کاربرد رايانه در مهندسی شیمی و صنايع شيميايي
۱– مقدمه
امروزه استفاده از كامپيوتر به عنوان جزئي جدا نشدني از علوم مهندسي مطرح مي باشد.طراحي و ارزيابي واحدهاي توليدي و طراحي تجهيزات فرآيندي مورد استفاده در صنايع،بدون استفاده از كامپيوتر ،امري وقت گير بوده و با توجه به پيچيدگي روز افزون فرآيندهاي توليدي،و با توجه به دامنه محدود تجارب و اطلاعات فردي،گاهاٌ غير ممكن مي گردد.
در فضاي رقابتي صنعت امروز، سرعت در اجراي پروژه ها به يكي از ضروري ترين ابزارهاي برتري تبديل شده است. در پروژه هاي احداث واحد هاي فرآيندي يكي از كليدي ترين گام ها محاسبات طراحي و مهندسي است، انجام اين محاسبات تا چندي پيش مستلزم صرف وقت و هزينه زيادي بود. امروزه با استفاده از نرم افزارهاي شبيه سازي فرآيندي مدت زمان عمليات طراحي به ميزان چشمگيري كاهش يافته است. علاوه بر مزيت سرعت، اين نرم افزارها هر يك مي كوشند به روزترين روابط علمي را براي محاسبات خود به كار گيرند.
نرم افزارهاي شبيه سازي فرآيند، تنها براي مقطع طراحي يك واحد صنعتي كاربرد ندارند. بخش عمده يي از كاربري اين دسته از نرم افزارها در واحدهاي در حال فعاليت است. نگرش توليد محور كه اقتضاي صنعت است هرگز اجازه اعمال تغييرات در فرآيند نرمال واحد را نمي دهد. اين ايده هاي جديد براي بهبود عمليات و يا بهينه سازي، ابتدا بايد شبيه سازي بوسيله اين نرم افزارها تاييد شوند و سپس به مرحله اجراء در آيند. مزاياي استفاده از اين نرم افزارها مي تواند شامل سريعتر انجام شدن محاسبات، كاهش چشمگير هزينه عمليات مهندسي فراهم آمدن ابزاري قابل اعتماد براي تحليل گزينه هاي مختلف طراحي باشد.
بنابراين هدف كلي چنين نرم افزارهايي طراحي و شبيه سازي هرچه دقيق تر و كامل تر فرآيند صنعتي است. تفاوت عمده در ميان آنها در گستردگي ابزارهاي شبيه سازي و محيط واسط آنها با كاربر است.
با رشد مباني كامپيوتر و انفورماتيك ، استفاده از اين ابزار در علوم مختلف اهميت بسزايي پيدا كرده است . نقش كامپيوتر در علوم مهندسي كاملا مشهود بوده و فراگيري اين علوم بدون استفاده از اين ابزار بسيار دشوار بنظر مي رسد در اين ميان مهندسي شيمي نيز از اين قاعده مثتثني نبوده و با توجه به حجم بالاي محاسبات در اين رشته و دشواري و وقت گير بودن آنها ، آشنايي دانشجويان و متخصصان اين زمينه با كامپيوتر و نرم افزارهاي مرتبط ضروري مي نمايد . در سال هاي اخير نرم افزارهاي عددي بطور گسترده اي براي حل مسا يل آموزشي در مهندسي شيمي ( كنترل فرايند ، سينتيك و طرح راكتورهاي شيميايي ، تر موديناميك و … ) بكار گرفته مي شود . اما متاسفانه در برخي از مسايل ديگر استفاده از اين ابزار بسيار كمرنگ است ، كه دو علت مي توان براي آن بيان كرد .
اول آنكه برخي از مثال ها و مسايل موجود در بسياري از كتابهاي مرجع دروس ، مربوط به دوره قبل از گسترش كامپيوتر و نرم افزارهاي عددي است . لذا هم با استفاده از كامپيوتر و هم بدون آن قابل حل اند. اين مسايل دانشجويان را به استفاده از كامپيوتر تشويق نمي كنند .
دوم آنكه ، برخي از بخشهاي مهندسي شيمي نرم افزار عددي را براي آموزش انتخاب مي كنند كه ممكن است در يك ترم خاص متناسب با معلومات دانشجويان نبوده و يك دانشجوي مبتدي در استفاده از آن دشوار ي هايي در پيش روي خود احساس كرده ، حل مسائل بدون استفاده از كامپيوتر را انتخاب كند . كارشناسان در انتخاب نرم افزار قدرت مندي ، انعطاف پذيري و وسعت انتخاب كاربر رابه عنوان معيارهاي اصلي لحاظ مي كنند .
