آموزش ها مهندسی شیمی علم و دانش مهندسی شیمی

آموزش توامان نرم افزار Hysys و Aspen Plus _ گام چهارم (بخش اول):مکانیک سیالات و Hysys

محمدرضا فرزان
نوشته شده توسط محمدرضا فرزان

ارتباط نزدیک نرم افزار نرم افزار HYSYS با دروس اصلی مهندسی شیمی ، و کشف این ارتباط شاید شیرین ترین بخش یادگیری این نرم افزار باشد.همانطور که می دانید یکی از مهمترین دروس در مهندسی شیمی ، درس مکانیک سیالات است چه دربحث پدیده های انتقال و چه در مباحثی همچون تجهیزات دوار و پایپینگ. که در ادامه با شبیه سازی و ، حل مثال های فراوان ، چگونگی حل این گونه مسائل توسط نرم افزار را تمرین می کنیم.

شبیه سازی پمپ

با ذکر یک مثال به شبیه سازی پمپ در نرم افزار HYSYS می پردازیم.

 

مثال 1.جریانی از آب با دمای 26 درجه سانتی گراد و فشار 200 کیلو پاسکال را توسط یک پمپ قرار است به فشار 2500 کیلو پاسکال برسانیم.انرژی مورد نیاز ورودی به پمپ و دما در جریان خروجی را بدست آورید.

شاید این مساله را بتوان ساده ترین نوع از شبیه سازی یک پمپ دانست.برای شروع همچون مثال های قبل ، ابتدا باید آب را به عنوان ماده ی مورد نظر انتخاب کرد. که در شکل 1 نشان داده شده است .گام بعدی انتخاب بسته ی نرم افزاری مناسب برای این منظور است که همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است معادله ی ASME STEAM برای این منظور برگزیده شده است. پس از این که این دو گام طی شد ، وارد محیط شبیه سازی شده و باایجاد دو جریان ماده و یک جریان انرژی و انتخاب پمپ ،همانند آنچه که در شکل 3 نشان داده شده است ، کار شبیه سازی وارد مرحله ی 3 کنیم.اگر روی جریان ورودی به پمپ که با نام PUMP INLET نامگذاری شده است ، دو بار کلیک کنیم و مشخصات جریان را وارد می کنیم.این مشخصات شامل دما و فشار جریان ورودی و ترکیب درصد است .که پس از وارد کردن این مشخصات ،سایر مشخصات جریان مثل درصد بخار و … محاسبه می شود که در شکل 4 نشان داده شده است.حال اگر روی پمپ کلیک کنیم ، پنجره ای همانند شکل 5 باز می شود که به توضیح مشخصات هر کدام از بخش ها می پردازیم.در بخش CONNECTION جریان های ورودی و خروجی از پمپ و همچنین جریان انرژی مورد نیاز برای پمپ را وارد می کنیم.اگر وارد بخش PARAMETERS شویم ، همانطور که در شکل 6 مشاهده می شود ، چند پنجره وجود دارد .پنجره ی اول که همان EFFICIENCY است که همانطور که می بینیم به صورت پیش فرض وارد شده است . بنابراین در اینجا درجه ی آزادی 1 است. و با وارد کردن dP و یا DUTY ، دیگری محاسبه می شود.با توجه به اینکه ما مقدار dP را وارد می کنیم ، بنابراین منتظر می مانیم تا مقدار ِDUTY محاسبه شود.در شکل 7 این گام را مشاهده می کنیم.سایر زیر پنجره های مربوط به پمپ را در طی حل سایر مسائل ، توضیح خواهیم داد.در شکل 8 می توانیم مشخصات جریان خروجی از پمپ را پس از پایان شبیه سازی مشاهده نماییم.

اما گاهی می خواهیم از پمپی که مشخصات آن به ما داده شده است استفاده کنیم. این که چگونه از پمپ ، کمچرسور و یا هر ابزار دیگری که مد نظر ماست ، بتوانیم استفاهد کنیم موضوع مورد بحث ما در ادامه است.

