فرآیندهای تقطیر، واکنش، جذب و استخراج در اسپن پلاس Aspen Plus

فرآیندهای تقطیر، واکنش، جذب و استخراج در اسپن پلاس Aspen Plus

شبیه‌سازی فرآیند، ابزاری قدرتمند در دستان مهندسان شیمی به شمار می‌آید. اگر با اصول مهندسی شیمی آشنایی ندارید، مطالعه مقاله مهندسی شیمی چیست؟ را توصیه می‌کنیم. این ابزار به آن‌ها امکان می‌دهد تا رفتار پیچیده سیستم‌های شیمیایی را پیش‌بینی، عملکرد واحدهای عملیاتی را بهینه‌سازی و مشکلات احتمالی را پیش از آنکه در دنیای واقعی به وقوع بپیوندند، شناسایی و برطرف کنند. در واقع، شبیه‌سازی نقش حیاتی در تمام مراحل چرخه عمر یک فرآیند شیمیایی، از طراحی اولیه یک فرآیند جدید تا عیب‌یابی واحدهای موجود و بهینه‌سازی کامل عملیات یک کارخانه، ایفا می‌کند. این قابلیت‌ها به صنایع کمک می‌کند تا نوآوری را در راستای پایداری تسریع بخشند و به سطوح بالاتری از تعالی عملیاتی دست یابند.

در این میان، Aspen Plus به عنوان یکی از نرم‌افزارهای پیشرو در مجموعه محصولات AspenTech، جایگاه ویژه‌ای دارد. این نرم‌افزار برای شبیه‌سازی، بهینه‌سازی و مدیریت انرژی فرآیندها در صنایع گوناگون شیمیایی، پتروشیمی و انرژی طراحی شده است. مهندسان با استفاده از Aspen Plus می‌توانند مدل‌های دقیقی از فرآیندهای شیمیایی، شامل راکتورها، جداکننده‌ها و سایر عملیات واحد، ایجاد کنند. این ابزار نه تنها در محیط‌های صنعتی کاربرد گسترده‌ای دارد، بلکه در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی نیز برای آموزش و کاربرد عملی اصول مهندسی شیمی، جایگاهی محوری پیدا کرده است.

تقطیر چیست؟

تقطیر یک فرآیند جداسازی حرارتی است که مخلوطی از مواد، معمولاً مایعات، را بر اساس تفاوت در نقاط جوش آن‌ها از یکدیگر جدا می‌کند. این فرآیند با اعمال و حذف گرما کار می‌کند تا از تفاوت در فراریت نسبی اجزا بهره‌برداری کند. گرما باعث می‌شود اجزایی با نقطه جوش پایین‌تر و فراریت بالاتر به فاز بخار تبدیل شوند، در حالی که اجزای کمتر فرار به صورت مایع باقی می‌مانند. مخلوط‌هایی که فراریت نسبی بالایی دارند، جداسازی آسان‌تری را تجربه می‌کنند.

در طول فرآیند تقطیر، مخلوط اولیه ابتدا به نقطه جوش رسانده می‌شود. بخارات حاصل که از اجزای فرار محلول تشکیل شده‌اند، سپس در یک کندانسور (دستگاه خنک‌کننده) خنک شده و مجدداً به فاز مایع تبدیل می‌شوند. این مایع تقطیر شده سپس جمع‌آوری می‌گردد. یکی از مزایای اصلی تقطیر در مقایسه با سایر فرآیندهای جداسازی، عدم نیاز عمومی به افزودن مواد اضافی مانند جاذب‌ها یا حلال‌ها است. نکته مهمی که باید در نظر داشت، این است که مواد مورد نظر برای تقطیر نباید در دمای بالای جوش تجزیه شوند. اگر نقطه جوش یک ماده به طور بحرانی بالا باشد، تقطیر باید تحت فشار کاهش‌یافته (خلاء) انجام شود تا نقطه جوش آن پایین بیاید و از تجزیه حرارتی جلوگیری شود.

