آموزش ها مهندسی شیمی علم و دانش مهندسی شیمی

آموزش توامان نرم افزار Hysys و Aspen Plus _ گام سوم (بخش دوم): ترمودینامیک و HYSYS

محمدرضا فرزان
نوشته شده توسط محمدرضا فرزان

برای مشاهده ی اهمیت انتخاب درست بسته ی نرم افزاری و کاربرد HYSYS  در حل مسائل ترمودینامیکی ،به حل چند مثال می پردازیم و ضمن حل ، توضیحاتی را در مورد سایر قابلیت های این نرم افزار خواهیم داد.

در بخش اول از گام سوم https://sabio.ir/2018/03/13/1602/ در خصوص اهمیت انتخاب بسته نرم افزاری مناسب توضیح دادیم. حال با حل چند مثال این موضوع را هرچه بیشتر بسط میدهیم.

مثال 1.

A :برای مخلوط 1 متانول/ متیل استات ، فشار نقطه ی حباب و ترکیب درصد فاز بخار را در دمای 45 درجه ی سانتی گراد و جز مولی فاز مایع متانول برابر 0.25 ،تعیین کنید.

B : مرحله ی A را را با انتخاب یک بسته ی نرم افزاری دیگر تکرار کنید و جواب ها را با مرحله ی قبل مقایسه کنید.

C  : در دمای 45 درجه سانتی گراد ، فشار نقطه ی آزئونروپ و جز مولی متانول در فشار آزئوترپ را تعیین کنید.

مثال 2.

A : ترکیب درصد اجزا مخلوطی شامل سه جز پروپان ، ایزو بوتان و نرمال پنتان به ترتیب برابر با 0.15 ، 0.35 و 0.5 مولی می باشد.نسبت فاز مایع به بخار و ترکیب اجزا درون این فاز ها در دمای 25 درجه ی سانتی گراد و فشار 150 کیلو پاسکال به چه شکل است.

B : در شرایط بخش A در فشار 150 کیلو پاسکال دمایی را بیابید که در آن جز مولی در فاز مایع برای پروپان 7 درصد باشد.

برای حل مثال 1 همانند آنچه که در بخش قبل گفته شد، اولین گام انتخاب موادی است که قرار است در شبیه سازی مورد استفاده قرار گیرد.همانند شکل زیر با ایجاد یک CASE جدید وارد پنجره ی انتخاب مواد می شویم.و با جستجوی مواد گام اول را کامل می کنیم.مرحله ی بعد انتخاب بسته ی نرم افزاری مناسب است که با توجه به توضیحاتی که در ابتدای فصل در مورد نحوه ی انتخاب بسته ی نرم افزاری مناسب داده شد، معادله ی NRTL را انتخاب می کنیم.همانند شکل  زیر: 

پس از به پایان رسیدن این دو مرحله وارد محیط شبیه سازی می شویم. برای این منظور باید روی گزینه ی SIMULATION کلیک کنیم . این گام در شکل زیر نشان داده شده است و پس از انتخاب یک جریان ماده، و دو بار کلیک کردن روی آن ،پنجره ای همانند شکل زیر باز می شود که در پنجره ی سمت چپ که WORK SHEET نام دارد ، وارد پوشه ی اول یعنی CONDITION می شویم و شرایط جریان ورودی ،یعنی دما و دبی مولی را همانند شکل زیر وارد می کنیم.باید توجه داشته باشیم که با توجه به اینکه از ما فشار جوش مخلوط را می خواهند بنابراین باید کسر بخار را صفر وارد کنیم و اجازه دهیم که نرم افزار فشار را محاسبه کند.گام بعدی وارد کردن ترکیب درصد اجزا در خوراک ورودی است که برای این منظور همانطور که در شکل زیر نشان داده شده و در بخش قبل هم توضیح داده شد، وارد پوشه ی COMPOSITION می شویم و ترکیب درصد اجزا را وارد می کنیم. اگر وارد پوشه ی CONDITION  شویم همانند آنچه که در شکل زیر نشان داده شده فشار جوش توسط نرم افزار محاسبه شده است و مقدار 72.71 کیلوپاسکال را به دست می دهد.

