کامپیوتردرشیمی

 

کامپیوتر بر شیمی مانند ابزارهای دیگر، به صورت های گوناگون تأثیر می گذارد که در یک نگاه سطحی پاره ای از آنها آشکار و پاره ای دیگر پنهان است. برای مثال ،برقراری ارتباط همزمان با سرویس بازیابی اطلاعات اداره ی چکیده های شیمی، اصولا به برخی مهارتهای کامپیوتری نیاز دارد، در حالی که کار کردن با یک طیف سنج زبر قرمز تبدیل فوریه ای جدید اگر چه دستگاه تمام خودکار است به این نوع مهارتها نیاز ندارد . در حال حاضر فن آوری کامپیوتر به صورت یخش بسیار مهمی از شیمی در آمده و ضروری است که شیمیدانان برای انجام کارهای حرفه ای خود به اندازه ی کافی از مهارت های کامپیوتری برخوردار باشند.

کاربرد های کامپیوتر در شیمی به دو بخش اصلی تقسیم می شود :(الف) اتصال سخت افزاری و استفاده ی آزمایشگاهی که در آنها کامپیوتر به صورت جزئی از دستگاه در می آید و (ب) استفاده ی نرم افزاری ، که شامل محاسبات عددی و عملیات پردازش مختصر اطلاعات مربوط به چکیده ی مقالات است.

کامپیوتر های رقمی جدید، دستگاهای توانمند و بی مانندی هستند. این دستگاه ها به گونه ای اطلاعات را دستکاری و تبدیل می کنند که قبلا تنها مغز انسان قادر به انجام این گونه اعمال بود. عمل کرد بسیار سریع/پایین بودن میزان خطا/گوناگونی نمایش اطلاعات/توانایی برنامه های ذخیره شده/انتقال شرطی/ عملکرد رقمی/ از خصوصیات این کامپیوتر ها می باشد.

کاربرد علمی کامپیوتر ها : کامپیوتر های رقمی تقریبا در تمام شاخه های علوم جدید به کار می روند و بدون شک شیمی نیز از این امر مستثنا نیست. نفوذ تدریجی روش های کامپیوتر در علوم از 1950 آغاز شد و تا به حال نیز ادامه دارد. به تازگی کامپیوتر ها تقریبا در تمام آزماش ها و کاوش های شاخه های گوناگون علوم به صورت ابزاری مهم در امده اند و حضور گسترده و عادی آنها در بسیاری از شاخه های علوم، ممکن است موجب نادیده انگاشتن اهمیت آنها شود.

محاسبات عددی اولین کاربرد کامپیوتر ها بود و به تدریج اهمیت فوق العاده ای یافت.در شیمی موارد متعددی وجود دارند که در آنها انجام تعداد زیادی محاسبه بسیار دشوار است.

مسئله های با زمان محدود : بین محاسبات عددی و مسئله های با زمان محدود مرز مشخص و دقیقی نیست. پاره ای از آزمایشهای شیمیایی جدید باید همراه با محاسبات سریع باشد تا اصولا بتوان آنها را اجرا کرد. ماهیت بسیاری از مسائل به این مورد نیاز دارد.

مدل سازی،بهینه سازی و بشبیه سازی : هم اکنون مدل سازی و شبیه سازی آزمایشگاه ها،دستگاه ها و سیستمهای شیمیایی برای پی بردن به برهم کنش پارامترهای قابل تنظیم و به دست آوردن بهترین مقدار آن، به صورت یک امر عادی انجام می شود.کامپیوتر ها را می توان در شبیه سازی های مورد استفاده در طراحی آزمایش ها و دستگاه های شیمیایی به کار برد و سپس آنها را نسبت به پارامترهای قابل نتظیم بهینه کرد. این کار از نظر اقتصادی بسیار با صرفه تر از نمونه واقعی آزمایش ها و دستگاه ها برای بهینه سازی است.

انواع نرم افزار های شیمی

یک فرایند شامل اجزایی است که در واحدهای عملیاتی، مخلوط، جداسازی، گرم، سرد و تبدیل می‌شوند. این اجزا از طریق مخلوط جریان بین تجهیزات جدا می‌شوند. شبیه‌سازی به ما این اجازه را می‌دهد که رفتار یک فرایند را به وسیلهﻱ موازنهﻱ جرم و انرژی، معادلات حالت و واکنش‌‌های شیمیایی پیش‌بینی کنیم. شما می‌توانید با استفاده از داده‌های ترمودینامیکی قابل اطمینان، شرایط عملیاتی واقعی تجهیزات را به دست آورده و رفتار واقعی را شبیه‌سازی کنید. فرایند شبیه‌سازی شده به شما اجازهﻱ موازنهﻱ واحد، تجزیه و تحلیل، مطالعهﻱ حساسیت و بهینه سازی را می دهد. با استفاده از شبیه‌سازی شما می توانید در جهت سود دهی بهتر، فرایند را طراحی کنید.

