Chemické inženýrství očima programátora: Když musí všechno sedět: materiálové a energetické bilance

Předchozí: Scale-up a pilotní ověření | Seriál: Chemické inženýrství očima programátora | Další: Co je výstupem procesního vývoje?

Chemické inženýrství očima programátora: Scale-up a pilotní ověření

Scale-up není jen zvětšení laboratorního zařízení. Článek ukazuje, proč se při změně měřítka mění míchání, přenos tepla a hmoty, proudění i kvalita produktu a jak pilotní ověření pomáhá převést laboratorní proces do průmyslové technologie.

Daniel KopeckýDaniel Kopecký

Tento díl je součástí seriálu o tom, jak vzniká chemická technologie od prvního nápadu až po fungující provoz. Navazuje na předchozí kroky a soustředí se na téma: materiálové a energetické bilance.

V předchozí fázi vzniklo první schéma technologie. Víme, jaké operace má proces obsahovat, jak na sebe jednotlivá zařízení navazují, kudy proudí suroviny a produkt a které látky se mají vracet zpět do procesu.

Takové schéma ale zatím ukazuje především strukturu technologie. Neříká přesně, kolik materiálu jednotlivými proudy protéká, jaké mají složení, teplotu a tlak ani kolik energie bude proces potřebovat. Aby bylo možné začít navrhovat konkrétní zařízení, musí se první procesní koncepce převést do číselné podoby.

K tomu slouží materiálové a energetické bilance.

Materiálová bilance

Základem materiálové bilance je zákon zachování hmoty. Materiál se v procesu nemůže svévolně objevit ani zmizet. To, co do vymezeného systému vstoupí, z něj musí buď vystoupit, přeměnit se chemickou reakcí, nebo se v něm dočasně nahromadit.

U jednoduchého zařízení bez chemické reakce lze základní vztah vyjádřit jako:

vstup = výstup + akumulace

Pokud zařízení pracuje v ustáleném stavu, množství materiálu uvnitř se v čase nemění a akumulace je nulová. Celkový vstup se potom musí rovnat celkovému výstupu.

V reaktoru je situace složitější. Jednotlivé chemické látky mohou vznikat a zanikat, ale musí zůstat zachováno množství chemických prvků. Atomy uhlíku, vodíku, kyslíku nebo dusíku pouze přecházejí z výchozích látek do produktů, meziproduktů a vedlejších produktů.

Nestačí proto sledovat jen celkové množství materiálu. Bilance je nutné sestavit také pro jednotlivé složky. Potřebujeme vědět, kolik suroviny se spotřebovalo, kolik požadovaného produktu vzniklo, jaké množství suroviny zůstalo nezreagované a kam odcházejí jednotlivé nečistoty a vedlejší produkty.

Bilanci lze sestavit kolem jednoho zařízení, několika propojených operací nebo celé technologie. Procesní inženýr si pomyslně vymezí hranici systému a sleduje všechny proudy, které touto hranicí procházejí.

Právě změna hranice často pomáhá problém pochopit. Bilance reaktoru ukáže průběh chemické přeměny. Bilance separační části odhalí ztráty produktu. Bilance celé technologie pak ukáže celkovou spotřebu surovin, produkci odpadu a skutečný výtěžek procesu.

Energetická bilance

Stejným způsobem musí být zachována také energie. Každý materiálový proud přenáší energii spojenou se svou teplotou, tlakem, skupenstvím a chemickým složením. Energie může do procesu vstupovat také prostřednictvím ohřevu, elektrické práce nebo stlačování a může z něj odcházet chlazením, expanzí nebo tepelnými ztrátami.

Energetická bilance zahrnuje například:

• energii potřebnou k ohřevu a ochlazení proudů,
• teplo uvolněné nebo spotřebované chemickou reakcí,
• energii potřebnou k vypaření kapaliny nebo kondenzaci páry,
• práci čerpadel, kompresorů a míchadel,
• změny energie při změně tlaku nebo skupenství,
• tepelné ztráty do okolí.

Z energetické bilance lze určit, kolik páry bude technologie spotřebovávat, jaký chladicí výkon potřebuje reaktor, kolik elektřiny odebere kompresor nebo jak velký tepelný výměník bude nutný pro ohřev suroviny.

Právě zde se často ukáže, že největší energetickou spotřebu nezpůsobuje samotná chemická reakce, ale separace produktu. Destilace, odpařování, sušení nebo chlazení velkého množství materiálu mohou být energeticky výrazně náročnější než jeho chemická přeměna.

