إدماج أدوات محاكاة عملية العزل الدقيقة لأغراض التصميم الدقيق لعملية الفصل

وقد أدى محاكاة العملية إلى ثورة طريقة اقتراب المهندسين الكيميائيين من تصميم عملية الفصل بين المهام، ومن خلال استخدام أدوات حاسوبية متقدمة، يمكن للمهندسين أن يخلقوا نماذج افتراضية لنظم الفصل المعقدة، ويختبروا السيناريوهات المتعددة، ويحققوا الأداء الأمثل قبل أن يُلزموا رؤوس الأموال الكبيرة بالبناء المادي، وقد أصبح هذا الإدماج لتكنولوجيا المحاكاة في تدفق العمل التصميمي أساسياً لمرافق المعالجة الكيميائية الحديثة، والمصافي، وعمليات التصنيع التي تسعى إلى تحقيق أقصى قدر من الكفاءة، مع التقليل إلى أدنى حد من المخاطر والتكاليف.

عملية محاكاة عملية التفاهم في نظم الفصل

وتستخدم أدوات محاكاة العمليات كمختبرات رقمية يمكن للمهندسين فيها أن يختبروا مختلف تشكيلات الفصل، وظروف التشغيل، ومواصفات المعدات دون أن يُحسب حساب الاختبار المادي أو ضيق الوقت، وتُحاكي هذه البرامج أرصدة المواد والطاقة في مصانع العمليات الكيميائية، وتوفر معلومات شاملة عن كيفية أداء عمليات الفصل في ظل ظروف مختلفة.

ويشتمل المبدأ الأساسي وراء محاكاة العمليات على استحداث نماذج رياضية تمثل الظواهر المادية والكيميائية التي تحدث في إطار معدات الفصل، وتشمل هذه النماذج العلاقات الدينامية الحرارية، ومبادئ النقل الجماعي، وقوانين حفظ الطاقة، وديناميات السوائل للتنبؤ بسلوك النظام بدقة ملحوظة، ويستخدم المهندسون خصائص المجرى المغذي، ومواصفات المعدات، ومعايير التشغيل، ويحسب برنامج المحاكاة مسارات المنتجات الناشئة، واحتياجات الطاقة، والمعدات.

وقد ثبت أن الأدوات الرياضية ناجحة للغاية في تصميم العمليات المادية والكيميائية والبيولوجية وتحقيق الحد الأمثل لها، مع تزايد نماذج العمليات ومحاكاة الحواسيب بشكل كبير في التنمية الصناعية لتوفير حلول شاملة للعمليات المتكاملة، وهذا النمو يعكس التعقيد المتزايد للتحديات الحديثة المتعلقة بالانفصال والحاجة إلى أدوات تحليلية متطورة للتصدي لها.

تطور تكنولوجيا المحاكاة

وفي السبعينات، تم تسويق أسبن زائد وبرو/ثانية بوصفهما أداتين محاكاة تديرهما دفعة، حيث تطورت حسابات البرامج بسرعة إلى خوارزميات معقدة تتطلب وقتا كبيرا لتنفيذ الحواسيب الرئيسية، واستُخدمت في البداية في تصميم العمليات الكيميائية، وتوسع نطاق تطبيقها قريبا ليشمل عمليات المصفاة وإنتاج النفط والغاز، وبدأ استخدام تكنولوجيا المحاكاة في تحقيق الشكل الأمثل لتصميم العمليات المتكاملة للغاية.

وشهدت الثمانينات ثورة في تكنولوجيا الحاسوب بظهور آلات مكتبية، مما أتاح إجراء المزيد من الحسابات الهندسية بصورة تفاعلية، وفي نهاية المطاف أصبحت جميع محاكاة العمليات التجارية الشعبية متاحة على الحواسيب المكتبية التي تحتوي على دفقات بيانية مدمجة في حسابات التوازن الحراري والمادي.

برامج المحاكاة اليوم توفر قوة ومرونة لم يسبق لهما مثيل، وقد أحرز تقدم هائل في قوة ومرونة برامج محاكاة العمليات، مع تقديم نماذج شاملة للدماغ الحراري والمسيل للممتلكات، وصلات مع الصناعة التي تقود عملية الحزب الثالث، والقدرة على وضع نماذج للمستعملين.

الفوائد الشاملة لعملية المحاكاة في تصميم الفصل

ويحقق إدماج أدوات المحاكاة في تصميم عملية الفصل مزايا استراتيجية متعددة تتجاوز بكثير الحسابات البسيطة، وتؤثر هذه الفوائد على كل مرحلة من مراحل المشروع، بدءا من تطوير المفاهيم الأولية عن طريق الهندسة المفصّلة، وانتهاء بالعمليات إلى الحد الأمثل.

تخفيض المخاطر وتحقيق وفورات في التكاليف

ومن أكثر المزايا إلحاحا في محاكاة العمليات الانخفاض الكبير في مخاطر المشاريع، إذ يمكن للمهندسين، من خلال وضع نماذج افتراضية دقيقة لنظم الفصل، أن يحددوا عيوب التصميم المحتملة، والتحديات التشغيلية، واختناقات الأداء قبل شراء أو تركيب أي معدات، وهذا الكشف المبكر عن القضايا يحول دون إجراء تعديلات باهظة التكلفة أثناء التشييد أو، أسوأ، بعد بدء التشغيل.

فالحاكاة تتيح التقليل إلى أدنى حد من المخاطرة وتطوير العطاءات بشكل أسرع من خلال تحسين الاتساق والدقة في نظام متكامل يقوم على أساس النموذج للتقدير، وهذه القدرة قيمة بشكل خاص في بيئات العطاءات التنافسية حيث يمكن لتقدير التكاليف بدقة أن يفرق بين الفوز بالمشروع وفقدانه.

ويدمج تنفيذ نظام قائم على النموذج دون هوادة جميع مهام تقدير تكاليف التصميم والمشاريع، وينفذ مشروعا أدنى من المشروع، ويقطع في الوقت نفسه نظام النداء الموحد ويمنع المسائل باختيار أفضل صفات وحزمات مؤامرة تفاعلية مصممة باستخدام الربطات وبيانات محاكاة العمليات، ويمكن أن تكون هذه التخفيضات في تكاليف رأس المال كبيرة، وكثيرا ما تبرر الاستثمار في برامجيات المحاكاة مرات عديدة على مشروع واحد.

تعزيز كفاءة التصميم وأدائه

وتسمح أدوات المحاكاة للمهندسين بتحقيق مستويات من دقة التصميم تكون مستحيلة من خلال الحسابات اليدوية وحدها، وتعالج البرامجيات عمليات الحساب الحراري المعقدة، والعلاقات القائمة بين التوازن المتعدد العناصر، وأرصدة الكتلة والطاقة المعقدة في وقت واحد، بما يكفل الاتساق بين جميع جوانب التصميم.

تحسين أدوات النماذج العملية السريعة معدلات الإنتاج، والعائد، وكفاءة الطاقة، والجودة، وتحقيق تحسينات قابلة للقياس في أداء النباتات، وهذا التحسن في الدقة يترجم مباشرة إلى نظم فصلية تفي بمواصفات الأداء أو تتجاوزها منذ بداية العمل.

وفيما يتعلق بعمليات الفصل تحديدا، يتيح المحاكاة إجراء تحليل مفصل للهيدروليكات العمودية، وكفاءة الصين، ومعدلات النقل الجماعي، واستهلاك الطاقة، ويمكن للمهندسين تقييم مختلف المواد الداخلية، ومقارنة تشكيلات الصين مقابل التغليف، وتحقيق أعلى نسب التدفق لتحقيق التوازن المثالي بين كفاءة الفصل وتكاليف التشغيل.

دورات التصميم المعجلة

وقد شمل تصميم عملية الفصل التقليدية عمليات حساب يدوي متكررة يمكن أن تستغرق أسابيع أو أشهراً لإكمالها، كما أن أدوات المحاكاة الحديثة تضغط على هذه الجداول الزمنية بشكل كبير، مما يتيح للمهندسين تقييم بدائل التصميم المتعددة في ساعات أو أيام بدلاً من أسابيع، ويتيح هذا التسارع استكشاف حيز التصميم بشكل أكثر شمولاً وتحديد الحلول المثلى حقاً.

