آموزش نرم افزار های مهندسی شیمی (7 نرم افزار کاربردی)

رشته مهندسی شیمی پیوسته در حال تغییر است، بنابراین ابزارهای محاسباتی و نرم افزارهایی بسیاری موجود هستند. در زندگی روزمره، این یک چالش قابل توجه برای یک مهندس شیمی است که بداند کدام ابزار می‌­تواند برای حل یک مشکل خاص بهترین کارایی را داشته باشد. نرم افزارهای مختلف را می‌توان برای حل مسئله­‌های رایج در موازنه جرم و انرژی، مکانیک سیالات، انتقال گرما و جرم، عملیات واحد، مهندسی راکتور، و طراحی و کنترل فرآیند و تجهیزات استفاده کرد. در این مقاله، نرم افزارهای پرکاربرد در مهندسی شیمی را با قابلیت‌هایشان بر اساس تجربه حرفه‌ای بررسی می‌کنیم. چنانچه علاقمند به رشته مهندسی شیمی هستید ابتدا پیشنهاد می کنیم مقاله "مهندسی شیمی چیست؟" را مطالعه کنید. 

نرم افزار عمومی برای مدل‌سازی ریاضی

زبان برنامه‌نویسی پایتون

پایتون اکنون یکی از محبوب ترین و پرکاربردترین زبان‌های برنامه نویسی در جهان است. علاوه بر توسعه وب و نرم افزار، پایتون برای تجزیه و تحلیل داده‌ها، یادگیری ماشین و حتی طراحی استفاده می‌شود. پایتون یک زبان برنامه نویسی شی‌گرا (مبتنی بر داده ها)، سطح بالا (درک برای انسان آسان تر) است. اولین بار در سال 1992 راه اندازی شد، به گونه‌ای ساخته شده است که نوشتن و درک آن نسبتاً شهودی است. به این ترتیب، این یک زبان برنامه نویسی ایده آل برای کسانی است که خواهان توسعه سریع هستند. پایتون یک مهارت محبوب و مورد تقاضا برای یادگیری است.

بیشتر بخوانید: کاربرد برنامه‌نویسی پایتون در مهندسی شیمی

اکسل

Microsoft Office Excel یک برنامه صفحه گسترده است که دارای محاسبات، ابزارهای نموداری، جداول است. مزیت اصلی اکسل در دسترس بودن و کاربرد گسترده آن در صنعت و دانشگاه است. بنابراین یک ابزار یا رابط عالی نه تنها برای انجام محاسبات بلکه برای اتصال نرم افزارهای مختلف است به طوری که کاربر بتواند با Excel تعامل داشته باشد و در واقع، این نرم افزار پشت صحنه نرم افزارهای دیگری مانند CHEMCAD، MATLAB و ... در حال اجرا و گزارش نتایج است.

بیشترین کاربردهای نرم افزار Excel:

•        توابع و فرمول‌های داخلی - تعداد زیادی توابع داخلی تعریف شده است، مانند آمار (MEAN، AVERAGE، t-test)، جبری (SUM، ROUND، LOG، LOG10)، منطقی (IF، FALSE، و غیره)، مرجع، پایگاه داده و اطلاعات. استفاده از آنها در انواع مختلف فرمول ها آسان است.
•        عملیات با ستون‌ها و ردیف‌ها - یافتن و مرتب سازی داده‌ها را آسان می‌کند و از آنها در فرمول‌های تکراری استفاده می‌شود.
•        رسم کردن – بسته به نیاز، تعداد زیادی گزینه وجود دارد.
•        Solver - این ابزاری است که در Excel برای حل عددی مجموعه‌ای از معادلات، بهینه سازی مسئله از جمله هماهنگ کردن مجموعه‌ای از داده2ها به یک معادله خطی و غیر خطی معین و موارد دیگر استفاده می‌شود. Solverیک افزونه است که برای استفاده باید فعال شود.
•        ساخت توابع در Visual Basic برای برنامه‌ها - اکسل دارای قابلیت داخلی برای تولید توابع سفارشی با استفاده از Visual Basic برای برنامه‌ها (VBA) است. این ابزار قدرتمندی است که می‌تواند بدون تبدیل شدن به یک متخصص در برنامه‌نویسی در زمان شما صرفه‌جویی کند، زیرا امکان اجرای حلقه‌ها و شرطی‌ها را در پس‌زمینه باز می‌کند. این قابلیت همچنین به کاربر اجازه می‌دهد تا معادلات نسبتاً بزرگی را بسازد که در چندین ناحیه از worksheet استفاده می‌شود (مثلاً چند جمله‌ای برای تخمین گرمای ویژه اجزا) و به کاربر این امکان را می‌دهد که هنگام مشاهده فرمول‌های موجود در سلول‌ها، محاسبات را به راحتی بخواند.
•        پیوند اکسل با نرم افزارهای دیگر - Excel به یک پکیج استاندارد تبدیل شده است به طوری که تعدادی از نرم افزارهای تخصصی دیگر از آن به عنوان منبع اطلاعات برای گزارش داده‌ها استفاده می‌کنند زیرا کاربر پسندتر است. بنابراین، می‌توانیم اطلاعات موجود در اکسل را برای بارگذاری در Matlab، Aspen Hysys یا CHEMCAD یا انتقال مجدد به Excel استفاده کنیم.