جهت بدست آوردن ترکیب درصد اجزا در فاز بخار با توجه به آنچه که در درس ترمودینامیک می دانیم ،که با استفاده از K-VALUE و داشتن ترکیب درصد اجزا در فاز مایع می توان ترکیب درصد اجزا در فاز بخار را بدست آورد. .بنابراین با ورود به پوشه ی K-VALUE  ،و آنچه که از ترکیب درصد اجزا در فاز مایع می دانیم می توانیم ترکیب درصد اجزا در فاز بخار را بدست آوریم.همانند شکل زیر.البته این توضیح جهت فهم بهتر موضوع و مبانی محاسباتی نرم افزار است.در مثال های لعدی روش هایی توضیح داده خواهد شد که بدون اینکه نیاز به محاسبه ی دستی باشد می توان ترکیب درصد را خیلی راحت و دقیق بدست آورد.

انتخاب بسته ی نرم افزاری UNIQUAC به جای NRTL ،ممکن است است جواب های متفاوتی را به دست بدهد.برای بررسی این موضوع می توان با انتخاب بسته ی نرم افزاری UNIQUAC هین مساله را مورد بررسی قرار می دهیم.همانند شکل زیر در پوشه ی FLUID PACKAGE ، معادله ی UNIQUAC را بر می گزینیم.و اگر وارد محیط شبیه سازی شویم و مشخصات جریان را که همانند آنچه که در شکل 16 نشان داده شده است می باشد، خواهیم دید که مقدار فشار جوش بدست آمده تفاوت چندانی با مقدار بدست آمده از معادله ی NRTL ندارد.شکل زیر نشان دهنده ی مقادیر K است که توسط معادله ی UNIQUAC بدست آمده است.

بار دیگر با عوض کردن معادله و انتخاب معادله ی PRSV ،مقدار دمای جوش به دست آمده توسط نرم افزار را مورد بررسی قرار می دهیم .شکل های زیر مراحل و نتایج انتخاب این معادله ی جدید را نشان می دهند.

در مورد بخش C که در مورد نقطه ی آزئوتروپ است ،باید به این نکته که در درس ترمودینامیک خواندیم مراجعه کنیم که در نقطه ی آزئوتروپ کسر مولی یک جز در فاز مایع و فاز بخار با هم برابر است و این به معنی این است که K-VALUE مقداری برابر 1 دارد.

در واقع در حل این بخش باید با تغییر ترکیب درصد خوراک ورودی در دمای 45 درجه ،با استفاده از روش حدس و خطا ،سعی می کنیم به مقدار 1 برای K  دست پیدا کنیم.همانطور که در شکل زیر می بینیم با تغییر ترکیب درصد، توانستیم به مقادیر بسیار نزدیک به 1 برای K-VALUE برسیم.که نتیجه ی آن را در شکل زیر می بینیم.اگرچه در این مثال از روش حدس و خطا استفاده کردیم اما در بخش های بعدی استفاده از نمودار و یاروش های دیگر شرح داده می شود.

همانطور که در درس ترمودینامیک خواندیم نوعی از محاسبات ترمودینامیکی وجود دارد که آن را با نام FLASH CALCULATION می شناسیم و در آن با چند حدس و خطا سعی می کنیم که ترکیب درصد اجزا در فاز های مختلف را بیابیم.یکی از امکانات نرم افزار محاسبات طولانی ترمودینامیکی مثل FLASH در چند ثانیه است.که در حل مثال 2 به بررسی این امکان می پردازیم.برای شروع محاسبات ابتدا همانند مثال های قبلی ،موادی را که قرار است مورد شبیه سازی قرار گیرند را انتخاب می کنیم.شکل زیر نشان دهنده ی این گام است.

گام بعدی انتخاب بسته ی نرم افزاری مناسب است.با توجه به اینکه مواد هیدروکربن هستند می توانیم از معادله های حالت PENG- ROBINSON ، SRK و PRSV استفاده کنیم. که برای این منظور PRSV را بر می گزینیم.این مرحله را در شکل زیر می توان مشاهده کرد.

