مجموعه آموزش نرم افزارهای مهندسی شیمی

هدف از این فرادرس، آشنایی با نرم افزار HYSYS، طراحی و شبیه سازی فرایندها است. ترمودینامیک، پایه و اساس این نرم افزار است. درس یکم و دوم این آموزش برای آشنایی اولیه با نرم افزار و انجام محاسبات مربوط به ترمودینامیک است. در درس های بعدی به شبیه سازی تجهیزات، واحدهای شیمیایی و جداسازی پرداخته شده است. در این فرادرس، متناسب با هر آموزش مثال های کاربردی و متنوعی حل گردیده است که نظایر آن در سایر آموزش ها به ندرت مشاهده می گردد.

این آموزش ویدئویی، به صورت کاملا بنیادی و با زبان ساده می باشد. به طوری که محتوای آموزشی به گونه ای تدوین شده است که کاربر با داشتن اطلاعات پایه ای در زمینه مهندسی فرایندهای شیمیایی، بتواند یک واحد شیمیایی را شبیه سازی و اطلاعات کافی از فرایند را استخراج نماید. با یادگیری کامل این دوره آموزشی، شخص می تواند دانش خود را به شبیه سازی فرایندهای پیچیده تر (مانند فرایندهای شیمیایی واقعی در صنایع نفت و پتروشیمی) تعمیم دهد.

نرم افزار گرومکس (GROMACS) به دلیل رایگان بودن سورس نرم افزار، داشتن ابزارهای تجزیه و تحلیل نتایج و الگوریتم محاسبه ای موازی و سریع آن از استقبال خوبی بین کاربران و محققان، برخوردار شده است. در این فرادرس به آموزش شبیه سازی دینامیک مولکولی با نرم افزار گرومکس، ساخت ورودی برای شبیه سازی و انجام آن، آشنایی با ابزار تجزیه و تحلیل نتایج، می پردازیم. با توجه به توسعه رشته های چند نظمی و قابلیت به کارگیری گرومکس در زمینه های مختلف اعم از: مسائل زیستی و غیرزیستی، مخاطبان این آموزش می توانند دانشجویان رشته های مختلف از جمله: شیمی، زیست، بیوشیمی، پزشکی، داروسازی و مهندسی باشند.

در این فرادرس شبیه سازی دینامیک مولکولی با استفاده از نرم افزار Materials Studio دنبال می‌ شود. در ابتدا مباحث تئوری مورد نیاز بررسی می‌ شود و برای بخش عملی و کار با نرم افزار، چندین مثال متنوع با استفاده از ماژول Forcite نرم افزار ارائه می شود. مثال‌ های ارائه شده به نحوی انتخاب شده‌ اند تا بتوانند اکثر امکانات این ماژول را برای شبیه سازی دینامیک مولکولی پوشش دهند. حل مساله به صورت ترتیب آسان به سخت و با در نظر گرفتن تمام نکات جزئی ارائه می‌ شود. انتظار می‌ رود دوستان با بهره گیری دقیق از محتوای این آموزش، تعریف صحیح مساله و تعیین الزامات مورد نیاز پروژه‌های پژوهشی خود را نیز با استفاده از مطالعات دینامیک مولکولی بررسی نمایند.

گوسین (Gaussian)، از قدرتمندترین نرم افزارهای محاسباتی حال حاضر است که با ورژن های مختلفی در دسترس قرار دارد. این نرم افزار با دارا بودن توابع پایه و کلیدواژه های متنوع، قابلیت انجام پیچیده ترین محاسبات کوانتومی را دارا می باشد و به محققان امکان بررسی بسیاری از خواص سیستم ها، پارامترهای ساختاری و شیمیایی و همچنین پیش بینی مسیر واکنش های مختلف را می دهد.

نرم افزار (ROSA (Reverse Osmosis System Analysis، ارائه شده توسط کمپانی DOW، نرم افزاری قدرتمند در طراحی سیستم های اسمز است و از ویژگی های این نرم افزار می توان به توانایی داشتن اطلاعات جزئی از آب خوراک و قدرت محاسبات یونی طراحی هایی با استانداردهای دنیا و تخمین هزینه اشاره کرد. بنابراین با استفاده از این نرم افزار می توان طراحی هایی مطابق با استانداردها داشت و همچنین گزارشی کلی از ساختمان سیستم اسمز معکوس و هزینه های مورد نیاز را ارائه داد.