شايد برخي خواص ديگر براي دانشجويان اهميت بيشتري داشته باشد . به عنوان مثال نرم افزار انتخابي بايد توانايي حل اکثر مسا يلي که دانشجو در آن ترم تحصيلي با آن مواجه است را دارا باشد . همچنين فراگيري آن برا ي استفاده در ترم ، ظرف زمان کوتاهي مقدور باشد . لذا سهولت کاربرد و کوتاهي زمان فراگيري از قدرتمند ي نرم افزار و گستردگي گزينه هاي قابل انتخاب براي دانشجويان اهميت بيشتري دارد .
معيار مقايسه نرم افزارهاي رياضي براي آموزش توسط Shacham and Cutlip در سال ١٩٩٨ تدوين شد. در اين معيار ده مساله از موضوعات مهندسي شيمي انتخاب و به وسيله ٦ بسته نرم افزار عددي ، اكسل (EXCEL ) ، پلي مت ( POLYMATH ) ، متمتيکا ( MATMATICA ) ، مطلب ( MATLAB ) ، متکد (MATHCAD ) و ميپل ( MAPLE ) حل مي شوند .
به طور قطع نمي توان گفت کدام يک از نرم افزارهاي ياد شده به تنهايي براي كل ترم هاي تحصيلي دانشجو مفيد است . نرم افزار متناسب بايد با توجه به آشنايي دانشجويان با مدل ها ي رياضي , الگوريتم هاي عددي و برنامه نويسي کامپيوتري در ترم هاي قبل انتخاب شود .
۲– نرم افزارهاي كاربردي در مهندسي شيمي
به طور كلي نرم افزارهاي كاربردي در مهندسي شيمي را مي توان به دو دسته اصلي تقسيم كرد :
– نرم افزارهاي عمومي
– نرم افزارهاي تخصصي
۲–۱ نرم افزارهاي عمومي
اين گروه شامل نرم افزارهايي است كه مختص مهندسي شيمي نبوده ولي متناسب با نياز، مي توانند توسط دانشجويان و متخصصان اين رشته بكارگرفته شوند . از اين دسته مي توان نرم افزارهاي رياضي مانند MATLAB و MAPLE و … و نيز مجموعه نرم افزارهاي Microsoft Office را نام برد . البته تعدد نرم افزارهاي عمومي گسترده است و ميزان كاربرد اين نرم افزارها براي دانشجويان اين رشته يكسان نبوده اما آشنايي نسبي دانشجويان با آنها مفيد خواهد بود . همچنين در چند مورد لازم است تسلط كافي وجود داشته باشد.
۲–۲ نرم افزارهاي تخصصي
اين دسته از نرم افزارها مختص مهندسي شيمي و رشته هاي وابسته بوده، و دانشجويان لازم است قبل از شروع به فراگيري آنها بخش قابل توجهي از دروس تحصيلي خود را گذرانده باشند . در حقيقت اين نرم افزارها مجموعه اي از آموخته هاي يك دانش آموخته مهندسي شيمي است . لذا براي استفاده و تحليل نتايج آنها بايد درك درستي از دروس آموزشي وجود داشته باشد . از جمله اين نرم افزارهاي تخصصي كه داراي كاربرد فراواني هستند ، ميتوان HYSYSو ASPEN و PROII را نام برد .
اين نرم افزارها براي شبيه سازي و طراحي اكثر فرايند ها قابل استفاده اند . البته نرم افزارهاي پرشمار ديگري نيز وجود دارند كه كاربرد آنها به حوزه هاي خاص مربوط مي شود و عموميت نرم افزارهاي فوق الذكر را ندارند . از اين گروه مي توان نرم افزار HTFS براي شبيه سازي و طراحي مبدلهاي حرارتي و PIPE.SYS براي شبيه سازي و طراحي شبكه لوله را نام برد .
نرم افزارهاي از اين نوع نيز بسيار متنوع اند . با توجه به تعداد زياد نرم افزارهاي تخصصي و عدم نياز به فراگيري همه آنها، لازم است با توجه به گرايش تحصيلي دانشجويان در انتخاب آنها دقت لازم صورت گيرد .