معمولا فشار خروجی از پمپ ها در دبی های مختلف فرق می کند و ما مجاز نیستیم بدون در نظر گرفتن دبی پمپ ، هر فشار خروجی از پمپ را که خواستیم ، در نظر بگیریم.شرکت های سازنده ی پمپ برای پمپ ها ،یک منحنی مشخصه تعریف می نمایید.که بیانگر کارکرد پمپ است.منحنی مشخصه ی پمپ ، معمولا فشار (هد)  را به صورت تابعی از دبی ارائه می کنند. علاوه بر منحنی مشخصه که هد افت فشار را بر اساس دبی برای ما بدست می دهد ، سازنده های پمپ معمولا یک منحنی برای بازده و توان مصرفی ،پمپ نیز ارائه می دهند.اما دیده می شود که در برخی موارد هم داده ها به صورت ععدی در دسترس هستند.به عنوان نمونه فرض کنیم که از ما خواسته شده است که از پمپی با مشخصات زیر در شبیه سازی بهره ببریم. در ادامه توضیح خواهیم داد که چگونه این پمپ را وارد محیط شبیه سازی HYSYS کنیم.

Efficiency (%) Head (m) Flow (m3/hr)
53 83 70
60 82 72
65 81 74
69 79 77.5
71 77 81
67 75 84
61 70 88
50 60 92

 

همانطور که در شکل 9 هم مشاهده می کنیم ، با دو بار کلیک کردن بر روی برج ، و وارد سربرگ RATING شدن ، محیطی را مشاهده می کنیم که کی توانیم در آن مشخصات پمپ مورد نظر را وارد کنیم.با فشردن گزینه ی ADD CURVE ، وارد محیطی به مانند شکل 10 می شویم که در آن می توانیم اطلاعات جدول 1 را وارد کنیم.

پس از بستن این پنجره ،مشاهده می شود که به محیطی به مانند شکل 9 بر می گردیم با این تفاوت که یک انتخاب در پنجره ی CURVE NAME اضافه شده است و با فشردن گزینه ی PLOT CURVE ،وارد پنجره ای به مانند شکل 11 می شویم و می توانیم نمودار مربوط به تغییرات HEAD نسبت به جریان و یا تغییرات EFFICIENCY نسبت به جریان را رسم کرد. که انتخاب آن با ماست.در شکل 11 و 12 این دو نمودار برای پمپی که اطلاعات آن در جدول 1 آمده بود رسم شده است.

حال که تغییرات هد افت فشار و بازده را به نسبت جریان رسم کردیم ،برای اسفاده از این پمپ در محیط شبیه سازی در پنجره ی RATING ، با فشردن گزینه ی USE CURVE  ، از نرم افزار می خواهیم در شبیه سازی مورد نظر ما به جای پمپی که بازده ی آن به صورت پیش فرض 75 درصد در نظر گرفته شده بود ، از پمپی که ما در نظر داریم که در محیط شبیه سازی قرار گیرد .حال اگربا فشردن گزینه ی DESIGN وارد مشخصات پمپ یعنی سربرگ  PARAMETERS شویم ، مشاهده می کنیم که مشخصات پمپ تغییر کرده است.در شکل 13 این تغییر را می تونید مشاهده کنید.

نوع دیگری از وارد کردن مشخصات ادوات و ابزار در محیط شبیه سازی ، GENERATE  کردن یا به عبارتی خلق کردن و طراحی آن ابزار است .ب عنوان مثال ما نیاز داریم که در محیط شبیه سازی پمپی را داشته باشیم که 70 متر HEAD ایجاد کند که برای این منظور با وارد شدن به سربرگ RATING و فشردن گزینه ی GENERATE CURVES ، پنجره ای به مانند شکل 14 باز می شود که در آن با وارد کردن پارامتر ها ی طراحی مثل HEAD که در شکل هم مشاهده می شود خالی است ، می توان یک پمپ را خلق کرد.

حال که با نحوه ی اضافه کردن پمپ در محیط شبیه سازی آشنا شدیم ، می توانیم گام های بعدی در این زمینه برداریم.

