شبیه‌سازی دینامیک و کنترل فرآیندهای‌ شیمیایی با Aspen Plus Dynamics

مقدمه ای از شبیه‌سازی دینامیک و کنترل فرآیندهای‌ شیمیایی با Aspen Plus Dynamics

تولید اقتصادی و ایمن مواد در مقیاس صنعتی یکی از دغدغه‌های اصلی مهندسان شیمی بوده و هست. برخی مواد سال‌هاست که در مقیاس زیاد تولید می‌شوند و سابقه‌ی طولانی و حتی باستانی برای تولیدشان وجود دارد اما با رشد تقاضا و نیاز به تولید در ابعاد بزرگ‌تر، هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه و همچنین عملیاتی مورد نیاز افزایش می‌یابند. بنابراین مهم است که فرآیند حتماً در شرایط اقتصادی کار کند. همچنین ممکن است با افزایش مقیاس فرآیند، مسأله‌ی ایمنی عملیات تولید مهم‌تر شده و اطمینان از عملکرد صحیح و ایمن فرآیند حیاتی باشد.

برای رسیدن به این اهداف، یک فرآیند شیمیایی باید سیستم کنترل مناسب داشته باشد تا با عملکرد این کنترل‌کننده‌ها، فرآیند در شرایط دلخواه اجرا شود. ساختار سیستم کنترل برای یک فرآیند دارای محدودیت نیست و با پیشرفت فنی و علمی در زمینه‌ی تجهیزات کنترلی، ممکن است سیستم کنترل در نظر گرفته شده برای یک فرآیند تغییر کند و یا حتی فلسفه کنترل یک فرآیند دست‌خوش تغییر شود. از سوی دیگر سیستم کنترل فرآیندهای جدید که در حال طراحی و ساخت هستند نیز نیاز به بررسی و آزمایش دارند تا از توانایی کافی آن‌ها برای دفع اختلالات ایجاد شده و همچنین اجرای صحیح فرآیند اطمینان حاصل شود.

تمام این موارد مهندسان شیمی را برآن می‌دارد که سیستم کنترل طراحی شده یک فرآیند را پیش از اجرا در حالت واقعی، به صورت مدل‌های ریاضی بیان کرده و توسط رایانه‌ای شبیه‌سازی نمایند. با استفاده از این برنامه‌های رایانه‌ای می‌توان اختلالاتی را که احتمال ایجاد آن‌ها در یک فرآیند واقعی وجود دارد به صورت توابع ریاضی به فرآیند اعمال نمود و حاصل عملکرد سیستم کنترل را برای دفع این اختلالات بررسی کرد. به این صورت می‌توان با هزینهِ‌ی بسیار کمی در یک محیط مجازی قدرت یک سیستم کنترل طراحی شده را مورد سنجش و آزمایش قرار داد. برنامه‌یAspen Plus Dynamics ابزاری است که برای رسیدن به این هدف طراحی شده است. با استفاده از این برنامه به راحتی می‌توان بسیاری از سیستم‌های کنترل پیچیده را مدل کرد و مورد تحلیل و بررسی قرار داد. این کتاب، خودآموز آموزش این برنامه می‌باشد.

در این کتاب سعی شده که مطالب به صورتی بیان شوند که همه کاربران با داشتن هر کدام از نسخه‌های Aspen بتوانند از آن استفاده کنند. در فصول اول کتاب در رابطه با خود برنامه و آشنایی با محیط و امکانات آن توضیح داده شده است همچنین شبیه‌سازی دینامیکی یک فرآیند به طور کامل از ابتدا در یک فصل مجزا شرح داده شده است. با استفاده از این مثال بسیاری از ابهامات احتمالی خواننده برای استفاده از این برنامه مرتفع خواهد شد. در ادامه مثال‌های بیشتری خواهد آمد که با استفاده از آن‌ها بخش مقدماتی آموزش تحت پوشش قرار می‌گیرد. این مثال‌ها در فایل مثال‌های برنامه‌ی نصب شده Aspen Plus Dynamics به صورت پیش‌فرض موجود هستند و در این جا با تغییراتی که توسط مؤلف ایجاد شده با دیدگاه دیگری از آن‌ها استفاده شده است. اما در فصل مثال‌های پیشرفته، فایل مثال‌های مطرح شده در میان فایل‌های تعریف شده برنامه وجود ندارند و کاربر خود باید گام‌های ابتدایی شبیه‌سازی را اجرا کند.

