پرسش نقش نرم افزار در مهندسي شيمي

[ای ناز 13]

در رابطه با نقش نرم افزار در مهندسی شیمی کنفرانس دارم کمکم کنید؟

[mim-shimi 25,686]

نرمافزاردرمهندسيشيمي :

چكيده

در سالهاي اخير نرم افزارهایی به دروس رشته مهندسي شيمي اضافه گرديد ه كه لزو م آن قبل از اين احساس مي شد . در اين مقاله سعي شده است با بررسي انواع نرم افزارهاي مختلف مرتبط با رشته مهندسي شيمي و ذكر تفاوت ها و شباهت هاي آنها بررسی شود . مناسب ترين نرم افزار در هر مقطع زماني، تابع موضوعات درسي و زمينه قبلي دانشجويان در مورد مدل هاي رياضي، الگوريتم هاي عددي و توانايی آنها در برنامه نويسي كامپيوتري است .

كلماتكليدي : مهندسي شيمي - نرم افزار EXCEL - MATLAB - HYSYS .

۱- مقدمه

با رشد مباني كامپيوتر و انفورماتيك ، استفاده از اين ابزار در علوم مختلف اهميت بسزايي پيدا كرده است . نقش كامپيوتر در علوم مهندسي كاملا مشهود بوده و فراگيري اين علوم بدون استفاده از اين ابزار بسيار دشوار بنظر مي رسد در اين ميان مهندسي شيمي نيز از اين قاعده مثتثني نبوده و با توجه به حجم بالاي محاسبات در اين رشته و دشواري و وقت گير بودن آنها ، آشنايي دانشجويان و متخصصان اين زمينه با كامپيوتر و نرم افزارهاي مرتبط ضروري مي نمايد . در سال هاي اخير نرم افزارهاي عددي بطور گسترده اي براي حل مسا يل آموزشي در مهندسي شيمي ( كنترل فرايند ، سينتيك و طرح راكتورهاي شيميايي ، تر موديناميك و ... ) بكار گرفته مي شود . اما متاسفانه در برخي از مسايل ديگر استفاده از اين ابزار بسيار كمرنگ است ، كه دو علت مي توان براي آن بيان كرد .

اول آنكه برخي از مثال ها و مسايل موجود در بسياري از كتابهاي مرجع دروس ، مربوط به دوره قبل از گسترش كامپيوتر و نرم افزارهاي عددي است . لذا هم با استفاده از كامپيوتر و هم بدون آن قابل حل اند. اين مسايل دانشجويان را به استفاده از كامپيوتر تشويق نمي كنند .

دوم آنكه ، برخي از بخشهاي مهندسي شيمي نرم افزار عددي را براي آموزش انتخاب مي كنند كه ممكن است در يك ترم خاص متناسب با معلومات دانشجويان نبوده و يك دانشجوي مبتدي در استفاده از آن دشوار ي هايي در پيش روي خود احساس كرده ، حل مسائل بدون استفاده از كامپيوتر را انتخاب كند . كارشناسان در انتخاب نرم افزار قدرت مندي ، انعطاف پذيري و وسعت انتخاب كاربر رابه عنوان معيارهای اصلی لحاظ مي كنند . شايد برخي خواص ديگر براي دانشجويان اهميت بيشتري داشته باشد . به عنوان مثال نرم افزار انتخابي بايد توانايي حل اکثر مسا يلي که دانشجو در آن ترم تحصيلي با آن مواجه است را دارا باشد . همچنين فراگيري آن برا ي استفاده در ترم ، ظرف زمان کوتاهي مقدور باشد . لذا سهولت کاربرد و کوتاهي زمان فراگيري از قدرتمند ي نرم افزار و گستردگي گزينه هاي قابل انتخاب براي دانشجويان اهميت بيشتري دارد .

معيار مقايسه نرم افزارهاي رياضي براي آموزش توسط Shacham and Cutlip در سال ١٩٩٨ تدو ين شد . در اين معيار ده مساله از موضوعات مهندسي شيمي انتخاب و به وسيله ٦ بسته نرم افزار عدد ي ، اكسل ( EXCEL ) ، پلی مت ( POLYMATH ) ، متمتیکا ( MATMATICA ) ، مطلب ( MATLAB ) ، متکد ( MATHCAD ) و میپل ( MAPLE ) حل می شوند .