Energetická bilance zároveň umožňuje hledat místa, kde lze energii využít opakovaně. Horký výstupní proud může předehřívat studenou surovinu, kondenzační teplo může sloužit jiné části procesu a tlaková energie může být v některých případech částečně získána zpět.

Každý proud musí být přesně popsán

Výsledkem bilančního výpočtu je soubor procesních proudů, u kterých jsou definovány alespoň:

• celkový průtok,
• průtoky jednotlivých složek,
• chemické složení,
• teplota,
• tlak,
• skupenství,
• energetický obsah.

Tyto údaje nejsou pouze popisem procesu. Stávají se vstupem pro návrh všech následujících částí technologie.

Průtok určuje potřebnou velikost potrubí, čerpadel a zařízení. Složení rozhoduje o volbě materiálů a separačních metod. Teplota a tlak ovlivňují konstrukci aparatury i bezpečnost procesu. Energetický obsah proudů určuje nároky na ohřev, chlazení a energetickou integraci.

Chyba v bilančním modelu se proto přenese do dalších částí projektu. Nesprávně vypočtený průtok může vést k nevhodně dimenzovanému reaktoru, malé koloně nebo nedostatečnému chladicímu systému.

Recykly a propojené rovnice

U jednoduchého procesu lze bilanci někdy vypočítat postupně od vstupních surovin až k výslednému produktu. Reálné technologie však často obsahují recyklované proudy.

Nezreagovaná surovina se například oddělí za reaktorem a vrací se zpět na jeho vstup. Rozpouštědlo se regeneruje a znovu používá. Část reakční směsi může cirkulovat kvůli odvodu tepla nebo stabilizaci procesu.

Recykl vytváří zpětnou vazbu. Složení proudu na výstupu ovlivňuje vstup procesu a vstup následně ovlivňuje stejný výstup. Bilanci proto nelze vždy vyřešit jedním výpočtem od začátku do konce. Je nutné řešit propojenou soustavu rovnic nebo výpočet opakovat, dokud se hodnoty jednotlivých proudů nepřestanou měnit.

Recykly zároveň mohou způsobovat hromadění nečistot. Pokud určitá látka vstupuje se surovinou nebo vzniká vedlejší reakcí, ale nemá vhodnou cestu ven, její koncentrace bude v procesu postupně růst.

Bilance pak může odhalit, že je potřeba vytvořit odtahový proud, část recyklu čistit nebo upravit separační část technologie. Bez bilančního výpočtu může tento problém zůstat skrytý až do pilotního nebo skutečného provozu.

Bilance jako kontrola dosavadního poznání

Materiálové a energetické bilance nejsou pouze výpočtem potřebným pro návrh zařízení. Jsou také důležitým testem správnosti celého procesního modelu.

Pokud vstupy a výstupy nesouhlasí, může být příčina ve špatně zadaném složení, chybě jednotek, nesprávném reakčním modelu nebo zapomenutém proudu. Neuzavřená bilance ale může upozornit také na jev, který tým zatím vůbec nezohlednil.

Může jít například o:

• odpařování těkavé látky,
• usazování pevného materiálu,
• netěsnost zařízení,
• vznik neznámého vedlejšího produktu,
• chybu při odběru vzorku,
• nepřesnost analytické metody.

Bilance tak propojuje laboratorní data, matematické modely a návrh procesu. Pokud model nedokáže vysvětlit, kam materiál nebo energie mizí, znamená to, že naše porozumění procesu ještě není úplné.

Jeden výpočet nestačí

Proces nebude vždy pracovat v jediném přesně definovaném bodě. Může se měnit požadovaný výkon, složení surovin, aktivita katalyzátoru, teplota chladicí vody nebo účinnost separačního zařízení.

Proto nestačí sestavit pouze jednu nominální bilanci. Je potřeba vypočítat také další provozní scénáře, například:

• minimální a maximální výrobní výkon,
• změnu kvality vstupních surovin,
• nižší konverzi reakce,
• zhoršenou účinnost separace,
• postupnou deaktivaci katalyzátoru,
• změnu míry recyklace,
• odlišnou čistotu požadovaného produktu,
• výpadek vybraného pomocného média.

Porovnáním scénářů lze zjistit, které parametry mají na proces největší vliv, kde se nacházejí jeho provozní hranice a jak velkou rezervu musí mít jednotlivá zařízení.

Následuje analýza citlivosti. Při ní se systematicky mění vybrané vstupy a sleduje se jejich dopad na spotřebu energie, kvalitu produktu, množství odpadu nebo zatížení zařízení. Inženýr díky tomu získá lepší představu o tom, které části procesu jsou robustní a které naopak vyžadují přesné řízení.

