Chemické inženýrství očima programátora: jak vzniká chemická technologie
Vývoj chemické technologie nezačíná geniálním nápadem, ale problémem, který stojí za to řešit. První díl seriálu ukazuje, proč je správná formulace zadání zásadní a co všechno musí být vyjasněno, než začne vznikat skutečné technické řešení.
Seriál: Chemické inženýrství očima programátora | Další: Hledání cesty
Daniel Kopecký
Tento úvodní díl otevírá seriál o tom, jak vzniká chemická technologie očima člověka, který se na inženýrskou práci dívá i softwarovým pohledem. Začínáme tématem, které často rozhoduje o smyslu celého projektu: formulace problému a zadání projektu.
Člověk by si mohl myslet, že na začátku nové chemické technologie stojí geniální nápad. Ve skutečnosti tam však většinou stojí problém — například příliš drahá výroba, nízká výtěžnost, nebezpečný proces, nedostupná surovina nebo potřeba vyrábět látku v mnohem větším měřítku.
Za geniální pak bývá označováno až řešení, které se podaří najít. Osobně ale na genialitu příliš nevěřím. Vývoj technologie je zpravidla výsledkem dlouhé práce mnoha lidí, experimentování, chybných cest a postupného zpřesňování řešení.
Aby vůbec mělo smysl takový vývoj zahájit, musí být daný problém dostatečně významný. Chemie je drahý špás. Laboratorní experimenty, pilotní zařízení, měření, projektování i samotná výstavba stojí velké množství času a peněz. Někdo proto musí být ochoten do řešení problému investovat značné prostředky.
V tomto článku projdeme jednotlivé fáze vzniku chemické technologie — od formulace problému až po fungující průmyslový provoz. U každé z nich se zároveň zamyslíme nad tím, kde lze pomocí softwaru a umělé inteligence ušetřit čas, snížit náklady nebo zlepšit kvalitu rozhodování.
Jak ale takový problém vypadá? Průmyslová chemie je kapitálově náročná, přísně regulovaná a při zavádění nových postupů oprávněně opatrná. Příběhy známé ze světa softwaru, v nichž se několik lidí zavře do garáže a za pár měsíců vytvoří převratný produkt, se proto na vznik celé chemické technologie příliš přenést nedají. Nový nápad, materiál nebo laboratorní postup může vzniknout i v malém týmu, ale převést jej do bezpečného a ekonomicky životaschopného průmyslového provozu zpravidla vyžaduje roky práce, mnoho odborností a značné investice.
Dobře je to vidět na výrobě amoniaku. S růstem světové populace a rostoucí poptávkou po potravinách se na přelomu 19. a 20. století stále naléhavěji řešila otázka, jak dlouhodobě zvyšovat zemědělské výnosy. Jedním z hlavních omezení byl nedostatek dusíku ve formě, kterou dokážou rostliny využít. Přirozené zdroje, jako byl hnůj, pěstování luskovin nebo dovážená ložiska dusičnanů, nemohly růst zemědělské produkce neomezeně podporovat.
Na první pohled je to zvláštní problém. Přibližně 78 procent atmosféry tvoří dusík, většina rostlin jej však nedokáže přijímat přímo ve formě velmi stabilní molekuly N₂. Potřebují jej v reaktivní, biologicky dostupné podobě, například jako amonné nebo dusičnanové ionty. Výjimkou jsou především rostliny spolupracující se symbiotickými mikroorganismy, které dokážou atmosférický dusík fixovat.
Technický problém tedy zněl: Jak převést prakticky nevyčerpatelný atmosférický dusík na sloučeninu, kterou lze vyrábět ve velkém měřítku a následně využít k hnojení půdy?
Fritz Haber ukázal, že lze z dusíku a vodíku za vysokého tlaku, zvýšené teploty a v přítomnosti katalyzátoru syntetizovat amoniak. Laboratorní reakce však ještě nebyla průmyslovou technologií. Carl Bosch a jeho tým v BASF následně museli vyřešit konstrukci vysokotlakých zařízení, vhodné materiály, dlouhodobou životnost aparatury, výrobu a čištění vstupních plynů i bezpečný nepřetržitý provoz. První průmyslový závod na syntézu amoniaku byl spuštěn v německém Oppau v roce 1913.
Výsledkem nebyl pouze nový chemický výrobek, ale celá průmyslová technologie, která umožnila masovou výrobu dusíkatých hnojiv. Odhaduje se, že syntetická dusíkatá hnojiva dnes podporují produkci potravin přibližně pro polovinu světové populace.
Příklad Haberova–Boschova procesu zároveň ukazuje zásadní rozdíl mezi objevem chemické reakce a vznikem technologie. Haber prokázal, že reakce může fungovat. Bosch pomohl vyřešit, jak ji bezpečně, spolehlivě a ekonomicky provozovat v průmyslovém měřítku. A právě mezi těmito dvěma okamžiky se odehrává většina práce, o které bude tento článek.
Na začátku vývoje chemické technologie tedy zpravidla nestojí konkrétní zařízení ani hotové technické řešení, ale problém, který je potřeba vyřešit. Může jít například o nedostatečnou výrobní kapacitu, příliš vysoké náklady, nebezpečný výrobní postup, nízkou kvalitu produktu, nedostupnost původní suroviny nebo potřebu vyrábět zcela novou látku.
Vstupem do první fáze vývoje je proto především popis problému a soubor požadavků, podmínek a omezení. Patří mezi ně požadované vlastnosti a množství produktu, dostupné suroviny a zdroje energie, předpokládané místo výroby, cenové limity, bezpečnostní požadavky, environmentální dopady, legislativa i čas, který je na vývoj k dispozici. Důležité je také vědět, kdo bude výslednou technologii používat a podle čeho bude posuzovat, zda je úspěšná.
Výstupem této fáze ještě není návrh technologie, ale dobře formulované zadání projektu. To by mělo jasně popsat, jaký problém řešíme, jaké cílové parametry musí budoucí proces splnit, jaká omezení nelze překročit a podle jakých kritérií budeme jednotlivá řešení porovnávat.
Právě správná formulace problému je jedním z nejdůležitějších kroků celého vývoje. Pokud je zadání příliš vágní, může tým dlouho optimalizovat řešení, které ve skutečnosti neřeší podstatnou potřebu. Pokud je naopak příliš úzké, může předem vyloučit jednodušší, levnější nebo bezpečnější varianty.
Závěr a další krok
V tomto dílu jsme se věnovali tématu: formulace problému a zadání projektu. Ukázali jsme si, jaké otázky, rozhodnutí a výstupy tato část vývoje přináší. V dalším dílu na to navážeme tématem Hledání cesty, kde se posuneme o krok dál směrem k fungující technologii.