مثال‌های مطرح شده در این فصل بسیار مفید بوده و ابعاد کاربرد واقعی برنامه را برای تحلیل سیستم‌های کنترل بهتر ترسیم می‌کند. در انتهای کتاب فصلی وجود دارد که در مورد بررسی فلسفه‌ی طراحی سیستم کنترل گسترده فرآیندهای شیمیایی بحث می‌کند و چهارچوب کلی در رابطه با اصول طراحی سیستم کنترل فرآیند را برای خواننده ترسیم می‌کند.

فهرست مطالب کتاب شبیه‌سازی دینامیک و کنترل فرآیندهای‌ شیمیایی با Aspen Plus Dynamics

فصل اول: معرفی نرم‌افزار Aspen Dynamics

• 1-1- پنجره ی اصلي برنامه
• 1-1-1- پنجره ی Exploring – Simulation
• – پرونده یSimulation
• – کتابخانه یSystemLibrary
• – کتابخانه یDynamics
• – پرونده یFlowsheet
• – پرونده یComponent Lists
• – پرونده یDiagnostics
• – تغيير جهت بخش‌هاي پنجره ی Exploring – Simulation
• 1-1-2- پنجره یSimulation Messages
• 1-1-3- پنجره ی Process Flowsheet Window
• – تنظيم پنجره یFlowsheet مانند صفحه ی زمينه (Wallpaper)
• 1-1-4- نوار ابزارFlowsheet
• 1-1-5- ويرايشگر متن (Text Editor)
• 1-1-6- نوار ابزار Status Bar
• 1-1-7- پنجره ی Variable Find
• 1-1-8- پرونده ی ذخيره‌سازي فايل‌هاي برنامه
• 1-1-9- واحدهاي اندازه‌گيري
• 1-2- آماده کردن يک شبيه‌سازي ديناميك
• 1-3- خصوصيات کليدي Aspen Dynamics
• 1-4- خصوصياتي از Aspen Plus که در Aspen Dynamics پشتيباني مي‌شوند
• 1-4-1- پشتيباني از مدل‌هاي واحدهاي عملياتي
• 1-4-2- اندازه ی شبيه‌سازي
• 1-4-3- شبيه‌سازي‌هاي الکتروليت
• 1-4-4- نوع ترکيبات
• 1-4-5- جريان‌ها
• 1-4-6- سلسله مراتب نمودار جريان (Flowsheet Hierarchy)
• 1-4-7- شبيه‌سازي‌ پليمرها
• – محدوديت‌ها
• – جدول‌ها و نمودارهاي خواص پليمر
• 1-5- مشخصات شبيه‌سازي
• 1-6- مدل‌سازي اثرات فشار/جريان
• 1-6-1- شبيه‌سازي‌هاي رانش جريان
• 1-6-2- شبيه‌سازي‌هاي رانش فشار
• 1-6-3- شبيه‌سازي‌هاي جريان معکوس (Reverse)

فصل دوم:

• 2-1- بخش اول: وارد کردن اطلاعات ديناميك و منتقل کردن يک فايل
• 2-1-1- آغاز کار با Aspen Plus
• 2-1-2- باز کردن يک شبيه‌سازي موجود
• 2-1-3- درباره ی شبيه‌سازي پاياي MCH
• 2-1-4- وارد کردن اطلاعات ديناميك در Aspen Plus
• 2-1-5- وارد کردن ابعاد چگالنده و جوش‌آور و اطلاعات انتقال گرما
• 2-1-6- وارد کردن اطلاعات هندسي سيني
• 2-1-7- اجرا کردن شبيه‌سازي پايا
• 2-1-8- انتقال دادن شبيه‌سازي ديناميك
• 2-1-9- ذخيره کردن فايل backup
• 2-1-10- خروج از Aspen Plus
• 2-2- بخش دوم: تعيين ساختار کنترل
• 2-2-1- خصوصيات کنترل Aspen Dynamics
• 2-2-2- آغاز به کار Aspen Dynamics
• – باز کردن يک شبيه‌سازي موجود
• – نمايش نتايج براي ايجاد کنترل‌کننده‌ها
• 2-2-3- اضافه کردن يک کنترل‌کننده ی جديد
• – اضافه کردن يک بلوک زمان مرده (Dead Time)
• – متصل کردن متغير اندازه‌گيري
• – تعيين متغير دست‌کاري شونده
• 2-2-4- تعيين خواص ميزان‌کنندگي کنترل‌کننده
• – مقادير اوليه ی کنترل‌کننده
• – تنظيم كنترل‌كننده
• – تعيين خواص بلوک زمان مرده
• 2-2-5- ذخيره کردن فايل Aspen Dynamics
• 2-3- اجراي شبيه‌سازي ديناميك
• 2-3-1- آغاز به کار Aspen Dynamics
• 2-3-2- باز کردن يک مثال شبيه‌سازي موجود
• 2-3-3- قابل مشاهده کردن (Monitoring) شبيه‌سازي
• 2-3-4- باز کردن نمودار کنترل‌کننده ی MCHCOMP
• 2-3-5- باز کردن faceplate کنترل‌کننده ی MCHCOMP
• 2-3-6- قالب‌بندي نمودار
• – اضافه کردن توضيح براي نمودار
• – ميزان کردن مقياس نمودار
• 2-3-7- باز کردن جدول ايجاد تغييرات دستي
• 2-3-8- آغاز اجراي برنامه
• 2-3-9- شبيه‌سازي يک اختلال در سيستم
• – نمايش دادن کامل پنجره ی نمودار پاسخ سيستم
• 2-3-10- خارج شدن از Aspen Dynamics

فصل سوم:

• 3-1- آغاز کار از يک شبيه‌سازي پايا
• 3-1-1- بررسي خصوصيات پشتيباني شده
• 3-1-2- انتخاب‌هاي تغيير فاز
• 3-1-3- استفاده از مدل Decanter به جاي بلوک‌هاي Flash3
• 3-1-4- حذف ترکيبات بدون استفاده
• 3-1-5- استفاده از Rigorous Hydraulics در RadFrac
• 3-2- وارد کردن اطلاعات ديناميك
• 3-2-1- چطور بايد اطلاعات ديناميكي را وارد کرد؟
• 3-2-2- ايجاد يک شبيه‌سازي رانش فشار
• 3-2-3- حذف مدل‌هاي پشتيباني نشده براي شبيه‌سازي‌هاي رانش فشار
• 3-2-4- ايجاد جزئيات شبيه‌سازي پايا
• 3-2-5- اطمينان از اين‌که فشارها براي شبيه‌سازي‌هاي رانش فشار سازگار هستند
• 3-2-6- استفاده از چک‌کننده ی فشار
• 3-2-7- مثال ايجاد يک شبيه‌سازي رانش فشار
• – ساختار يک شبيه‌سازي ديناميك رانش فشار
• 3-3- انتقال شبيه‌سازي ديناميك
• 3-4- ايجاد يک شبيه‌سازي ايمني فشار
• 3-5- آغاز يک شبيه‌سازي ديناميك ايمني فشار
• 3-5-1- استفاده از فرم‌هاي Configure براي يک شبيه‌سازي ايمني فشار
• 3-5-2- بنا کردن يک صفحه ی جريان ايمني فشار
• 3-6- ايجاد يک شبيه‌سازي جريان معکوس
• 3-6-1- توصيه‌هايي براي زمان ايجاد شبيه‌سازي جريان معکوس در Aspen Dynamics
• 3-6-2- شبيه‌سازي مدل‌هاي جريان معکوس