وقدرة المهندسين على اختبار سيناريوهات " ما إذا " بسرعة قيمة خاصة خلال مرحلة التصميم المفاهيمي عندما تتخذ قرارات أساسية بشأن تشكيل العمليات، ويمكن للمهندسين أن يقارنوا بسرعة مختلف تكنولوجيات الفصل، وتقييم أثر تغيرات تكوين التغذية، وتقييم مدى حساسية التصميم إلى بارامترات التشغيل الرئيسية.

تحسين كفاءة الطاقة

وتتوقع أدوات التصميم والنمذجة المتكاملة نفايات الطاقة وتزيلها، وهي قدرة حاسمة نظرا لاستهلاك الطاقة الكبير في معظم عمليات الفصل بين القوات، وتأتي أعمدة التصفية، على وجه الخصوص، من بين أكثر عمليات الوحدات كثافة في الطاقة في النباتات الكيميائية، مما يجعل الطاقة تُعتبر أولوية قصوى.

ويتيح التبسيط إجراء دراسات مفصلة لتكامل الطاقة، وتحديد فرص استعادة الحرارة، وتحقيق الاستخدام الأمثل لاستهلاك المرافق، ويمكن للمهندسين أن ينظّموا شبكات تبادل الحرارة المعقدة، وأن يقيّموا فوائد التغذية المهيأة، وأن يُحدّدوا رسوم التكثيف وإعادة الترسخ إلى الحد الأدنى من الاستهلاك الإجمالي للطاقة، مع الحفاظ على الأداء العزل المطلوب.

المرونة التشغيلية والتشويش

وبالإضافة إلى التصميم الأولي، توفر أدوات المحاكاة قيمة مستمرة طوال فترة التشغيل لمعدات الفصل، كما أن نماذج المحاكاة المقيّمة تستخدم كأدوات قوية لرد العائق عندما تنحرف أداء العمليات عن التوقعات، ويمكن لمهندسي العمليات أن يحللوا أداء الانفصال بالتفصيل، وحيثما يمثل محاكاة المصدر عملية تشغيلية، مما ييسر تحديد اختناقات النظم واستكشاف استراتيجيات العلاج.

ويمكن للمشغلين استخدام نماذج المحاكاة للتنبؤ بأثر التغييرات في تكوين المواد الغذائية، وتقييم جدوى تجهيز المواد الوسيطة البديلة، وتحسين ظروف التشغيل إلى أقصى حد من أجل تغيير مواصفات المنتجات، وهذه المرونة تزداد أهمية في النباتات الكيميائية الحديثة التي يجب أن تتكيف مع ظروف السوق المختلفة وتوافر المواد الوسيطة.

المعالم الأساسية للبرمجيات الحديثة المحاكاة

وتشمل برامج محاكاة العمليات المعاصرة مجموعة شاملة من القدرات التي تهدف إلى معالجة كل جانب من جوانب تصميم وتحليل عملية الفصل، ويساعد فهم هذه السمات المهندسين على اختيار أنسب الأدوات لتطبيقاتها المحددة والاستفادة منها بفعالية.

أرصدة المواد والطاقة الخام

وفي صميم كل عملية من محاكاة العملية، تتمثل القدرة على إجراء حسابات دقيقة لتوازن المواد والطاقة، وتتأكد هذه الحسابات من أن الكتلة والطاقة محجوزة طوال عملية المحاكاة، وتوفر الأساس لتوقعات الأداء الدقيقة، وتتتبع البرامجيات كل عنصر من خلال كل عملية من عمليات الوحدة، وتُمثل التغييرات في المرحلة، وردود الفعل الكيميائية، وعمليات نقل الطاقة.

وتُجري برامجيات هندسية عملية عمليات دقيقة لحسابات التوازن الكتلي والطاقي لمجموعة واسعة من العمليات الصناعية الثابتة، حيث تُعالج كل شيء من حالات الفصل البسيطة التي تتألف من عنصرين إلى نظم معقدة متعددة العناصر تضم عشرات الأنواع، وتحل البرنامج تلقائيا نظام المعادلات التي تمثل العملية، وتُعادل إلى استيفاء معايير التقارب.

النموذج الديناميكي الحراري المتقدم

إن التنبؤ الدقيق بالملكية الحرارية الحيوية تماما بالنسبة لمحاكاة عملية الفصل، ويتوقف سلوك الخلائط أثناء الفصل أساسا على علاقات التوازن بين البخار والبدائل، ومعاملات النشاط، وغير ذلك من الخصائص الدينامية الحرارية التي تختلف بدرجات الحرارة والضغط والتكوين.

وتشمل المحاكاة الحديثة استراتيجية الحد من الفقر، وآلية الصحة الجنسية، وشبكة الموارد الطبيعية، ووحدة التنسيق الوطنية، ووحدة الأمم المتحدة للمراقبة في العراق والكويت، وGERG-2008، وPC-SAFT، والنماذج الأكثر دينامية الحرارية، وتزويد المهندسين بمجموعة أدوات شاملة لنموذج مختلف النظم الكيميائية، واختيار النموذج المناسب لعلم الحرارة أمر حاسم للحصول على نتائج محاكاة موثوقة، ونموذج مختلف يناسب أنواع الخلائط المختلفة.

وبالنسبة للنظم المثالية أو شبه الأيديية، فإن المعادلات البسيطة للدولة مثل بينغ - روبنسون أو صوفي - ريدليك - كوونغ قد تكفي، وبالنسبة للمخاليط السائلة غير الأيديية، فإن نماذج معامل النشاط مثل حزمة السائل NRTL (Non-Random Two-Liquid) أو قاعدة بيانات اليونيكواك (Universal Quasi-Chemical) توفر قدراً أكبر من الدقة.

وتستخدم البرمجيات نهجاً يقوم به مكتب تنسيق شؤون المحيطات وقانون البحار في مجال الهيدروكربونات النموذجية، مما يمكّن مهندسي العمليات من محاكاة المزج والفصل وحتى النظم التفاعلية بدقة، مع وضع هذا النهج الجزيئي نموذجاً دقيقاً لتكوين الهدرات والشمع والألفاتين، وهذا المستوى من التفصيل مهم بوجه خاص بالنسبة لتطبيقات النفط والغاز حيث يجب فصل وتجهيز خلائط الهيدروكربون المعقدة.

المكتبات الشاملة للمعدات

وتشمل محاكاة العمليات مكتبات واسعة النطاق لنماذج عمليات الوحدات التي سبقت التداول، تمثل المجموعة الكاملة من معدات الفصل المستخدمة في النباتات الكيميائية، وتشمل هذه النماذج العلاقات الهندسية الأساسية التي تحكم أداء المعدات، مما يتيح للمهندسين سرعة تجميع التدفقات دون برمجة عمليات فرادى الوحدات من الصفر.

وفيما يتعلق بتطبيقات التصفية، عادة ما يقدم المحاكاة نُهجاً نموذجية متعددة ذات مستويات مختلفة من التصلب، أما مرافق المحاكاة الرئيسية فهي العمود المختصر، وهو ما يفيد في عمليات المحاكاة السريعة والفضائية، وفائدة الأعمدة الكاملة، بالنسبة لعمليات المحاكاة الأكثر أهمية، وتوفر أساليب قصيرة تقديرات سريعة لمعدلات الارتداد الدنيا، والاحتياجات من المرحلة النظرية، وتكوينات حسابية تقريبية، بينما تقدم نماذج دقيقة.

وكثيرا ما تشمل الأدوات نماذج لتحفيز التدفق السائل وظواهر النقل داخل المفاعلات، ومبادلات الحرارة، والمضخات، والضغط، ونظم الأنابيب، وأعمدة التفكيك، والمفرقعات المقسمة في مراحل العمليات، مما يتيح وضع نماذج شاملة لنظم الفصل المتكاملة بما في ذلك جميع المعدات المساعدة.

قدرات تصنيع المعدات وتقييمها

وبالإضافة إلى التنبؤ بالأداء، تشمل أدوات المحاكاة الحديثة القدرة على استخدام المعدات وتقديرها، مما يُسد الفجوة بين تصميم العمليات والتصميم الميكانيكي، وتتيح هذه القدرات للمهندسين تحديد أبعاد المعدات المناسبة، وتقييم القيود الهيدروليكية، وتقييم متطلبات التصميم الميكانيكي.