۴- دوره هاي اصلي در مهندسي شيمي
براي سطوح مختلف در دوره تحصيلي مهندسي شيمي مي توان کارايي نرم افزارها را بررسي نمود . دوره هاي اصلي در مهندسي شيمي براي پيشرفت معلومات دانشجويان عبارتند از : محاسبات پايه اي در مهندسي شيمي ( موازنه جرم و انرژي ) فرايندهاي جداسازي , مدل سازي و شبيه سازي .
۴–۱ محاسبات پايه اي در مهندسي شيمي
به عنوان يک دوره آغازين مطرح است که دانشجو با اصول موازنه جرم و انرژ ي آشنا مي شود . در اين دوره موضوع مدلسازي رياضي مطرح نيست. لذا انجام محاسبات با استفاده از نرم افزارهايي چون EXCEL و يا POLYMATH قابل انجام است . استفاده از ا ين نرم افزارها نيازي به آشنايي قبلي با محاسبات عددي ندارد . استفاده از اين نرم افزارها درمحاسبات موازنه جرم و انرژي بسيار مفيد خواهد بود.
۴–۲ فر آيندهاي جداسازي
موضوع اين دوره شامل فراگيري روشهاي محاسبات چند مرحله اي فرآيندها و مطالعه رفتار اين فرآيندها در اثرتغيير شرايط فرآيند است . در اين مرحله با توجه به محدوديت نرم افزارهاي EXCEL , POLYMATH در انجام محاسبات حجيم استفاده از نرم افزارهاي شبيه ساز فرآيند مانند HYSYS , ASPEN مناسب خواهد بود . البته با فرض آنکه مدلسازي رياضي و برنامه نويسي کامپيوتري اين مسايل مد نظر نباشد .
۴–۳ مدلسازي و شبيه سازي فرآيند
در اين دوره دانشجويان با روشهاي شبيه سازي عمليات واحد ( شامل برج تقطير و … ) آشنا مي شود . همچنين موضوع دوره شامل فراگيري روشهاي عددي براي حل مدلهاي پايدار و ناپايدار است . براي توانا نمودن دانشجو يان براي انجام مدلسازي و شبيه سازي عمليات واحد پيچيده برنامه نويسي کامپيوتري نيز علاوه بر نرم افزارهايي چون ASPEN و HYSYS به عنوان يک نرم افزار مفيد و مناسب براي اين دوره مطرح است . براي انجام محاسبات پيچيده ماتريسي , زير برنامه نويسي و جعبه ابزارهاي آماده مختلف مدلهاي ساده از نرم افزارهاي MATLAB و EXCEL و يا POLYMATH نيز مي توان بهره جست .
يكي از شناخته ترين و به بياني محبوب ترين نرم افزارها در حيطه شبيه سازي فرآيند نرم افزار HYSYS محصول شركت Hyprotech است. لازم به ذكر است اكنون اين شركت و شركت Aspen Tech با هم ادغام شده اند. اين نرم افزار كه اكنون سه دهه از حضورش در صنعت مي گذرد، به دليل محيط واسطي كه در آن راحتي كاربر بسيار در نظر گرفته شده است به علاوه بانك اطلاعاتي و ابزارهاي متنوع آن در بسياري از بزرگترين شركتهاي مهندسي در سراسر جهان است.
۵– انتخاب مطالب
از ميان نرم افزارهاي عمومي به مواردي پرداخته مي شود که استفاده بيشتري در مهندسي شيمي و مشابه آن دارند از ميان نرم افزارهاي رياضي ، مطلب و از ميان نرم افزارهاي Microsoft Office اكسل براي اين رشته بسيار کاربردي هستند . اخيرا به مجموعه نرم افزارهاي Microsoft Office نرم افزار ديگري با نام Visio اضافه گرديده که جهت ترسيم بسياري از نقشه هاي مهندسي از جمله طرح جريان فرايندهاي شيميايي قابل استفاده است . فراگيري اين نرم افزار ساده بوده و در زمان کوتاهي ميسر است . معيارهاي انتخاب نرم افزار را مي توان به صورت زير خلاصه کرد :
کارايي عددي : توان حل مسايل ؛ سهولت کاربري , داشتن منوهاي کمکي , ابزار رفع اشکال مانند خطاي گرامر, خطاي متغير و …
قابليت هاي فني مانند امکان : آماده سازي مدل ، سند سازي و ذخيره مدل ، تنظيم الگوريتم حل ، ارايه و نما يش نتايج ، سند سازي نتايج.
