Chemické inženýrství očima programátora: Koncepční návrh procesu

Předchozí: Když se experiment mění v model | Seriál: Chemické inženýrství očima programátora | Další: Scale-up a pilotní ověření

Chemické inženýrství očima programátora: Když se experiment mění v model

Experimentální data sama o sobě pro návrh průmyslové technologie nestačí. Čtvrtý díl seriálu ukazuje, jak se laboratorní měření mění v matematické modely, které popisují reakce, vlastnosti látek a chování procesu i mimo změřené body.

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: koncepční návrh celého procesu.

V předchozí fázi jsme převedli laboratorní poznatky do matematických modelů. Známe reakční cestu, máme představu o kinetice, vlastnostech směsi a podmínkách, za kterých může proces fungovat. Stále však máme pouze jednotlivé stavební kameny. Nyní z nich musíme sestavit první návrh celé technologie.

V této fázi vzniká koncepční procesní schéma. Neřeší se ještě přesné rozměry zařízení, průměry potrubí ani konkrétní typy ventilů. Hlavní otázkou je, jaké základní operace musí proces obsahovat a jak mají být vzájemně propojené, aby ze vstupních surovin vznikl požadovaný produkt.

Na začátku může být několik velmi odlišných možností. Stejnou chemickou reakci lze například provozovat vsádkově v míchaném reaktoru, kontinuálně v trubkovém reaktoru nebo v několika reaktorech zapojených za sebou. Produkt lze ze směsi oddělit destilací, extrakcí, krystalizací, absorpcí, filtrací nebo kombinací několika metod.

Každá varianta přináší jiné výhody, náklady a rizika. Kontinuální proces může mít vyšší výkon a stabilnější kvalitu produktu, ale bývá náročnější na vývoj a řízení. Vsádkový proces je flexibilnější a může být vhodnější pro menší objemy nebo časté změny produktu. Destilace může poskytovat velmi čistý produkt, ale zároveň spotřebovávat velké množství energie. Krystalizace může být energeticky úspornější, její výsledek však může být citlivý na čistotu směsi, rychlost chlazení nebo přítomnost stopových nečistot.

Úkolem vývojového týmu proto není pouze nalézt variantu, která technicky funguje. Musí hledat rozumný kompromis mezi výtěžkem, čistotou produktu, energetickou náročností, bezpečností, investičními náklady, provozní stabilitou a možností budoucího zvětšení kapacity.

Od reakce k celé výrobní cestě

Samotný reaktor je pouze jednou částí technologie. Před reakcí může být nutné suroviny vyčistit, smíchat, rozpustit, stlačit nebo předehřát. Po reakci je potřeba oddělit produkt, odstranit nečistoty, regenerovat rozpouštědlo, upravit vedlejší produkty a zpracovat odpadní proudy.

Koncepční návrh proto obvykle řeší několik základních otázek:

• Jaký typ reaktoru je pro danou reakci vhodný?
• Má být proces kontinuální, nebo vsádkový?
• Jakým způsobem se produkt oddělí a vyčistí?
• Které suroviny nebo rozpouštědla lze regenerovat a vracet zpět do procesu?
• Jak se budou odstraňovat vedlejší produkty a nečistoty?
• Kde bude potřeba směs ohřívat, chladit, odpařovat nebo kondenzovat?
• Jaké pomocné látky proces potřebuje?
• Jak budou zpracovány odpadní plyny, kapaliny a pevné odpady?
• Jak bude proces reagovat na změny kvality surovin nebo požadovaného výkonu?

Výsledkem prvních úvah může být jednoduché blokové schéma. To zobrazuje hlavní části procesu, například přípravu surovin, reakci, separaci, čištění produktu a zpracování odpadů. Postupně se schéma zpřesňuje a vzniká první procesní flowsheet obsahující jednotlivá zařízení a proudy mezi nimi.

Recykly a hromadění nečistot

Velkou roli v návrhu chemického procesu hrají recykly. Pokud při reakci nedojde k úplné přeměně suroviny, může být ekonomicky výhodné nezreagovanou část oddělit a vrátit zpět do reaktoru. Stejně lze regenerovat rozpouštědla, katalyzátory nebo pomocné látky.

Recykl může výrazně snížit spotřebu surovin a množství odpadu, zároveň však proces komplikuje. Surovina se průchodem technologií nemusí vracet ve zcela stejné kvalitě. Mohou se v ní postupně hromadit vedlejší produkty, produkty rozkladu nebo stopové nečistoty.

