امروزه با توسعه رایانه‌هایی با پردازنده‌های قدرتمند، حل این معادلات پیچیده و پیش‌بینی رفتار سیالات در تجهیزات فرآیندی ممکن شده‌است. نرم‌افزارهای مدلسازی و شبیه‌سازی، ابزارهای بسیار کارآمدی هستند. این ابزارها امکان پیش‌بینی کارآمدی یا ناکارآمدی یک تجهیز یا فرایند را قبل از ساخت فراهم می‌کنند. همچنین می‌توان از مدلسازی تجهیزات و شبیه‌سازی فرایند برای عیب‌یابی تجهیزات و شرایط موجود استفاده کرد.
طراحی و ساخت تجهیزات صنعتی مناسب و کارآمد در صنایع شیمیایی، اغلب پرهزینه و زمان‌بر است. این درحالی است که گاهی مشاهده می‌شود کارخانه‌داران ضمن صرف هزینه و زمان زیاد، به تجهیز مطلوب خود دست نمی‌یابند. علت این امر اغلب وجود پدیده‌های پبش‌ینی نشده‌ای است که درون تجهیز موردنظر به وقوع می‌پیوندد. در گذشته امکان انجام محاسبات پیچیده به منظور بررسی این پدیده‌ها وجود نداشت. چرا که گاهی حل این معادلات پیچیده به صورت دستی غیرممکن و یا بسیار زمان‌بر بود. اما امروزه مدلسازی تجهیزات و شبیه‌سازی فرایند با ابزارهای موجود یکی از گام‌های مهم احداث و بهینه‌سازی کارخانه‌ها محسوب می‌شود.
خدمات مدلسازی
ما با به‌کارگیری دانش و مهارت، قادریم فرایند و تجهیزات فرایندی را قبل از ساخت، مدلسازی و شبیه‌سازی کنیم. با این کار عیوب احتمالی تجهیز یا فرایند مورد نظر آشکار می‌شود. درنتیجه می‌توان اصلاحات لازم را به منظور افزایش کارایی آن به کار بست.
همچنین ما می‌توانیم با استفاده از ابزارهای ذکر شده به بررسی تجهیزات دارای عملکرد نامناسب بپردازیم. نتیجه‌ی مدلسازی تجهیزات و شبیه‌سازی فرایند، رفع مشکلات و ارائه‌ی راه‌حل های عملی است.
شبیه‌سازی فرایند
شبیه‌سازی فرایند چیست؟
شبیه‌سازی فرآیند یک نمایش مبتنی بر مدلی از مواد شیمیایی، فیزیکی، بیولوژیکی و سایر فرآیندهای فنی و عملکرد واحد در نرم افزار است. پیش نیازهای اساسی شبیه‌سازی، دانش کاملی از خصوصیات شیمیایی و فیزیکی از اجزای خالص و مخلوط‌ها، واکنش‌ها و مدلهای ریاضی است.
ترکیب موارد ذکر شده، امکان مدلسازی یک فرآیند در رایانه‌ها را فراهم می‌کند. برای تما‌می‌فرایند‌های صنعتی پیوسته، دارویی، نفت، پلیمر و رنگ، می‌توان از مدلسازی استفاده‌کرد. مدلسازی و شبیه‌سازی فرایند می‌تواند مدیریت پروژه را هوشمند و تسهیل کند.
هدف اصلی شبیه‌سازی
هدف اصلی شبیه‌سازی چیست؟
نرم‌افزار شبیه‌سازی فرآیند، فرایندهای موجود در نمودارهای جریان را توصیف می‌کند. در این جریان‌ها واحدهای عملیاتی مستقر شده و توسط جریان‌های محصول به هم متصل می‌شوند. برای پیدا کردن یک نقطه عملیاتی پایدار، نرم‌افزار باید تعادل جرم و انرژی را برقرار کند. هدف از یک شبیه‌سازی فرایند یافتن شرایط بهینه برای یک فرآیند مورد بررسی است. این در اصل یک مسئله بهینه سازی است که باید در یک فرایند تکراری حل شود.
در شبیه‌سازی فرایند همیشه از مدل‌هایی استفاده می‌شود که تقریب‌ها و فرضیات را معرفی می‌کنند. این مدلها توصیف یک ویژگی را در طیف گسترده‌ای از دما و فشار امکان پذیر می‌سازند. این دما و فشارها ممکن است توسط داده‌های واقعی پوشش داده نشود. مدلها همچنین درون یابی و برون یابی را در محدوده معینی امکان پذیر می‌سازند.
مدلسازی
تعریف مدلسازی
توسعه مدلها برای نمایش بهتر فرآیندهای واقعی هسته اصلی توسعه بیشتر نرم افزار شبیه‌سازی است. توسعه مدل در مهندسی شی‌می‌و نیز در مهندسی کنترل و همچنین برای بهبود تکنیک‌های شبیه‌سازی ریاضی انجام می‌شود. بنابراین شبیه‌سازی فرایند یکی از معدود زمینه‌هایی است که دانشمندان شیمی، فیزیک، علوم کامپیوتر، ریاضیات و چندین رشته مهندسی در کنار هم کار می‌کنند.
