محاكاة العملية

تُستخدم محاكاة العمليات لتصميم وتطوير وتحليل وتحسين العمليات التقنية لمحاكاة عمليات مثل: المصانع الكيميائية ، والعمليات الكيميائية ، والأنظمة البيئية، ومحطات الطاقة ، وعمليات التصنيع المعقدة، والعمليات البيولوجية، والوظائف التقنية المماثلة.

محاكاة العمليات هي تمثيل قائم على النماذج للعمليات الكيميائية والفيزيائية والبيولوجية وغيرها من العمليات التقنية ووحدات التشغيل في البرمجيات. وتشمل المتطلبات الأساسية للنموذج الخصائص الكيميائية والفيزيائية [ ^{1 ] للمكونات} النقية والمخاليط، والتفاعلات، والنماذج الرياضية التي تسمح مجتمعةً بحساب خصائص العملية بواسطة البرنامج.

يصف برنامج محاكاة العمليات العمليات في مخططات تدفق حيث يتم تحديد مواقع وحدات التشغيل وربطها بتيارات المنتجات أو المواد الخام. يحل البرنامج معادلة توازن الكتلة والطاقة لإيجاد نقطة تشغيل مستقرة ضمن معايير محددة. يهدف برنامج محاكاة العمليات إلى إيجاد الظروف المثلى للعملية. وهذا في جوهره مسألة تحسين يجب حلها من خلال عملية تكرارية.

في المثال أعلاه، يُحدد تيار التغذية للعمود من حيث خصائصه الكيميائية والفيزيائية. ويشمل ذلك تركيب الأنواع الجزيئية الفردية في التيار، ومعدل التدفق الكتلي الإجمالي، وضغط التيار ودرجة حرارته. بالنسبة لأنظمة الهيدروكربونات، يُحدد المستخدم نسب التوازن بين البخار والسائل (قيم K) أو النماذج المستخدمة لتحديدها. تُحدد خصائص العمود، مثل ضغط المدخل وعدد الصفائح النظرية. يحسب النموذج حمل المُسخِّن والمكثف العلوي لتحقيق تركيب محدد أو أي معيار آخر للمنتج السفلي و/أو العلوي. تحسب المحاكاة الخصائص الكيميائية والفيزيائية لتيارات المنتج، ويُخصص لكل منها رقم فريد يُستخدم في مخطط الكتلة والطاقة.

تستخدم محاكاة العمليات نماذج تُدخل تقريبات وافتراضات ، لكنها تسمح بوصف خاصية ما ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة والضغوط التي قد لا تغطيها البيانات الحقيقية المتاحة. كما تسمح النماذج بالاستيفاء والاستقراء - ضمن حدود معينة - وتُمكّن من البحث عن ظروف خارج نطاق الخصائص المعروفة.

يُعدّ تطوير النماذج ^{[ 2 ]} لتحسين تمثيل العمليات الحقيقية جوهرَ تطوير برامج المحاكاة. ويتمّ تطوير النماذج بالاستناد إلى مبادئ الهندسة الكيميائية، بالإضافة إلى هندسة التحكم، ولتحسين تقنيات المحاكاة الرياضية. ولذلك، تُعتبر محاكاة العمليات مجالًا يتعاون فيه متخصصون من مجالات الكيمياء والفيزياء وعلوم الحاسوب والرياضيات والهندسة .

تُبذل الجهود لتطوير نماذج جديدة ومحسّنة لحساب الخصائص. ويشمل ذلك، على سبيل المثال، وصف

• الخصائص الفيزيائية الحرارية مثل ضغط البخار واللزوجة والبيانات الحرارية وما إلى ذلك للمكونات النقية والمخاليط
• خصائص الأجهزة المختلفة مثل المفاعلات، وأعمدة التقطير، والمضخات، وما إلى ذلك.
• التفاعلات الكيميائية والحركية
• البيانات المتعلقة بالبيئة والسلامة

يوجد نوعان رئيسيان من النماذج:

1. معادلات وعلاقات بسيطة حيث يتم ضبط المعلمات وفقًا للبيانات التجريبية.
2. الأساليب التنبؤية التي يتم فيها تقدير الخصائص.