Malé množství nečistoty, které při jednom průchodu proces téměř neovlivní, může po mnoha cyklech dosáhnout koncentrace, při které začne snižovat selektivitu reakce, zanášet zařízení nebo zhoršovat kvalitu produktu. Proto je často nutné část recyklovaného proudu odvádět z procesu. Takový odvod se označuje jako odtahový proud neboli purge.

Návrh recyklu je proto kompromisem. Silnější recykl snižuje spotřebu čerstvé suroviny, ale může zvýšit průtoky uvnitř technologie, zvětšit potřebná zařízení a podpořit hromadění nečistot. I zdánlivě jednoduché propojení několika proudů tak může zásadně ovlivnit chování celého procesu.

Energie jako součást návrhu

Chemická technologie nepřenáší pouze hmotu, ale také energii. Některé reakce je potřeba dlouhodobě zahřívat, jiné naopak uvolňují velké množství tepla, které je nutné bezpečně odvést. Separace, zejména destilace a odpařování, mohou být energeticky náročnější než samotná reakce.

Už v koncepční fázi se proto hledají možnosti, jak teplo v procesu využívat efektivněji. Horký proud vystupující z jedné části technologie může například předehřívat studenou surovinu vstupující do jiné části. Páry vznikající při jednom kroku mohou sloužit jako zdroj tepla pro další zařízení.

Této práci se později věnuje podrobnější energetická integrace, ale základní možnosti je vhodné zvažovat už při výběru procesní varianty. Proces, který na papíře vypadá chemicky elegantně, může být v praxi nevhodný, pokud vyžaduje extrémní množství páry, chlazení nebo elektrické energie.

Neexistuje pouze jedno správné řešení

Koncepční návrh není hledáním jediné předem dané odpovědi. Jde spíše o vytváření, porovnávání a postupné vyřazování variant.

Jedna varianta může nabízet vysoký výtěžek, ale vyžadovat drahé zařízení odolné vůči vysokému tlaku. Jiná může pracovat za mírnějších podmínek, ale produkovat více odpadu. Třetí může být investičně levná, ale obtížně řiditelná při změnách výkonu.

Tým proto obvykle vytváří několik koncepcí a porovnává je pomocí technických, ekonomických, bezpečnostních a environmentálních kritérií. Některé varianty lze rychle vyloučit jednoduchou bilancí. Jiné vyžadují podrobnější simulaci nebo doplňující experimenty.

Koncepční návrh je tak dalším místem, kde se vývoj vrací zpět. Při sestavování procesu se může ukázat, že chybí důležité fyzikálně-chemické údaje, že zvolená reakční cesta vytváří obtížně odstranitelnou nečistotu nebo že laboratorní podmínky nelze rozumně převést do průmyslového zařízení. Tým se potom musí vrátit k modelování nebo znovu do laboratoře.

Vstupy a výstupy této fáze

Vstupem je ověřená reakční cesta, laboratorní výsledky, kinetické a termodynamické modely, fyzikálně-chemická data a požadovaná specifikace produktu. Důležité jsou také předpokládaná výrobní kapacita, dostupnost a cena surovin a energií, bezpečnostní omezení, požadavky na emise a odpady a základní ekonomické cíle projektu.

Výstupem je jedna nebo několik perspektivních koncepcí procesu. Každá z nich by měla obsahovat alespoň základní blokové nebo procesní schéma, seznam hlavních operací, předběžné materiálové a energetické bilance a popis klíčových recyklů, odpadních proudů a pomocných médií.

Součástí výstupu by mělo být také porovnání variant, přehled jejich hlavních výhod a rizik a seznam předpokladů, které bude nutné v dalších fázích ověřit. Výsledkem tedy ještě není detailně navržená technologie, ale rozhodnutí, která koncepce má být dále rozpracována.

Kde mohou pomoci software a AI

Software umožňuje jednotlivé procesní varianty sestavit, simulovat a vzájemně porovnávat. Pro každou konfiguraci lze vypočítat materiálové a energetické bilance, spotřebu surovin, zatížení zařízení, množství odpadů nebo základní ekonomické ukazatele. Při změně reakčních podmínek, účinnosti separace nebo míry recyklu lze automaticky přepočítat celý proces a sledovat, jak se změna projeví v ostatních částech technologie.