وبالنسبة لأعمدة التصفية، تحدد عمليات حساب الحجم قطر العمود استنادا إلى معدلات التدفق البخاري والسائل، والممتلكات المادية، وداخليات مختارة، وتقيّم البرامجيات حدود الفيضانات، وانخفاض الضغط، ونسب الخفض لضمان أن يكون العمود قادرا على العمل بفعالية عبر النطاق المتوقع للظروف، وأُدمجت قدرات إضافية في تصميم الهندسة الحرجة للعمليات ومحاكاتها، مثل وضع خطوط الأنابيب، والصمامات والمعدات اللازمة لعمليات وحدات العمليات الرئيسية.

عملية التصور والتحليل

ويمثل تمثيل الطلاءات الطفيفة سمة موحدة للمنشطات الحديثة، مما يتيح للمهندسين تصور التضاريسية وفهم تدفقات المواد والطاقة في لمحة، وهذه الدفاتر التفاعلية تمثل الوصلة الرئيسية لبناء نماذج المحاكاة وتعديلها، مع القدرة على السحب والانتقال لإضافة المعدات والربط بين الجداول.

وبالإضافة إلى التدفقات الثابتة، يوفر العديد من المحاكاين قدرات تصورية دينامية تبين كيف تتغير متغيرات العمليات بمرور الوقت أو استجابة للاضطرابات، وهذا أمر ذو قيمة خاصة بالنسبة لفهم ديناميات العمليات، وتصميم نظم الرقابة، ومشغلي التدريب، وباستخدام التصوير الهيدرولي للتبريد في أسبن زائد وأسبن هايسيز، يكتسب المهندسون بصيرة فريدة من أجل تقييم سرعة تأثير التغييرات في تصميم الطوابق وظروف التشغيل على الأداء.

أدوات تحليل التحسّن والحساسية

(ب) تمكين المهندسين من البحث بصورة منهجية عن ظروف التشغيل المثلى أو معايير التصميم التي تعظيم الأهداف المنشودة مع استيفاء القيود، ويمكن لهذه الأدوات أن تحقق أقصى قدر من معدلات التدفق، ومواقع التغذية، والضغوط التشغيلية، والمتغيرات الأخرى للتقليل إلى أدنى حد من استهلاك الطاقة، أو إلى أقصى حد من نقاء المنتجات، أو تحقيق أهداف أخرى من أهداف الأداء.

وتتيح سمات تحليل الحساسية إجراء تقييم منهجي لكيفية تباين أداء العمليات مع المعايير الرئيسية، ويمكن للمهندسين أن يولدوا مؤامرة تبين العلاقة بين المتغيرات، وأن يحددوا بارامترات حاسمة تؤثر بقوة على الأداء، وأن يفهموا مدى قوة التصميم على التباينات في ظروف التشغيل أو في خصائص التغذية.

تراجع البيانات وتقدير البارامترات

فالأدوات المتقدمة لتراجع البيانات التجريبية تتيح للمستعملين تحويل البيانات التجريبية الخام (بيانات قياسية) إلى البيانات المطلوبة من النماذج المستخدمة في المحاكاة، وهذه القدرة ضرورية عند التعامل مع الخلائط الاصطناعية أو نظم الفصل الجديدة التي قد لا تتوافر فيها بيانات قياسية عن الدينامية الحرارية.

ويمكن أن تلائم روتينات تقدير البارامترات معالم نموذجية للأشعة الحرارية في بيانات التوازن التجريبي للبخار والليبار، بما يكفل أن يمثل المحاكاة بدقة السلوك الفعلي للمخلوط الذي يجري فصله، وهذا أمر مهم بصفة خاصة بالنسبة للنظم غير الأيديية حيث تكون نماذج كفاءة النشاط الدقيقة حاسمة بالنسبة للتنبؤات الموثوقة.

منابر محاكاة عملية التبسيط من أجل تصميم الفصل

ويوفر السوق عدة منابر محاكاة قوية، لكل منها نقاط قوة محددة وتطبيقات مستهدفة، ويساعد فهم المشهد المهندسين على اختيار أنسب الأدوات لاحتياجاتهم.

أسبن زائد وأسبن هيسي

منابر محاكاة (آسبن) للتكنولوجيا من بين أكثر الصناعات استخداماً في صناعات العمليات الكيميائية (أسبن هيسيز) هو برنامج مُلمّح مُجدي جيد جداً يستخدم في ميادين الهندسة الكيميائيّة مثل الخطوط الكيميائية أو المصفاة، وهو برنامج المحاكاة الأكثر استخداماً في جميع أنحاء العالم الذي ييسر مختلف أنواع الحسابات

(أسبين زائد) يُفرّق في المحاكاة الثابتة للعمليات الكيميائية، مع قدرات قوية بشكل خاص على النظم الدينامية الحرارية المعقدة وعمليات الفصل التفاعلي، ويُفضّل المنبر العمليات بتصميم ورسم خرائط وصفات دقيقة، مما يجعلها خياراً مفضلاً لإجراء دراسات هندسية مفصلة.

إن أسبن هايز مشهور بشكل خاص في تطبيقات النفط والغاز، حيث يقدم واجهات غير ملائمة وقدرات قوية لنموذج نظم النفط، الطبيعة التفاعلية للبرنامج تتيح للمهندسين رؤية الأثر الفوري للتغيرات، وتيسير سرعة تصاميم التصميم، وتحقيق الاستخدام الأمثل.

برامج محاكاة عملية التناظر

وتتيح برامجيات محاكاة عملية التناظر فرصة فريدة لنموذج سير العمل في بيئة واحدة، وتكامل المرافق ووحدات العمليات التي بها خطوط أنابيب وشبكات ونجوم نظم الأمان، مع ضمان الاتساق في الديناميات الحرارية والتصفيات المسيلية عبر النظام الكامل، وهذا النهج المتكامل له قيمة خاصة بالنسبة لتطبيقات النفط والغاز في المراحل الأولى حيث يجب أن تكون مرافق الفصل نموذجية في سياق نظم الإنتاج الأوسع نطاقا.

Symmetry software empowers teams across the full life cycle of process modeling—from initial conceptualization to detailed engineering and design, through commissioning and startup and into operations, supporting continuous improvement by helping maximize reliability and availability, reducing emissions and energy consumption, and optimizing economic performance.

CHEMCAD

ويمكِّن المعهد مهندسي العمليات، وأخصائيي الكيمياء في مجال البحث والتطوير، وأفرقة تصميم النباتات في المواد الكيميائية السائبة والتخصصية، والكيماويات، والمستحضرات الصيدلانية، والأغذية والمشروبات - أي عملية تحتاج إلى محاكاة صارمة ومناسبة للتحقق من المفاهيم، والاستخدام الأمثل للطاقة، ومشاريع رأس المال غير المجازفة قبل أن تنفق، ويعرف المنبر عن تفاعله التنافسي السهل الاستعمال وقدراته الشاملة.

ويعد البرنامج مجموعة متكاملة تماما من البرامجيات، حيث أن الوصلات البينية البيانية ترتبط ارتباطا كاملا بمحرك الحساب، مما يوفر تفاعلا لا يبشر بالخير بين تطوير التدفقات البصرية والحسابات الدقيقة، وهذا التكامل يبسط تدفق العمل المحاكاة ويقلل من منحنى التعلم للمستعملين الجدد.

ProSim Software Suite

وتمثل محاكاة العملية الانضباط الرئيسي للهندسة الكيميائية، حيث استخدم خمسة محاكاة بروسيم لتحسين تصميم العمليات وزيادة كفاءة النباتات والحد من تأثيرها على البيئة، وتشمل مجموعة بروسيم أدوات متخصصة لتطبيقات فصل محددة، بما في ذلك عمليات تفكك واستيعاب الدفعة.

ويصمم محاكاة العمليات بحيث يستخدمها غير المتخصصين والمستعملين من حين لآخر، ويسهل تركيبها ونشرها، مما يجعلها متاحة للمنظمات الأصغر أو للمنظمات التي لديها خبرة محدودة في مجال المحاكاة.