متلب

یکی از نرم افزارهای پرکاربرد در همه رشته های مهندسی ازجمله مهندسی شیمی، متلب است. در مورد این نرم افزار محبوب مطالب زیادی نوشته شده است، بیش از 1500 کتاب در خدمت بیش از 1 میلیون کاربر می باشد. متلب یک زبان برنامه نویسی است، عملکرد آن بر اساس استفاده ازm  فایل است که می‌توان آنها را به دو دسته scripts و functions تقسیم کرد. یک script اساساً تعدادی عملیات است که می‌خواهیم در یک دنباله خاص انجام دهیم. توابع نوع خاصی از script‌ها هستند که باید با کلمه "function" در بالای آنها شروع شوند. توابع می‌توانند تعریف شده توسط کاربر یا عملیات معمولی مانند حل معادلات یا معادلات دیفرانسیل باشند. در متلب ما تمام توابع جبری و آماری از پیش تعریف شده به همراه قابلیت های رسم را داریم.

MATLAB تعدادی توابع دارد که امکان حل معادلات خطی و غیرخطی را می‌دهند. برخی از این توابع عبارتند از (fzero: برای یک متغیر به تنهایی، fsolve)، بهینه سازی یک تابع (fmincon: بهینه سازی محدود، linprog: برنامه ریزی خطی، fminin یا fminsearch: بهینه سازی بدون محدودیت)، و حل معادلات دیفرانسیل (ode__) یا معادلات دیفرانسیل جزئی (pdepe).

چند نمونه از نحوه استفاده از متلب در مهندسی شیمی عبارتند از:

•        انتقال مومنتوم، جرم و انرژی - تعدادی مثال در زمینه پدیده‌های انتقال وجود دارد که، حتی اگر پدیده‌های مختلف را نشان دهند، می‌توان آنها را با استفاده از یک معادله دیفرانسیل جزئی، جعبه ابزار "pdepe" توصیف کرد.
•        عملیات ستون تقطیر - روش McCabe - روش میانبر معمولی برای تخمین مفهومی اولیه عملکرد ستون های تقطیر باینری
•        مدل‌سازی انواع تجهیزات فرآیندی - مبدل‌های حرارتی، پمپ‌ها، شیرها، اواپراتورها، ستون‌ها، راکتورها و غیره.
•        طراحی راکتور - مدل‌ها بر اساس معادلات جبری صریح و معادلات دیفرانسیل هستند. بنابراین، ما از تابع ODEXX در MATLAB برای حل پروفیل‌های غلظت، دما و/یا فشار در طول عملکرد چنین تجهیزاتی استفاده می‌کنیم.
•        تجزیه و تحلیل حلقه‌های کنترل، طراحی کنترل و تنظیم.

