نرم افزار WAVE چیست؟ چه کاربردی دارد؟

در دنیای امروز، با افزایش جمعیت و توسعه صنایع، تقاضا برای آب پاک یا شیرین و قابل استفاده به یک چالش جهانی تبدیل شده است. در زمان نگاشت همین مقاله کشور عزیزمان ایران نیز با بحران منابع آبی روبرو است. اما رشته‌های مهندسی شیمی و مهندسی تاسیسات در قلب این چالش قرار دارند و با ارائه راهکارهای نوآورانه برای تصفیه آب و فاضلاب، نقشی حیاتی ایفا می‌کنند. طراحی و بهینه‌سازی واحدهای پیچیده تصفیه آب، از نمک‌زدایی آب دریا گرفته تا تولید آب فوق خالص برای صنایع دارویی، نیازمند ابزارهای دقیق و قدرتمندی است. دیگر نمی‌توان تنها به محاسبات دستی و صفحات گسترده اکسل برای طراحی این سیستم‌های چندوجهی اتکا کرد. در اینجاست که نرم‌افزارهای شبیه‌سازی فرآیند، به ویژه ابزارهای تخصصی مانند نرم‌افزار WAVE، به عنوان یک دستیار هوشمند برای مهندسان عمل می‌کنند. این مقاله به بررسی جامع نرم‌افزار WAVE، قابلیت‌های منحصربه‌فرد آن و کاربردهای کلیدی‌اش می‌پردازد.

نرم‌افزار WAVE یا Water Application Value Engine چیست؟

نرم‌افزار WAVE، که مخفف عبارت Water Application Value Engine است، یک پلتفرم نرم‌افزاری پیشرفته و یکپارچه برای مدل‌سازی و طراحی سیستم‌های تصفیه آب است که توسط شرکت DuPont، یکی از پیشگامان جهانی در فناوری‌های آب، توسعه یافته است. این نرم‌افزار به عنوان اولین ابزار در صنعت شناخته می‌شود که چندین فناوری کلیدی تصفیه آب را در یک محیط واحد و جامع گرد هم آورده است. WAVE به مهندسان و طراحان این امکان را می‌دهد که عملکرد سیستم‌های تصفیه آب را با استفاده از ماژول‌های اولترافیلتراسیون (UF)، اسمز معکوس (RO)، تبادل یونی (IX) و اسمز معکوس مدار بسته (CCRO) شبیه‌سازی و بهینه‌سازی کنند. این نرم‌افزار با جایگزینی ابزارهای قدیمی‌تر و تک‌فناوری مانند ROSA (که فقط برای طراحی سیستم‌های اسمز معکوس بود)، یک جهش بزرگ در راستای طراحی یکپارچه و کارآمد به شمار می‌رود.

همان‌طور که در مقاله مهندسی تاسیسات و انرژی چیست؟ (گرایش‌ها، بازارکار و درآمد) مطالعه کردید، یکی از وظایف مهندسان تاسیسات طراحی و اجرای تاسیسات مورد نیاز صنایع مختلف است. صنعت تصفیه آب هم می‌تواند زمینه مناسبی برای ورود مهندسان تاسیسات باشد. یکی از ابزارهای مورد استفاده مهندسان تاسیسات نیز نرم‌افزار WAVE است. مطالعات صنعتی، داده های عملیات تصفیه آب در این نرم‌افزار وارد شده و مدل بهینه‌سازی می‌شود تا بهترین عملکرد از منظر فنی و اقتصادی حاصل شود. نتایج معمولا شامل انتخاب بهینه واحدهای تکنولوژیکی (مانند تعداد و آرایش مدول‌های اسمز معکوس)، تحلیل بازیابی آب، صرفه‌جویی در مصرف مواد شیمیایی و محاسبه نرخ بازگشت سرمایه (ROI) است.

در نتیجه به صورت خلاصه می‌توان گفت، نرم‌افزار WAVE ابزاری دقیق و کاربردی برای مهندسان و طراحان سیستم‌های آب و فاضلاب به شمار می‌رود و در صنایع مختلفی مانند نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها، کارخانجات صنعتی و تصفیه خانه‌های شهری مورد استفاده است تا تصمیم‌گیری بهینه بر اساس شاخص‌های فنی و اقتصادی انجام گیرد.