بدائل مفتوحة

وبالنسبة للمنظمات التي لديها قيود في الميزانية أو التي تفضل حلولاً مفتوحة المصدر، توجد عدة بدائل قابلة للاستمرار، وهي آلية مبسطة لعملية كيميائية متوافقة مع اتفاقية الأسلحة الكيميائية، ولها وصلة بيانية سهلة الاستعمال مع العديد من السمات التي كانت متاحة سابقاً فقط في محاكاة العمليات الكيميائية التجارية.

وتتكامل اللجنة مع نظام " ChemSep " ، مما يجعله مقدمة كبيرة للطلاب الذين يتعلمون التصفية والانفصال، مما يوفر منبراً متاحاً للتطبيقات التعليمية، وهذه الأدوات المفتوحة المصدر، وإن كانت تفتقر إلى بعض السمات المتقدمة للمنابر التجارية، فإنها توفر قدرة ملحوظة للعديد من تطبيقات تصميم الفصل.

التطبيق العملي: محاكاة كولومين

والاختلال هو أكثر عمليات الفصل شيوعا في النباتات الكيميائية، مما يجعل عمود التصفية محاكاة تطبيقا أساسيا لأدوات محاكاة العمليات، ويوضح فهم تدفق العمل العملي لحفز نظم التصفية المبادئ الأوسع نطاقا المنطبقة على جميع عمليات الفصل.

المجموعة الأولية واختيار العنصر

الخطوة الأولى في أي محاكاة هي تحديد النظام الكيميائي، ويجب على المهندسين تحديد جميع المكونات الموجودة في مجرى التغذية واختيارها من قاعدة بيانات المحفزات، وبدء محاكاة جديدة يتطلب فتح نافذة محاكاة جديدة، ثم اختيار إضافة على قائمة المكونات وتفتيش قاعدة البيانات للعناصر المرغوبة باستخدام حانة البحث.

ويعد اختيار العناصر الدقيقة أمرا بالغ الأهمية، حيث أن الخصائص الدينامية الحرارية لهذه المكونات تشكل الأساس لجميع الحسابات اللاحقة، وبالنسبة للقطع النفطية أو المخلوط المعقدة التي لا يمكن تمثيلها بمكونات خالصة، فإن المحاكاة توفر قدرات لتحديد خصائصها تكون متوافقة مع المقاييس تمثل الخليط باستخدام توزيع المكونات الافتراضية ذات الخصائص المناسبة.

اختيار النموذج الحراري

وبعد تحديد المكونات، يجب على المهندسين اختيار مجموعة مناسبة من الممتلكات الدينامية الحرارية، ويؤثر هذا الاختيار تأثيراً عميقاً على دقة المحاكاة، ويجب أن يستند إلى طبيعة الخليط وظروف التشغيل، واختيار الممتلكات لأغراض محاكاة النظام الإيكولوجي الموحد للإحصاء أمر حاسم للحصول على نتائج موثوقة، مع استخدام برنامج سوائل لتكرار النموذج الحراري، حيث يجب على المستخدم اختيار الطريقة القائمة على نوع المكوّن أو نوع العملية.

وبالنسبة لنظم الهيدروكربون، فإن معادلة الدولة مثل بينغ - روبنسون أو صوفي - ريدليك - كوونغ هي عادة مناسبة، وبالنسبة للنظم القطبية أو غير الأيديية العالية، فإن نماذج مفاعلات النشاط مثل نظام إنتر تي أو مركز الأمم المتحدة المتكامل لبناء السلام في جمهورية أفريقيا الوسطى يوفر قدراً أفضل من الدقة، ويقدم العديد من المحاكاة التوجيه بشأن اختيار مجموعة الممتلكات استناداً إلى المكونات وظروف التشغيل المحددة.

التصفية القصيرة للتقديرات الأولية

والغرض الرئيسي من التحلل المختصر هو السماح للمستعملين بإجراء تقدير أولي لمقتضيات أداء نظام معين بالنسبة لنسبة محددة من التدفق، مع استخدام القيم المجمعة من مرفق التفكيك المختصر للمساعدة عند إنشاء صلاحية التصفية الكاملة أو عند محاولة إيجاد ممتلكات معقولة من الأعمدة للسماح للنظام بالتقريب.

تتطلب أساليب الإقصر تحديد المكونات الرئيسية (المفتاح الخفيف والمفتاح الثقيل)، والاستردادات أو النقاءات المطلوبة، والضغوط التشغيلية، ثم يحسب المحفز الحد الأدنى من نسبة التدفق، والحد الأدنى من المراحل، ويقدم تقديرات للمراحل الفعلية المطلوبة لنسبة التدفق، واستنادا إلى نقطة الانقطاع المحددة تماما إلى وحدة الفصل المختصر، تشمل النتائج توزيعا كاملا وضغوط النسيج المستخدمة في درجات الحرارة،

محاكاة كولومن

وفيما يتعلق بالتصميم التفصيلي، يستخدم المهندسون نماذج صارمة للتحلل تُحسب لحسابات أجزاء الأشعة أو التعبئة، ويمكن استخدام عمود التصفية الموحد لإجراء محاكاة أكثر صرامة من تلك التي يوفرها العمود المختصر، مع استخدام العمود المختصر كأول تحليل للمرور، وحسابات المواصفات هذه المستخدمة كنقطة بداية للعمود المعياري.

وتتطلب النماذج الجاهزة تحديد تشكيل العمود بما في ذلك عدد المراحل، وموقع مرحلة التغذية، ونوع المكثف (المجموع أو الجزئي)، والضغوط التشغيلية، ونسبة التدفق أو مواصفات المنتجات، وتشمل الخطوات الرئيسية وضع عمود التجزئة إلى جانب مجاري التغذوية والتنثر والقاع، وتحديد تشكيل الأعمدة بما في ذلك المكثفات الإجمالية، والضغوط، وعدد الأماكن، وصك الطب.

وعند تحديد عمود التصفية في بيئة محاكاة نظام هيس، يجب أن تحدد الضغط التشغيلي وأي قطرات ضغط، وإذا ما كان تشغيل محاكاة للشبكة للحصول على تقدير أولي للتكوينات ومعدلات التدفق، فمن المعتاد أن تفترض الضغوط في العمود باستمرار.

التقارب والاضطرابات

وتشمل محاكاة عمود التصفية حل النظم المعقدة للمعادلات غير الخطية، التي يمكن أن تطرح أحيانا تحديات التقارب، ويجب على المهندسين فهم قضايا التقارب واستراتيجيات التسوية المشتركة، ويمكن أن يحول ضعف التقديرات الأولية، أو المواصفات غير الملائمة، أو عدم الاتساق الحراري دون التقارب.

ومن شأن استخدام النتائج من الحسابات القصيرة كتقديرات أولية لعمليات المحاكاة الصارمة أن يحسن كثيرا من موثوقية التقارب، وبالإضافة إلى ذلك، فإن التطرق تدريجيا للمواصفات النهائية من خلال سلسلة من الحالات الوسيطة يمكن أن يساعد على تحقيق التقارب في حالات الانفصال الصعبة.

تحليل النتائج وتحقيق الاستخدام الأمثل

وبمجرد أن تحلل المراكب المحاكاة، يقوم المهندسون بتحليل النتائج للتحقق من استيفاء المواصفات وتحديد الفرص لتحقيق الاستخدام الأمثل، ومن شأن زيادة نسبة التدفق أن تقلل من مجموع عدد المراحل المطلوبة، ولكنها ستزيد من تكاليف الفائدة بالنسبة للعمود، ومن ثم ينبغي توخي عناية خاصة لتحقيق التوازن بين رأس المال وتكاليف التشغيل.

وعند بدء محاكاة جديدة في عمود التحلل داخل النظام المنسق عالمياً للتنوع البيولوجي، من الجيد حساب نسبة التدفق الدنيا لإسداء المشورة بشأن تحديد نسبة التدفق، مع حساب الحد الأدنى لنسبة التدفق باستخدام مخطط ماكابي - تيلي، ووفقاً لـ تولر، ينبغي استخدام نسبة التدفق البالغة 1.15 مرة كحد أدنى من نسبة التدفق كحد أقصى.

