در این مطلب برای آشنایی با مهندسی فرایند در ابتدا و پیش از آغاز بررسی اصل این رشته و فرآیندها و طراحی آنها با رشته مهندسی شیمی به عنوان رشته مادر این موضوعات آشنا می‌شویم.
رشته مهندسی شیمی یکی از رشته‌های گروه ریاضی-فیزیک است که هنوز مابین افراد به صورت کامل شناخته شده نیست. مهندسی شیمی در واقع رشته‌ای جدا شده از مهندسی مکانیک می‌باشد و در مقطع کارشناسی تعداد دروس مشترک به نسبت زیادی با گرایش سیالات رشته‌ی مهندسی مکانیک دارد.
مهندسی شیمی
مهندسی شیمی در اصل یک علم بین رشته‌ای می‌باشد و در مقاطع بالاتر گرایش‌های متفاوت و متنوعی دارد که با توجه به فاکتورهای مختلفی همانند اقتصاد و نیاز صنایع و همچنین گسترش فناوری‌های نو پدید آمده اند. در اکثر دانشگاه‌های کشور مقطع کارشناسی این رشته بدون گرایش مشخصی است و افراد در صورت تمایل به ادامه تحصیل بایستی یکی از گرایش‌های مقطع ارشد این رشته را انتخاب کنند.
برای شرکت در دوره های آموزشی مهندسی فرایند و آموزش پروسس کلیک نمایید
دروس مهندسی شیمی
افرادی که قصد دارند در رشته مهندسی شیمی اقدام به تحصیل کنند بایستی در مقطع کارشناسی و در طول 8 ترم، تعداد 142 واحد درسی به همراه 2 واحد کارآموزی را بگذرانند.
لیست برخی از دروس مهندسی شیمی در مقطع کارشناسی به شرح زیر می‌باشد:
- آزمایشگاه شیمی عمومی
- استاتیک و مقاومت مصالح
- ترمودینامیک 1 و 2
- موازنه انرژی و مواد
- مکانیک سیالات 1 و 2
- انتقال حرارت 1 و 2
- آزمایشگاه شیمی فیزیک
- آزمایشگاه مکانیک سیالات
- سینتیک و طراحی راکتور
- ملیات واحد 1 و 2
- کاربرد ریاضیات در مهندسی شیمی
- کنترل فرآیند
- کارگاه نرم افزار مهندسی شیمی
- آزمایشگاه کنترل فرآیند
- فرآیندهای صنایع غذایی
- اصول مهندسی احتراق
- اصول حفاظت محیط زیست
- مقدمه ای بر نانو فناوری
- آزمایشگاه نفت
- مقدمه ای بر مهندسی مخازن
- مدیریت صنعتی
- ایمنی در صنایع
گرایش‌های کارشناسی ارشد رشته مهندسی شیمی
این رشته همانند باقی رشته‌های دانشگاهی در مقاطع تحصیلی بالاتر گرایش‌های مختلف و متعددی دارد که در ادامه به صورت اختصار آنها را تشریح می‌کنیم.
گرایش طراحی فرآیند
به صورت کلی فعالیت‌های این گرایش به شکل تخصصی مشتمل بر طراحی، شبیه‌سازی و بهبود فرآیندهای متفاوت در صنایع مختلف می‌باشد که با توجه به فعالیت‌ها و تکنیک‌های تخصصی مطرح شده در این گرایش، مهندسین تحصیل کرده در گرایش طراحی فرایند به انجام این اعمال می‌پردازند.
گرایش فرآیندهای جداسازی
این گرایش پس از گرایش طراحی فرآیند محبوب‌ترین گرایش در مهندسی شیمی محسوب میشود، که شامل طراحی و مدلسازی و تا حدودی شبیه‌سازی انواع فرآیندهای جداسازی بر مبنای تقطیر، استخراج و برج‌های دفع و جذب و جداسازی غشایی است.
گرایش مدلسازی، شبیه‌سازی و کنترل
به صورت کلی مهارت‌های مرتبط با این رشته شامل شبیه‌سازی کامپیوتری و به‌کارگیری روش‌های کنترل حاکم بر روند فرآیند، طراحی و شبیه‌سازی سیستم‌های کنترلی یک بخش یا یک واحد صنعتی به وسیله‌ی شبیه‌سازی کامپیوتری یا کدنویسی با زبان‌های برنامه نویسی مختلف میشود.