شبیه سازی خطوط لوله

یکی از امکانات بسیار جالب در این نرم افزار این است که می توان خطوط لوله را شبیه سازی کرده و گامی بزرگ را در طراحی برداشت.در واقع با داشتن اطلاعات در خصوص اصول و مبانی طراحی خطوط لوله که یکی از مباحث گسترده و البته پر کاربد در مهندسی شیمی به شمار می آید می توان توسط نرم افزار HYSYS بخشی از اطلاعات را از جمله شیب خطوط لوله ، زبری ، شیر ها و خم ها و همه آن چه که باعث افت فشار و یا تغییر رژیم جریانی می شوند و یا ممکن است حتی باعث تغییر فاز در خط لوله شوند ، وارد کرد. که در این بخش به همین موضوع پرداخته می شود. جهت چیدمان دقیق تر و حرفه ای تر فرایند پایپینگ و بدست آوردن نمای 3 بعدی از واحد از نرم افزار PDMS استفاده می شود که در یک فصل به عنوان ضمیمه ی این کتاب به بررسی آن نیز پرداخته می شود.به علاوه برای شبیه سازی خطوط لوله ی نفت و گاز و در واقع شبیه سازی جریان های 2 فازی ، از نرم افزار OLGA استفاده می شود که در فصل ضمیمه ی دیگری به توضیح و آموزش این نرم افزار قوی نیز پرداخته می شود.برای این که از موضوع اصلی که همان یادگیری نرم افزار HYSYS و کاربرد آن در شبیه سازی خطوط لوله است ؛دور نشویم ،شبیه سازی انجام شده در مرحله ی قبل را اگر بازخوانی کنیم ، با دو بار کلیک کردن روی جریان ورودی به پمپ ، پنجره ای به مانند شکل 15 باز می شود بر خلاف موارد قبل این بار وارد سربرگ ATTECHMENT می شویم و با فشردن ANALYSYS که در این پنجره وجود دارد و ایجاد یک ANALYSYS جدید که با فشردن گزینه ی CREAT انجام می گیرد ، همانطور که در شکل 16 نشان داده شده است ، می توان از امکانات جانبی این نرم افزار استفاده کرد.این امکانات در شکل 17 نشان داده شده است. یکی از این امکانات همان تعیین اندازه ی لوله است که با انتخاب گزینه ی PIPE SIZING می توان از این امکان استفاده کرد.

پس ازانتخاب اندازه ی خط لوله پنجره ای همانند شکل 18 باز می شود که در این پنجره 2 امکان وجود دارد .

1.وارد کردن افت فشار و بدست آوردن قطر لوله

2.وارد کردن قطر لوله و بدست آوردن افت فشار

این دو امکان را در پنجره ی CALCULATION TYPE می توان انتخاب کرد .به عنوان مثال اگر نیاز به داشتن قطر لوله داشته باشیم ، با انتخاب MAX DIMAETER در CALCULATION TYPE ، و وارد کردن افت فشار در قسمت PRESSURE  DROP ، این مقدار بدست می آید. این مرحله را می توان در شکل 19 مشاهده کرد.

با وارد شدن به سربرگ RESULT می توان سایر اطلاعات از قبیل اطلاعات جریان و پارامتر هایی همچون عدد رینولدز ویا ضریب زبری را مشاهده کرد.

اما امکان طراحی حرفه ای تر خطوط لوله در نرم افزار HYSYS وجود دارد.در واقع از این روش ساده برای تعیین افت فشار و تعیین قطر خط لوله در هنگامی که می خواهیم بدانیم یک جریان در یک لوله ی تنها چگونه فشارش تغییر می کند ، استفاده می کنیم.اما در حالت پیچیده تر و واقعی تر ، یک شبکه ی لوله کشی ، شامل لوله ها با سایز های مختلف ،جنس های مختلف و زاویه های مختلفی هستند ، به علاوه ممکن است شیر ها ، اتصالات و پیچ ها ی بسیاری در سر را جریان قرار گیرد. لذا در اینجا از ابزاری استفاده می کنیم که می تواند بسیاری از پارامتر های طراحی را برای ما بدست دهد.توجه به این نکته ضروری است که در نرم افزار HYSYS این اجزا به صورت جداگانه و در PFD به نمایش در نمی آیند ، و همه ی ادوات در یک المان که به شکل لوله است درPFD نمایش داده می شوند. در مراحل بعدی با فراگیری PDMS از این اطلاعات برای نمایش 3 بعدی و چیدمان این ادوات کنار هم استفاده می کنیم.

