کتاب طراحی و شبیه سازی فرآیند شیمیایی (Chemical Process Design and Simulation) یک مطالعه عملی، جامع و مثال‌گرا در مورد طراحی و شبیه سازی فرآیند شیمیایی با استفاده از دو نرم افزار شبیه سازی Aspen Plus و Aspen HYSYS ارائه می دهد. این موضوع مورد علاقه فعلی مهندسان فرآیندهای شیمیایی، طراحان فرآیند و توسعه دهندگان، مهندسان انرژی، ارزیاب های اقتصادی فرآیند و محققان دخیل در مهندسی شیمی است.
این کتاب با هدف ارائه اصول طراحی مهندسی شیمی و در عین حال نمونه هایی از کاربرد آنها با استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی متداول به کار رفته است.
این کتاب با هدف ارائه اصول طراحی مهندسی شیمی و در عین حال نمونه هایی از کاربرد آنها با استفاده از نرم افزارهای شبیه سازی متداول به کار رفته است. از آنجا که ارائه یک بحث جامع در مورد کلیه اصول اساسی مهندسی شیمی مورد نیاز در یک کتاب با طول معقول امکان پذیر نیست، این کتاب نیاز به دانش اصول اساسی مهندسی شیمی دارد. این کتاب می تواند به عنوان یک کتاب درسی برای یک دوره پیشرفته یا کارشناسی ارشد در رشته مهندسی شیمی و همچنین مرجع حرفه ای مهندسی فرآیند شیمیایی یا تحقیق و توسعه مهندسی شیمی باشد.
این کتاب به چهار بخش تقسیم شده است: قسمت اول مقدمه طراحی و شبیه سازی، قسمت دوم طراحی و شبیه سازی عملیات تک واحدی، قسمت سوم طراحی و شبیه سازی کارخانه: اجزای معمولی و قسمت چهارم طراحی و شبیه سازی کارخانه: اجزای غیر متعارف.
بخش مقدمه طراحی و شبیه سازی، روشهای اصلی طراحی به کمک رایانه را توصیف می کند و شرح مراحل اساسی شبیه سازی فرایند در Aspen Plus و Aspen HYSYS را شرح می دهد. سنتز مفهوم فرآیند، جمع آوری داده ها، تعادل فاز ترمودینامیکی، خواص فیزیکی، اجزای معمولی و غیر متعارف و داده های واکنش شیمیایی از موضوعات اصلی این بخش هستند.
قسمت دوم به طراحی و شبیه سازی عملیات واحد منفرد اختصاص داده شده است. پس از ارائه یک مدل ریاضی از هر واحد عملیاتی مانند راکتورها، جداکننده ها، مبدل های حرارتی و غیره، به ترتیب نمونه هایی از مسائل واقعی با استفاده از Aspen Plus و Aspen HYSYS حل می شوند. الزامات خاص برای مدل نوع خاصی از تجهیزات برجسته شده و روشهای انتخاب و هزینه آن نشان داده شده است.
بخش سوم کتاب ، طراحی کارخانه های جدید و شبیه سازی کارخانه های موجود را توصیف می کند که در آن از مواد شیمیایی معمولی و مخلوط مواد با ترکیبات قابل اندازه گیری استفاده می شود. در این بخش، ادغام مواد، تجزیه و تحلیل انرژی و ارزیابی اقتصادی به ترتیب در مثال هایی در Aspen Plus و Aspen HYSYS شرح داده شده است. ابزارهای ویژه یکپارچه در Aspen Plus و Aspen HYSYS برای انرژی و تجزیه و تحلیل اقتصادی فرایندها نیز نشان داده شده است. استفاده از برنامه هایی از قبیل طراحی و رتبه بندی مبدل Aspen Exchanger (EDR برای طراحی دقیق مبدل های حرارتی پوسته و لوله ، تحلیلگر انرژی Aspen (AEA) برای تجزیه و تحلیل نقطه پینچ و طراحی شبکه های مبدل حرارتی و ارزیابی اقتصادی Aspen برای نقشه برداری ، سایزینگ و ارزیابی اقتصادی فرایندها در کتاب معرفی شده است.