برای شبیه سازی یک واحد تقطیر، وارد محیط شبیه سازی می شویم و 3 جریان ماده و یک برج جداساز را در محیط شبیه سازی با انتخاب آنها از صفحه ی PALLET ،قرار می دهیم. این جریان ها به ترتیب جریان خوراک ورودی به برج  که آن را FEED ،جریان خروجی از بالای برج که آن را VAPOR و جریان خروجی از پایین برج که آن را LIQUID می نامیم.این مرحله در شکل زیر نشان داده شده است.در گام بعدی با 2 بار کلیک کردن روی جریان خوراک ورودی ، مشخصات جریان را وارد می کنیم.با وارد کردن دما و فشار  و دبی مولی جریان ورودی ،و وارد شدن به پوشه COMPOSITION ، ترکیب درصد اجزا را وارد می کنیم و اجازه می دهیم تا نرم افزار نسبت بخار را در خوراک ورودی محاسبه کند.این مرحله در شکل های زیر نشان داده شده است.

مرحله ی بعدی وارد کردن مشخصات برج جداسازی است که برای این منظور با دو بار کلیک کردن روی برج پنجره ای مانند شکل زیر باز می شود که با اتصال جریان های ورودی به برج و خروجی های برج ، شبیه سازی کامل می شود.این تصال از طریق گزینه های کشویی که در شکل 30 نشان داده شده است انجام می گیرد.در شکل زیر می توانید نتایج حاصل از شبیه سازی را مشاهده کنید.

یکی از مهم ترین و اساسی ترین ویژگی های این نرم افزار در این است که می توان تغییرات پارامتر های مختلف روی یکدیگر را مورد بررسی قرار داد.و می توان برای بدست آورد یک مقدار مشخص از یک پارامتر، سایر پرامتر ها را به نحوی تنظیم کرد که به هدف مورد نیاز دست پیدا کنیم.این قابلیت توسط گزینه ی ADJUST انجام می گیرد.این قابلیت را می توان در PALLET  نرم افزار و با فشردن گزینه ای که به شکل یک آچار است ،جستجو کرد.به عنوان مثال در بخش دوم از مثال 2 ، از ما دمایی را خواسته اند که بتوانیم ترکیب درصد 7 درصد را برای پروپان در مایع خروجی از برج مشاهده کنیم.اگر گزینه ی ADJUST را در PALLET فشار دهیم و آن را همانند آنچه که در شکل زیر نشان داده شده است را در صفحه ی شبیه سازی قرار می دهیم. و با دو بار کلیک کردن روی آن پنجره ای مانند شکل 33 باز می شود که در آن می توان متغیر های وابسطه و متغیر هدف را مشخص کرد.اگر به شکل 34 که این پارامتر ها را در آن مشخص کرده ایم دقت کنید مشاهده می کنید که چند گزینه وجود دارد که به توضیح هر کدام می پردازیم. در پنجره ی ADJUSTED VARIABLE  ،گزینه ی SELECTED VARIABLE مربوط به انتخاب چه پارامتری از چه جریانی است؟ که با فشردن این گزینه می توان این پارامتر ها را بر گزید.در پنجره ی TARGET VARIABLE گزینه ی SELECT VARIABLE جهت انتخاب پارامتر هدف است.که با فشردن این گزینه می توان آن را برگزید.در پنجره ی TARGET VALUE مقدار نهایی پارامتر هدف را بر وارد می کنیم.که این مقادیر درشکل زیر نشان داده شده است.

حال اگر وارد سربرگ PARAMETERS شویم ،پنجره ای مانند شکل زیر را مشاهده می کنیم که در این پنجره ، طول گام هایی که برای تغییر مقدار متغیر های مستقل در نظر می گیریم، مقدار درصد خطایی که مد نظر است ، مقدار مینیمم و ماکزیممی که برای متغیر مستتقل در نظر گرفته ایم و هم چنین تعداد مراحل انجام محاسبات برای دست یابی به جواب دقیق را می توانیم مشاهده کنیم.

