مهندسی شیمی

مقدمه

مهندسی شیمی شاخه‌ای چند رشته‌ای از مهندسی است که علوم طبیعی و تجربی را با علوم زیستی (مانند زیست‌شناسی، میکروبیولوژی و بیوشیمی) و همچنین ریاضیات و اقتصاد ترکیب می‌کند تا طراحی، توسعه، تولید، تبدیل، انتقال، بهره‌برداری و مدیریت کند فرآیندهای صنعتی که مواد خام را به محصولات با ارزش تبدیل می‌کند.

بسیاری از فرآیندهای مهندسی شیمی شامل واکنش‌های شیمیایی هستند. این منطقه از شیمیدانانی که به دنبال راه‌های جدید برای ساختن کالاها و تحقیق درمورد مکانیسم‌های واکنش‌های شیمیایی هستند، سرنخ می‌گیرد. سپس مهندسان شیمی از این اطلاعات شیمیایی برای ایجاد طرح‌ها استفاده می‌کنند. درنتیجه دو زیرگروه اصلی وجود دارد که بهتر به سوال “مهندسی شیمی چیست؟” پاسخ می دهند.

• طراحی، ساخت و راه اندازی تاسیسات و ماشین آلات برای عملیات شیمیایی، بیولوژیکی یا مرتبط با صنعت در مقیاس بزرگ

• توسعه مواد شیمیایی جدید یا اصلاح شده برای طیف متنوعی از محصولات

مهندسان شیمی ممکن است در یک یا هر دو زیر گروه تخصص داشته باشند؛ اما یک محصول نهایی نیاز به تلاش هر دو طرف دارد. دوام اقتصادی، مدیریت منابع، سلامت و ایمنی، پایداری و اثرات زیست محیطی همگی عواملی هستند که باید در نظر گرفته شوند.

علم CFD در مهندسی شیمی

علم CFD به طور گسترده در مشاغل و بخش‌های مختلف از جمله هوافضا، تولید مواد شیمیایی، پردازش پلیمر، اکتشاف نفت و تحقیقات پزشکی استفاده می‌شود. مهندسان شیمی اکنون به طور معمول برهم‌کنش بین جریان سیال و فرآیندهای شیمیایی را با استفاده از قدرت شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی مطالعه و مدل می‌کنند. برای مثال، CFD ممکن است برای جریان‌های واکنشی، احتراق و انتقال حرارت، و انتقال جرم به کار رود. استفاده از ابزارهای CFD به مهندس شیمی در درک بهتر فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی کمک می‌کند و درنتیجه، پیشرفت‌های قابل توجهی در فرآیند و محصول در صنعت ایجاد می‌کند.

استفاده از CFD در مهندسی شیمی و صنایع فرآیندی باعث کاهش هزینه فعالیت‌های توسعه و بهینه‌سازی محصول و فرآیند (با کاهش زمان توقف)، کوتاه شدن زمان عرضه به بازار، بهبود قابلیت اطمینان طراحی، افزایش تبدیل‌ها و بازدهی، و کمک به حل مشکلات محیطی، مسائل بهداشتی و حق بهره برداری شده است. شبیه‌سازی CFD مهندسی شیمی شامل مدل‌های آماده‌شده برای تقسیم‌های جریان، مخازن راکتور، انتشار گازی، نقاط دوز، فرایند بهینه‌سازی، ضربه غشاء، زباله‌های آلوده و انتشارات خطرناک است. مدل‌سازی سه‌بعدی می‌تواند تأیید کند که آیا یک طراحی مهندسی شیمی جدید اهداف را برآورده می‌کند یا دلیل شکست یک سیستم عامل ضعیف را بررسی می‌کند.

روش CFD در شبیه سازی واکنش‌ها

مهندسی واکنش یک رشته مهندسی شیمی است که به طراحی و بهینه سازی راکتورهای شیمیایی می‌پردازد. هدف بهینه سازی فرآیندهای انتقال (انتقال حرارت، انتقال جرم و اختلاط) برای افزایش بازدهی یا تبدیل محصولات مورد نظر و درعین حال تضمین ایمنی راکتور است. این به معنای به حداکثر رساندن بازده و در عین حال کاهش هزینه هاست. این هزینه‌ها ممکن است به مواد اولیه، انرژی ورودی، حذف یا خنک کردن حرارت، پمپاژ برای افزایش فشار، کاهش فشار اصطکاکی و غیره مرتبط باشد.