به طور قطع نمي توان گفت کدام يک از نرم افزارهاي ياد شده به تنهايي براي كل ترم هاي تحصيلي دانشجو مفيد است . نرم افزار متناسب بايد با توجه به آشنايي دانشجويان با مدل ها ي رياضي , الگوريتم ها ي عدد ي و برنامه نو يسي کامپيوتري در ترم هاي قبل انتخاب شود .

۲- نرمافزارهايكاربرديدرمهندسيشيمي

به طور كلي نرم افزارهاي كاربردي در مهندسي شيمي را مي توان به دو دسته اصلي تقسيم كرد :

- نرم افزارهاي عمومي ·

- نرم افزارهاي تخصصي ·

 

۲-۱ نرمافزارهايعمومي

اين گروه شامل نرم افزارهايي است كه مختص مهندسي شيمي نبوده ولي متناسب با نياز، مي توانند توسط دانشجويان و متخصصان اين رشته بكارگرفته شوند . از اين دسته مي توان نرم افزارهاي رياضي مانند MATLAB و MAPLE و ... و نيز مجموعه نرم افزارهاي Microsoft Office را نام برد . البته تعدد نرم افزارهاي عمومي گسترده است و ميزان كاربرد اين نرم افزارها براي دانشجويان اين رشته يكسان نبوده اما آشنايي نسبي دانشجويان با آنها مفيد خواهد بود . همچنين در چند مورد لازم است تسلط كافي وجود داشته باشد ، كه در ادامه به آنها اشاره ميگردد .

۲-۲ نرمافزارهايتخصصي

اين دسته از نرم افزارها مختص مهندسي شيمي و رشته هاي وابسته بوده، و دانشجويان لازم است قبل از شروع به فراگيري آنها بخش قابل توجهي از دروس تحصيلي خود را گذرانده باشند . در حقيقت اين نرم افزارها مجموعه اي از آموخته هاي يك دانش آموخته مهندسي شيمي است . لذا براي استفاده و تحليل نتايج آنها بايد درك درستي از دروس آموزشي وجود داشته باشد . از جمله اين نرم افزارهاي تخصصي كه داراي كاربرد فراواني هستند ، ميتوان HYSYSو ASPENو PROIIرا نام برد . اين نرم افزارها براي شبيه سازي و طراحي اكثر فرايند ها قابل ا ستفاده اند . البته نرم افزارهاي پرشمار ديگري نيز وجود دارند كه كاربرد آنها به حوزه هاي خاص مربوط مي شود و عموميت نرم افزارهاي فوق الذكر را ندارند . از اين گروه مي توان نرم افزار HTFS براي شبيه سازي و طراحي مبدلهاي حرارتي و PIPE.SYS براي شبيه سازي و طراحي شبكه لوله را نام برد .

نرم افزارهاي از اين نوع نيز بسيار متنوع اند . با توجه به تعداد زياد نرم افزارهاي تخصصي و عدم نياز به فراگيري همه آنها، لازم است با توجه به گرايش تحصيلي دانشجويان در انتخاب آنها دقت لازم صورت گيرد .

۳- كارگاهنرمافزار

در سالهاي اخير درس " كارگاه نرم افزار " در چارت دروس مهندسي شيمي گنجانده شده است . چنانچه ا ين درس در ترم هاي ابتدايي تدريس شود ، مطالب نرم افزارهاي تخصصي قابل طرح نبوده وچنانچه به اين نرم افزارها پرداخته شود ، موجب سردرگمي دانشجو خواهد شد . با اين وجود آگاه كردن آنان از وجود وکاربرد چنين نرم افزارها يي ، برا ي روشن شدن گامهاي بعد ي مفيد خواهد بود . لذا توصيه مي شود مدرس در صورت امکان پس ازاتمام سرفصل هاي اصلي درس به معرفي اجمالي اين نرم افزارها پرداخته ، خلاصه ا ي از کاربرد آنها ، مخصوصا کاربردهايي که کمتر نيازمند پيشزمينه درسي خاص هستند ، را ارائه نمايد . چنانچه اين درس در اوايل دوره تحصيلي دانشجو ارائه گردد . به طور کلي انتخاب سرفصل هاي آن از ميان نرم افزارهاي عمومي ترجيح داده مي شود .