فصل چهارم:

• 4-1- باز کردن يک شبيه‌سازي
• 4-2- آماده‌سازي براي اجراي يک شبيه‌سازي ايمني فشار
• 4-2-1- تنظيم‌هاي مشخصات Integrator براي ايمني فشار
• 4-3- اجراي شبيه‌سازي
• 4-3-1- اجراي گام به گام يک شبيه‌سازي
• 4-3-2- توقف موقت يک شبيه‌سازي
• 4-3-3- ريستارت يک شبيه‌سازي
• 4-3-4- برگرداندن يک شبيه‌سازي
• 4-3-5- تغيير تنظيم‌هاي زمان
• – تغيير روابط بازه‌ها براي شبيه‌سازي ديناميك
• – تعيين زمان واقعي منطبق براي يک اجراي Dynamic
• 4-3-6- نمايش دادن پيغام‌هاي شبيه‌سازي
• 4-3-7- استفاده از Variable Find
• 4-4- گزارش نتايج به‌ دست آمده از شبيه‌سازي

• 4-4-1- نمايش جداول و نمودارهاي از پيش تعريف ‌شده
• 4-4-2- ايجاد يک نمودار
• 4-4-3- ايجاد يک پروفايل نمودار
• 4-4-4- باز کردن يک نمودار
• 4-4-5- باز کردن يک جدول
• 4-4-6- ايجاد يک جدول
• – ايجاد يک جدول از طريق Variable Find
• – حذف متغيرها از جدول
• 4-4-7- تغيير خواص يک نمودار
• 4-4-8- کار با Time History براي متغيرها
• – ذخيره کردن Time history براي همه ی متغيرها از Run Options
• – ذخيره کردن Time history براي متغيرها از طريق يک جدول
• – ذخيره‌سازي Time history براي متغيرها از طريق Variable Find
• 4-4-9- ايجاد جدول‌هاي Time history
• – ايجاد جدول‌هاي Time history از طريق منوي Tools
• – ايجاد جدول‌هاي Time history از طريق پنجره ی Exploring – Simulation
• 4-4-10- نمايش نتايج براي متغيرهاي Flowsheet
• 4-4-11- دسترسي به پارامترهاي کلي
• 4-5- چاپ کردن
• 4-6- استفاده از Snapshots و Kept results
• 4-6-1- نکاتي در رابطه با Snapshots و Results نگه داشته شده
• 4-6-2- استفاده از Snapshots براي بازسازي و ريستارت
• 4-6-3- دسترسي به Snapshots و Results
• 4-6-4- ذخيره کردن (گرفتن) يک Snapshot
• – استفاده از Snapshots در شبيه‌سازي در حال اجرا
• – ذخيره کردن Snapshots براي يک اجراي ديناميك
• – ذخيره ی Time Snapshots براي يک اجراي ديناميك
• – ذخيره کردن دستي Snapshots در همه ی مودهاي اجرا
• 4-6-5- استفاده از يک Snapshot
• 4-6-6- استفاده از يک Result
• 4-6-7- کپي کردن مقادير از Snapshot يا Result
• – مثال کپي کردن متغيرها از يک snapshot
• – مثال کپي کردن متغيرها با يک مسير صريح
• – مثال‌هاي نتايج غير منتظره
• – مثال 1
• – مثال 2
• – وارد کردن و منتقل کردن Snapshots و Results
• 4-7- استفاده از Tasks
• 4-7-1- درباره ی Tasks
• 4-7-2- ايجاد يک Task
• 4-7-3- فعال کردن يک Task
• 4-7-4- Event-Driven Tasks
• – بررسي ساختار Event-Driven task
• – مثال‌های event-driven tasks
• 4-7-5- Callable tasks
• – مثال callable task
• -ليست پارامترهاي callable task
• – مثال پارامترهاي callable task
• – انتقال دادن مقدار يک متغير شبيه‌سازي در Tasks
• – مثال انتقال مقدار متغير
• 4-7-6- استفاده از دستورهاي Task
• – ارجاع دادن مقدار يک متغير در Tasks
• – تعريف يک معادله ی شرطي براي مقدار متغير شبيه‌سازي در Tasks
• – ايجاد يک حلقه روي يک دسته در Tasks
• – به تأخير انداختن اجراي يک کار
• – ايجاد Snapshots
• – اجراي موازي Tasks
• – دستور PRINT در Tasks
• – متوقف کردن يک شبيه‌سازي
• 4-8- استفاده از Scripts
• 4-8-1- ايجاد يک Script صفحه ی جريان
• -ايجاد يک Script صفحه ی جريان از طريق Exploring – Simulation
• -ايجاد يک Script صفحه ی جريان از طريق Variable Find
• -ايجاد يک Script صفحه ی جريان از Status window
• 4-8-2- اجراي يک Script صفحه ی جريان
• 4-9- تغيير دادن انتخاب‌هاي شبيه‌سازي
• 4-9-1- متوقف کردن اجراي ديناميك در يک زمان مشخص
• 4-9-2- تغيير دادن انتخاب‌هاي Integrator
• -ا نتخاب‌هاي Variable Step Implicit Euler Integrator
• 4-9-3- تغيير دادن انتخاب‌هاي خاصيت
• 4-10- تبديل کردن اطلاعات با کاربرد خارجي
• 4-10-1- کپي کردن نتايج در جاي ديگر
• 4-10-2- کپي کردن اطلاعات از جاي ديگر
• 4-11- ذخيره کردن يک شبيه‌سازي