در دنیای رقابتی امروز شرکت‌های مهندسی و تولیدکنندگان به سرعت و دقت بیشتر در طراحی بهینه فرایندهای تولید نیاز دارند، این کار به صورتی انجام می‌گیرد که حداقل تکرار محاسبات را به دنبال داشته باشد. شبیه‌سازی فرایند ابزاری است مفید و ﻣﺆثر برای دست یابی به اهداف زیر:

 -انتخاب بهینه و درست تجهیزات مطابق با اهداف مورد نظر

   -ارزیابی صحیح تأثیر تغییرات خوراک، نوسانات و خارج از سرویس بودن تجهیزات

  - ایمنی، قابلیت اعتماد و سودمندی در طول عمر مجتمع

در جدول زیر برخی از نرم افزارهای رایج شبیه سازی به همراه مقایسه قابلیت‌های هر یک ارائه شده است:

نام نرم افزار	مزیت عمده	قابلیت‌های خاص	شبیه‌سازی دینامیک
HYSYS	سرعت عمل و راحتی کاربرد شبیه‌ساز دینامیک بسیار عالی	برش‌های نفتی، مواد جامد و الکترولیت‌ها به صورت محدود، خط لوله	بلی
ASPEN	امکان شبیه‌سازی تمامی سیستم‌های موجود	برش‌های نفتی، مواد جامد، الکترولیت‌ها، پلیمرها، آنالیز پینچ، سیستم‌های آب، ارزیابی اقتصادی، بسترهای جذب	بلی
II PRO	برج‌های تقطیر	برش‌های نفتی، مواد جامد، الکترولیت‌ها، پلیمرها	خیر
CHEMCAD	سیستم‌های الکترولیتی	برش‌های نفتی، مواد جامد، الکترولیت‌ها، پلیمرها	بلی
PETROSIM	فرایندهای پالایش نفت	انواع تجهیزات و راکتورهای پالایشگاهی	خیر
PROSWEET	واحدهای شیرین سازی	انواع محلول‌های آمین و واحدهای شیرین سازی گاز	خیر
REFSYS	فرایندهای پالایش نفت	انواع تجهیزات و راکتورهای پالایشگاهی	خیر
HYSYS REFINERY	فرایندهای پالایش نفت	انواع تجهیزات و راکتورهای پالایشگاهی	خیر
DESIGN II	فرایندهای غذایی و جامدات	تجهیزات رایج صنایع غیر هیدروکربنی، جامدات و فرایندهای صنایع غذایی	خیر
PIPEPHASE	خطوط لوله چند فازی	خطوط و شبکه لوله انتقال سیالات دو و سه فازی	بلی

 منبع:

آشنایی با مهندسی شیمی - انتشارات اندیشه سرا ۱۳۸۷

رآکتورهای شیمیایی (Chemical Reactors)

رآکتور شیمیایی دستگاهی است که در آن واکنش یا واکنش های شیمیایی نظیر تبدیل، ترکیب یا تجزیه به منظور تولید مواد مورد نظر انجام می شود.طبق قرارداد دستگاهی که در آن واکنش سوختن به منظور تولید انرژی انجام می شود، رآکتور نیست.

در یک واحد صنایع شیمیایی مواد خام ابتدا از یک رشته فرآیندهای تغییر فیزیکی اولیه از قبیل جداسازی، مخلوط کردن و ... عبور می کنند تا آماده ورود به مرحله بعدی یعنی تغییرات شیمیایی شوند. در این مرحله به کمک رآکتور یا راکتورهای مناسب واکنش های شیمیایی مورد نظر انجام و محصول تهیه می شود. به دلیل انجام بعضی از واکنش های ناخواسته  یا وجود مقداری از مواد خام که در رآکتور فرصت انجام واکنش نداشته و همراه محصول از رآکتور خارج شده اند، این محصول غالبا قابل عرضه به بازار نمی باشد و لازم است عملیات فیزیکی نهایی از قبیل جداسازی، خالص سازی و... بروی آن انجام شود. در صنایع شیمیایی، آن بخش از عملیات شیمیایی که در رآکتورها صورت می گیرد مهمترین و حساس ترین عملیات کارخانه محسوب می گردد.