Vstupy a výstupy této fáze

Vstupem je procesní schéma, reakční a termodynamické modely, modely jednotlivých separačních operací a fyzikálně-chemické vlastnosti použitých látek a směsí. Dále je nutné znát požadovanou výrobní kapacitu, specifikaci produktu, předpokládané provozní podmínky, účinnosti jednotlivých zařízení a způsob zapojení recyklů.

Výstupem je číselně uzavřený model procesu. Každý proud má definovaný průtok, složení, teplotu, tlak, skupenství a energetický obsah. Z modelu lze určit spotřebu surovin a pomocných látek, produkci produktu, vedlejších látek a odpadu i požadavky na topná, chladicí a elektrická média.

Součástí výstupu by měly být také výsledky alternativních provozních scénářů, analýza citlivosti a přehled nejistot. Tyto údaje se následně stanou základem pro dimenzování zařízení, bezpečnostní analýzu, ekonomické hodnocení i návrh řízení procesu.

Kde mohou pomoci software a AI

Materiálové a energetické bilance jsou přirozenou oblastí pro využití programování. I relativně malý proces může obsahovat desítky zařízení, stovky proudů a velké množství vzájemně propojených proměnných. Ruční výpočty nebo rozsáhlé tabulky se rychle stávají nepřehlednými a náchylnými k chybám.

Software může automaticky sestavit a řešit soustavu bilančních rovnic, dopočítávat recykly, převádět jednotky a kontrolovat zachování celkové hmoty, jednotlivých chemických prvků i energie. Při změně jednoho parametru se přepočítá celý navazující proces, takže není nutné ručně upravovat hodnoty v několika propojených dokumentech.

Stejný model lze využít pro hromadné výpočty scénářů, analýzu citlivosti a optimalizaci. Program může například hledat takovou teplotu, tlak nebo míru recyklace, při které proces splní požadovanou kvalitu produktu s nejnižší spotřebou energie nebo nejmenší produkcí odpadu.

Automatické kontroly mohou upozorňovat na záporné průtoky, nesprávné jednotky, neuzavřenou bilanci, neexistující složky nebo hodnoty mimo oblast platnosti použitého modelu. Díky tomu se chyba odhalí už při výpočtu, nikoliv až při návrhu zařízení.

AI může pomáhat model sestavit a používat. Z textového popisu procesu může vytvořit první návrh bilanční struktury, navrhnout chybějící rovnice nebo vysvětlit, proč se některý proud chová neočekávaně. Může také procházet výsledky stovek scénářů, shrnout hlavní trendy a upozornit na kombinace podmínek, které si zaslouží pozornost inženýra.

Samotné řešení bilancí by však nemělo být založeno na pravděpodobné odpovědi jazykového modelu. Musí jej provádět deterministický a kontrolovatelný výpočetní nástroj založený na jasně definovaných rovnicích a fyzikálních zákonech. Stejné vstupy musí vždy vést ke stejnému výsledku a každý krok musí být možné zpětně ověřit.

AI nemusí nahrazovat výpočetní model. Může pomáhat model vytvořit, ovládat, kontrolovat a interpretovat.

Bilance jako součást Engineering as Code

V přístupu Engineering as Code nejsou materiálové a energetické bilance jednorázovým výpočtem uloženým v tabulce nebo závěrečné zprávě. Jsou součástí spustitelného modelu technologie.

Proudy, zařízení, reakce, jednotky, bilanční rovnice i provozní podmínky mohou být popsány ve strojově čitelné textové podobě. Po změně vstupních dat se celý proces automaticky přepočítá a navazující výstupy se aktualizují. Stejný model lze použít pro nominální provoz, alternativní scénáře, optimalizaci i pozdější ověřování skutečných provozních dat.

Výhodou je také možnost verzování a automatického testování. Každou změnu procesu lze přesně dohledat a porovnat s předchozí variantou. Testy mohou při každém spuštění ověřit, že zůstává zachována hmota a energie, proudy splňují definované podmínky a výsledky se pohybují ve fyzikálně přípustných mezích.

Bilance se tak mění z izolovaného výpočtu na živou součást digitálního popisu technologie. Když se později změní reakční model, účinnost separace nebo požadovaná výrobní kapacita, dopad změny lze automaticky promítnout do proudů, spotřeby energie, návrhu zařízení i ekonomiky procesu.

Závěr a další krok

V tomto dílu jsme se věnovali tématu: materiálové a energetické bilance. Ukázali jsme si, jaké otázky, rozhodnutí a výstupy tato část vývoje přináší. V dalším dílu na to navážeme tématem Co je výstupem procesního vývoje?, kde se posuneme o krok dál směrem k fungující technologii.