جهت شرکت در دوره آموزش مهندسی مکانیک در نوین پارسیان کلیک نمایید
گرایش‌ترموسینتیک و کاتالیست
همانطور که از نام این گرایش مشخص است، این گرایش تلفیقی از علوم مختلف ترمودینامیک، سینتیک و کاتالیست است. در قسمت ترمودینامیک افراد با مفاهیم پایه‌ای ترمودینامیکی همانند فشار، انرژی، گرما، خواص محلول‌ها و غیره آشنا می‌شوند. مباحثی که در بخش‌های سینتیک و کاتالیست به دانشجویان آموزش داده میشود به صورت کلی مشتمل بر موارد زیر است :
- طراحی و بررسی سینتیک واکنش‌های شیمیایی
- طراحی و ساخت کاتالیست‌های مختلف
- روش‌های تعیین مشخصات کاتالیست
گرایش محیط زیست
در این گرایش به صورت کلی اصول مربوط به حذف آلاینده‌های مختلف و مواد اضافی از محیط زیست و بررسی کردن روش‌های مختلف برای بهبود دادن فرآیندهای شیمیایی و واکنش‌های مختلف از نظر زیست محیطی به دانشجویان آموزش داده میشود.
گرایش بیوتکنولوژی
مباحث ارائه شده در این گرایش در رابطه با کاربرد فرآیندهای زیستی در صنایع مختلف در رابطه با رشته‌ی مهندسی شیمی است. این صنایع شامل صنایع غذایی، صنایع داروسازی، صنایع شیمیایی و غیره هستند.
معرفی گرایش مرجع طراحی فرایند
طراحی فرآیند (Process Design) در رشته مهندسی شیمی در واقع به معنی مهارت‌های تخصصی مخصوص انتخاب و چیدمان واحدهای مختلف در جهت تبدیل مطلوب خوراک در یک فرآیند شیمیایی یا فیزیکی به محصول نهایی مورد نظر. در واقع طراحی فرآیند هسته مرکزی و اساس و پایه رشته مهندسی شیمی است. این تخصص همه‌ی اجزای این رشته را در کنار هم جمع کرده و از تمام مهارت‌های آنها استفاده می‌کند. تمامی کتاب‌هایی که به صورت تخصصی در این حوزه وجود دارند در ابتدا با مباحث پایه ای و اصول اولیه مهندسی شیمی شروع شده و در انتها با احداث یک واحد شیمیایی به پایان میرسند.
به صورت کلی مبحث طراحی فرآیند با طراحی تجهیزات فرآیندی متفاوت است. منظور از مرجع طراحی فرآیند، طراحی واحدهای عملیاتی می‌باشد. اساسا طراحی فرآیند در مهندسی شیمی به این معنا می‌باشد که بایستی روش یا روش‌هایی طراحی شوند که در طی آن مواد اولیه از یک حالت به حالتی دیگر که از لحاظ اهداف پروژه مطلوب و مورد نظر می‌باشد تبدیل شود.
در گرایش طراحی فرآیند دانشجو با اصول طراحی واکنش‌های شیمیایی و مدل سازی و شبیه‌سازی واکنش‌ها آشنا میشود.
این گرایش در اصل مربوط به مقطع کارشناسی ارشد می‌باشد و دانشجویان فارغ التحصیل مقطع کارشناسی مهندسی شیمی یا دیگر رشته‌های مرتبط می‌توانند در جهت ادامه تحصیل در مقطع کرشناسی ارشد این گرایش را انتخاب کنند. هدف اصلی از پرورش و آموزش مهندس طراحی فرآیند این است که بتواند فرآیندهای خاص را به صورتی کاملا مطلوب و کارامد طراحی کند.
در حقیقت پایه و اساس مرجع طراحی فرآیند بر سه مبحث با اهمیت زیر استوار است:
- انتقال جرم
- انتقال حرارت
- معادلات و روابط ترمودینامیکی
بنابراین فردی که میخواهد در گرایش طراحی فرآیند ادامه تحصیل دهد باید بر دروس پایه و اساسی مهندسی شیمی از جمله انتقال جرم، انتقال حرارت، عملیات واحد و سینتیک و طراحی راکتور تسلط داشته باشد.