انواع تقطیر

تقطیر فرآیندی برای جداسازی مواد است که بر اساس نیاز، در انواع مختلفی به کار می‌رود:

• تقطیر ساده: پایه‌ای‌ترین روش جداسازی از طریق تبخیر و میعان.
• تقطیر چندمرحله‌ای: جداسازی دقیق‌تر با استفاده از ستون‌های سینی‌دار برای افزایش کارایی.
• تقطیر جزء به جزء: جداسازی اجزای یک مخلوط بر اساس تفاوت در نقطه جوش آن‌ها.
• تقطیر در خلاء: کاهش فشار برای پایین آوردن نقطه جوش و جداسازی مواد حساس به حرارت.
• تقطیر آزئوتروپیک: جداسازی مخلوط‌های با نقطه جوش ثابت (آزئوتروپ) با افزودن یک حلال سوم.
• تقطیر استخراجی: استفاده از یک حلال غیرفرار برای تغییر تعادل فاز و جداسازی مایعات با نقطه جوش نزدیک.
• تقطیر واکنشی: ترکیب همزمان تقطیر و واکنش شیمیایی؛ با حذف مداوم محصول، بازده واکنش افزایش می‌یابد.

معرفی نرم افزار Aspen Plus

Aspen Plus یک نرم‌افزار جامع و قدرتمند برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی فرآیند است که به طور گسترده در صنایع شیمیایی، پتروشیمی و انرژی به کار می‌رود. این نرم‌افزار، بخشی از مجموعه محصولات AspenTech است و به مهندسان و محققان کمک می‌کند تا فرآیندهای پیچیده را با کارایی و مقرون به صرفه بودن بیشتری طراحی، بهینه‌سازی و اداره کنند. هدف اصلی Aspen Plus، حل مشکلات مهندسی و عملیاتی در طول چرخه عمر یک فرآیند شیمیایی، از طراحی یک فرآیند جدید تا عیب‌یابی واحدهای عملیاتی و بهینه‌سازی کامل یک کارخانه، است.

قابلیت‌ها و ویژگی‌های کلیدی:

Aspen Plus دارای مجموعه‌ای از قابلیت‌ها و ویژگی‌های برجسته است که آن را به ابزاری بی‌بدیل در مهندسی فرآیند تبدیل می‌کند:

• پایگاه داده خواص جامع (Comprehensive Property Database): این نرم‌افزار شامل یک پایگاه داده وسیع از خواص فیزیکی و ترمودینامیکی برای طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی است. این ویژگی مدل‌سازی دقیق فرآیندهای پیچیده را آسان‌تر می‌کند و به کاربران امکان می‌دهد تا با اطمینان بیشتری به نتایج شبیه‌سازی اعتماد کنند.
• مدل‌های عملیات واحد (Unit Operation Models): اسپن پلاس طیف وسیعی از مدل‌های عملیات واحد داخلی را شامل می‌شود. این مدل‌ها شامل راکتورها، ستون‌های تقطیر، مبدل‌های حرارتی و جداکننده‌ها است که برای مدل‌سازی فرآیندهای پیچیده به کار می‌روند.
• شبیه‌سازی و بهینه‌سازی فرآیند (Process Simulation and Optimization): این نرم‌افزار به کاربران امکان شبیه‌سازی و بهینه‌سازی فرآیندهای پیچیده، از جمله آن‌هایی که دارای جریان‌های بازیافتی متعدد و سینتیک واکنش پیچیده است، را فراهم می‌آورد.
• ابزارهای تحلیل حساسیت و بهینه‌سازی (Sensitivity Analysis and Optimization Tools): اسپن پلاس شامل ابزارهایی برای تحلیل حساسیت و بهینه‌سازی است که برای شناسایی متغیرهای فرآیند حیاتی و بهینه‌سازی عملکرد فرآیند استفاده می‌شوند. این ابزارها به مهندسان کمک می‌کنند تا درک عمیق‌تری از تأثیر تغییرات پارامترها بر فرآیند به دست آورند.
• پشتیبانی از CAPE-OPEN: اسپن پلاس V8 از رابط‌های CAPE-OPEN نسخه 1.0 پشتیبانی می‌کند. این قابلیت امکان استفاده از هر واحد عملیاتی سازگار با CAPE-OPEN و بسته‌های خواص CAPE-OPEN را در شبیه‌سازی‌های Aspen Plus فراهم می‌آورد. این ویژگی، همکاری و تبادل مدل‌ها و داده‌ها با نرم‌افزارهای دیگر را ممکن می‌سازد و انعطاف‌پذیری نرم‌افزار را افزایش می‌دهد.

