نرم افزارهای پر کاربرد در مهندسی شیمی

رشته مهندسی شیمی پیوسته در حال تغییر است، بنابراین ابزارهای محاسباتی و بسته های نرم افزاری 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. بسته­های مختلف را می توان 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.

نرم افزار عمومی برای مدل سازی ریاضی

زبان برنامه نویسی پایتون

پایتون اکنون یکی از محبوب ترین و پرکاربردترین زبان های برنامه نویسی در جهان است. علاوه بر توسعه وب و نرم افزار، پایتون برای تجزیه و تحلیل داده ها، یادگیری ماشین و حتی طراحی استفاده می شود. پایتون یک زبان برنامه نویسی شی گرا (مبتنی بر داده ها)، سطح بالا (درک برای انسان آسان تر) است. اولین بار در سال 1992 راه اندازی شد، به گونه ای 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.

MS Excel

Microsoft Office Excel یک برنامه صفحه گسترده است که دارای محاسبات، ابزارهای نموداری، جداول است. مزیت اصلی Excelدر 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، MATLABو غیره، 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 ستون ها و ردیف ها - یافتن و مرتب سازی داده ها را آسان می کند و از آنها در فرمول های تکراری استفاده می شود.
•        رسم کردن – بسته به نیاز، تعداد زیادی گزینه وجود دارد.
•        Solver - این ابزاری است که در Excelبرای حل عددی مجموعه ای از معادلات، بهینه سازی مسئله از جمله هماهنگ کردن مجموعه ای از داده ها به یک معادله خطی و غیر خطی معین و موارد دیگر استفاده می شود. Solverیک افزونه است که برای استفاده باید فعال شود.
•        ساخت توابع در Visual Basicبرای برنامه ها - Excelدارای قابلیت داخلی برای تولید توابع سفارشی با استفاده از Visual Basic برای برنامه ها (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 worksheetاستفاده می‌شود (مثلاً چند جمله‌ای برای تخمین گرمای ویژه اجزا) و به کاربر این امکان را می‌دهد که هنگام مشاهده فرمول‌های موجود در سلول ها، محاسبات را به راحتی بخواند.
•        پیوند Excelبا نرم افزارهای دیگر - Excelبه یک پکیج استاندارد تبدیل شده است به طوری که تعدادی از نرم افزارهای تخصصی دیگر از آن به عنوان منبع اطلاعات برای گزارش داده ها استفاده می کنند زیرا کاربر پسندتر است. بنابراین، می‌توانیم اطلاعات موجود در Excelرا برای بارگذاری در Matlab، Aspen Hysysیا CHEMCAD یا انتقال مجدد به Excelاستفاده کنیم.

MATLAB

MATLABیکی از نرم افزارهایی است که در همه رشته های مهندسی استفاده می شود و همچنین از نرم افزارهای پر کاربرد در مهندسی شیمی 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. MATLABیک زبان برنامه نویسی است، عملکرد آن بر اساس استفاده ازm  فایل است که می توان 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 script ها هستند که باید با کلمه "function" در بالای آنها شروع شوند. توابع می توانند تعریف شده توسط کاربر یا عملیات معمولی مانند حل معادلات یا معادلات دیفرانسیل باشند. در MATLAB، 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 می دهند. 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 MATLABدر مهندسی شیمی عبارتند از:

•        انتقال مومنتوم، جرم و انرژی - تعدادی مثال در زمینه پدیده های انتقال وجود دارد که، حتی اگر پدیده های مختلف را نشان دهند، می توان 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 - مبدل های حرارتی، پمپ ها، شیرها، اواپراتورها، ستون ها، راکتورها و غیره.
•        طراحی راکتور - مدل ها بر اساس معادلات جبری صریح و معادلات دیفرانسیل هستند. بنابراین، ما از تابع ODEXX در MATLAB برای حل پروفیل های غلظت، دما و/یا فشار در طول عملکرد چنین تجهیزاتی استفاده می کنیم.
•        تجزیه و تحلیل حلقه های کنترل، طراحی کنترل و تنظیم.

 شبیه سازی فرآیند

نرم افزار شبیه سازی 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.

ASPEN HYSYS  و ASPEN PLUS

دو نرم افزار مشابه با تمام قابلیت هایی 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 مدل سازی است که از جمله مهم ترین و شناخته شده ترین آنها می توان به ابزارهای شبیه سازی فرآیند Aspen HysysوAspen Plusاشاره کرد.

 Aspen HYSYS (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. HYSYSقادر 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.

Aspen Plus یک ابزار مدل سازی فرآیند برای طراحی مفهومی، بهینه سازی و نظارت بر عملکرد برای صنایع شیمیایی، پلیمری، مواد شیمیایی ویژه، فلزات و مواد معدنی، و صنایع زغال سنگ است. همچنین می توان 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 می توان گفت که Aspen Plus ابزار بهتری برای طراحی فرآیندهای شیمیایی عمومی تر مانند مواد شیمیایی، دارویی و غیره است، در حالی که HYSYSبرای عملیات هیدروکربنی، پتروشیمی، نفت مانند گاز طبیعی، گازهای مایع، نفت خام بهترین است.

شبیه سازی جریان

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-CDو STAR-CCM+ بر اساس روش حجم محدود هستند، در حالی که ANSYS CFX از روش حجم کنترل مبتنی بر المان محدود استفاده می کند. از سوی دیگر، COMSOL Multiphysics مبتنی بر روش اجزای محدود است.

COMSOL یک 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.

با ایجاد مهارت های اولیه کامپیوتری که در این مقاله توضیح داده شده است، مهارت های 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.

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