 گزارش نویسی در HYSYS

یکی ازمهمترین بخش های یک شبیه سازی ،تهیه ی گزارش شبیه سازی است.در گزارش ،نتایج حاصل در قالب یک فایل در اختیار کاربر قرار می گیرد تا از نتایج حاصل به راحتی بتواند استفاده کند.این گزارش که به صورت داده های عددی تهیه می شود ، می تواند همه یا بخشی از نتایج را در بر داشته باشد. برای تهیه ی گزارش هنگامی که در محیط HYSYS قرار لریم با فشردن گزینه ی CTRL + R  وارد پنجره ای می شویم که در شکل زیر نشان داده شده است.در این پنجره با فشردن گزینه ی INSERT DATA SHEET پنجره ای به مانند شکل زیر باز خواهد شد که در آن می توان انتخاب کرد که اطلاعات مربوط به چه بخشی از شبیه سازی را در گزارش وارد کنیم.به عنوان مثال با انتخاب CASE ( main) نتایج به شکل زیر مشاهده خواهد شد.

 استفاده از بانک اطلاعاتیASPEN  در HYSYS

همه ی نرم افزار موجود در زمینه های مختلف کمبود ها و نواقصی دارند.و ادعای کامل و شامل و جامع بود یک محصول به خصوص در زمینه ی نرم افزار های تخصصی شاید واقعا تنهت یک ادعا بیش نباشد.به عنوان مثال نرم افزار HYSYS در بانک اطلاعاتی خود ممکن است یک سری از مواد و ترکیبات را نداشته باشد.که البته با استفاده ی HYSYS از بانک اطلاعاتی ASPEN این نقصان تا حدودی حل شده است.برای توضیح دقیق تر این موضوع که چگونه می توان از این قابلیت استفاده کرد ، مراحل را در روند حل یک مثال مورد ررسی قرار می دهیم.

فرض کنید که 3 درصد جرمی نمک NaCl را به 97 درصد جرمی آب اضافه کنیم.اگر شرایط فشاری را در فشار اتمسفر تصور کنیم ،تغییرات نقطه ی جوش این محلول را به نسبت آب خالص مورد بررسی قرار می دهیم.برای این منظور گام اول همانند مراحل قبل انتخاب موادی است که قرار است در شیه سازی وارد شوند است.اگر گام اول را با فشردن گزینه ی ADD به اجرا در بیاوریم و به دنبال NACl بگردیم مشاهده می کنیم که این جستجو نتیجه ای را در بر نخواهد داشت.اما اگر به عقب برگردیم و گزینه ی ADD را که یک گزینه ی کشویی است را باز کنیم 2 گزینه مشاهده می کنیم که HYSYS و ASPEN PROPERTIES این دو گزینه هستند، که در حالت عادی با فشردن گزینه ی ADD نرم افزار به طور از پیش تعریف شده از بانک اطلاعاتی HYSYS استفاده می کند.اما با انتخاب گزینه ی ASPEN PROPERTIES از بانک اطلاعاتی ASPEN استفاده کرده و پنجره ای به مانند شکل زیر را مشاهده خواهیم کرد و با فشردن گزینه ی FIND در این پنجره ،پنجره ی جدیدی مثل شکل زیر باز می شود و مواد را می توان در آن جستجو و به لیست اجزا اضافه کرد.و لیست اجزا در HYSYS همانند شکل زیر نمایش داده می شود.

همین مراحل را در انتخاب بسته ی نرم افزاری مناسب خواهیم داشت.و همانند آنچه که در شکل زیر نشان داده شده است ،NRTL ELECTROLIT را برای این منظور برمی گزینیم.

حال که اجزای مناسب و بسته ی نرم افزاری مناسب را انتخاب کردیم ،نوبت آن است که وارد محیط شبیه سازی شویم و با انتخاب یک جریان انرژی ،مشخصات جریان مثل فشار و کسر مولی بخار و دبی مولی و همچنین وارد کردن ترکیب درصد اجزا ، منتظر بمانیم تا نرم افزار دمای جوش محلول را محاسبه کند  که این مراحل در شکل های زیر نشان داده شده است. و مشاهده می کنیم که دمای جوش محاسبه شده توسط  نرم افزار100.3 می باشد و اضافه کردن 3 درصد جرمی نمک به آب ،دما ی جوش را 3 درجه بالا می برد.

 

درباره نویسنده

محمدرضا فرزان

محمدرضا فرزان

درج دیدگاه