از دینامیک سیالات محاسباتی، مهندسی واکنش پدیده انتقال و دانش سینتیک شیمیایی را در سیستم‌های صنعتی اعمال می‌کند.

طراحی راکتور شامل چندین جنبه حیاتی است: فاز یا وضعیت واکنش دهنده‌ها و محصولات، نوع واکنش (تک، چندگانه، سری موازی یا پلیمریزاسیون)؛ دخیل بودن کاتالیزور؛ توزیع و اختلاط جریان؛ انتقال گونه‌ها؛ و حالت عمل (یعنی دسته‌ای، نیمه دسته‌ای یا پیوسته). فرآیندهای انتقال اصولی بسیار مهم هستند؛ جریان سیال، انتقال حرارت، انتقال جرم و واکنش‌ها؛ جایی که شبیه‌سازی CFD می‌تواند ارزش قابل‌توجهی اضافه کند.

روش CFD برای پیش بینی احتراق در محفظه

دانش در مورد مکانیک سیالات سیستم برای شبیه سازی احتراق باید درک شود. همه پدیده‌های انتقالی باید به درستی در چنین مدل‌هایی نشان داده شوند. طرح‌های واکنش شیمیایی نیز باید برای تخمین تشکیل محصولات و گونه‌های احتراق و پیش‌بینی اشتعال، پایداری و خاموش شدن شعله‌ها شناخته شوند. تشعشع نیز به دلیل وجود دوده تشکیل شده در حین احتراق رخ می‌دهد و انتقال حرارت تشعشعی از دیواره محفظه احتراق وجود دارد. احتراق سوخت یک سیستم چندفازی است که سوخت مایع یک سیستم دو فازی متشکل از فازهای مایع و گاز و سوخت جامد یک سیستم سه فازی است. چالش‌های پیش روی مدل‌سازی تجزیه سوخت مایع، واکنش آن و توزیع واکنش‌دهنده‌ها در سیستم‌های فضایی سه‌بعدی است. این مدل‌ها که بخشی از CFD هستند، به ابزاری ضروری برای مدل‌سازی احتراق تبدیل شده‌اند.

شبیه سازی مبدل حرارتی در CFD

مبدل‌های حرارتی اجزای ضروری بسیاری از سیستم‌ها از جمله نیروگاه‌ها، صنایع فرآیندی و واحدهای بازیابی حرارت هستند. نیاز اجتناب ناپذیر آن مستلزم تحقیق درمورد طراحی‌های کارآمد و قابل اعتماد است که منجر به سهم بهینه از عملکرد کلی سیستم می‌شود.

روش CFD رشته‌ای است که از تحلیل عددی برای حل معادلات ریاضی برای درک جریان سیال، انتقال حرارت و فرآیندهای شیمیایی استفاده می‌کند. این روش به همان اندازه در توسعه یک سیستم مبدل حرارتی از ابتدا و عیب‌یابی یا بهینه‌سازی با ارائه تغییرات طراحی مفید است. روش CFD براساس اصل ساده تقسیم کل سیستم به سلول‌ها یا شبکه‌های کوچک و اعمال معادلات حاکم بر این عناصر گسسته برای یافتن حل‌های عددی برای توزیع فشار، گرادیان دما، پارامترهای جریان و موارد مشابه در زمان کمتر و با هزینه کمتر به دلیل نیاز کمتر به کارهای تجربی کمتر  عمل می‌کند. همچنین یافته‌های CFD کیفیت قابل قبولی دارند.

این مقاله تعداد کمی از کاربردهای CFD را در بهبود مهندسی شیمی پوشش می‌دهد. صنایع شیمیایی پر از کاربردهای CFD است، از راکتورهای شیمیایی برای بررسی پارامترهای جریان سیال در هر سلول گرفته تا شبیه‌سازی پدیده‌های تبخیر و چگالش در موقعیت‌های مختلف و تا ذوب و انجماد سیالات. دینامیک سیالات برای بیشتر جنبه‌های بخش شیمی اساسی است. اگرچه نمونه‌های اولیه واقعی برای مراحل بعدی توسعه استاندارد هستند، طراحی و بهینه سازی در مراحل اولیه می‌تواند با مطالعات CFD به طور قابل توجهی تسریع شود.