إدماج عملية المحاكاة مع تدفق أعمال التصميم العام

وتتحقق القيمة القصوى من محاكاة العمليات عندما تدمج بالكامل في تدفق العمل على تصميم الهندسة الأوسع نطاقا، مع تبادل البيانات غير المتناغم بين أدوات المحاكاة وغيرها من نظم البرامجيات الهندسية.

إدماج المعدات في تصميمات

وتوفر محاكاة العمليات مواصفات الأداء وتجميع المعلومات اللازمة للتصميم الميكانيكي المفصل في نظم إدارة النفايات، وتقليص الظروف، وأبعاد المعدات، وأحجام الأزياء، والبيانات الأخرى المستمدة من المحفز تتدفق مباشرة إلى برامج تصميم محطات ثلاثية الأبعاد، بما يكفل الاتساق بين تصميم العمليات والتصميم الميكانيكي.

ويقضي هذا التكامل على نقل البيانات يدويا، ويقلل من الأخطاء، ويعجل بعملية التصميم، وعندما تتغير ظروف العمليات أثناء وضع التصميم، تروج نتائج المحاكاة المستكملة تلقائيا إلى أدوات التصميم في المراحل النهائية، مع الحفاظ على المواءمة بين جميع التخصصات الهندسية.

تصميم نظام المراقبة والتحكيم الديناميكي

وفي حين أن المحاكاة الثابتة للدولة تعالج ظروف التشغيل العادية، فإن المحاكاة الدينامية توسع نطاق التحليل ليشمل السلوك المتنقل، وإجراءات البدء والإغلاق، والاستجابة لنظام المراقبة، فالنماذج الدينامية التي تُبنى من المحاكاة الثابتة للدولة تمكّن مهندسي المراقبة من تصميم حلقات مراقبة اللحوم وتقييم استراتيجيات الرقابة والتنبؤ باستجابة النظم للاضطرابات.

ويمكن نشر حلول محفزات مدربة على المشغلين موثوق بها وقابلة للاستمرار، وذلك في وقت أقرب باستخدام المحاكاة الدينامية، التي يثق فيها على دقتها، وتوفر محاكاة تدريب المشغلين هذه بيئات واقعية لتدريب العاملين في المصانع دون المخاطرة بالمعدات أو الإنتاج الفعليين.

تقدير التكاليف والتحليل الاقتصادي

وتغذي نتائج المحاكاة مباشرة أدوات تقدير التكاليف، مما يتيح التطوير السريع لتقديرات رأس المال وتكاليف التشغيل، وتحدد أحجام المعدات من المحفز تكاليف المعدات، بينما تقدم حسابات استهلاك المرافق تقديرات تكاليف التشغيل، ويمكن للهيئة الحكومية الدولية المعنية بالتنمية أن تؤدي تكاليف المعدات، مع ذلك، كما هو الحال بالنسبة لأغلى تقدير للتكاليف، فإن الإجابات التي تُنتج أكثر فائدة بكثير بوصفها أداة للمسار الأول أو أداة للمقارنة من كونها أداة فعلية للميزنة.

وتستخدم الدراسات المتعلقة بالتفاؤل الاقتصادي المحاكاة لتقييم المفاضلات بين رأس المال وتكاليف التشغيل، وتحديد التصميمات التي تقلل من التكلفة الإجمالية للملكية على دورة حياة النباتات، ويكشف تحليل الحساسية عن البارامترات التي تؤثر بشدة على الاقتصاد، والتركيز على تصميم الجهود الرامية إلى تحقيق الاستخدام الأمثل.

تصميم نظام السلامة والإغاثة

ولتمكين التخفيف من مخاطر الارتحال والمخاطر التشغيلية، توفر برامجيات التناظر مجموعة كاملة من أدوات تصميم نظام الطحين والإغاثة التي تمكن المستعملين من التحقق من أداء نظم الأمان بأكملها، وتتيح عملية المحاكاة تقييم السيناريوهات الأسوأ، وتحديد حمولات الإغاثة، وترسيخ نظم الأمان لحماية المعدات والأفراد.

والمحاكاة الدينامية قيمة بوجه خاص لتحليل السلامة، حيث يمكن أن تُمثل الظروف العابرة التي تحدث أثناء السيناريوهات المُستاءة، وهذه القدرة تضمن أن تكون نظم الإغاثة مُصمَّمة بشكل سليم لسلوك دينامي فعلي وليس افتراضات ثابتة محافظة.

معايير تبادل البيانات وإمكانية التشغيل المتبادل

وتيسر معايير الصناعة مثل نظام CAPE-OPEN التشغيل المتبادل بين مختلف منابر المحاكاة وأدوات الأطراف الثالثة، وتشمل خصائص CAPE-OPEN Thermo 1.0/1.1.1-1، وسائط حزم الممتلكات، وTrmo.1-1، وخدمة الممتلكات، ووحدة دعم عمليات التسلسل والدفاعات، مما يمكّن المهندسين من استخدام نماذج تشغيلية متخصصة أو مجموعات من المنتجات ذات الطابع الحراري من مختلف البيئات التي يبيع فيها.

وهذه قابلية التشغيل المتبادل قيمة بوجه خاص عند التعامل مع تكنولوجيات الفصل بين الممتلكات أو المعدات المتخصصة التي قد لا تكون ممثلة تمثيلا كافيا في مكتبات المحاكاة القياسية، ويمكن للزناحف أن تقدم نماذج متوافقة مع معداتها التي تدمج بلاسقة مع منابر المحاكاة الرئيسية.

تقنيات محاكاة متقدمة للفصل بين الشركات

وبالإضافة إلى التحلل التقليدي، تعالج أدوات المحاكاة الحديثة تحديات الفصل المتزايدة التعقيد، بما في ذلك نظم الغشاء، وعمليات الاستيعاب، وخطط الفصل الهجين.

Membrane Separation Modeling

وجرى استعراض محاكاة أحدث ما حدث من حيث الاختراق، والتفكك في الغشاء، وتركيب الأمبراني، ومفاعلات الغشاء، وفصل الغازات القائمة على الغشاء مع التركيز بوجه خاص على احتجاز ثاني أكسيد الكربون، مع استعراض مناقشة التطبيقات المفتوحة المصدر والتطبيقات المتقدمة تجاريا، إلى جانب التحديات والتوقعات.

وتؤدي النماذج الرياضية الدقيقة والموثوق بها دوراً رئيسياً في تصميم نظام الخرافات، مع محاكاة تتيح تقييم الاحتياجات من المناطق الوسيطة، والتكوينات المتكررة، واستهلاك الطاقة لأغراض الفصل عن طريق الغشاء، وتمثل هذه النماذج آليات نقل فريدة في شكل نماذج، بما في ذلك نماذج التفاؤل والتدفق القطبي.

عملية محاكاة الاستيعاب

ويمكن أن تؤدي برامجيات المحاكاة الدينامية لأعمدة الاستيعاب إلى نموذج خطى الاستيعاب وإعادة التجديد (الوكالة الدولية لتصنيف المواد الكيميائية ووكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الأوروبية (VTSA)) إلى إجراء تحليل شامل لعمليات الاستيعاب الدورية، وتتوقع هذه المحاكاة منحنىات منافذ الاختراق، واحتياجات التجديد، والأداء العام لفصل الضغط من أجل الامتصاص المؤقت، والامتصاص المتأرجح بدرجة الحرارة، والفصلات الأخرى القائمة على الاستيعاب.

وتتطلب الطبيعة الدينامية لعمليات الاستيعاب قدرات محاكاة معتمدة على الزمن تتبع حركة جبهات التركيز عبر السرير المُحتسب والتنبؤ بها عند حدوث انفراج، وهذه المعلومات حاسمة في تصغير الأسرار المخصصة وتصميم دورات التجديد.

نظم الفصل التفاعلي

ويجمع التفكك التفاعلي وغيره من عمليات الفصل التفاعلي بين التفاعل والفصل في وحدة واحدة، مما يوفر مزايا كبيرة للرد على ردود الفعل المحدودة التوازن، ويمكن استخدام المحاكاة العملية لوضع نماذج لعمليات التصفية التفاعلية، مع وجود توازن ثابت في ردود الفعل يقدر عن طريق نمذجة مفاعل التوازن.