قسمت آخر کتاب به طراحی کارخانه ها و شبیه سازی فرایندها با استفاده از اجزای غیر متعارف می پردازد. در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ، ترکیب دقیق جریانهای مواد مشخص نیست. طراحی و شبیه سازی چنین فرآیندهایی نیاز به رویکردهای خاص دارد. پالایش نفت و به روزرسانی فرآورده های تقطیر نفت خام، احتراق، گاز زدایی، پیرولیز و خشک کردن مواد جامد مختلف و بسیاری از فرآیندهای دیگر متعلق به این گروه است. دو فصل آخر این قسمت به مدل سازی فرایندها با الکترولیتها و فرآیندهای پلیمریزاسیون اختصاص یافته است. تمرینهای حل نشده در سه قسمت واقع در انتهای قسمت های II ، III و IV گروه بندی می شوند. حل های تمام تمرینات در Aspen Plus و Aspen HYSYS به عنوان مواد تکمیلی در دسترس هستند.
تعدادی کتاب در مورد طراحی فرآیند وجود دارد. اما بیشتر آنها بیشتر روی اصول نظری متمرکز هستند که مثالهای محدودی از کاربرد آنها است و یا محدود به انواع خاصی از فرآیند ها هستند.
کتاب حاضر با هدف ترکیب اصول نظری با مثالهای واقعی حل شده توسط نرم افزار شبیه سازی متداول با استفاده از شبیه سازی فرایند حالت پایدار با استفاده از روش دنباله ای مدولار نگارش شده است. علاوه بر این فرآیندهای با مواد شیمیایی آلی معمولی، فرآیندهای با مواد پیچیده تر مانند مواد جامد، مخلوط روغن، پلیمرها و الکترولیتها نیز در این کتاب گنجانده شده است.
مثالها با استفاده از نسخه جدید نرم افزار ASPEN One 9 با ساختار گرافیکی کاملاً متفاوت حل می شوند، در مقایسه با نسخه های قدیمی تر که تاکنون استفاده شده است. ویژگی دیگر این کتاب این است که هم Aspen Plus و Aspen HYSYS ارائه شده اند که مقایسه آنها را ممکن می کند.
فهرست مطالب:
Contents
List of Tables xiii
List of Figures xvii
About the author xxv
Preface xxvii
Acknowledgments xxix
Abbreviations xxxi
Symbols xxxiii
Part I Introduction to Design and Simulation
Introduction to Computer-Aided Process Design and Simulation
Process Design
Process Chemistry Concept
Technology Concept
Data Collection
Material Properties Data
Phase Equilibrium Data
Reaction Equilibrium and Reaction Kinetic Data
Simulation of an Existing Process
Development of Process Flow Diagrams
Process Simulation Programs
SequentialModular versus Equation-Oriented Approach
Starting a Simulation with Aspen Plus
Starting a Simulation with Aspen HYSYS
Conventional versus Nonconventional Components
Process Integration and Energy Analysis
Process Economic Evaluation
References
General Procedure for Process Simulation
Component Selection
Property Methods and Phase Equilibrium
Physical Property Data Sources
Phase Equilibrium Models
Selection of a Property Method in Aspen Plus
Selection of a Property Package in Aspen HYSYS
Pure Component Property Analysis
Binary Analysis
Azeotrope Search and Analysis of Ternary Systems
PT Envelope Analysis
Chemistry and Reactions
Process Flow Diagrams
References
Part II Design and Simulation of Single Unit Operations
Heat Exchangers
Heater and Cooler Models
Simple Heat Exchanger Models
Simple Design and Rating of Heat Exchangers
Detailed Design and Simulation of Heat Exchangers
HYSYS Dynamic Rating
Rigorous Shell and Tube Heat Exchanger Design Using EDR
Selection and Costing of Heat Exchangers
References
Pressure Changing Equipment
Pumps, Hydraulic Turbines, and Valves
Compressors and Gas Turbines
Pressure Drop Calculations in Pipes
Selection and Costing of Pressure Changing Equipment
References
Reactors
Material and Enthalpy Balance of a Chemical Reactor
Stoichiometry and Yield Reactor Models
Chemical Equilibrium Reactor Models
REquil Model of Aspen Plus
Equilibrium Reactor Model of Aspen HYSYS
RGibbs Model of Aspen Plus and Gibbs Reactor Model of Aspen HYSYS
Kinetic Reactor Models