توانایی‌های مهندس طراحی فرآیند
- طراحی مبدل‌های حرارتی
- طراحی پمپ
- تولید و توسعه نقشه‌های PFD و P&ID
- طراحی برج‌های تقطیر و خنک کننده‌ها
- طراحی راکتور
معمولا در اکثر دانشگاه در جهت این گرایش 32 واحد درسی، 2 واحد سمینار و 6 واحد پایان نامه ارائه می‌گردد.
تعدادی از دروس مرجع طراحی فرآیند
- ریاضیات پیشرفته
- پدیده‌های انتقال پیشرفته (انتقال حرارت پیشرفته، انتقال جرم پیشرفته و مکانیک سیالات پیشرفته)
- طراحی فرآیند به کمک کامپیوتر
- طراحی تجهیزات فرآیندی
بعضی دروس هم به صورت اختیاری در دانشگاه‌های متفاوت ارائه میشود.
برای شرکت در دوره‌های آموزش برق قدرت در نوین پارسیان کلیک نمایید
مواردی که بایستی در سازوکار طراحی فرآیند در نظر گرفته شود
موارد متعددی وجود دارد که در جهت طراحی یک واحد شیمیایی باید در نظر گرفته شود.
در ابتدا باید مواردی مانند:
- خلوص محصول نهایی
- بازده فرآیند
- توان مصرفی تجهیزات
در طراحی فرآیند در نظر گرفته شود.
محدودیت‌های مختلف طراحی فرآیندهای شیمیایی
- هزینه متبط با سرمایه (Capital Cost)
- فضای در دسترس در جهت احداث واحد یا قرارگیری تجهیزات
- مباحث ایمنی
- مباحث مرتبط با محیط زیست
- محصولات اضافی و نامطلوب
- مباحث مرتبط با بازیافت
- هزینه‌های عملیاتی و هزینه‌های مرتبط با نگهداری تجهیزات
نرمافزارهای مورد استفاده درجهت شبیه‌سازی طراحی فرآیند
نرمافزارهای شبیه‌سازی مختلف و متعددی به صورت معمول توسط مهندسان طراحی فرآیند استفاده می‌شوند. شبیه‌سازی می‌تواند موارد مختلفی همانند نقاط ضعف طراحی را مشخص کرده و به مقدار بسیار زیادی مهندسان را در رسیدن به شرایط بهینه و پایدار یک فرآیند با کمترین مشکلات یاری کند. نرمافزارهای شبیه‌سازی فرآیند، فرآیندهای مختلف را در قالب نمودارهای جریان (flow diagram) نشان می‌دهند. در واقع اجزای سازنده flow diagram واحدهای عملیاتی می‌باشند که به واسطه‌ی جریان‌های مختلف به یکدیگر متصل می‌شوند. عملی که اکثریت نرمافزارهای شبیه‌ساز صورت می‌دهند این است که موازنه‌های ماده و انرژی را انجام می‌دهند تا به یک نقطه عملیاتی پایدار برسند.
تعدادی از نرمافزارهای استفاده شده در شبیه‌سازی فرآیند
- Aspen Plus
- شبیه‌سازی و بهینه سازی فرآیند
- Aspen HYSYS
- شبیه‌سازی و بهینه سازی فرآیند
- Apros
- شبیه‌سازی و طراحی فرآیند به شکل دینامیک در جهت استفاده در نیروگاه‌ها
- COMSOL Multiphysics
- شبیه‌سازی و مدلسازی فرآیندهای شیمیایی
- Petrosim
- شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی
- Pro ll
- شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی
- ProMax
- شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی
- Aspen B-JAC
- شبیه‌سازی و طراحی مبدل‌ها
- aspen HTFS
- طراحی مبدل‌ها
- aspen adsim
- شبیه‌سازی جذب سطحی
- aspen dynamic
- شبیه‌سازی دینامیک یا unsteady-state فرآیند
- aspen Icarus
- برآورد اقتصادی فرآیندهای شیمیایی
- Pipesys
- شبیه‌سازی خطوط لوله
- PDMS
- مدلسازی در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی
- ASSETT
- شبیه‌سازی و طراحی فرآیند به صورت دینامیک
- K-Spice
- شبیه‌سازی و طراحی فرآیند به صورت دینامیک و شبیه‌سازی خطوط لوله چند فازی
- EQ-COMP
- نرم‌افزار مورد استفاده در جهت تعادل مایع – بخار (VLE)
- HYDROFLO
- طراحی سیستم خط لوله یا Piping به همراه تجزیه و تحلیل حالت‌های پایا
- ProSim DAC
- شبیه‌سازی برج جذب در حالت دینامیک
- ProSim HEX
- شبیه‌سازی مبدل‌های حرارتی
- ProSimPlus
- شبیه‌سازی در حالت‌های پایا و بهینه سازی تخصصی فرآیندها
- ProMax
- نرم‌افزار متناسب در جهت شبیه‌سازی فرآیند و همچنین مدلسازی واحدهای نفت و گاز، پالایشگاه و تعداد بسیاری از واحدهای شیمیایی
- REX
- بهینه سازی راکتور و تخمین سینتیک
البته این موضوع نیز قابل بحث هست که نرمافزارهای دیگری نیز در مهندسی شیمی وجود دارند اما به این علت که به ندرت از آنها استفاده میشود و گاهی نیز برخی از آنها به کل منسوخ شده اند دیگر در این مطلب به آن اشاره ای نکردیم.