ويجب أن تحل هذه المحاكاة في آن واحد علاقات تفاعلية أو علاقات توازنية إلى جانب التوازن بين البواب والليبار والتحول الجماعي، مما يخلق تحديات معقدة في مجال النماذج، وأن تتناول نماذج التداول التفاعلي المتخصصة في المحاكيين التجاريين هذه التعقيدات، مما يمكّن المهندسين من تصميم هذه العمليات المتكاملة وتحقيق الحد الأمثل لها.

Distillive and Azeotropic Distillation

وعندما لا يمكن أن يحقق التفكك التقليدي حالات الانفصال المرغوب فيها بسبب تكوين الأزيتروبول أو نقاط الغليان المغلقة، قد يلزم تفكك الاستخراج باستخدام تمزق مذيب أو زائي مع متدرب، كما أن العزلة ضرورية لهذه العمليات، بوصفها اختيارا مذيبا، ونسبة مذيبة إلى مأمن، وتؤثر تشكيلة الأعمدة تأثيرا قويا على الأداء والاقتصاد.

واختيار النموذج الحراري حيوي بصفة خاصة لهذه التطبيقات، حيث إن التنبؤ الدقيق بأثر المذيب أو المتدرب على التوازن السائل بالبخار أمر أساسي، وعادة ما تكون هناك حاجة إلى نماذج مُعاملة للنشاط مثل نظام رصد الأرض أو نظام الأمم المتحدة المتكامل لبناء القدرات في مجال التكنولوجيا، مع تراجع البارامترات من البيانات التجريبية عندما تكون القيم الأدبية غير متاحة.

التقييم والمعايرة النموذجية

ولا يعد المحاكاة إلا جيدة كما هو الحال بالنسبة للنماذج والبيانات التي تستند إليها، فالتقييد ضد البيانات التجريبية أو البيانات النباتية أمر أساسي لضمان أن توفر المحاكاة التنبؤات الموثوقة.

بيانات تجريبية عن التقييم النموذجي

وبالنسبة لعمليات الفصل الجديدة أو المزائج الجديدة، توفر البيانات المختبرية أو التجريبية على نطاق تجريبي الأساس للتحقق من النموذج، ويقارن المهندسون التنبؤات المحاكاة بالبيانات المقاسة للمتغيرات الرئيسية مثل تركيبات المنتجات، ودرجات الحرارة، واستهلاك الطاقة، وتشير الاختلافات بين المحاكاة والتجارب إلى الحاجة إلى صقل النموذج أو تعديل البارامترات.

وتتحقق نماذج تتطابق مع الواقع من خلال معايرة تلك النماذج إلى بيانات عن النباتات لتحسين التصميم وإعادة تجديدها مع فهم العمليات من خلال التحقق من صحة البيانات التاريخية، وتُعدِّل عملية المعايرة هذه المعايير النموذجية ضمن نطاقات معقولة مادياً لتحقيق أفضل المواءمة بين المحاكاة والواقع.

تسوية البيانات المتعلقة بالنباتات

وبالنسبة للمرافق القائمة، توفر بيانات التشغيل النباتية معلومات قيمة لتثبيت نماذج المحاكاة ومقارنة هذه النماذج، ويمكن مقارنة نتائج المحاكاة الثابتة بالدولة بارامترات التشغيل الفعلية للمصافي، بما في ذلك منحنىات تجريبية للمنتجات المختلفة، وتدفق المنتجات المحسَّنة، ودرجة حرارة صناع المنتجات، مع نتائج المحاكاة التي تبين وجود اتفاق جيد مع منحنىات مختبرية للمنتجات.

وتستخدم تقنيات تسوية البيانات قياسات النباتات لتعديل نماذج المحاكاة، محاسبة لأخطاء القياس والمتغيرات غير المقومة، ويوفر النموذج المطابق تمثيلا متسقا لأداء النبات يحترم قوانين الحفظ ويطابق القياسات المتاحة بأكبر قدر ممكن.

تحليل الاختلال

وتنطوي جميع المحاكاة على أوجه عدم التيقن الناشئة عن القيود على النموذج الحراري، وأخطاء تقدير البارامترات، وتبسيط الافتراضات، ويساعد تحديد كمية هذه الشكوك المهندسين على فهم موثوقية التنبؤات المحاكاة واتخاذ قرارات تصميم متحفظة على النحو المناسب.

ويقيِّم محاكاة مونت كارلو وغيرها من تقنيات نشر الشكوك مدى تأثير عدم اليقين في بارامترات المدخلات على الأداء المتوقع، ويحدد هذا التحليل المعايير التي تؤثر بشدة على النتائج، وحيث تؤدي البيانات التجريبية الإضافية إلى تحسين دقة التنبؤ.

أفضل الممارسات في مجال التعبئة الفعالة

ويتطلب النجاح في تطبيق محاكاة العمليات أكثر من مجرد كفاءة البرامجيات، فبعد الممارسات الفضلى المتبعة تكفل أن توفر المحاكاة نتائج موثوقة ومفيدة تدعم القرارات الهندسية السليمة.

بدء بسيط وإضافة تعقيد تدريجي

والبدء في نماذج مبسطة وإضافة تفاصيل تدريجيا حسب الحاجة هو أكثر فعالية عموما من محاولة بناء نموذج مفصل تماما منذ البداية، ويزداد سهولة استخدام النماذج البسيطة، ويوفر نظرة ثاقبة على السلوك الأساسي، ويتخذ أساسا لتمثيلات أكثر تعقيدا.

وقد يعني هذا، بالنسبة للتحلل، البدء في حساب مختصر، ثم الانتقال إلى نموذج صارم لمرحلة التوازن، وأخيرا إضافة ربطات الكفاءة في الصينية وحسابات الهيدروليكية، وينبغي التحقق من كل مستوى من التعقيد قبل الانتقال إلى المرحلة التالية.

التصديق على النموذج الترمودينامي

إن مجموعة الممتلكات الدينامية الحرارية هي أساس أي محاكاة منفصلة، وينبغي للمهندسين التحقق من أن النموذج المختار مناسب للمزيج والظروف التي يجري محاكاتها، كما أن مقارنة الممتلكات المتوقعة بالبيانات التجريبية أو القيم الأدبية تساعد على تأكيد صحة النموذج.

وبالنسبة للمخاليط التي تحتوي على مكونات القطبية وغير القطبية، أو النظم التي تعمل في ظروف حرجة، فإن توفير رعاية خاصة في اختيار النموذج الحراري أمر أساسي، وعندما يثبت عدم كفاية النماذج القياسية، قد يكون من الضروري وضع نماذج قياسية ذات بارامترات متراجعة.

ثانيا - الاستهلاك والحدود

وكل محاكاة تنطوي على افتراضات وتبسيطات، ومن الواضح أن توثيق هذه النتائج يكفل فهم المستخدمين لنتائج المحاكاة للقيود التي يفرضها وإمكانية تطبيقه، ومن الافتراضات الرئيسية التي تُفترض في الوثيقة اختيار النموذج الحراري، وعوامل الكفاءة، والارتباطات بين انخفاض الضغط، وأي معايير ثابتة.

وهذه الوثائق مهمة بصفة خاصة عندما تستخدم نماذج المحاكاة على فترات مطولة أو بواسطة مهندسين متعددين، وتمنع الوثائق الواضحة من اختلاس النماذج خارج نطاقها المصادق عليه وتيسر تحديث النماذج مع توافر معلومات جديدة.

دراسات الحساسية

ويُفهم كيف تتباين نتائج المحاكاة مع المعايير الرئيسية، ويُظهر التبصر في سلوك العمليات ويحدد متغيرات التصميم الحاسمة، وتكشف دراسات الحساسية عن المعايير التي تؤثر بشدة على الأداء، وتسترشد بها في تحديد المجالات التي ينبغي أن تركز فيها جهود التصميم على الوجه الأمثل، وحيثما قد تكون هناك حاجة إلى مواصفات أكثر تشددا.

وبالنسبة لعمليات الفصل، تقيِّم دراسات الحساسية النموذجية أثر تغيرات تكوين التغذية، والتغيرات في ضغط التشغيل أو درجة الحرارة، والتفاوتات في نسبة التدفق أو المتغيرات الأخرى المتلاعبة، وتسترشد هذه الدراسات بتصميم نظام تحديد المظاريف التشغيلية ومراقبتها.