نرم افزار Aspen HYSYS دارای قابلیت های مختلفی برای شبیه سازی انواع تجهیزات فرایندی از جمله: برج های جداسازی، انواع دستگاه های حرارتی، راکتورهای شیمیایی و... است. با استفاده از این نرم افزار می توان در حالت پایا و دینامیک فرایند را شبیه سازی کرد. حالت پایا معمولا برای به دست آوردن پارامترهای نهایی مورد نظر استفاده می شود و از تاثیر زمان روی فرایند صرف نظر می شود. در صنعت، فرایندهایی به شکل کاملا پایا وجود ندارد و تقریبا همه تجهیزات، دارای سیستم های کنترلی هستند تا در صورت تغییر شرایط فرایندی در طول زمان، عمل کنند و سیستم را به حالت مطلوب عملیاتی بازگردانند. در این فرادرس، با استفاده از ابزارهای کنترلی که در Aspen HYSYS وجود دارد به شبیه سازی فرایندها در حالت دینامیک می پردازیم.

آموزش مقدماتی نرم افزار اسپن هایسیس (Aspen HYSYS) در ۵ درس برای دانشجویان رشته های مهندسی شیمی و مهندسی نفت به منظور شبیه سازی فرایندهای شیمیایی تهیه شده است. برای درک بهتر مطالب، بعد از هر مبحث به بررسی مثال هایی پرداخته شده است. این مجموعه مهم ترین مباحث طراحی و شبیه سازی فرایند های شیمیایی را تحت پوشش قرار داده است و سعی شده است در کمترین زمان ممکن مهم ترین مباحث مربوط به آموزش نرم افزار اسپن هایسیس مورد ارزیابی قرار گیرد.

ترسیم ساختارهای شیمیایی یکی از مهم ترین چالش های پیش رو برای محققین و دانشجویان شیمی و رشته های مرتبط می باشد. در راستای ترسیم ساختارهای شیمیایی به صورت دو و سه بعدی، نرم افزارهای مختلفی پیشنهاد شده اند، اما نرم افزارهای گروه ChemOffice علاوه بر کاربری آسان، دارای هوشمندی کافی در رسم ساختارهای شیمیایی می باشند که ترسیم ساختارهای ساده تا بسیار پیچیده شیمیایی را امکان پذیر نموده است.

هایپرکم (HyperChem) یک نرم افزار قدرتمند برای مدل سازی مولکول های ساده و پیچیده در دو و سه بعد است و از نرم افزارهای پایه ای و مهم در شیمی محاسباتی است. با استفاده از این نرم افزار می توان به آسانی، مولکول های پیچیده را به زیبایی رسم کرد، اندازه، چرخش، فرمت نمایش و سایر ویژگی های مولکول را تغییر داد و روش های محاسباتی متنوعی را برای سیستم های مختلف انجام داد و در نهایت به یک ساختار بهینه رسید، محاسباتی چون: انرژی کمینه، ساختار اپتیمایز شده، زوایای دای والانت و دای هدرال، طول پیوند، بار مولیکن، فرکانس مینیمم، انرژی اوربیتال ها و…

پالایشگاه ها از صنایع بسیار مهم به شمار می روند که وظیفه پالایش نفت خام و تبدیل آن به فرآورده های ارزشمند را به عهده دارند. نرم افزار Aspen HYSYS، قابلیت ها و ماژول های قدرتمندی برای شبیه سازی تجهیزات مختلف پالایشگاهی دارد که به وسیله آن می توان به شبیه سازی واحدهای مختلف یک پالایشگاه پرداخت. این فرادرس مخاطبان را با واحدهای پالایشگاهی آشنا ساخته و با نرم افزار اسپن هایسیس به شبیه سازی آن ها می پردازد.

راکتورها و طراحی آنها قلب هر فرایند شیمیائی را تشکیل می دهند و عموماً مسائل در طراحی این تجهیز بسیار مهم، به معادلات بسیار پیچیده ختم می شود که پس از آن که یک مهندس معادلات را طراحی و تنظیم کرد، در گام بعدی بایستی با استفاده از نرم افزارهای محاسباتی مانند متلب، این معادلات را حل نماید. در همین راستا؛ حل مسائل مهندسی شیمی طراحی راکتورها (در کنار مفاهیم ترمودینامیکی) با استفاده از نرم افزار متلب، هدف این دوره آموزشی می باشد.

امروزه با گسترش علوم در زمینه مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی، همپوشانی هر چه بیشتر در زمینه های تخصصی تبدیل انرژی در این دو حوزه بیشتر نمایان شده است. به طوری که با بررسی منتشرکنندگان مقالات در ژورنال های معتبر علمی، بسیاری از نتایج مهندسان مکانیک در ژورنال های تخصصی شیمی چاپ شده اند. شایان ذکر است که نه تنها این روند به صورت معکوس نیز جلب توجه می نماید، بلکه امروزه همکاری مشترک متخصصات در هر دو زمینه برای انتشار یک محصول پژوهشی را شاهد هستیم. از این روی نرم افزارهای تخصصی همچون ANSYS FLUENT زمینه این همکاری را فراهم نموده اند.