تلاش‌های زیادی برای ایجاد مدلهای جدید و بهبود یافته برای محاسبه خواص انجام شده است:
- خواص حرارتی مانند فشار بخار، ویسکوزیته، داده‌های کالری و غیره از اجزای خالص و مخلوط‌ها
- خواص دستگاههای مختلف مانند راکتورها، ستونهای تقطیر، پمپها و غیره
- واکنشهای شیمیایی و سینتیک
- داده‌های مربوط به محیط زیست و ایمنی
مدلسازی‌های مختلف
مدلهای مختلف مدلسازی
دو مدل اصلی مختلف را می‌توان تشخیص داد:
- معادلات ساده و همبستگی‌های ساده ای که پارامترها در داده‌های تجربی متناسب هستند.
- روش‌های پیش‌بینی‌کننده که در آن خواص تخمین زده می‌شوند.
معادلات و همبستگی‌ها معمولاً ترجیح داده می‌شوند زیرا ویژگی را توصیف می‌کنند. برای به دست آوردن پارامترهای قابل اعتماد، لازم است که داده‌های واقعی استفاده شود. این داده‌ها معمولاً از بانک داده‌های واقعی از اندازه گیری‌ها بدست می‌آیند.
استفاده از روش‌های پیش‌بینی بسیار ارزانتر از کار آزمایشگاهی و همچنین داده‌های بانک‌های داده است. علیرغم این مزیت بزرگ، ویژگی‌های پیش‌بینی شده فقط در مراحل اولیه توسعه فرایند برای یافتن راه حل‌های تقریبی اول و حذف مسیرهای اشتباه استفاده می‌شوند زیرا این روش‌های تخمین به طور معمول خطاهای بالاتری را نسبت به همبستگی‌های بدست آمده از داده‌های واقعی ارائه می‌دهند.
مزایای مدلسازی و شبیه‌سازی چیست؟
مدلسازی تجهیزات و شبیه‌سازی فرایند
- انتخاب روند مناسب و دارای صرفه ی اقتصادی با توجه به نوسان محصول
- تست و مقایسه‌ی ترتیب و ترکیب بندی‌های مختلف تجهیزات
- کاهش تولید محصولات ناخواسته
- محاسبه‌ی مقادیری مانند اندازه‌ی مخازن، ارتفاع برج‌ها و …
- مقاوم سازی فرایند در برابر تغییر مواد اولیه
- تنظیم کیفیت محصول بنا به سفارش مشتری
- پیش‌بینی عملکرد سیستم از نظر توان و محدودیت‌های عملیاتی
شبیه‌سازی حالت پایا و فرایند پویا
شبیه‌سازی حالت پایا و فرایند پویا چیست؟
در ابتدا از شبیه‌سازی فرایند برای شبیه‌سازی فرایندهای حالت پایا استفاده شد. مدلهای حالت پایا تعادل جرم و انرژی یک فرایند ثابت(فرایندی در حالت تعادل) را انجام می‌دهندکه بستگی به زمان ندارد.
شبیه‌سازی پویا یک پسوند شبیه‌سازی فرایند حالت پایا است. در این گونه وابستگی زمان از طریق اصطلاحات مشتق(انباشت جرم و انرژی) به مدلها می‌رسد. با ظهور شبیه‌سازی پویا توصیف، پیش‌بینی و کنترل وابسته به زمان در فرآیندهای واقعی در زمان واقعی امکان‌پذیر است. این شامل توصیف راه‌اندازی و خاموش‌کردن یک واحد صنعتی، تغییر شرایط در هنگام واکنش، هلدآپ، تغییرات حرارتی و موارد دیگر می‌باشد. شبیه‌سازی‌‌های پویا نیاز به افزایش زمان محاسبه دارند. از لحاظ ریاضی نیز پیچیده تر از یک شبیه‌سازی حالت پایا هستند.
شبیه‌سازی پویا به صورت آنلاین و آفلاین قابل استفاده است. در حالت آنلاین، از مدل کنترل پیش‌بینی استفاده می‌شود. در این مدل نتایج شبیه‌سازی زمان واقعی برای پیش‌بینی تغییرات کاربرد دارد. درنهایت پارامترهای کنترل بر اساس نتایج بهینه می‌شوند. از شبیه‌سازی فرایند آفلاین می‌توان در طراحی، عیب یابی و بهینه سازی کارخانه استفاده کرد. انجام مطالعات موردی برای ارزیابی اثرات تغییرات فرآیند نیز با شبیه‌سازی آفلاین قابل دست‌یابی است. شبیه‌سازی پویا همچنین برای آموزش اپراتورها استفاده می‌شود.
تاریخچه
تاریخچه مدلسازی و شبیه‌سازی
تاریخ شبیه‌سازی فرایند به شدت با پیشرفت علوم رایانه و سخت افزارهای رایانه‌ای و زبان‌‌های برنامه نویسی مرتبط است. در ابتدای کار، پیاده سازی ساده‌ای از جنبه‌‌های جزئی فرآیندهای شیمیایی در دهه 1970 معرفی شد. سخت افزار و نرم افزار مناسب آن زمان(در اینجا عمدتا زبان‌‌های برنامه‌نویسی FORTRAN و C++) در دسترس قرار گرفت. مدلسازی خواص شیمیایی خیلی زودتر آغاز شد. معادلات حالت و معادله آنتوان پیش‌ساز تحولات قرن نوزدهم بود.