۴- دورههاياصليدرمهندسيشيمي

براي سطوح مختلف در دوره تحصيلي مهندسي شيمي مي توان کارايي نرم افزارها را بررسي نمود . دوره هاي اصلي در مهندسي شيمي براي پيشرفت معلومات دانشجويان عبارتند از : محاسبات پايه اي در مهندسي شيمي ( موازنه جرم و انرژي ) فرايندهاي جداسازي , مدل سازي و شبيه سازي .

۴-۱ محاسباتپايهايدرمهندسيشيمي

به عنوان يک دوره آغاز ين مطرح است که دانشجو با اصول موازنه جرم و انرژ ي آشنا مي شود . در اين دوره موضوع مدلسازي ر ياضي مطرح نيست . لذا انجام محاسبات با استفاده از نرم افزارها يي چون EXCEL و يا POLYMATH قابل انجام است . استفاده از ا ين نرم افزارها نيازي به آشنايي قبلي با محاسبات عدد ي ندارد . استفاده از اين نرم افزارها درمحاسبات موازنه جرم و انرژي بسيار مفيد خواهد بود.

۴-۲ فرآيندهايجداسازي

موضوع ا ين دوره شامل فراگيري روشها ي محاسبات چند مرحله ا ي فرآ يندها و مطالعه رفتار اين فرآيند ها در اثرتغيير شرايط فرآيند است . در اين مرحله با توجه به محدود يت نرم افزارها ي EXCEL , POLYMATH در انجام محاسبات حجيم استفاده از نرم افزارهاي شبيه ساز فرآيند مانند HYSYS , ASPENمناسب خواهد بود . البته با فرض آنکه مدلسازي رياضي و برنامه نويسي کامپيوتري اين مسايل مد نظر نباشد .

۴-۳ مدلسازيوشبيهسازيفرآيند

در ا ين دوره دانشجو يان با روشها ي شب يه سازي عمليات واحد ( شامل برج تقطير و ... ) آشنا مي شود . همچنين موضوع دوره شامل فراگيري روشها ي عددي برا ي حل مدلهاي پا يدار و ناپا يدار است . براي توانا نمودن دانشجو يان برا ي انجام مدلسازي و شبيه سازي عمليات واحد پيچيده برنامه نويسي کامپيوتري نيز علاوه بر نرم افزارهايي چون ASPEN و HYSYS به عنوان يک نرم افزار مفيد و مناسب براي اين دوره مطرح است . سادگي ضرور ي م ي نما يد. لذا از مزا ياي ا ين نرم افزارند . برا ي انجام محاسبات پيچيده ماتر يسي , زير برنامه نو يسي و جعبه ابزارها ي آماده مختلف مدلهاي ساده از نرم افزارهاي MATLAB و EXCEL و یا POLYMATH نيز مي توان بهره جست .

۵- انتخابمطالب

از ميان نرم افزارهاي عمومي به مواردي پرداخته مي شود که استفاده بيشتري در مهندسي شيمي و مشابه آن دارند از ميان نرم افزارهاي رياضي ، مطلبو از ميان نرم افزارهاي Microsoft Office اكسلبراي اين رشته بسيار کاربردي هستند . اخيرا به مجموعه نرم افزارهاي Microsoft Office نرم افزار ديگري با نام Visio اضافه گرديده که جهت ترسيم بسياري از نقشه هاي مهندسي از جمله طرح جريان فرايندهاي شيميايي قابل استفاده است . فراگيري اين نرم افزار ساده بوده و در زمان کوتاهي ميسر است . معيارهاي انتخاب نرم افزار را مي توان به صورت زير خلاصه کرد :

کارايي عددي : توان حل مسايل ؛ سهولت کاربري , داشتن منوهاي کمکي , ابزار رفع اشکال مانند خطاي گرامر , خطاي متغير و ...