Programování je užitečné také při generování většího počtu variant. Místo ručního vytváření každého schématu lze definovat pravidla, podle kterých software kombinuje různé typy reaktorů, separací, recyklů a způsobů využití energie. Následně může automaticky vyřadit řešení, která porušují materiálovou bilanci, nesplňují kvalitu produktu nebo jsou zjevně neekonomická.

AI může při tvorbě koncepce fungovat jako spolupracovník, který navrhuje alternativy a klade otázky. Může například upozornit, že nezreagovanou surovinu lze recyklovat, že určitá nečistota může být oddělitelná krystalizací nebo že odpadní teplo z jedné části procesu může být využito jinde.

Může také pomáhat procházet existující technologická řešení, katalogy zařízení, odbornou literaturu a firemní dokumentaci. Na jejich základě může navrhovat podobné procesní konfigurace nebo upozorňovat na varianty, které tým dosud nezvažoval.

Její návrhy však musí být vždy ověřeny pomocí fyzikálních modelů a inženýrského úsudku. AI může navrhnout proces, který působí logicky na úrovni textového popisu, ale porušuje termodynamická omezení, vyžaduje nereálnou čistotu separace nebo vede k nebezpečné provozní situaci.

Největší hodnotu proto AI přináší při rozšiřování prostoru zvažovaných možností a při rychlém vytváření prvních návrhů. Samotné rozhodnutí musí vycházet z vypočtených bilancí, validovaných modelů, experimentálních dat a zkušeností vývojového týmu.

Od obrázku ke spustitelnému modelu procesu - Engineering as Code

Procesní schéma se tradičně vytváří jako obrázek v grafickém rozhraní simulačního nebo projekčního programu. Obrázek je pro člověka přehledný, ale sám o sobě nemusí obsahovat všechny informace potřebné k reprodukci výpočtu. Část parametrů může být skryta v nastavení jednotlivých zařízení, část v tabulkách a část pouze v dokumentaci projektu.

Zkušenosti ze softwarového inženýrství nabízejí jiný přístup. Celý proces lze popsat také ve strojově čitelné textové podobě: jaké látky obsahuje, jaká zařízení používá, jak jsou zařízení propojena, které modely se mají použít a jaké parametry do nich vstupují.

Takový model není pouze obrázkem technologie, ale jejím spustitelným popisem. Software z něj může sestavit flowsheet, vyřešit bilance, spustit simulaci a vytvořit výslednou dokumentaci. Po změně vstupního údaje lze automaticky přepočítat všechny související části procesu.

Textový popis lze verzovat podobně jako zdrojový kód. Je možné přesně porovnat dvě varianty a zjistit, zda se změnila teplota reakce, účinnost kolony, velikost recyklu nebo použitý termodynamický model. Automatické testy mohou kontrolovat, zda proces zachovává hmotu a energii, zda výsledné proudy splňují specifikaci a zda změna jedné části nerozbila jinou část modelu.

Právě zde se naplno objevuje myšlenka Engineering as Code. Technologický návrh není jen sada obrázků, tabulek a dokumentů, ale strukturovaný a spustitelný model, který lze verzovat, testovat, automaticky přepočítávat a postupně rozvíjet.

Takový přístup je zároveň vhodný pro spolupráci s AI. Umělá inteligence může textovou reprezentaci procesu číst, upravovat a vysvětlovat. Inženýr může například přirozeným jazykem zadat, aby systém přidal recykl nezreagované suroviny, porovnal vsádkový a kontinuální reaktor nebo našel místa s nejvyšší spotřebou energie.

AI však nesmí libovolně měnit fyzikální model pod povrchem. Každá navržená změna musí projít výpočtem, automatickými kontrolami a odborným posouzením. V ideálním případě AI nevytváří výsledky místo procesního simulátoru, ale pomáhá inženýrovi simulátor rychleji a efektivněji používat.

V této fázi se tedy z dílčích modelů reakce a vlastností látek poprvé stává model celé technologie. Ještě není dostatečně podrobný pro výstavbu, ale umožňuje porovnávat varianty, odhalovat slabá místa a rozhodnout, jakým směrem má další vývoj pokračovat.

Závěr a další krok

V tomto dílu jsme se věnovali tématu: koncepční návrh celého procesu. Ukázali jsme si, jaké otázky, rozhodnutí a výstupy tato část vývoje přináší. V dalším dílu na to navážeme tématem Scale-up a pilotní ověření, kde se posuneme o krok dál směrem k fungující technologii.