« تقسیم بندی رآکتورها»

براساس دیدگاه های متفاوت، تقسیم بندی های متنوعی برای رآکتورهای شیمیایی انجام شده است. یکی از مهمترین مشخصه های واکنش های شیمیایی  تعداد و نوع فازهایی است که واکنش در آن صورت می گیرد. بر این مبنا می توان رآکتورهای شیمیایی را نیز تقسیم بندی نمود. این تقسیم بندی در زیر آمده است:

1) رآکتورهای تک فازی:

در این رآکتورها واکنش در فاز گاز یا در فاز مایع انجام می شود

2) رآکتورهای چند فازی:

در این رآکتورها واکنش میان فازهای گاز و مایع یا میان دو فاز مایع یا میان فازهای سیال و جامد انجام می شود

 - تقسیم بندی دیگر رآکتورها براساس نوع عملیات آن ها است. این تقسیم بندی به شکل زیر است:

1) رآکتورهای ناپیوسته(Batch Reactors):

مثل رآکتور تولید پلی کلرید وینیل(PVC) از طریق پلیمر کردن کلرید وینیل

2) رآکتورهای پیوسته یا جریان پایدار(Continuous or Steady Flow Reactors):

مثل رآکتور تولید آمونیاک از طریق واکنش میان گازهای هیدروژن و نیتروژن

3) رآکتورهای نیمه پیوسته(Semi Batch Reactors):

مثل رآکتور هیدروژن دار کردن روغن مایع به منظور اشباع آن و تولید روغن جامد

راکتور نیمه پیوسته (Semi Batch Reactor)

راکتورهای نیمه پیوسته نیز همان محدودیت های راکتور ناپیوسته را دارد. از امتیازات راکتور های نیمه پیوسته کنترل خوب حرارت و کنترل واکنش های نامطلوب و محدود کردن تولید محصولات ناخواسته می باشد . این عمل از طریق وارد کردن تدریجی یکی از اجزاء ترکیب شونده با غلظت کم میسر می گردد . راکتور های نیمه پیوسته اغلب برای واکنش های دوفازی که یکی از اجزاء ترکیب شونده گاز باشد مورد استفاده قرار می گیرد و جزء گازی به صورت حباب به داخل فاز مایع درون راکتور تغذیه می گردد .(شکل 4 )     مراحل کارکرد یک راکتور ناپیوسته   راکتور نیمه پیوسته     راکتور نیمه پیوسته

طبقه بندی راکتورها

راکتورها را معمولا با توجه به 3 عامل زیر طبقه بندی می کنند. بر حسب روشی که طی آن مرحله واکنش صورت می‌گیرد (راکتورهای طبقه الف)

• راکتورهای پیوسته: بر حسب مصرف کاتالیست و بر حسب اینکه واکنش در چند فاز صورت می‌گیرد، دو نوعند: همگن و ناهمگن.
  
• راکتورهای نیمه پیوسته: ویژگی ورود پیوسته مواد و خروج پیوسته برخی مواد هستند. راکتورهای خمره‌ای معمولا از این نوع هستند.
  
• راکتورهای ناپیوسته: برای موادی طراحی شده‌اند که در مدت معینی ، طبق برنامه ریزی انجام شده در راکتورها باقی بمانند تا اینکه واکنش کامل شود. اغلب به شکل خمره‌ای و استوانه‌ای هستند.

طبقه بندی بر حسب سیستم تبادل حرارتی که انتخاب شده است (راکتورهای طبقه ب)

راکتورهای آدیاباتیک: طراحی آنها طوری است که در طول مدت کنترل دما ، بدنه راکتور در انتقال گرما شرکت نمی‌کند.
راکتورهای غیر آدیاباتیک: بدنه راکتور در انتقال گرما شرکت می‌کند.

راکتورهای ذکر شده ، در سنتز آمونیاک و اکسیداسیون SO₂ به SO₃ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طبقه بندی بر حسب ویژگی فیزیکی موادی که برای واکنش انتخاب شده‌اند (راکتورهای طبقه ج)

راکتورهای واکنش‌های همگن
راکتورهای واکنش‌های ناهمگناگر قرار باشد واکنشی در فاز همگن صورت گیرد بر حسب نوع مراحل از راکتورهای پیوسته یا ناپیوسته طبقه الف استفاده می‌کنند. اما اگر واکنش‌ها در بیش از یک فاز صورت گیرد، گستره راکتورهای مورد مصرف زیاد خوااهد بود. مثلا بر حسب اینکه کاتالیست ، پودر یا گرانول باشد، نوع راکتور فرق خواهد کرد. طبقه‌بندی‌های دیگر

طبقه‌بندی‌های دیگری هم با توجه به وضعیت تغذیه راکتور یا عملیات سینماتیک یا تخلیه مواد شرکت کننده در واکنش وجود دارند. همچنین می‌توان آنها را بر حسب حلال‌ها و رقیق کننده‌ها و ... انتخاب کرد. در هر حال راکتورها را برای اهداف مختلف بر حسب نوع کارخانه و شرایط آن انتخاب می‌کنند.