برای طراحی حرفه ای تر خط لوله و اضافه کردن اجزای مختلف خط لوله در طراحی ، از Pallet روی Pipe  کلیک کرده و آن را در محیط شبیه سازی قرار می دهیم.با 2 بار کلیک کردن روی لوله وارد محیطی به مانند شکل 21 می شویم.همانطور که دیده می شود در سربرگ Connection جریان های ورودی و خروجی از جط لوله و جریان انرژی متصل به خط لوله را مشخص می کنیم. پس از اتصال اگر وارد محیط شبیه سازی شویم ، تصویری از PFD به مانند شکل 22 را مشاهده خواهیم کرد.

 

حال برای وارد کردن مبنای محاسباتی در خط لوله چه به هنگامی که خط لوله به صورت افقی و یا عمودی و یا کج است ، وارد سربرگ Parameters می شویم و همانطور که در تصویر 23 مشاهده می کنید ما برای این مورد از معادلات Beggs and Brill  استفاده می کنیم.

اگر وارد سربرگ Rating  شویم دو پوشه ی مهم را در چپ مشاهده خواهیم کرد.یکی مربوط Sizing  خط لوله و دیگری مربوط به  Heat transfer آن. که به ترتیب این مشخصات را باید وارد کنیم. در ابتدا اطلاعات مربوط به اندازه ی خط لوله را وارد می کنیم. اگر گزینه ی Append segment را فشار دهیم ، مشاهده می کنیم که می توانیم مشخصاتی مانند قطر داخلی  ، قطر خارجی ،طول خط لوله و …. را وارد کنیم.البته به جز انتخاب لوله  در قسمت Fitting/ Pipe می نوان اجزای دیگری را هم انتخاب کرد که نحوه ی اضافه کردن اجزا را در گام های بعدی توضیح می دهیم.اگر در شکل 24 نگاه کنیم ،مشاهده می کنیم که با وارد کردن قطر ورودی ، قطر خروجی و طول خط لوله ، وارد پوشه ی مربوط به Heat transfer می شویم و میزان اتلافات حرارتی را در آن وارد می کنیم که در این مورد با میزان اتلافات را صفر در نظر گرفته ایم همانند شکل 25. با این کار ، سایر پارامتر ها همانند آن چه که در شکل 24 نشان داده شده است ،محاسبه می شود.

برای مشاهده ی نتایج کامل تری از محاسبات و همه ی ویژگی های جریان های ورودی و خروجی ، با وارد شدن به سر برگ Worksheet می توان همانند آن چه که در تصویر 26 نمایان است نتایج را مشاهده کرد.

اما یک مجموعه ی لوله کشی از اجزای مختلفی تشکیل شده است که این اجزا می تواند شامل خم ها ، شیر ها ، فلنج ها و خیلی اجزای دیگر باشد. این که چگونه این اجزا را وارد سیستم شبکه بندی کنیم هدف بعدی ما در روند شبیه سازی است. برای این منظور بار دیگر وارد سربرگ Rating  شده و با فشردن گزینه ی Insert Segment ، همانند آنچه که در شکل 27 نشان داده شده است ،یک شیر نیمه باز را انتخاب می کنیم و جنس و قطر بیرونی آن را انتخاب می کنیم .و اجزا می دهیم تا محاسبات انجام شود.یا این کار می توانیم همه ی اجزای یک شبیه سازی را وارد محاسبات نرم افزاری کنیم و مواردی همچون افت فشار در انتهای خط لوله ، افت دما و … را بدست آوریم. به عنوان ضمیمه ، نحوه ی رسم اجزا در محیط 3 بعدی را توسط نرم افزار PDMS توضیح خواهیم داد.