مراحل کلی راه‌اندازی یک پروژه شبیه‌سازی در Aspen Plus

برای شروع یک پروژه شبیه‌سازی در Aspen Plus، مراحل کلی زیر دنبال می‌شود:

1. تعریف اجزا (Components): اولین گام، تعریف تمام اجزای شیمیایی درگیر در فرآیند است. این شامل مشخص کردن فرمول شیمیایی، وزن مولکولی و سایر خواص مربوط به هر ماده می‌شود.
2. انتخاب روش خواص (Property Method): انتخاب یک روش خواص ترمودینامیکی مناسب (مانند معادله حالت Peng-Robinson یا مدل ضریب فعالیت NRTL) بسته به نوع فرآیند مدل‌سازی شده و شرایط عملیاتی آن، گامی حیاتی است.
3. ایجاد فلوشیت (Flowsheet): فلوشیت یک نمایش گرافیکی از فرآیند است که شامل تمام عملیات واحد (مانند راکتورها، ستون‌ها) و جریان‌های مواد می‌شود. کاربران می‌توانند فلوشیت را با استفاده از مدل‌های عملیات واحد داخلی و اتصالات جریان موجود در نرم‌افزار ایجاد کنند.

1. مشخص کردن شرایط عملیاتی: پس از ایجاد فلوشیت، کاربران باید شرایط عملیاتی هر جریان و هر واحد عملیاتی را مشخص کنند. این شامل دما، فشار، نرخ جریان و ترکیبات ورودی می‌شود.

دقت خروجی‌های شبیه‌سازی در Aspen Plus به شدت به انتخاب صحیح مدل ترمودینامیکی (Property Method) وابسته است. چندین منبع بر اهمیت انتخاب "روش خواص مناسب" تاکید می‌کنند و این انتخاب را "بسیار مهم" می‌دانند.

بهترین کتاب‌های آموزش Aspen Plus

برای یادگیری نرم‌افزار قدرتمند Aspen Plus، منابع آموزشی متعددی وجود دارد. در ادامه، به معرفی و توضیح مختصر برخی از کتاب‌های مرجع و کاربردی در این زمینه می‌پردازیم که می‌توانند راهنمای مناسبی برای مهندسان شیمی و دانشجویان باشند:

• "Teach Yourself the Basics of Aspen Plus, Second Edition" اثر رالف شف‌لن (Ralph Schefflan):

• این کتاب که در سال ۲۰۱۶ منتشر شده و ۲۸۰ صفحه دارد، به گونه‌ای طراحی شده است که مهندسان شیمی را به صورت گام به گام با ایده‌های اساسی شبیه‌سازی فرآیند شیمیایی آشنا کند. این اثر با تمرکز بر توابع اصلی نرم‌افزار Aspen Plus، یادگیری مفاهیم پایه را تسهیل می‌کند.

• "Learn Aspen Plus in 24 Hours" اثر توماس آ. آدامز دوم (Thomas A. Adams II):

• ویرایش اول این کتاب در سال ۲۰۱۷ با ۲۰۸ صفحه منتشر شد و ویرایش دوم آن در سال ۲۰۲۲ به ۳۳۶ صفحه گسترش یافت. این کتاب به صورت گام به گام نحوه پیکربندی و استفاده از Aspen Plus و به کارگیری ویژگی‌های قدرتمند آن در طراحی، عملیات و بهینه‌سازی تأسیسات تولیدی ایمن و سودآور را آموزش می‌دهد.

• "Aspen Plus: Chemical Engineering Applications" اثر کمال الملاح (Kamal Al-Malah):

• ویرایش اول این کتاب در سال ۲۰۱۶ با ۶۴۰ صفحه و ویرایش دوم در سال ۲۰۲۲ با ۶۵۶ صفحه منتشر شد. این اثر شامل آموزش‌های کاربردی است که عمدتاً عملیات واحد رایج یا فرآیندهای شیمیایی موجود در صنایع شیمیایی را پوشش می‌دهد و برای کاربردهای صنعتی بسیار مفید است.