Selection and Costing of Chemical Reactors
References
Separation Equipment
Single Contact Phase Separation
Distillation Column
Shortcut DistillationMethod
Rigorous Methods
Azeotropic and Extractive Distillation
Reactive Distillation
Absorption and Desorption
Extraction
Selection and Costing of Separation Equipment
Distillation Equipment
Absorption Equipment
Extraction Equipment
References
Solid Handling
Dryer
Crystallizer
Filter
Contents ix
Cyclone
Selection and Costing of Solid Handling Equipment
References
Exercises – Part II
Part III Plant Design and Simulation: Conventional Components
Simple Concept Design of a New Process
Analysis of Materials and Chemical Reactions
Ethyl Acetate Process
Styrene Process
Selection of Technology
Ethyl Acetate Process
Styrene Process
Data Analysis
Pure Component Property Analysis
Reaction Kinetic and Equilibrium Data
Phase Equilibrium Data
Starting Aspen Simulation
Ethyl Acetate Process
Styrene Process
Process Flow Diagram and Preliminary Simulation
Ethyl Acetate Process
Styrene Process
References
Process Simulation in an Existing Plant
Analysis of Process Scheme and Syntheses of a Simulation Scheme
Obtaining Input Data from the Records of Process Operation and Technological Documentation
Property Method Selection
Simulator Flow Diagram
Simulation Results
Results Evaluation and Comparison with Real-Data Recorded
Scenarios for Suggested Changes and Their Simulation
References
Material Integration
Material Recycling Strategy
Material Recycling in Aspen Plus
Material Recycling in Aspen HYSYS
Recycling Ratio Optimization
Steam Requirement Simulation
CoolingWater and Other Coolants Requirement Simulation
Gas Fuel Requirement Simulation
References
Energy Integration
Energy Recovery Simulation by Aspen Plus
Energy Recovery Simulation in Aspen HYSYS
Waste Stream Combustion Simulation
Heat Pump Simulation
Heat Exchanger Networks and Energy Analysis Tools in Aspen Software
References
x Contents
Economic Evaluation
Estimation of Capital Costs
Estimation of Operating Costs
Raw Materials
Utilities
Operating Labor
Other Manufacturing Costs
General Expenses
Analysis of Profitability
Economic Evaluation Tools of Aspen Software
Economic Evaluation Button
Economics Active
Detailed Economic Evaluation by APEA
References
Exercises – Part III
Part IV Plant Design and Simulation: Nonconventional Components
Design and Simulation Using Pseudocomponents
Petroleum Assays and Blends
Petroleum Assay Characterization in Aspen HYSYS
Petroleum Assay Characterization in Aspen Plus
Primary Distillation of Crude Oil
Cracking and Hydrocracking Processes
Hydrocracking of Vacuum Residue
Modeling of an FCC Unit in Aspen HYSYS
References
Processes with Nonconventional Solids
Drying of Nonconventional Solids
Combustion of Solid Fuels
Coal, Biomass, and SolidWaste Gasification
Chemistry
Technology
Data
Simulation
Pyrolysis of Organic Solids and Bio-oil Upgrading
Component List
Property Models
Process Flow Diagram
Feed Stream
Pyrolysis Yields
Distillation Column
Results
References
Processes with Electrolytes
Acid Gas Removal by an Alkali Aqueous Solution
Chemistry
Property Methods
Process Flow Diagram
Simulation Results
Contents xi
Simulation of Sour Gas Removal by Aqueous Solution of Amines
Rate-Based Modeling of Absorbers with Electrolytes
References
Simulation of Polymer Production Processes
Overview of Modeling Polymerization Process in Aspen Plus
Component Characterization
Property Method
Reaction Kinetics
Process Flow Diagram
Results
References
Exercises – Part IV
Index