قابليت ها ي فني مانند امکان : آماده سازي مدل ، سند سازي و ذخيره مدل ، تنظيم الگوريتم حل ، ارايه و نما يش نتايج ، سند سازي نتايج .

۵-۱ مطلب

اين نرم افزار يکي از قويترين نرم افزارهاي مهندسي موجود ، و در نوع خود تقريبا بي نظير است . که کاربرد گسترده اي در مسائل مهندسي شيمي دارد . اين نرم افزا ر براي رفع نياز رياضياتي دانشجويان کافي بوده و از اين لحاظ بسيار قدرتمند است . همچنين داراي محيط مناسبي براي برنامه نويسي و شبيه سازي است . اساس کار اين برنامه بر کار با ماتريس در يک محيط منطقي استوار است.

 

فراگيري نرم افزار بعلت گستردگي زياد آن دشوار به نظر مي رسد . لذا لازم است برا ي جلوگيري از برخورد غيرضروري دانشجويان با حجم وسيع مطالب قسمت هايي از نرم افزار که در زمينه تحصیلي و کاري آنها کاربرد بيشتري دارد انتخاب و بعنوان سرفصلهاي اصلي تدريس گردد . در ا ين راستا ارجاع به کتب ا ين نرم افزار که مختص رشته مهندسي شيمي نوشته شده اند، مفيد خواهد بود . اين سري از كتب حاوي نمونه هايي از مسايل مهندسي شيمي است كه از طريق اين نرم افزار حل گرديده و تحليل شده اند . ازجمله اين کتب مرجع شماره ۱ اين مقاله است .

مطلب يك محيط قدرتمند برنامه نويسي نيز مي باشد . صدها زيربرنامه از پيش نوشته شده براي محاسبات ساده و دشوار رياضي دراين نرم افزار وجود دارد:معكوس ماتريس، حل معادلات ديفرانسيل معمولي ، انتگرال عددي و ... .

نرم افزارهايي چون متمتيكا ، ميپل و متكد نيز نرم افزارهاي مفيدي در زمينه مسائل رياضي هستند . ولي با توجه به قابليت ها ي بيشتر مطلب همچنين محيط برنامه نويسي اين نرم افزاریادگیری آن ارجحيت داشته و به تنهايي نياز دانشجويان را از اين حيث برطرف مي كند .

با توجه به اين نكات سرفصل هاي زير از نرم افزارمطلب مفيد خواهد بود :

- آشنايي با محيط نرم افزار و آشنايي با پنجره هاي سه گانه COMMAND , M-FILE , FIGURE

- نحوه معرفي اطلاعات و متغيرها

- تعريف انواع ماتريس و انجام عمليات مربوط به آنها ( معکوس گيري و ... )

- معرفي توابع و دستورات کاربردي مانند ( Log , roots , conv, … ) همچين عمليات جبري

- نحوه کار باM-FILE و نوشتن و ويرايش برنامه در اين محيط

- تعريف Function در محيط M-FILE

- رسم دياگرامهاي مختلف، نحوه ويرايش آنها و همچنين استفاده از ابزار انطباق منحني

- نحوه ذخيره سازي اطلاعات ، نتايج ، منحني ها و نيز کاربرد ابزار ذخيره سازي چون

Workspace ، Command ، History و غیره ...

- نحوه استفاده از Help نرم افزار بعنوان يک راهنماي جامع

۵-۲ اكسل

اين نرم افزار يكي از مجموعه نرم افزارهاي Microsoft Office است كه در علوم مهندسي بسيار پركاربرد است . در سالهاي اخير اين نرم افزار جايگاه ويژه اي در حل مسايل مهندسي شيمي پيدا كرده است . استفاده از صفحه گسترده درحل مسايل عددي و آماري مهندسي شيمي براي اكثر متخصصان اين رشته آشنا و شناخته شده است . اكسل يك نرم افزار كارا درتهيه صفحه گسترده است .