مقایسه Aspen Plus و HYSYS

Aspen Plus و Aspen HYSYS هر دو از نرم‌افزارهای پیشرو در شبیه‌سازی فرآیند است که توسط شرکت Aspen Technology Inc. (AspenTech) توسعه یافته‌اند. با وجود اینکه رابط کاربری بسیار مشابهی دارند و در بسیاری از صنایع قابل استفاده است، تفاوت‌های کلیدی در کاربرد و تمرکز آن‌ها وجود دارد که باعث می‌شود هر یک برای کاربردهای خاصی مناسب‌تر باشند.

تفاوت‌های اصلی در کاربرد و تمرکز

• Aspen Plus: این نرم‌افزار برای شیمی دقیق (Fine Chemistry) و فرآیندهای غیرنفتی مانند تولید اسیدها، داروسازی و سیستم‌های حاوی الکترولیت‌ها مناسب‌تر است. Aspen Plus در شبیه‌سازی خواص غیرایده‌آل، سیستم‌های دارای الکترولیت، جامدات، آزئوتروپ‌ها و واکنش‌های شیمیایی پیچیده بسیار قوی عمل می‌کند.
• Aspen HYSYS: این نرم‌افزار به طور خاص برای کاربردهای پتروشیمی، نفت و گاز، و عملیات پایین‌دستی (Downstream) بهینه‌سازی شده است. نام HYSYS از عبارت "Hydrocarbon System" گرفته شده است و تمرکز اصلی آن بر فرآیندهای مرتبط با هیدروکربن‌ها، مانند فرآوری گاز طبیعی، مایعات گازی، و تقطیر نفت خام است.

جدول مقایسه Aspen Plus و Aspen HYSYS:

دانشجویان و فارغ‌التحصیلان گرامی رشته مهندسی شیمی، برای تبدیل دانش آکادمیک به مهارت‌های عملی و ورود قدرتمند به بازار کار صنعت نفت، گاز و پتروشیمی، کسب تخصص در نرم‌افزارهای شبیه‌سازی فرآیند، یک گام حیاتی و تعیین‌کننده است. در همین راستا، دوره های گروه آموزشی پارس پژوهان با تمرکز بر نیازهای واقعی صنعت، مسیر حرفه‌ای شدن شما را هموار می‌سازند. تسلط بر ابزارهای کلیدی مانند آنچه در دوره آموزش اسپن پلاس (Aspen Plus) برای طراحی و بهینه‌سازی فرآیندها و همچنین آموزش اسپن هایسیس (Aspen Hysys) برای شبیه‌سازی دینامیک واحدهای عملیاتی فرا می‌گیرید، شما را از دیگر کارجویان متمایز کرده و به متخصصی کارآمد و مورد اعتماد در نگاه کارفرمایان تبدیل می‌کند.

آموزش شبیه‌سازی تقطیر، واکنش، جذب و استخراج در Aspen Plus

شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی در Aspen Plus نیازمند درک اصول عملیات واحد و تسلط بر مراحل کار با نرم‌افزار است. در ادامه، به صورت گام به گام به آموزش شبیه‌سازی تقطیر، واکنش، جذب و استخراج می‌پردازیم.

انتخاب مدل ترمودینامیکی مناسب

انتخاب روش خواص (Property Method) اولین و حیاتی‌ترین گام در هر شبیه‌سازی Aspen Plus است. این مدل‌ها برای تخمین خواص فیزیکی و ترمودینامیکی اجزا و مخلوط‌ها در طول شبیه‌سازی استفاده می‌شوند. یک انتخاب نادرست می‌تواند منجر به نتایج غیرواقعی یا مشکلات همگرایی شود.