فصل پنجم:

• 5-1- مرتب کردن بلوک‌ها در يک صفحه ی جريان
• 5-1-1- به صف کردن دو بلوک
• 5-1-2- مکان‌يابي همه ی بلوک‌ها در صفحه ی جريان
• 5-1-3- مکان‌يابي خودکار بلوک بعدي
• 5-1-4- مکان‌يابي براي يک بلوک در صفحه ی جريان
• 5-2- نمايش يک صفحه ی جريان
• 5-2-1- Using Pan
• 5-2-2- تغيير اندازه ی زوم
• 5-3- حرکت دادن بلوک‌ها و خطوط جريان
• 5-3-1- حرکت دادن يک بلوک
• 5-3-2- حرکت دادن نام بلوک
• 5-3-3- حرکت دادن نام خط جريان
• 5-3-4- حرکت دادن مجموعه‌اي از بلوک‌ها و جريان‌ها
• 5-4- تغيير اتصالات جريان
• 5-5- مسيريابي دوباره ی (rerouting) يک جريان
• 5-6- نام‌گذاري بلوک‌ها و جريان‌ها
• 5-6-1- تغيير دادن انتخاب‌ها براي نام‌گذاري بلوک‌ها و جريان‌ها
• 5-6-2- تغيير نام يک بلوک يا جريان
• 5-7- حذف کردن يک بلوک يا جريان
• 5-8- حذف کردن يک سيستم کنترل
• 5-9- کار با آيکون‌ها
• 5-9-1- جابه‌جايي يک آيکون
• 5-9-2- تغيير اندازه ی آيکون
• 5-9-3- چرخاندن يک آيکون
• 5-10- وارد کردن يک صفحه ی جريان
• 5-11- کار با بخش‌هاي Constraints صفحه ی جريان
• 5-11-1- ايجاد يک Constraints section صفحه ی جريان
• 5-11-2- ويرايش يک Constraints section صفحه ی جريان
• 5-12- کار با لينك برنامه‌هاي وارد شده
• 5-12-1- وارد کردن موردي به داخل يک صفحه ی جريان
• 5-12-2- ويرايش يک مورد وارد شده

