Erotusprosessien mallinnus. Mallien ennustuskyky ja ratkaisustrategian luotettavuus

Väitöstyössä kehitettiin kemikaalien valmistuksen osaprosessien suunnitteluun ennustuskykyisiä matemaattisia malleja. Kemiallisiin prosesseihin, kuten biojalostamoihin, kuuluu luontaisena osana tuotettavien kemikaalien ja raaka-aineiden erottaminen toisistaan. Näiden erotusprosessien suunnittelu vaatii pitkälle vietyjen matemaattisten kuvausten eli mallien käyttöä. Mallien käytöstä saadaan suurin hyöty, jos niillä voidaan ennustaa luotettavasti esimerkiksi mitä erotusprosessissa tapahtuu, jos jokin tuotantoon vaikuttava tekijä muuttuu.

Analogiaa tämän väitöskirjan päätavoitteelle voi hakea esimerkiksi ilmastonmuutoksen etenemisen ennustamisen keskeisestä kysymyksestä: Miten havaittu ilman hiilidioksidi­pitoisuuden lisääntyminen vaikuttaa tulevaisuudessa havaittuun säähän ja ilmastoon? Jotta tämän tyyppiseen kysymykseen voidaan vastata ilmastotutkimuksessa, tai erotusprosessien suunnittelussa, tulee molemmissa olla käytettävissä hyvin kattava kokeellinen aineisto havaittujen muutosten vaikutuksista tai ennustuskykyinen matemaattinen malli ja muodostetun mallin ratkaisuun soveltuva menetelmä. Ensimmäistä vaihtoehtoa ei voida yleensä käytännössä toteuttaa, joten ennustuskykyisen mallin käytön voidaan katsoa olevan paras saatavilla oleva vaihtoehto vaikutusten selvittämiseksi.

Erotusprosessien mallinnus on kehittynyt viime vuosikymmeninä nopeasti tietokoneiden laskentakapasiteetin lisääntymisen seurauksena. Tästä huolimatta tälläkin hetkellä on useita kohteita, joissa prosessin käyttäytymistä ei voida ennustaa siten, että käytettävissä olisi sekä yleisesti todennettuihin ilmiöihin perustuva malli että mallin ratkaisuun soveltuva luotettava menetelmä. Tässä väitöstyössä valittiin tarkasteltaviksi kohteiksi neste-neste-erotuksen ja kalvoerotuksen kuvaukseen käytettäviä malleja. Neste-neste-erotusta kuvaavien mallien erityispiirteenä on ollut perinteisesti, että niitä ei voida ratkaista luotettavasti ilman suhteettoman pitkän laskenta-ajan käyttöä, kun taas kalvoerotuksen tapauksessa riittävän ennustuskykyisiä malleja ei ole yleisesti saatavilla.

Tästä johtuen väitöstyössä kehitettiin neste-neste-erotusmallien ratkaisuun uusi menetelmä, rajoitettujen homotopiamenetelmien muunnos, joka kykenee luotettavasti ratkaisemaan faasistabiilisuusongelman. Menetelmän luotettavuus todennettiin useissa neste-neste-erotusta kuvaavissa esimerkeissä. Kaasujen kalvoerotuksen kuvausta varten kehitettiin kalvon aineensiirtoa kuvaava malli. Aineensiirtoon käytetyn mallin ennustuskyky havainnollistettiin biomassan kaasutuksen tuotevirtaa kuvaavan seoksen erotuksessa, kun kalvon materiaalina käytettiin erästä zeoliittirakennetta.

Kokonaisuutena voitiin todeta, että tarkasteltujen erotusprosessimallien ennustavuutta voidaan parantaa yhdistämällä malli, jolla on sekä selkeä ilmiöpohja että luotettava ratkaisustrategia. Lisäksi mallien käytettävyys erotusprosessien suunnittelussa on parantunut työn tulosten pohjalta.