نرم افزار COMSOL که بخش عظیمی از آن به مهندسی شیمی مربوط است، کار مدل سازی و سپس شبیه سازی با دقت فوق العاده بالا امکان پذیر می سازد. زمان طولانی برای انجام یک آزمایش، عدم تکرار آزمایش با شرایط مختلف و مهم تر این که ممکن است آزمایش با هزینه فراوان همراه باشد که می توان با کمک نرم افزار این هزینه را بسیار کاهش داد. هدف این فرادرس آشنایی کاربران با نرم افزار COMSOL Multiphysics و انجام یک سری تمرین های متوسط و پیشرفته به منظور درک صحیح پدیده های انتقال در مهندسی شیمی و شبیه سازی یک مدل است.

نرم افزار Aspen Pinch ابزاری است که به مهندسین طراح، جهت بهینه سازی موازنه ارزش کل و انرژی، جهت کاهش هزینه ها کمک می کند. همچنین این نرم افزار برای حداقل کردن هزینه های طراحی در واحدهای شیمیایی، پالایشگاه ها و نیروگاه ها نیز مورد استفاده قرار می گیرد. به وسیله این نرم افزار می توانید هزینه های انرژی را با کاهش انرژی و نیازمندی های تجهیزات ذخیره کنید. امروزه با توجه به کاهش روزافزون انرژی و گران بودن تجهیزات فرایند در پالایشگاه ها و نیروگاه ها، تکنولوژی پینچ ابزاری راه گشا برای بهینه سازی واحدهای صنعتی است.

هدف از این آموزش، آشنایی با مدل سازی پیامدهای حوادث فرایندی به کمک نرم افزار PHAST است. پیش بینی و مدل سازی حوادث فرایندی که شامل: آتش سوزی، انتشار مواد سمی، انفجار و … است، همواره یکی از مهم ترین ارکان یک فرایند شیمیایی است که توسط مهندسین ایمنی فرایند انجام می شود. برای این منظور تکنیک ها و روش های متعددی وجود دارد که ابتدا با مفاهیم پایه مربوط به این بحث از قبیل: حوادث فرایندی، مفهوم پیامد و مدل سازی آن و … آشنا می شویم.

در این فرادرس، دانشجویان عزیز، با مباحث مختلف مرتبط با متلب برای شیمی آشنا می شوند. درس هایی که در این آموزش به آن پرداخته می شود، در ادامه آمده است. نقطه قوت این آموزش این است که به طور کامل به توضیح مباحث مربوطه پرداخته شده است، لذا این آموزش یکی از کاربردی ترین و کامل ترین آموزش ها در حیطه متلب برای شیمی است.

پیل سوختی اکسید جامد یکی از انواع پیل های سوختی است که از بیشترین دمای عملیاتی (بین ۸۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد) برخوردار است. همین موضوع امکان انجام آزمایش های پی در پی و مکرر جهت بررسی عوامل موثر بر فرایند پیل سوختی را با دشواری مواجه می سازد. امروزه آشنایی با نرم افزارهای شبیه سازی جهت کاهش چشمگیر هزینه ها و اعتباردهی به مدل های به دست آمده توسط دانشمندان و همچنین کاهش زمان انجام آزمایش ها، بسیار اهمیت یافته است. در این فرادرس نحوه شبیه سازی یک پیل سوختی اکسید جامد بر روی نرم افزار کامسول (COMSOL Multiphysics) بیان خواهد شد و آموزش نحوه به کار گیری ماژول های به کار برده شده و اعمال شرایط مرزی حاکم بر سیستم نیز ارائه خواهد شد.

نرم افزار AIM مخفف Atoms in molecules است و مانند نرم افزار Gaussian و سایر نرم افزارهای محاسباتی مشابه، از روش تابع چگالی الکترون (DFT) در انجام محاسبات استفاده می کند. فایل ورودی این نرم افزار پسوند wfn دارد و می توان با استفاده از آن، نقاط بحرانی (Critical point) اتم ها، مولکول ها و سایر ویژگی ها را محاسبه کرد. از نتایج این نرم افزار می توان در کنار نتایج نرم افزارهای محاسباتی دیگر به منظور تحلیل کامل تر داده ها استفاده کرد.

نرم افزار اسپارتان یکی از کاربردی ترین نرم افزارها جهت بررسی ساختار مولکول های متفاوت (کوچک تا پیچیده) می باشد. با فراگیری استفاده از این نرم افزار، شما قادر خواهید بود که ویژگی فیزیکی یک مولکول که می تواند به صورت پایدار در طبیعت باشد را محاسبه نمایید. از جمله این ویژگی ها طول پیوند، زوایای پیوندی، انرژی پایداری بهینه شده، گروه نقطه ای، طیف های IR ،UV و NMR و … می باشد. این نرم افزار از جمله نرم افزارهای مهم در رشته شیمی، مهندسی شیمی، نفت، بیوشیمی و زیست شناسی می باشد.