تعدادی نرمافزارهای شبیه‌سازی و طراحی فرآیند با کاربرد بالا
نرمافزارهای Aspen Plus و Aspen Hysys دو نرم‌افزار با کاربرد فراوان در مدلسازی، و طراحی فرآیند است. اکثر اعمال رایج در زمینه شبیه‌سازی و طراحی فرآیند با بهره برداری از این دو نرم‌افزار قابل انجام است. در ادامه این دو نرم‌افزار را اختصارا معرفی می‌کنیم.
معرفی نرم‌افزار پرکاربرد Aspen Plus در مرجع طراحی فرایند
نرم‌افزار Aspen plus که اسپن نیز خوانده میشود یکی از نرمافزارهای بسیار پرکاربرد و جامع در زمینه شبیه‌سازی و طراحی فرآیندهای شیمیایی می‌باشد. واژه Aspen در واقع ترکیبی از حروف اول کلمات Advanced System for Process Engineering است. این نرم‌افزار محصول شرکت نرم افزارهای مهندسی Aspentech است که به صورت یک بسته نرم‌افزاری جامع و کامل به عنوان Aspen one ارائه میشود. در این بسته نرم‌افزاری علاوه بر نرم‌افزار Aspen Plus، نرمافزارهای Aspen B-JAC، Hysys، Heat Exchanger Designing and Rating و غیره نیز موجود است.
این نرم‌افزار دارای بانک اطلاعاتی قوی از‌ترکیبات، خواص و مدل‌های مختلف فرآیندی است و به همین جهت انجام امور محاسباتی پیچیده ریاضی و ترمودینامیکی در آن ساده است. نرم‌افزار Aspen Plus می‌تواند در جهت طراحی، توسعه، بهینه سازی و بهبود شرایط عملیاتی فرآیندهای صنایع پتروشیمی و پالایشگاه مورد استفاده قرار گیرد. یکی از ویژگی‌های مخصوص نرم‌افزار اسپن پلاس که آن را به صورت ویژه‌ای از سایر نرم‌افزارها متمایز می‌سازد این است که با بهره برداری از این نرم‌افزار می‌توان واحدهای فرآیندی پلیمری مورد نظر و فرآیندهای مواد جامد را شبیه‌سازی و طراحی کرد.
معرفی نرم‌افزار پرکاربرد Aspen-Hysys در مرجع طراحی فرایند
نرم‌افزار Aspen-Hysys که به اختصار به آن Hysys هم گفته میشود، یکی از قدرتمندترین نرمافزارهای شبیه‌سازی فرآیندهای شیمیایی است. نرم‌افزار‌هایسیس در جهت مدلسازی ریاضی فرآیندهای شیمیایی استفاده میشود و بیشتر توسط مهندسان شیمی، پتروشیمی و پالایش مورد استفاده قرار می‌گیرد. Hysysترکیبی از دو عبارت Hyprotech که نام شرکت سازنده این نرم‌افزار و System است.
نسخه 1.1 این نرم‌افزار در سال 1996 منتشر شد، هم اکنون این نرم‌افزار توسط شرکت Aspentech تولید و منتشر میشود. با استفاده از این نرم‌افزار می‌توان یک یا چند واحد عملیاتی تا یک پالایشگاه یا پتروشیمی را مدلسازی و شبیه‌سازی کرد. از مزایای این نرم‌افزار این است که می‌تواند مدلسازی و شبیه‌سازی فرآیندها را در دو حالت پایا (steady state) و دینامیک یا پویا (unsteady state) انجام دهد.