• سیستم‌های ایده‌آل: برای گازها در فشار پایین/خلاء یا دمای بسیار بالا، و مایعات با مولکول‌های هم‌اندازه و هم‌ویژگی، مدل IDEAL مناسب است.
• سیستم‌های غیرالکترولیت قطبی: برای سیستم‌های حاوی آب، اسیدهای آلی، آمین‌ها، الکل‌ها، استرها، کتون‌ها، آلدئیدها و اترها که به شدت از ایده‌آل بودن منحرف می‌شوند، مدل‌های ضریب فعالیت (Activity Coefficient Models) مانند NRTL، UNIQUAC، WILSON و مشتقات آن‌ها توصیه می‌شود.
• سیستم‌های هیدروکربنی: برای سیستم‌های نفت و گاز، مدل‌های معادله حالت (Equation of State) مانند Peng-Robinson و Soave-Redlich-Kwong رایج است.
• سیستم‌های مایع-مایع (LLE): مدل‌های خاصی مانند UNIF-LL برای این سیستم‌ها توصیه می‌شوند، به ویژه اگر پارامترهای برهم‌کنش در دسترس باشند.
• ابزار Property Method Selection Assistant Aspen Plus: یک دستیار داخلی برای انتخاب روش خواص مناسب ارائه می‌دهد که با پرسیدن سوالاتی در مورد نوع فرآیند یا اجزا، مدل‌های مناسب را پیشنهاد می‌کند. این دستیار به کاربران کمک می‌کند تا با اطمینان بیشتری مدل مناسب را انتخاب کنند.

شبیه‌سازی تقطیر در Aspen Plus

شبیه‌سازی ستون‌های تقطیر در Aspen Plus با استفاده از مدل‌های مختلفی امکان‌پذیر است که هر یک برای سطح خاصی از پیچیدگی و دقت طراحی شده‌اند:

• DSTWU) Shortcut Distillation): یک مدل میانبر برای تقطیر تک خوراک و دو محصول است. این مدل حداقل تعداد سینی‌ها، حداقل نسبت رفلاکس و محل سینی خوراک را تخمین می‌زند. DSTWU برای حدس‌های اولیه و شروع سریع شبیه‌سازی‌های پیچیده‌تر با مدل RadFrac ضروری است.
• Distl: مدل دقیق‌تری نسبت به DSTWU است که مشخصات دما/ترکیب سینی به سینی و نرخ جریان بخار/مایع را ارائه می‌دهد، اما فرض جریان مولار ثابت را دارد.
• RadFrac-Rigorous Distillation: مدل دقیق و جامع برای تقطیر است که محاسبات پیچیده‌تری انجام می‌دهد. این مدل قادر به شبیه‌سازی جذب، استریپینگ، تقطیر استخراجی، تقطیر آزئوتروپیک، سیستم‌های چندفازی و فرآیندهای دارای واکنش شیمیایی است. RadFrac قابلیت تعریف سینی، پکینگ، جریان‌های جانبی و بهینه‌سازی انرژی را نیز دارد.

مراحل گام به گام شبیه‌سازی یک ستون تقطیر (مثال ساده):

1. انتخاب مدل: ابتدا با مدل DSTWU برای تخمین‌های اولیه شروع کنید و سپس نتایج آن را به عنوان حدس اولیه برای مدل دقیق‌تر RadFrac منتقل کنید.
2. تعریف اجزا و روش خواص: اجزای مخلوط را تعریف کرده و یک روش خواص مناسب (مانند NRTL برای سیستم‌های غیرایده‌آل) را انتخاب کنید.
3. ترسیم فلوشیت: بلوک ستون تقطیر (DSTWU یا RadFrac) را به فلوشیت اضافه کرده و جریان‌های خوراک و محصول را به آن متصل کنید.
4. ورود داده‌های خوراک: دما، فشار، ترکیب و نرخ جریان خوراک ورودی به ستون را مشخص کنید.
5. پیکربندی ستون (برای RadFrac):
   تعداد سینی‌ها (Stages): تعداد سینی‌های ستون را وارد کنید (مثلاً ۱۵ سینی).
   نوع کندانسور و ریبویلر (Condenser/Reboiler Type): نوع کندانسور (مثلاً بخار جزئی) و ریبویلر (مثلاً کتل) را تعیین کنید.
   محل خوراک (Feed Stage): سینی ورود خوراک به ستون را مشخص کنید (مثلاً سینی ۸).
   فشار ستون: فشار کلی ستون یا پروفایل فشار را در طول ستون تعیین کنید.
   مشخصات محصول: نرخ جریان محصول تقطیر (Distillate Rate) و نسبت رفلاکس (Reflux Ratio) را وارد کنید.
   در صورت نیاز، راندمان سینی، افت فشار و انتگرال حرارتی را نیز تعریف کنید.
6. اجرای شبیه‌سازی: شبیه‌سازی را اجرا کرده و نتایج را بررسی کنید.