از آنجایی که بسیاری از فرآیندهای شیمیایی و پتروشیمیایی در بستر کاتالیستی متخلخل اتفاق می افتند، نحوه به کار گیری بخش های مفید نرم افزار شبیه ساز کامسول به منظور اولاً مشاهده پدیده های مدل شده با معادلات ریاضی و سپس انجام بهینه سازی تا رسیدن به یک طرح مفید از هندسه و تخلخل مناسب، می تواند برای درک و طراحی مناسب راکتور بسیار مفید باشد.

در این فرادرس، حل مسائل عددی در مهندسی شیمی با نرم افزار Polymath آموزش داده می شود. Polymath یک نرم افزار محاسباتی ساده و در عین حال بسیار کاربردی در زمینه حل مسائل عددی خطی و غیرخطی، رگرسیون داده های تجربی و حل معادلات دیفرانسیل معمولی است و برای حل مسائل ریاضی نیازی به کد نویسی ندارد، همچنین براساس مراحل چندگانه، مسائل مهندسی را حل می کند. این آموزش، هر کدام از چهار ابزار ریاضی نرم افزار برای مسائل عددی در حوزه مهندسی شیمی را مورد بررسی قرار می دهد.

به ندرت می‌توان صنعتی را یافت که مخازن تحت فشار، جزئی از تجهیزات اساسی آن نباشد. از صنایع غذایی، دارویی و هسته‌ای گرفته تا صنایع نیروگاهی، پتروشیمی و پالایشگاهی. پر‌کاربرد‌ترین، کامل‌ترین و به‌روزترین نرم‌افزار موجود در این زمینه، نرم‌افزار PV Elite است. به دلیل پیوستگی زیاد بین استاندارد طراحی مخازن تحت فشار و نرم‌افزار PV Elite، در این فرادرس سعی شده است تا آموزش استاندارد، نرم‌افزار و مثال‌های واقعی صنعتی با همپوشانی کامل و به صورت موازی به پیش رود. همچنین تعداد زیادی از مثال‌های واقعی صنعتی نیز ارزیابی می‌شود، بنابراین در پایان این آموزش، دانشجویان می‌توانند انواع مخازن تحت فشار را طراحی، مدل‌سازی و ارزیابی کنند و در نهایت، گزارش‌ها، فرم‌ها، کتابچه‌ها و نقشه‌های خروجی را تهیه نمایند.

Aspen Plus و Aspen Dynamics از قدرتمندترین نرم افزارهای این مجموعه به شمار می روند. لازمه کنترل و شبیه سازی دقیق فرایند، شبیه سازی فرایند در حالت دینامیک (در نظر گرفتن تغییرات با زمان) است. برای شبیه سازی دینامیک فرایند، ابتدا باید فرایند در حالت استاتیک (صرف نظر کردن از تغییرات زمان) شبیه سازی شود. در این آموزش، شبیه سازی استاتیک در نرم افزار Aspen Plus و شبیه سازی دینامیک در نرم افزار Aspen Dynamics شرح داده شده است. در این آموزش تمامی مراحل شبیه سازی استاتیک و یا دینامیک به صورت گام به گام آموزش داده شده و همچنین برای تفهیم بهتر مطالب، از مثال های متنوع و صنعتی استفاده شده است. بعد از مشاهده این آموزش، می توانید تمامی فرایندهای شیمیایی را در حالت دینامیک و واقعی شبیه سازی کنید.

این نرم‌افزار یکی از بهترین گزینه‌ها برای رسم ساختارهای شیمیایی و بررسی و آنالیز آن‌ها است که به ما امکان ساخت فایل ورودی برای انجام محاسباتی مانند: محاسبات Single Point, Molecular Orbital, IR و Electron Density را می‌دهد. از این نرم‌افزار همچنین می‌توان برای درک بهتر شیمی و اهداف آموزشی در مقاطع مختلف تحصیلی استفاده کرد. در این فرادرس سعی بر ارائه آموزش نرم‌افزار Avogadro در کمترین زمان است تا هر یک از مخاطبین در نهایت بتوانند به راحتی و برای اهداف متنوع از این برنامه استفاده نمایند.

با استفاده از این نرم افزار می توان آنالیز چگالی الکترونی، مرتبه پیوند، آروماتیسیته (HOMA)، آنالیز جمعیت و بسیاری از محاسبات دیگر را انجام داد. فایل های ورودی این برنامه، دارای پسوندهای: pdb, wfn, cub, xyz و… است. Multiwfn توانایی رسم طیف هایی چون: IR, Raman, Uv-Vis و VCD را نیز دارد. هدف از این فرادرس، آموزش خود نرم افزار نیست و بخش هایی از نرم افزار که برای تحلیل و... نیازمند است، مورد بررسی قرار گرفته است.