شبیه سازی کمپرسور

 

برای آشنایی با نحوه ی شبیه سازی کمپرسور در محیط HYSYS به حل یک مثال ساده می پردازیم.

مثال 2.یک مجتمع پتروشیمی احتیاج به 10000 استاندارد متر مکعب بر ساعت هوای فشرده با فشار7 بار دارد.جریان ورودی این کمپرسور، هوای محیط است.فشار هوا ،درجه حرارت و رطوبت نسبی محلی به ترتیب برابر 98 کیلوپاسکال ، 45 درجه سانتی گراد و 80 درصد است. کمپرسور مناسب این مجتمع رادر نرم افزار HYSYS شبیه سازی نموده و انرژی مورد نیاز آن را با فرض بازده ی 75 درصد تعیین نمایید.

همانند آنچه که در مثال های قبل گفته شد ، ابتدا وارد پوشه ی Component شده و اجزای مورد نیاز که در این جا آب و هوا هستند را انتخاب کرده و و پس از آن با انتخاب بسته ی نرم افزاری مناسب که در این جا SRK-TWU است را برمی گزینیم.این دو مرحله در شکل های 28 و 29 نشان داده شده است.

همانطور که در مورد پمپ ها گفته شد ، در این مورد هم می توان با طی همان مراحل ، از کمپرسوری با مشخصات مورد نیاز خودمان به شرط داشتن دبی جریان ورودی و بازده و سایر مشخصات آن استفاده کرده و نمودار های مربوط را رسم کرد. انجام این مرحله را به عنوان تمرین به عهده ی خواننده می گذازیم.

پس از پشت سر گذاشتن این دو مرحله ، وارد محیط شبیه سازی شده و با ایجاد 2 جریان ماده و 1 جریان انرژی و انتخاب یک کمپرسور ، نام گذاری و اتصال آنها به هم ، همانند شکل 30 یک PFD به دست می آید که البته هانطور که در شکل هم نمایان است ، رنگ آبی کم رنگ آن نشان گر ناقص بودن شبیه سازی و عدم ورود اطاعات درست در آن است.

برای رفع این نقصان ،باید مشخصات جریان های ورودی را وارد کرد. همانطور که در صورت سوال گفته شده است جریان ورودی با دمای 45 درجه سانتی گراد و فشار 98 درجه سانتی گراد وارد می شود.باید از اینکه جریان به صورت کاملا گازی شکل وارد کمپرسور می شود مطمئن شد. و در صورت دو فاز بودن جریان ، باید آن را ابتدا وارد یک برج جداساز کنیم ، و سپس جریان گاز را وارد کمپرسور کرد. اما مساله ای دیگری که با آن مواجه هستیم این است که در صورت سوال به ما رطوبت نسبی داده شده است و برای به دست آوردن رطوبت مطلق و نرکیب درصد اجزا ، نیاز به یک محاسبه داریم.

با توجه به آنچه که در درس عملیات واحد خواندیم ، برای به دست آوردن رطوبت مطلق از رابطه ی زیر استفاده می کنیم.

در رابطه ی بالا Y  رصوبت مطلق  وy کسر مولی آب در ورودی است. نکته ی دیگری که باید به آن توجه کرد به دست آوردن فشار بخار آب در دمای 45 درجه سانتی گراد است که نحوه ی بدست آوردن آن در فصل اول و با تشکیل یک جریان و وارد کردن دما و قرار دادن کسر بخار برابر صفر ، بدست می آید که این مقدار 9.62 کیلوپاسکال بدست می آید.با این احتساب مقادیر Y وy به ترتیب 0.085 و 7.8% بدست می آیند. حال می توان کسر مولی اجزا در جریان ورودی را وارد کرد. از طرفی در جریان خروجی قرار است فشار را به 7 بار برسانیم و جریانی با دبی 10000 استاندارد متر مکعب را دریافت کنیم. پس این دو مشخصه از جریان خروجی را وارد می کنیم. و وارد کمپرسور می شویم و با وارد کردن بازده ی مورد نظر ، منتظر می مانیم تا مقدار انرژی مورد نیاز و بازده ی پلی تروپیک را محاسبه کند.برای انتخاب مبنای محاسباتی بازده ی پلی تروپیک در گوشه ی سمت راست صفحه ی مربوط به کمپرسور ، پنجره ای وجود دارد که در این مورد به ما انتخاب می دهد.شکل 31 تا 35 مراحل شبیه سازی را نشان می دهد.