شبیه‌سازی واکنش و جذب در Aspen Plus

نرم‌افزار Aspen Plus ابزارهای قدرتمندی برای شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی، به‌ویژه واکنش‌ها و جذب، فراهم می‌کند. این نرم‌افزار شامل مدل‌های متنوعی برای راکتورها است که بر اساس اطلاعات در دسترس مانند استوکیومتری (RStoic)، بازده (RYield)، تعادل (REquil, RGibbs) یا سینتیک واکنش (RCSTR, RPFR, RBatch) انتخاب می‌شوند. هر مدل ورودی‌های کلیدی خاص خود را نیاز دارد، از میزان تبدیل در RStoic تا حجم و پارامترهای سینتیکی در RCSTR.

برای شبیه‌سازی جذب، مدل RadFrac به کار می‌رود که می‌تواند ستون‌های سینی‌دار یا پرشده را مدل‌سازی کند و برای جداسازی گاز از مایع ایده‌آل است. در هر دو مورد، فرآیند شبیه‌سازی نیازمند تعریف اجزا، انتخاب روش خواص، ترسیم فلوشیت، مشخص کردن شرایط عملیاتی و خوراک، و در نهایت اجرای شبیه‌سازی برای تحلیل نتایج است.

نکات کلیدی:

1. مدل‌های راکتور متنوع: Aspen Plus مدل‌هایی برای شرایط مختلف ارائه می‌دهد:
2. بر اساس استوکیومتری/بازده: RStoic, RYield
3. بر اساس تعادل: REquil, RGibbs
4. بر اساس سینتیک: RCSTR, RPFR, RBatch

شبیه‌سازی جذب: فرآیندهای جذب گاز در مایع با استفاده از بلوک RadFrac شبیه‌سازی می‌شوند که برای ستون‌های سینی‌دار و پر شده مناسب است.

مراحل اصلی شبیه‌سازی: فرآیند عمومی شامل تعریف اجزا و خواص، ترسیم فلوشیت، ورود داده‌های خوراک و شرایط عملیاتی (دما، فشار)، و تخصیص مجموعه واکنش (در صورت وجود) است.

ورودی‌های کلیدی: انتخاب مدل مناسب به داده‌های موجود بستگی دارد؛ از میزان تبدیل و بازده گرفته تا پارامترهای سینتیکی و ابعاد راکتور.

نتیجه‌گیری

Aspen Plus ابزاری جامع و قدرتمند برای مدل‌سازی، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی فرآیندهای شیمیایی پیچیده است. این نرم‌افزار با قابلیت‌های گسترده خود در شبیه‌سازی عملیات واحد کلیدی مانند تقطیر، واکنش، جذب و استخراج، به مهندسان امکان می‌دهد تا طراحی‌های کارآمدتر، عملیات بهینه‌تر و راه‌حل‌های پایدارتر را توسعه دهند. توانایی آن در مقابله با سیستم‌های غیرایده‌آل، فرآیندهای بچ و ادغام با سایر ابزارها (CAPE-OPEN) آن را به یک دارایی بی‌بدیل در صنعت و تحقیق تبدیل می‌کند.

یادگیری Aspen Plus نیازمند درک عمیق از اصول مهندسی شیمی و همچنین تسلط بر رابط کاربری و روش‌شناسی شبیه‌سازی است. رویکرد گام به گام، شروع با مدل‌های ساده و استفاده از ابزارهای داخلی مانند Design Specs و Sensitivity Analysis برای اعتبارسنجی و بهینه‌سازی، کلید موفقیت در شبیه‌سازی‌های پیچیده است. 

نویسنده: علی بهرام، کارشناسی ارشد مهندسی فرآیند.