این گزینه استفاده کرد که مجموع ترکیب درصد های وارد شده 100 نشده باشد و با فشردن این گزینه ،ترکیب درصد ها به صورتی تغییر داده می شود که اساس و منطق ریاضی آنها حفظ شود.

حال اگر وارد سر برگ CONDITION شویم ،مشاهده می کنیم که سایر پارامتر ها و از جمله دما که برای ما در مثال 1 پارامتر هدف بود ،محاسبه شده و به نمایش در آمده است.پس دمای اشباع آب در فشار 350 کیلو پاسکال ، 138.9 درجه سانتی گراد می باشد.که نتایج حاصل را در شکل زیر می توان مشاهده کرد.

اگر وارد سربرگ PROPERTIES شویم،خواص خوراک در دما و فشار و ترکیب درصد مورد نظر محاسبه شده است که می توانید نتایج حاصل را در شکل زیر مشاهده کنید.

برای حل مثال 2 کافی است فشار وارد شده در مرحله ی قبل را پاک کرده و به جای دما ،عدد 300 درجه ی سانتی گراد را وارد کرد.فشار توسط نرم افزار محاسبه خواهد شد که همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود این مقدار 8593 کیلو پاسکال بدست می آید.

برای حل مثال 3 ،باید نسبت بخار  را پاک کرده و دما و فشار مورد نظر را که به ترتیب 40 درجه ی سانتی گراد و 5 اتمسفر هستند را وارد کنیم.همانطور که  در شکل زیر هم مشاهده می شود نسبت بخار به مایع صفر به دست می آِد که این نشان دهنده ی این است که در این شرایط دمایی  فشاری ،آب به صورت مایع مادون سرد است.

همانطور که در شکل بالا مشاهده می شود HEAT FLOW توسط نرم افزار مشاهده شده است.حال اگر قرار باشد که این آب به بخاری در همان فشار تبدیل شود باید نسبت بخار به مایع را 1 قرار دهیم .همانطور که در شکل زیر مشاهده می شود با انجام این کار میزان HEAT FLOW در این شرایط محاسبه می شود.اگر اختلاف HEAT FLOW در دو حالت اول و دوم را بدست آوریم ،این مقدار همان میزان گرمای مورد نیاز برای تبدیل آب در دمای 40 درجه و فشار 5 اتمسفر ،به بخار آبی با فشار % اتمسفر می باشد که محاسبه ی عددی آن را به عهده ی خواننده می گذاریم.

در محاسبه ی تغییرات انرژی گیبس از فرمول  استفاده می کنیم.که با داشتن دما،آنتالپی، و آنتروپی،انرژی آزاد گیبس محاسبه شده و  در تغییر حالت آب مادون سرد در دمای 40 درجه و فشار 5 اتمسفر به بخار آب در فشار 5 اتمسفر قابل محاسبه است.

درباره نویسنده

محمدرضا فرزان

محمدرضا فرزان

درج دیدگاه