چرا به شبیه‌سازی در طراحی سیستم‌های تصفیه آب نیاز داریم؟

طراحی یک واحد تصفیه آب فراتر از محاسبات ساده است و با پیچیدگی‌های منحصربه‌فردی روبرو است که استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی را ضروری می‌سازد. شبیه‌سازی به مهندسان اجازه می‌دهد تا فرآیندهای پیچیده فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی را به صورت محاسباتی مدل کنند و رفتار سیستم را تحت شرایط مختلف عملیاتی پیش‌بینی نمایند.

برخی از دلایل کلیدی نیاز به شبیه‌سازی عبارت است از:

• بهینه‌سازی فرآیند: شبیه‌سازی امکان ارزیابی سناریوهای مختلف "چه می‌شود اگر؟" را بدون نیاز به ساخت پرهزینه نمونه‌های اولیه فیزیکی فراهم می‌کند. مهندسان می‌توانند پارامترهایی مانند فشار، دما، نرخ جریان و دوز مواد شیمیایی را تغییر دهند تا به بالاترین راندمان حذف آلاینده‌ها با کمترین مصرف انرژی و مواد شیمیایی دست یابند.
• پیش‌بینی و کاهش گرفتگی (Fouling): گرفتگی غشاها یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های عملیاتی در سیستم‌های ممبرانی مانند RO و UF است. نرم‌افزارهای تخصصی با استفاده از مدل‌های تجربی و داده‌های مربوط به محصولات خاص، می‌توانند پتانسیل رسوب‌گذاری و گرفتگی را پیش‌بینی کرده و به طراحان در انتخاب پیش‌تصفیه مناسب و پروتکل‌های شستشوی شیمیایی (CIP) بهینه کمک کنند.
• مدیریت آب ورودی متغیر: کیفیت آب خام (خوراک) به ندرت ثابت است.  تغییرات فصلی، بارندگی یا فعالیت‌های صنعتی می‌توانند ترکیب یونی، کدورت و بار آلی آب را تغییر دهند. شبیه‌سازی به مهندسان کمک می‌کند تا سیستمی طراحی کنند که در برابر این نوسانات مقاوم باشد و کیفیت آب خروجی را در محدوده مطلوب حفظ کند.
• کاهش هزینه‌های سرمایه‌گذاری و عملیاتی: با یک طراحی دقیق و بهینه، می‌توان از انتخاب بیش از اندازه (Oversizing) تجهیزات جلوگیری کرد که این امر مستقیماً هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه (CAPEX) را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، بهینه‌سازی مصرف انرژی و مواد شیمیایی، هزینه‌های جاری (OPEX) را در طول عمر پروژه به شکل چشمگیری پایین می‌آورد.

نرم افزار WAVE چه تفاوتی با دیگر نرم‌افزارهای طراحی تصفیه آب دارد؟

بازار نرم‌افزارهای طراحی تصفیه آب شامل ابزارهای قدرتمند دیگری نیز است که هر کدام توسط تولیدکنندگان بزرگ غشا ارائه می‌شوند. این نرم‌افزارها معمولاً به صورت رایگان عرضه می‌شوند اما تنها از محصولات همان شرکت پشتیبانی می‌کنند و یک اکوسیستم "باغ محصور" (Walled Garden) ایجاد می‌کنند. انتخاب نرم‌افزار تقریباً همیشه به انتخاب تأمین‌کننده ممبران برای یک پروژه خاص گره خورده است.

ویژگی کلیدی و مزیت رقابتی اصلی WAVE، یکپارچه‌سازی چند فناوری در یک پلتفرم واحد است. در حالی که بسیاری از رقبا بر یک یا دو فناوری تمرکز دارند، نسخه دسکتاپ WAVE به مهندس اجازه می‌دهد یک سیستم کامل، برای مثال از پیش‌تصفیه UF تا فرآیند اصلی RO و در نهایت پولیش نهایی با IX، را به صورت یکپارچه طراحی کند. هر تغییری در واحد بالادستی (مثلاً UF) به طور خودکار بر عملکرد واحد پایین‌دستی (RO) تأثیر می‌گذارد و این امکان بهینه‌سازی کل سیستم را فراهم می‌آورد، ویژگی‌ای که در نرم‌افزارهای مجزا نیازمند ورود دستی و تکراری داده‌ها است.

در جدول زیر، مقایسه‌ای بین WAVE و دو رقیب اصلی آن، یعنی IMSDesign از شرکت Hydranautics و TORAYDS2 از شرکت Toray، ارائه شده است.