۵–۱ مطلب
اين نرم افزار يکي از قويترين نرم افزارهاي مهندسي موجود ، و در نوع خود تقريبا بي نظير است . که کاربرد گسترده اي در مسائل مهندسي شيمي دارد . اين نرم افزار براي رفع نياز رياضياتي دانشجويان کافي بوده و از اين لحاظ بسيار قدرتمند است . همچنين داراي محيط مناسبي براي برنامه نويسي و شبيه سازي است . اساس کار اين برنامه بر کار با ماتريس در يک محيط منطقي استوار است.
فراگيري نرم افزار بعلت گستردگي زياد آن دشوار به نظر مي رسد.
مطلب يك محيط قدرتمند برنامه نويسي نيز مي باشد . صدها زيربرنامه از پيش نوشته شده براي محاسبات ساده و دشوار رياضي دراين نرم افزار وجود دارد:معكوس ماتريس، حل معادلات ديفرانسيل معمولي ، انتگرال عددي و … .
نرم افزارهايي چون متمتيكا ، ميپل و متكد نيز نرم افزارهاي مفيدي در زمينه مسائل رياضي هستند . ولي با توجه به قابليت هاي بيشتر مطلب همچنين محيط برنامه نويسي اين نرم افزاريادگيري آن ارجحيت داشته و به تنهايي نياز دانشجويان را از اين حيث برطرف مي كند .
با توجه به اين نكات دانستن موارد زير از نرم افزار مطلب مفيد خواهد بود :
– آشنايي با محيط نرم افزار و آشنايي با پنجره هاي سه گانه COMMAND , M-FILE , FIGURE
– نحوه معرفي اطلاعات و متغيرها
– تعريف انواع ماتريس و انجام عمليات مربوط به آنها ( معکوس گيري و … )
– معرفي توابع و دستورات کاربردي مانند ( Log , roots , conv, … ) همچين عمليات جبري
– نحوه کار باM-FILE و نوشتن و ويرايش برنامه در اين محيط
– تعريف Function در محيط M-FILE
– رسم دياگرامهاي مختلف، نحوه ويرايش آنها و همچنين استفاده از ابزار انطباق منحني
– نحوه ذخيره سازي اطلاعات ، نتايج ، منحني ها و نيز کاربرد ابزار ذخيره سازي چون
Workspace ، Command ، History و غيره …
– نحوه استفاده از Help نرم افزار بعنوان يک راهنماي جامع
۵–۲ اكسل
اين نرم افزار يكي از مجموعه نرم افزارهاي Microsoft Office است كه در علوم مهندسي بسيار پركاربرد است . در سالهاي اخير اين نرم افزار جايگاه ويژه اي در حل مسايل مهندسي شيمي پيدا كرده است . استفاده از صفحه گسترده درحل مسايل عددي و آماري مهندسي شيمي براي اكثر متخصصان اين رشته آشنا و شناخته شده است . اكسل يك نرم افزار كارا درتهيه صفحه گسترده است .
هدف از ارائه مطالب اين نرم افزار، آشنايي با مفاهيم كلي كدنويسي و روشهاي عددي و آناليز آماري است . اين مسائل را مي توان از مفاهيم موازنه جرم و انرژي ، ترموديناميك ، پديده هاي انتقال ، سنتيك ، انطباق داده ها ، آناليز اطلاعات آزمايشگاهي و مدلسازي استاتيكي و ديناميكي انتخاب نمود .
در محيط اكسل همچنين قابلت برنامه نويسي با ويژوال بيسيك وجود دارد . كه فراگيري اين قابليت كمك فراواني به دانشجويان در كدنويسي درمحيط اطلاعات مي نمايد .
با توجه به اين نكات دانستن موارد زير از نرم افزار اکسل مفيد خواهد بود :
– آشنايي با صفحه گسترده و استانداردهاي آن
– آشنايي با ترسيم نمودار درمختصات مختلف
– آشنايي باتوابع مختلف اكسل
– انجام عمليات ماتريسي در محيط
– رگرسيون خطي و غير خطي در محيط اكسل ، با توجه به قابليتهاي گوناگون اكسل در اين مورد
– آشنايي با قابليت برنامه نويسي در محيط اكسل
– نحوه استفاده از Help نرم افزار بعنوان يک راهنماي جامع