فصل ششم:

• 6-1- DyBatch
• 6-1-1- استفاده از Script خودکار در مثال DyBatch
• 6-1-2- استفاده از Tasks در مثال DyBatch
• 6-1-3- فايل‌هاي متني همراه با مثال DyBatch
• 6-1-4- اجراي مثال DyBatch
• – آغاز مثال DyBatch در Aspen Dynamics
• – اجراي مثال DyBatch در Aspen Dynamics
• 6-1-5- بررسي نتايج
• 6-2- DyEtoh
• 6-3- مثال ايمني فشار برج
• 6-4- مثال ايمني فشار راکتور
• 6-4-1- اجراي شبيه‌سازي کامل شده ی مثال
• 6-4-2- شکل دادن به ساختار سيستم براي ايمني فشار
• – اضافه کردن PSV
• – اضافه کردن يک لوله
• – اجراي شبيه‌سازي
• 6-5- GasHDPE
• 6-6- شبيه‌سازي جريان معکوس

فصل هفتم:

• 7-2- روش‌هاي تنظيم کنترل‌کننده‌ها
• 7-2-1- روش تنظيم حلقه باز زيگلر نيکولز
• 7-2-2- روش تنظيم حلقه باز ITAE
• 7-2-3- روش تنظيم حلقه بسته ی زيگلر نيکولز
• 7-2-4- روش تنظيم اصلاح شده ی حلقه بسته ی زيگلر نيکولز

فصل هشتم:

• 8-1- جريان جانبي مايع برج تقطير
• 8-1-1- طراحي حالت پايا
• 8-1-2- ديناميک کنترل
• 8-2- جريان بخار جانبي برج
• 8-2-1- طراحي پايا
• 8-2-2- ديناميک کنترل
• 8-3- جريان جانبي مايع برج به همراه استفاده از عريان‌ساز
• 8-3-1- طراحي پايا
• 8-3-2- ديناميک کنترل
• 8-4- جريان بخار جانبي از برج به همراه استفاده از غني‌ساز
• 8-4-1- طراحي پايا
• 8-4-2- ديناميک کنترل
• 8-5- برج‌هايي که از نظر گرمايي يک‌پارچه شده‌اند
• 8-5-1- کنترل انتگراسيون گرماي برج‌هاي تقطير
• 8-5-2- ایجاد ساختار کنترل
• 8-5-3- پاسخ‌هاي Single-End دماي ساختار کنترل
• 8-6- آب‌زدايي از اتانول
• 8-6-1- رفتار VLLE
• 8-6-2- فلوشيت فرايند شبيه‌سازي
• 8-6-3- حل کردن فلوشيت
• 8-6-4- حل کردن ديناميک براي بستن حلقه جريان برگشتي
• 8-6-5- نصب ساختار کنترل
• 8-6-6- اجراي شبيه‌سازي ديناميك

فصل نهم:

• 9-1- اثر گلوله برفي (Snowball)
• 9-2- مفاهيم اساسي کنترل گسترده ی فرايند
• 9-2-1- مفاهيم اساسي باکلي Buckley
• 9-2-2- اصول داگلاس
• 9-2-3- تمرين دانز
• 9-2-4- قوانين لويبن
• 9-2-5- قانون ريچاردسون
• 9-3- گام‌هاي پروسه ی طراحي کنترل فرايند گسترده ی لويبن
• 9-4- فرايند ايزومريزاسيون
• – استراتژي کنترل گسترده ی واحد
• – شبيه‌سازي ديناميکي
• 9-5- فرايند توليد دي‌فنيل
• – استراتژي كنترل گسترده ی واحد
• – شبيه‌سازي ديناميكي
• 9-6- فرايند توليد اتيل‌بنزن
• – اجراي شبيه‌سازي ديناميك