هدف از ارائه مطالب اين نرم افزار، آشنايي با مفاهيم كلي كدنويسي و روشهاي عددي و آناليز آماري است . دانشجويان در اين قسمت با حل قانونمند مسائل آشنايي پيدا مي كنند . از طريق مسائلي كه از ميان مباحث مهندسي شيمي برگزيده مي شوند ، دانشجو با كاربرد نرم افزار مرتبط براي حل مسائل و روشهاي عددي آشنا مي شود . اين مسائل را مي توان از مفاهيم موازنه جرم و انرژي ، ترموديناميك ، پديده هاي انتقال ، سنتيك ، انطباق داده ها ، آناليز اطلاعات آزمايشگاهي و مدلسازي استاتيكي و ديناميكي انتخاب نمود . واضح است كه بسته به زمان ارائه اين درس امكان طرح اين مطالب متفاوت خواهد بود .

در محيط اكسل همچنين قابلت برنامه نويسي با ويژوال بيسيك وجود دارد . كه فراگيري اين قابليت كمك فراواني به دانشجويان در كدنويسي درمحيط اطلاعات مي نمايد . با توجه به اين نكات ارائه اين مطالب در اين بخش مفيد خواهد بود :

- آشنايي با صفحه گسترده و استانداردهاي آن

- آشنايي با ترسيم نمودار درمختصات مختلف

- آشنايي باتوابع مختلف اكسل

- انجام عمليات ماتريسي در محيط

- رگرسيون خطي و غير خطي در محيط اكسل ، با توجه به قابليتهاي گوناگون اكسل در اين مورد

- آشنايي با قابليت برنامه نويسي در محيط اكسل

- نحوه استفاده از Help نرم افزار بعنوان يک راهنماي جامع

منابع

1. Numerical Methods for Chemical Engineers With MATLAB Methods, Alkis Contanitinides and

Navid Mostoufi, Prentlce Hall International Series In the Physical and Chemical Engineering

Sciences

2. Problem Solving in Chemical Engineering with Numerical Methods (Cutlip) Prentice Hall,

0138625662

3. A Guide to Microsoft EXCEL 2002 For Scientists and Engineers

4. Power Programming with VBA/EXCEL (Chapra) Prentice Hall, 0130473774 (Lienme)

Elsevier, 0750656131

5. Spreadsheet Tools for Engineers Using EXCEL (Gottfried) McGraw-Hill, 0072480666

6. VBA For Dummies (Mueller) Wiley, 0764539892

7. EXCEL 2000 Programming For Dummies (Walkenbach) Wiley,0764505661

8. Cutlip, M.B., Hwalek, J. J., Nuttal, H. E., Shacham, M., Brule, J., Widman, J., Han, T.,

Finlayson, B., Rosen, E. M., and Taylor, R., 1998 A Collection of Numerical Problems in

Chemical Engineering Solved by Various Mathematical Software Packages.Comput. Appl.

Eng. Educ. 6, 169-180.

9. Davis, J.F., Blau, G. E., and Reklaitis, G.V., 1994 Computers in Undergraduate Chemical

Engineering Education: A perspective on Training and Application, Chem. Engr. Ed., 28.

10. Shacham, M., Cutlip, M. B., and Brauner, N., 1996 General Purpose Software for Equation

Solving and Modeling of Data, pp. 73-84 in Carnahan, B. (Ed), Computers in Chemical

Engineering Education, CACHE Corporation, Austin, TX.

11. Shacham, M., Brauner, N., and Pozin, M., 1998 Comparing Software for Interactive Solution

of Systems of Nonlinear Algebraic Equations, Computers Chem. Engng., 22, 321-323.

12. Shacham, M. and Cutlip, M. B., 1998 A Comparison of Six Numerical Software Packages for

Educational Use in the Chemical Engineering Curriculum, Proceedings of the 1998 ASEE

Annual Conference, Seattle, Washington, June 27 - July 1.__

تهیه کننده : فرامرز توانای سرشکه ( Tavana_fs@yahoo.com )