Validate Against Multiple Data Sources

فالاستناد إلى نقطة بيانات واحدة أو إلى حالة تشغيلية للتحقق من صحة النموذج يوفر ثقة محدودة في الدقة النموذجية، ويدل التقييم على ظروف التشغيل المتعددة، أو تركيبات مختلفة للتغذية، أو مختلف معدلات النواتج على أن النموذج يستوعب الفيزياء الأساسية بدلا من مجرد وضع نقطة بيانات واحدة.

وعندما تتوافر بيانات النبات في ظروف تشغيل متعددة، فإن مقارنة التنبؤات المحاكاة عبر هذا النطاق توفر التحقق القوي من صحة البيانات، وقد تكشف أوجه التباين في بعض الظروف عن وجود قيود نموذجية أو تشير إلى أخطاء قياسية في بيانات المصنع.

التدريب وتنمية المهارات

استخدام أدوات محاكاة العمليات يتطلب مهارات خاصة بكل برنامج ومعارف هندسية كيميائية أساسية المنظمات التي تستثمر في تكنولوجيا المحاكاة يجب أن تستثمر أيضا في تطوير قدرات مهندسيها

برامج التدريب على البرامج الحاسوبية

ويميل المستعملون الذين يحاكيون القراءة والكتابة إلى استيلاء على الأساسيات بسرعة كبيرة (1-2 أسابيع مستمرة، و 5-6 أسابيع غير متكررة)، في حين أن أولئك الجدد إلى المحاكاة يميلون إلى أن يأخذوا وقتا أطول بكثير دون التدريب، على الرغم من أن مستعملي التدريب يمكن أن يبدأوا في وضع نماذج مفيدة بمجرد عودتهم إلى مكان العمل، لأن الدورات التدريبية أقل توجها نحو التطرف وأكثر توجها نحو الأساليب.

وتتيح الدورات التدريبية التي يقدمها البائعون إدخال برامجيات محاكاة منظمة تغطي العمليات الأساسية والملامح المتقدمة، وتجمع هذه الدورات عادة بين المحاضرات المتعلقة بأساسيات المحاكاة والتمرينات العملية باستخدام دراسات حالة واقعية، وتكمل التدريب الرسمي على الإنترنت، ودروس الإنترنت، ومنتديات المستعملين، وتوفر فرص التعلم الجارية.

المعارف الهندسية الأساسية

ولا يكفي توفير البرمجيات وحدها لأغراض المحاكاة الفعالة، ويجب على المهندسين أن يفهموا المبادئ الأساسية للهندسة الكيميائية التي تحكم عمليات الفصل، بما في ذلك الديناميات الحرارية، والنقل الجماعي، وميكانيكيات السوائل، ونقل الحرارة، وهذه المعارف الأساسية تمكن المهندسين من الاعتراف عندما تكون نتائج المحاكاة غير معقولة من الناحية المادية، واختيار النماذج المناسبة، ومسائل التقارب بين الاضطرابات.

كما أن فهم القيود والافتراضات المتعلقة بمختلف نُهج النماذج أمر مهم بنفس القدر، وينبغي للمهندسين أن يعرفوا متى تكون أساليب تقصير كافية مقابل النماذج الدقيقة اللازمة، وكيفية تفسير النتائج في ضوء الافتراضات النموذجية.

التعلم المستمر والمشاركة المجتمعية

ولا تزال تكنولوجيا محاكاة العمليات تتطور، مع توافر قدرات جديدة، وتحسين النماذج، وتعزيز سمات التكامل بانتظام، ويتطلب البقاء في الوقت الراهن التعلم المستمر من خلال المؤتمرات التقنية، واجتماعات مجموعات المستعملين، ودورات التطوير المهني.

والمشاركة مع مجتمع المحاكاة الأوسع من خلال المنتديات، ومجموعات المستخدمين، والمجتمعات المهنية توفر إمكانية الحصول على الخبرات الجماعية وأفضل الممارسات، والتعلم من نجاحات الآخرين والتحديات التي تواجههم يعجل بتنمية المهارات ويساعد على تجنب المصاعب المشتركة.

الاتجاهات المستقبلية في عملية المحاكاة

وتواصل تكنولوجيا محاكاة العمليات التقدم، حيث تتجه عدة اتجاهات ناشئة إلى زيادة تعزيز القدرات وتوسيع نطاق التطبيقات.

التوابع الرقمية والتفعيل الفعلي

وتوسّع التكنولوجيا الرقمية التوأمة محاكاة العمليات إلى المجال التشغيلي، مما يُحدث باستمرار بيانات افتراضية عن محطات التشغيل، وتدمج هذه التوأم الرقمية بيانات عن النباتات في الوقت الحقيقي مع نماذج المحاكاة، مما يتيح تحقيق الاستخدام الأمثل على الإنترنت، والصيانة المتوقعة، ومراقبة العمليات المتقدمة.

وبالنسبة لعمليات الفصل، يمكن للتوأم الرقمي أن يُحسّن عمليات العمود استجابة لظروف التغذية المتغيرة، والتنبؤ عند الحاجة إلى التنظيف أو الصيانة، وتحديد الفرص المتاحة لتحقيق وفورات في الطاقة، ويُنشئ إدماج المحاكاة مع نظم بيانات النباتات أدوات قوية للتفوق التشغيلي.

ماكين للتعلم والاستخبارات الفنية

وقد بدأت تقنيات التعلم في مجال الآلات تكملة لنهج المحاكاة التقليدية، لا سيما بالنسبة للنظم المعقدة التي يصعب فيها تطوير نماذج المبادئ الأولى أو استخدامها في حساب التكلفة، كما أن النماذج الهجينة التي تجمع المحاكاة الفيزيائية مع التعلم الآلاتي الذي يحرك البيانات تتيح إمكانية تحسين الدقة والكفاءة الحسابية.

ويمكن أن تستكشف الخوارزميات ذات القدرة العالية من قبل الأجهزة الأنثوية أماكن تصميم أكثر كفاءة من الأساليب التقليدية، مع تحديد أفضل التشكيلات التي قد تفتقدها النهج التقليدية، وهذه التقنيات قيمة بوجه خاص بالنسبة لشبكات الفصل المعقدة التي لها متغيرات تفاعلية كثيرة.

محاكاة وتعاون مزودين بأجهزة السحاب

ويمكِّن حساب السحاب من وضع نماذج جديدة لمحاكاة العمليات، مع وجود وصلات بينية قائمة على المروج، وموارد حاسوبية قابلة للتقدير، وتعزيز قدرات التعاون، ويوفر البرمجيات المتماثلة ميزة تنافسية إضافية عن طريق الاستفادة من من منصة ديلفي الرقمية، مما يدل على الاتجاه نحو بيئات المحاكاة التي يمكن أن تُستخدم في السحب.

وتيسر البرامج القائمة على السحاب التعاون بين الأفرقة الموزعة جغرافيا، وتوفر إمكانية الحصول على موارد حاسوبية قوية دون استثمار في الهياكل الأساسية المحلية، وتتيح التكامل السلس مع الأدوات الهندسية الأخرى القائمة على السحب، وهذه القدرات ذات قيمة خاصة بالنسبة للمنظمات الهندسية العالمية والشركات الأصغر التي لا توجد بها هياكل أساسية واسعة لتكنولوجيا المعلومات.

الاستدامة والتحليل البيئي

ويقود التركيز المتزايد على الاستدامة تطوير قدرات المحاكاة لتقييم الأثر البيئي، وتحليل آثار الكربون، وتطبيقات الاقتصاد الدائري، ويتزايد إدماج المحاكيين الحديثي العهدين لأدوات لتقييم انبعاثات غازات الدفيئة، واستهلاك المياه، وتوليد النفايات، وغير ذلك من القياسات البيئية.

وفيما يتعلق بعمليات الفصل، تمكن هذه القدرات المهندسين من تقييم الآثار البيئية المترتبة على خيارات التصميم، وتحديد الفرص المتاحة لتقليل النفايات إلى أدنى حد، وتحقيق أفضل العمليات بالنسبة للأداء الاقتصادي والبيئي على حد سواء، ويتيح تقييم دورة الحياة إجراء تقييم شامل للآثار البيئية الناجمة عن استخراج المواد الخام من خلال التخلص من المنتجات.