شبیه سازی توربین
حال برای اینکه با نحوه شبیه سازی توربین آشنا شویم ،یک مثال را مورد بررسی قرار می دهیم.

مثال3.یک مخلوط از گاز طبیعی را که در دمای 25 درجه سانتی گراد و فشار 40 بار قرار دارد را در شرایط عادی از یک شیر فشار شکن عبور می دهند تا به فشار 3 بار برسد و برای مصارف خانگی از آن استفاده کنند.جهت استفاده از انرژی آن ، می توان به جای شیر فشار شکن از یک توربین استفاده کرد.جهت شبیه سازی این واحد ابتدا باید یک case جدید تشکیل دهیم و با وارد کردن component  ها که به شرح زیر هستند ،و انتخاب معادله حالت مناسب که PRSV است ، 2 گام از شبیه سازی را به پیش می بریم.این دو مرحله در شکل های 36 و 37 نشان داده شده است.

HP-NG Stream name
25 c temperature
40 bar pressure
10000 kg/hr Mass flow
Composition ( mole %) component
95.2 Methane
2.5 Ethane
0.2 Propane
0.03 Iso-butane
0.03 Normal-butane
0.01 Iso-propane
0.01 Normal-propane
0.01 Hexane
1.3 Nitrogen
0.7 Carbon dioxide
0.02 oxygen

حال با تشکیل یک جریان از ماده با نام turbine inlet  و وارد کردن ترکیب درصد اجزا و شرایط دما و فشار و دبی ، سایر مشخصات جریان توسط HYSYS محاسبه می شود. حال اگر یک جریان به نام turbine outlet که همان جریان خروجی از توربین ست ،و وارد کردن شرایط فشار که همان 3 بار است ، شبیه سازی تکمیل کی شود.هم مشخصات جریان خروجی محاسبه می شود و هم شرایطی که توربین در آن کار می کند و انرژی تولیدی توسط آن.این مراحل در تصاویر 38 تا 42 نشان داده شده است.

شبیه سازی مخلوط کننده

یکی از ساده ترین تجهیزات شبیه سازی مخلوط کننده است ،که می توان 2 یا تعداد بیشتری جریان را با یکدیگر مخلوط کرد.به عنوان مثال اگر شبیه سازی انجام شده برای کمپرسور را بازیابی کنیم، و جریان خروجی از کمپرسور و جریان پایین برج جداساز را با یکدیگر توسط یک مخلوط کننده مخلوط کنیم ، همانند آن چه که در شکل 43 نشان داده شده است ، می توان اطلاعات جریان خروجی از مخلوط کننده را بدست آورد. برای اتصال جریان ها به مخلوط کننده ، با دو بار کلیک کردن روی مخلوط کننه پنجره ای مثل شکل 44 بدست می آید ، که در آن می توان جریان های ورودی و خروجی از مخلوط کننده را بدست آورد.در شکل 45 اطلاعات جریان خروجی از مخلوط کننده را مشاهد می کنیم.

برای مشاهده ی اطلاعات هر کدام از ابزار و تجهیزات و یا هر کدام از جریان ها می توان با کلیک راست کردن روی آن و انتخاب گزینه ی Show table ،جدولی که حاوی اطلاعات مشخصات جریان است را در صفحه ی PFD نمایش داد.شکل 46 نمونه ای از نمایش اطلاعات در PFD است.

 

درباره نویسنده

محمدرضا فرزان

محمدرضا فرزان

درج دیدگاه