 نرم افزار های شبیه سازی فرآیند

نرم افزار شبیه‌سازی فرآیند یکی از نرم افزارهای پر کاربرد در مهندسی شیمی است. ماهیت مهندسی شیمی، طراحی، بهینه سازی و افزایش مقیاس فرآیندهایی است که مواد خام را به محصولات مفید تبدیل می کند. دو نرم افزار مشابه با تمام قابلیت‌هایی که یک شبیه ساز فرآیند باید داشته باشد نیز در بین نرم افزارهای پرکاربرد در مهندسی شیمی هستند. AspenTech دارای مجموعه گسترده ای از ابزارهای مدل‌سازی است که از جمله مهم‌ترین و شناخته‌شده ترین آنها می‌توان به ابزارهای شبیه سازی فرآیند اسپن هایسیس و اسپن پلاس اشاره کرد.

اسپن هایسیس 

اسپن هایسیس (یا به سادگی HYSYS) یک شبیه‌ساز فرآیند شیمیایی است که برای مدل‌سازی ریاضی فرآیندهای شیمیایی، از عملیات واحد گرفته تا کارخانه‌ها و پالایشگاه‌های شیمیایی کامل استفاده می‌شود. HYSYS قادر است بسیاری از محاسبات اصلی مهندسی شیمی، از جمله محاسبات مربوط به موازنه جرم و انرژی، تعادل بخار-مایع، انتقال حرارت، انتقال جرم، سینتیک شیمیایی و... را انجام دهد. HYSYS به طور گسترده در صنعت و دانشگاه برای شبیه‌سازی حالت پایدار و پویا، طراحی فرآیند، مدل‌سازی عملکرد و بهینه‌سازی استفاده می‌شود.

اسپن پلاس

اسپن پلاس یک ابزار مدل‌سازی فرآیند برای طراحی مفهومی، بهینه‌سازی و نظارت بر عملکرد برای صنایع شیمیایی، پلیمری، مواد شیمیایی ویژه، فلزات و مواد معدنی، و صنایع زغال سنگ است. همچنین می‌توان از آن برای تعادل جرم و انرژی، شیمی فیزیک، ترمودینامیک، مهندسی واکنش شیمیایی، عملیات واحد، طراحی فرآیند و کنترل فرآیند استفاده کرد.

به طور کلی می‌توان گفت که Aspen Plus ابزار بهتری برای طراحی فرآیندهای شیمیایی عمومی تر مانند مواد شیمیایی، دارویی و غیره است، در حالی که HYSYS برای عملیات هیدروکربنی، پتروشیمی، نفت مانند گاز طبیعی، گازهای مایع، نفت خام بهترین است.

نرم افزار های شبیه سازی جریان

نرم افزارهای سی اف دی

ابزارهای مدل‌سازی نرم‌افزاری مبتنی بر CFD، که در جوامع علمی و مهندسی محبوب هستند عبارتند از: ANSYS CFX، ANSYS Fluent، ANSYS Multiphysics، COMSOL Multiphysics، FLOW-3D، STAR-CD و STAR-CCM+ و OpenFOAM. پرکاربردترین ابزارهای نرم افزاری تجاری مانند ANSYS Fluent، STAR-CD و STAR-CCM+ بر اساس روش حجم محدود هستند، در حالی که انسیس سی اف دی از روش حجم کنترل مبتنی بر المان محدود استفاده می کند. از سوی دیگر، COMSOL Multiphysics مبتنی بر روش اجزای محدود است.

کامسول 

کامسول نرم‌افزار مهم مدل‌سازی و شبیه‌سازی جریان است، ماژول مهندسی واکنش شیمیایی یک افزونه در این نرم افزار است که مهندسان شیمی، بیشترین آشنایی را با این ماژول دارند و می‌توانند سیستم‌های راکتور ایده‌آل، مکانیسم‌های واکنش شیمیایی، ترمودینامیک گاز و مایع و خواص انتقال را در فرآیندهای صنعتی مدل‌سازی کنند.

جمع بندی

با ایجاد مهارت‌های اولیه کامپیوتری که در این مقاله توضیح داده شده است، مهارت‌های خود را به عنوان یک مهندس شیمی به طور قابل توجهی افزایش خواهید داد و خود را به یک نامزد بسیار رقابتی در بازار کار امروز تبدیل خواهید کرد. در صورتی که علاقمند به یادگیری این نرم افزارها باشید براحتی به مراجعه به دوره های مهندسی شیمی می توانید اقدام به ثبت نام کنید. 

نویسنده: فائزه کاظمی زاد، کارشناس دپارتمان مهندسی شیمی گروه آموزشی پارس پژوهان