دراسات الحالات: أثر المحاكاة على المشاريع الحقيقية

ويدل فحص تطبيقات العالم الحقيقي على القيمة الملموسة التي تُنجزها عملية المحاكاة في تصميم العمليات الفاصلة وتحقيق أفضل قدر من المشاريع.

مُستوصف مُستشف من مُستعمرات لزيادة القدرة على

وقد بنيت مؤسسة " الاعتماد " ، وهي تجمع هندي، نموذجا داخليا لنموذج " أسبن زائد " من أجل إعادة تجديد عمود التحلل، مما أدى إلى زيادة الإنتاج بمقدار 2.4 مليون دولار في السنة، وتبين هذه الحالة كيف يمكن المحاكاة تحديد الاختناقات وتقييم خيارات التجديد لزيادة القدرات دون استثمار رأسمالي كبير.

وقد أتاح نموذج المحاكاة للمهندسين تقييم مختلف استراتيجيات التشغيل، وتقييم أثر التعديلات الداخلية، والتنبؤ بالأداء بزيادة الناتج، وقد أدى هذا النهج القائم على التحليل إلى التقليل إلى أدنى حد من المخاطر وضمان تحقيق الانتعاش للمنافع المتوقعة.

وحدة التخلص من الذخائر

وكان تحديد نسب التمزيق وتحليل الأداء باستخدام بيانات النبات الفعلية لزيادة القدرة التشغيلية من الأهداف الرئيسية، حيث أن هذا العمل يساعد على تحسينه لأنه يمكن تطبيقه على إدارة نسب المزلاجات للحصول على جودة المنتجات المرغوبة، مما مكّن وحدة وحدة مكافحة التصحر من العمل بكامل طاقتها، مع تحديد نتائج التحقق التي تبين النظام على نحو مثالي بنسب الخلط.

ويبيّن هذا التطبيق كيف يمكن لنماذج المحاكاة المصدق عليها أن تمكّن المصافي من تحقيق أفضل استراتيجيات الخلط الخام، وتحقيق أقصى قدر من النواتج، وضمان استيفاء المواصفات المتعلقة بنوعية المنتجات، وقدرة هذه المواصفات على تقييم مختلف المزيجات الخام بسرعة توفر المرونة التشغيلية والقيمة الاقتصادية.

تحسين كفاءة الطاقة

وقد استخدمت مرافق عديدة المحاكاة لتحديد وتنفيذ تحسينات في كفاءة الطاقة في نظم الفصل بين الموظفين، ومن خلال نماذج فرص التكامل الحر، وتحسين ظروف التشغيل إلى أقصى حد، وتقييم تكنولوجيات الفصل المتقدمة، حقق المهندسون تخفيضات كبيرة في استهلاك الطاقة والتكاليف المرتبطة بها.

وتنطوي هذه المشاريع عادة على تحليل مفصل للطاقة باستخدام المحاكاة لتحديد الفوائد التي تعود بها التعديلات المقترحة كميا، وضمان أن تحقق الاستثمارات في تحسين الكفاءة عائدات جذابة، وتوفِّر المحاكاة الثقة بأن التعديلات ستُجرى على النحو المتوقع قبل الالتزام برأس المال.

التغلب على التحديات المشتركة في مجال المحاكاة

وفي حين أن محاكاة العمليات توفر فوائد هائلة، كثيرا ما يواجه المهندسون تحديات يجب التصدي لها من أجل التطبيق الناجح.

الصعوبات المصادفة

ويمكن أن تشكل نظم الفصل المعقدة التي تدور مسارات جديدة أو أعمدة متعددة أو مواصفات ضيقة تحديات في التقارب، وتشمل النهج المنهجية المتبعة في معالجة قضايا التقارب تبسيط مسار التدفقات وتحسين التقديرات الأولية وتعديل التقاربات، واستخدام استراتيجيات حل متتابعة ذات توجهات معادلة.

ففهم الخوارزميات الرياضية التي يستخدمها المحفز يساعد المهندسين على تشخيص مشاكل التقارب واختيار استراتيجيات حل مناسبة، وفي بعض الأحيان، يمكن أن يؤدي إصلاح المشكلة أو تغيير المواصفات إلى تحويل مشكلة تقارب صعبة إلى مشكلة صعبة.

توافر البيانات ونوعيتها

ويتطلب المحاكاة الدقيقة بيانات دينامية حرارية موثوقة، ومعلومات عن الممتلكات المادية، وربط أداء المعدات، وقد لا تكون هذه البيانات متاحة بسهولة بالنسبة للمجمعات الجديدة أو المخلوطات الجاهزة، مما يتطلب قياسا تجريبيا أو تقديرا باستخدام أساليب المساهمة الجماعية.

ويمكن أن تؤدي المسائل المتعلقة بنوعية البيانات في قياسات النباتات إلى تعقيد عملية التحقق من صحة النماذج، إذ تؤدي أخطاء القياس والسيرج غير المقاس إلى وجود تناقضات بين بيانات المحاكاة والنباتات التي يجب تحليلها بعناية لتمييز أوجه القصور النموذجية عن مسائل جودة البيانات.

التعقد النموذجي

ولا تكون النماذج الأكثر تفصيلا أفضل دائما، فالتعقيد المفرط يمكن أن يحجب السلوك الأساسي، ويخلق صعوبات في التقارب، ويحتاج إلى بيانات قد لا تكون متاحة، ويجب على المهندسين أن يوازنوا بين الرغبة في التمثيل المفصل في ضوء الاعتبارات العملية لتوافر البيانات والموارد الحاسوبية والجداول الزمنية للمشاريع.

ويتوقف المستوى المناسب من التعقيدات النموذجية على التطبيق، ويمكن أن تُقدَّم دراسات التصميم المفاهيمي على نحو ملائم نماذج مبسطة، في حين أن هندسة مفصلة للمعدات الحرجة قد تبرر وضع نماذج دقيقة مع التحقق على نطاق واسع.

خاتمة

وقد أدى إدماج أدوات محاكاة العمليات في تصميم عمليات الفصل إلى إحداث تحول جوهري في الممارسة الهندسية الكيميائية، وهذه المنابر القوية تمكن المهندسين من تصميم نظم فصل أكثر كفاءة وموثوقية وفعالية من حيث التكلفة، مع الحد من مخاطر المشاريع وتسريع الأطر الإنمائية، ومن التطوير الأولي للمفهوم من خلال الهندسة المفصّلة وإلى الاستخدام الأمثل للعمليات، توفر المحاكاة أفكاراً قيّمة يمكن الحصول عليها من خلال الأساليب التقليدية.

ويتطلب النجاح في محاكاة العمليات أكثر من كفاءة البرامجيات - يتطلب معرفة هندسية أساسية صلبة، وإيلاء اهتمام دقيق لاختيار النموذج الحراري والتحقق منه، والتطبيق المنهجي لأفضل الممارسات، وتتحقق المنظمات التي تستثمر في تكنولوجيا المحاكاة والتدريب على المهندسين معا عائدات كبيرة من خلال تحسين التصميمات، وتخفيض التكاليف، وتعزيز الأداء التشغيلي.

ومع استمرار تطور تكنولوجيا المحاكاة مع التوأم الرقمي، والاستخبارات الاصطناعية، والحساب السحابي، وتعزيز قدرات تحليل الاستدامة، فإن دورها في تصميم عملية الفصل لن ينمو إلا، وسيكون المهندسون الذين يتحلون بهذه الأدوات ويبقون حاليا مع القدرات الناشئة مؤهلين بشكل جيد للتصدي للتحديات المتزايدة التعقيد التي تواجه قطاعي العمليات الكيميائية.

وبالنسبة لمن يسعون إلى تعميق فهمهم لمحاكاة العمليات وتصميمها لفصل الخدمة، فإن هناك موارد عديدة متاحة، كما أن المعهد الأمريكي لمهندسي المواد الكيميائية (AIChE) يوفر الموارد التقنية والمؤتمرات وفرص التطوير المهني التي تركز على محاكاة العمليات وتكنولوجيا الفصل، إضافة إلى ذلك يوفر دراسات الحالات العلمية [التطبيقات الأكاديمية للزبائعين: 3].