خدمات شرکت پردازشگران مهر

گروه پردازشگران مهر پروژه‌های شبیه سازی سفارشی متعددی را برای کاربردهای مهندسی شیمی صنعتی و تحقیقاتی انجام داد. گروه پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده شبیه سازی می‌باشد. برای مثال، شبیه‌سازی  فرایند گازی سازی در یک محفظه گسیفایر برای بررسی دما و فشار هر جزء در محفظه انجام می‌شود.

فرآیند گازی سازی شامل فرآیندهای شیمیایی است که یک ماده مبتنی بر کربن را به مونوکسید کربن، هیدروژن و دی‌اکسید کربن تبدیل می‌کند. خروجی این فرآیند یک منبع انرژی تجدیدپذیر با چندین کاربرد صنعتی است.

از CFD برای طراحی و تجهیز یک سیکلون استفاده شد که در آن رفتار ذره مورد بررسی قرار می‌گیرد. دستگاه‌های جریان سیال گریز از مرکز به طور گسترده در صنعت برای جداسازی مخلوط‌های جریان چندفازی به اجزای سیال تشکیل دهنده آنها استفاده می‌شود. سیکلون‌های جریان به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند تا مکانیک جریان سیال و پیامدهای آن‌ها بر راندمان جداسازی مخلوط‌های سیال-جامد را بهتر درک کنند.

فرآیندهای اختلاط تقریباً در تمام فرآیندهای تولید دخیل هستند و برای عملکرد موفقیت آمیز کاربردهای مختلف ضروری هستند. برخی از روش‌های رایج که در آن اختلاط در صنعت استفاده می‌شود عبارتند از: شفاف‌سازی، رشد کشت سلولی، تخمیر، پلیمریزاسیون و اختلاط. این فرآیندها در بسیاری از کاربردها مانند صنایع رنگ، مواد غذایی، دارویی، معدنی و تصفیه آب یافت می‌شوند.

هرساله بودجه‌های هنگفتی صرف فرآیندها و فناوری‌هایی می‌شود که امکان اختلاط بهتر دو یا چند ماده را فراهم می‌کند. میلیون‌ها نفر به دلیل اختلاط غیرکارآمد، عملکرد ضعیف محصول و کاهش بازدهی از بین می‌روند.

نرم افزار ANSYS Fluent می‌تواند اختلاط مواد مختلف را شبیه سازی کند. در مطالعه زیر، ترکیب کربن دی‌اکسید و اتانول شبیه سازی شده است.

شرکت پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه سازی شیمی

شرکت پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل سازی، مش بندی و شبیه سازی می باشد. خدمات شبیه سازی ما برای شبیه سازی شیمی به شرح زیر دسته بندی می‌شود:

• شبیه سازی واکنش‌ها
• شبیه سازی احتراق CFD (پیش آمیخته، انتقال گونه‌ها، غیرپیش آمیخته، نیمه پیش آمیخته)
• شبیه سازی مبدل‌های حرارتی
• شبیه سازی CFD راکتورهای شیمیایی
• شبیه سازی انتقال جرم (تبخیر، چگالش، کاویتاسیون)
• شبیه سازی انجماد و ذوب
• و ..…

شما می‌توانید محصولات مرتبط با دسته شبیه سازی شیمی را در فروشگاه آموزشی بیابید.

خدمات ما محدود به موضوعات ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در زمینه مدل سازی مهندسی شیمی به سفارش مشتریان است. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD را برای هر طرحی که در ذهن دارید می‌پذیریم تا آنها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه تصور می‌کردید برسید. شما می‌توانید از مشاوره تخصصی پردازشگران مهر به‌ صورت رایگان بهره ببرید و سپس پروژه‌تان را سفارش دهید تا شبیه‌سازی و آموزش داده شود.