این مقایسه نشان می‌دهد که هر نرم‌افزار استراتژی متفاوتی را دنبال می‌کند. WAVE با یکپارچه‌سازی جامع، قدرت خود را در طراحی سیستم‌های پیچیده و چندمرحله‌ای به نمایش می‌گذارد، در حالی که IMSDesign با پلتفرم ابری مدرن خود بر دسترسی و همکاری تیمی تأکید دارد و TORAYDS2 تخصص عمیق خود را در زمینه اسمز معکوس ارائه می‌دهد.

کدام فناوری‌ها در نرم‌افزار WAVE پشتیبانی می‌شوند؟

نرم‌افزار WAVE یک مجموعه جامع از پیشرفته‌ترین فناوری‌های DuPont را پوشش می‌دهد. این امر به طراحان اجازه می‌دهد تا با استفاده از جدیدترین و کارآمدترین محصولات موجود، سیستم‌های خود را مدل‌سازی کنند. فناوری‌های اصلی پشتیبانی شده در این پلتفرم شامل موارد زیر است:

• اولترافیلتراسیون (Ultrafiltration - UF): برای حذف ذرات معلق، کلوئیدها، باکتری‌ها و ویروس‌ها، که اغلب به عنوان پیش‌تصفیه برای سیستم‌های RO استفاده می‌شود. WAVE از ماژول‌های پیشرفته‌ای مانند IntegraFlux™ و IntegraPac™ پشتیبانی می‌کند.
• اسمز معکوس (Reverse Osmosis - RO): فناوری کلیدی برای نمک‌زدایی و حذف یون‌های محلول از آب. این نرم‌افزار شامل کتابخانه کاملی از ممبران‌های FilmTec™ است که دهه‌ها به عنوان استاندارد صنعتی شناخته می‌شوند.
• تبادل یونی (Ion Exchange - IX): برای حذف یون‌های خاص، سختی‌گیری و تولید آب فوق خالص (Ultrapure Water) استفاده می‌شود. WAVE مدل‌سازی رزین‌های سری AmberLite™ را امکان‌پذیر می‌سازد.
• اسمز معکوس مدار بسته (Closed Circuit Reverse Osmosis - CCRO): یک فناوری نوآورانه برای دستیابی به نرخ‌های بازیابی (Recovery) بسیار بالا و کاهش پساب (Brine)، که با محصول DesaliTec™ در WAVE گنجانده شده است.

علاوه بر این، DuPont در حال توسعه پلتفرم جدید مبتنی بر ابر خود با نام WAVE PRO است. در حال حاضر، WAVE PRO عمدتاً بر روی فناوری UF متمرکز است، اما برنامه‌ریزی شده است تا در آینده نزدیک، فناوری‌های RO و IX نیز به آن اضافه شوند و در نهایت جایگزین نسخه دسکتاپ گردد.

گردش کار طراحی یک سیستم در نرم‌افزار WAVE

نرم‌افزار WAVE با یک رابط کاربری بصری و فرآیند گام‌به‌گام، طراحان را در مسیر ایجاد یک مدل دقیق راهنمایی می‌کند. اگرچه جزئیات هر پروژه متفاوت است، یک گردش کار طراحی معمولی شامل مراحل اصلی زیر است:

1. راه‌اندازی پروژه و چیدمان فرآیند: کاربر با کشیدن و رها کردن آیکون‌های فناوری‌های مورد نظر (مانند UF و RO) بر روی صفحه اصلی، شماتیک فرآیند خود را می‌سازد.
2. تعریف مشخصات آب خوراک: در این مرحله، اطلاعات دقیقی در مورد آب ورودی وارد می‌شود. این اطلاعات شامل نوع آب (مانند آب دریا، آب سطحی یا پساب)، دما، pH، ترکیبات یونی کامل، و پارامترهای کیفی مانند کدورت (NTU)، کل جامدات معلق (TSS) و شاخص تراکم لجن (SDI) است.
3. طراحی سیستم و انتخاب فناوری: کاربر اهداف اصلی طراحی مانند نرخ بازیابی (Recovery) و دبی آب تصفیه شده را مشخص می‌کند. سپس از کتابخانه نرم‌افزار، مدل دقیق ممبران یا رزین مورد نظر خود را انتخاب کرده و پارامترهای عملیاتی اولیه مانند فلاکس (Flux) را تنظیم می‌کند.
4. پیکربندی فیزیکی سیستم: در این بخش، چیدمان فیزیکی واحد تعریف می‌شود. این شامل تعداد واحدهای موازی (Train)، تعداد پرشر وسل‌ها (Pressure Vessel) در هر مرحله و تعداد ممبران‌ها در هر وسل است. نرم‌افزار بر اساس ورودی‌ها، پیکربندی‌های بهینه‌ای را پیشنهاد می‌دهد.
5. جزئیات عملیاتی و شستشو: این مرحله برای تعریف پروتکل‌های نگهداری و شستشو حیاتی است. کاربر می‌تواند جزئیات مربوط به شستشوی معکوس (Backwash)، شستشوی شیمیایی تقویت‌شده (CEB) و شستشوی در محل (CIP) را از جمله نوع ماده شیمیایی، غلظت، دما و مدت زمان هر مرحله مشخص کند.
6. محاسبه و گزارش‌گیری: پس از وارد کردن تمام داده‌ها، کاربر شبیه‌سازی را اجرا می‌کند. WAVE محاسبات پیچیده موازنه جرم و انرژی را انجام داده و نتایج را در قالب گزارش‌های خلاصه و تفصیلی ارائه می‌دهد. این گزارش‌ها شامل کیفیت آب در نقاط مختلف، فشارهای عملیاتی، مصرف انرژی و سایر شاخص‌های کلیدی عملکرد است و می‌توان آن‌ها را به فرمت‌های PDF، Excel یا Word خروجی گرفت.

کاربرد WAVE چیست؟

نرم‌افزار WAVE برای مهندسانی که در صنایع آب و فاضلاب، نفت و گاز، پتروشیمی، داروسازی، و تولید نیرو فعالیت می‌کنند، یک ابزار استراتژیک و ضروری است. این نرم‌افزار به مهندس فرآیند قدرت می‌دهد تا سیستم‌هایی را طراحی کند که نه تنها از نظر فنی کارآمد، بلکه از نظر اقتصادی نیز بهینه باشند. با استفاده از WAVE، مهندسان می‌توانند تأثیر پارامترهای مختلف فرآیندی را بر عملکرد کلی سیستم به سرعت ارزیابی کرده، تنگناهای احتمالی را قبل از ساخت شناسایی کنند و راه‌حل‌های نوآورانه را با اطمینان بیشتری پیشنهاد دهند. تسلط بر این ابزار، یک مزیت رقابتی مهم در بازار کار امروز محسوب می‌شود.

برای آن دسته از متخصصان و دانشجویانی که به دنبال کسب تسلط عملی و ورود قدرتمند به این حوزه تخصصی و پر تقاضا در صنعت آب و فاضلاب و فرآیند است، دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان یک مسیر یادگیری ساختار یافته و پروژه محور فراهم می‌آورد. به طور ویژه، دوره آموزش Wave فرصتی بی‌نظیر برای کسب مهارت در یکی از کلیدی‌ترین ابزارهای این صنعت است. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد نحوه ثبت نام و زمان برگزاری و مشاوره تخصصی، امکان تماس با شماره تلفن 021- 88322992 فراهم است.

جمع‌بندی

نرم‌افزار WAVE از شرکت DuPont چیزی بیش از یک ماشین حساب مهندسی است. این یک پلتفرم طراحی یکپارچه است که پیچیدگی‌های طراحی سیستم‌های مدرن تصفیه آب را به یک فرآیند ساختاریافته، دقیق و بهینه تبدیل می‌کند. قابلیت منحصربه‌فرد آن در ادغام فناوری‌های کلیدی مانند UF، RO و IX در یک محیط واحد، به مهندسان شیمی اجازه می‌دهد تا به جای تمرکز بر اجزای منفرد، کل فرآیند را به صورت یکپارچه بهینه‌سازی کنند. در عصری که بهره‌وری انرژی، کاهش هزینه‌ها و پایداری زیست‌محیطی در اولویت قرار دارند، ابزارهایی مانند WAVE دیگر یک انتخاب نیستند، بلکه یک ضرورت برای هر مهندسی به شمار می‌روند که در خط مقدم مدیریت منابع حیاتی آب فعالیت می‌کند.

نویسنده: علی بهرام همدانی، کارشناس ارشد فرآیند