تُفضّل المعادلات والارتباطات عادةً لأنها تصف الخاصية بدقة (تقريبًا). وللحصول على معايير موثوقة، من الضروري توفر بيانات تجريبية، والتي تُستقى عادةً من قواعد بيانات واقعية ^{[ 3 ] [ 4 ]} ، أو من القياسات في حال عدم توفر بيانات متاحة للعموم .

يُعدّ استخدام الأساليب التنبؤية أكثر فعالية من حيث التكلفة مقارنةً بالعمل التجريبي، وكذلك مقارنةً بالبيانات المُستقاة من قواعد البيانات. ورغم هذه الميزة، تُستخدم الخصائص المُتنبأ بها عادةً في المراحل الأولى من تطوير العملية فقط لإيجاد حلول تقريبية أولية واستبعاد المسارات الخاطئة، لأن أساليب التقدير هذه تُدخل عادةً أخطاءً أكبر من الارتباطات المُستمدة من البيانات الحقيقية.

شجعت محاكاة العمليات على تطوير النماذج الرياضية في مجالات التحليل العددي وحل المشكلات المعقدة. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

يرتبط تاريخ محاكاة العمليات بتطور علوم الحاسوب ومكوناته المادية ولغات البرمجة. ظهرت التطبيقات الأولية لجوانب جزئية من العمليات الكيميائية في سبعينيات القرن العشرين، عندما توفرت الأجهزة والبرامج المناسبة (وخاصة لغتي البرمجة فورتران وسي ). أما نمذجة الخصائص الكيميائية فقد بدأت قبل ذلك بكثير، ولا سيما معادلة الحالة المكعبة ومعادلة أنطوان ، اللتان كانتا من التطورات الرائدة في القرن التاسع عشر.

في البداية، استُخدمت محاكاة العمليات لمحاكاة العمليات في الحالة المستقرة . تُجري نماذج الحالة المستقرة موازنة للكتلة والطاقة لعملية في الحالة المستقرة (عملية في حالة توازن) بغض النظر عن الزمن.

تُعدّ المحاكاة الديناميكية امتدادًا لمحاكاة العمليات في الحالة المستقرة، حيث يُدمج فيها التغير الزمني في النماذج عبر مشتقات، أي تراكم الكتلة والطاقة. وقد أتاح ظهور المحاكاة الديناميكية إمكانية وصف العمليات الحقيقية والتنبؤ بها والتحكم فيها في الوقت الفعلي. ويشمل ذلك وصف بدء تشغيل المصنع وإيقافه، وتغيرات الظروف أثناء التفاعل، وفترات الاحتجاز، والتغيرات الحرارية، وغير ذلك.

تتطلب المحاكاة الديناميكية وقت حساب أطول، وهي أكثر تعقيدًا من الناحية الرياضية مقارنةً بمحاكاة الحالة المستقرة. ويمكن اعتبارها محاكاة متكررة متعددة للحالة المستقرة (بناءً على خطوة زمنية ثابتة) مع تغيرات مستمرة في المعاملات.

يمكن استخدام المحاكاة الديناميكية في كلٍ من الوضعين المباشر وغير المباشر. ففي الوضع المباشر، تُستخدم تقنية التحكم التنبؤي بالنموذج، حيث تُستخدم نتائج المحاكاة الآنية للتنبؤ بالتغيرات التي قد تحدث عند تغيير مدخلات التحكم، ويتم تحسين معايير التحكم بناءً على هذه النتائج. أما في الوضع غير المباشر، فيمكن استخدام محاكاة العمليات في تصميم محطات المعالجة، واستكشاف أعطالها وإصلاحها، وتحسينها، بالإضافة إلى إجراء دراسات حالة لتقييم تأثيرات تعديلات العمليات. كما تُستخدم المحاكاة الديناميكية أيضًا في تدريب المشغلين .

• مكتبة المحاكاة المتقدمة ^{[ 7 ]}
• محاكاة حاسوبية
• قائمة برامج محاكاة العمليات الكيميائية
• محاكاة عملية البرمجيات