KAIVOS- OSAAJA SUPRAJOHDE NOBELISTI ROKOTE - Kemia-lehti

Prosessimallinnuson tulevaisuuden työkaluTeollinen prosessi voidaanjo suunnitella pelkästääntietokonemallinnuksen avulla.Niin työpöytä- kuin pilottimittakaavankoelaitoksistasaattaa joskus tulla museotavaraa.Ville AlopaeusTulevaisuudessa yhä suurempi osa kemianteollisuudenkäsittelemistä raaka-ainevirroistasisältää eloperäisiä materiaaleja.Orgaanisten raaka-aineiden monimuotoisuuson teollisuudelle ja yhteiskunnallehaaste, mutta tieteen ja tutkimuksen parissatyöskenteleville mahdollisuus.Raaka-aineiden kentän laajetessa niidenprosessoiminen kuluttajien haluamiksituotteiksi tapahtuu yhä erikoistuneemmissayksiköissä, jotka täyttävätentistä pienempien tuotantomäärien jakorkeampien jalostusasteiden tuotteidentarvetta.Toisaalta tarve verrattain halvoillebulkkituotteille, kuten nestemäisille polttoaineille,ei olennaisesti vähene. Halpojenbulkkituotteiden jalostuksen eloperäisistäraaka-aineista pitää olla suuressamittakaavassa taloudellisesti yhtä kannattavaakuin perinteinen öljynjalostusja petrokemia. Yhtälö on luonnollisestitodella hankala.Nämä tekijät yhdessä johtavat siihen,että uusien kemiallisten prosessien tarvekasvaa jatkuvasti. Samoin lisääntyypaine kehittää prosessit yhä nopeamminlaboratoriomittakaavasta teollisesti toimiviksija kannattaviksi yksiköiksi. Vastauksenhaasteeseen tarjoaa prosessimallinnus.Malli toimii siltanatieteestä tekniikkaanTieteellinen tutkimus tuottaa tietoa siitä,mikä on mahdollista. Tekniikka taas käsitteleekysymystä siitä, mikä on järke-vää. Kemiallisten prosessien mallit toimivatlinkkinä näiden kahden maailmanvälissä.Hyvä malli nojaa fysiikan ja kemianperusteisiin, ja sen sisältämillä parametreillaon fysikaalinen tulkinta. Tällaisetmallit kuvaavat paitsi sitä, minkälaistatasapainotilaa kohti kemiallinen prosessipyrkii, myös sitä, mitä vauhtia tasapainoalähestytään. Jälkimmäinen seikka onerityisen keskeinen analysoitaessa teknologianjärkevyyttä eli kannattavuutta.Hyvän mallin tuottamien tulosten eliennusteiden avulla voidaan suunnitella jamitoittaa prosessiyksiköitä, jotka toimivathuomattavan erilaisissa olosuhteissatai kokoluokassa kuin niissä, joissa kokeeton tehty.Malli on olennainen asia, kun halutaannopeuttaa prosessikehitystä laboratoriossatapahtuvista alustavista kokeiluistateollisen mittakaavan prosessin käynnistymiseen.Puutteellinenkin mallivoi olla käyttökelpoinenHyvän mallin tulee siis pohjautua mahdollisimmanperustavanlaatuisiin kemianja fysiikan lakeihin. Toisaalta mallintulee olla käyttökelpoinen.Keskenään ehkä hieman ristiriitaisiatavoitteita punnittaessa kannattaa muistaakaksi aiheeseen liittyvää sitaattia.Mallin käyttötarkoitukseen viittaa niinsanottu Akinin laki: ”Insinöörin työ tehdäännumeroilla. Analyysi ilman numeroitaon pelkkä mielipide.”Toinen tervehenkinen lainaus on peräisintilastotieteilijä G. E. P. Boxilta:”Kaikki mallit ovat vääriä, mutta jotkutovat hyödyllisiä.”Tutkijan tehtävä on näin ollen arvioida,minkä tasoinen malli on kokonaisuudenkannalta hyödyllisin. Arvion tekeminenvaatii oman erikoisosaamisalueen hallinnanlisäksi riittävää ymmärrystä kokoprosessikehitysketjusta.Siinä onkin pähkinä purtavaksi tutkijakoulutukselle:kuinka paljon esimerkiksiorgaanisen kemistin tai biokemistin tuleetuntea prosessikehityksen kulkua, jottahän voi arvioida omien laboratorioko-keidensa merkitystä laajemmasta perspektiivistä?Malli auttaa arvioimaanteknisen järkevyydenMelko usein kuulee uutisen, että laboratoriossaon saatu ratkaistua koko ihmiskunnalletärkeä ongelma. Innostus ontoki välttämätöntä uusien ideoiden syntymiselle,mutta se vastaa vain tieteen,ei tekniikan, asettamiin kysymyksiin.Kaikki päivittäiseen käyttöömme saadutkemianteollisuuden tuotteet ovat läpäisseetmyös teknisen järkevyyden seulan.Laboratoriomitan kokeista voidaanmallinnusta hyödyntämällä saada paljontietoa myös teknisen järkevyyden arvioimiseksi.Parhaimmillaan mallinnus mahdollistaateollisen prosessin suunnittelunsuoraan ilman työpöytä- tai pilottimittakaavankoelaitoksia.Kokeita suunniteltaessa tulee kuitenkintuntea hyvin prosessien mallinnuksen,kehityksen ja suunnittelun tarpeet.On erittäin tärkeää tarkastella koko raaka-aine-ja tuotejakaumaa, ei pelkästäänyhtä haluttua tuotetta.Ehkä jossain määrin intuition vastainenon vaatimus kokeiden suorittamisestapääosin epäoptimaalisissa koeolosuhteissa.Se on kuitenkin ehdoton edellytysfysikaalisten mallien sisältämienparametrien identifioitumiselle eli määräytymiselleluotettavasti koetulostenperusteella.Mallinnukseen perustuva prosessikehityksennopeuttaminen ei ole pelkkätulevaisuuden toive. Perinteisen öljynjalostuksenprosesseja kehitettäessä onjo päästy yli miljoonakertaiseen mittakaavankasvatussuhteeseen. Haasteeksimuodostuu kehityksen jatkaminen ja soveltaminenyhä uusiin prosesseihin silloin,kun raaka-aineiden kirjo laajeneeyhä hankalampiin materiaaleihin. Erialojen asiantuntijoilta vaaditaankin kykyäyhteistyöhön.Kirjoittaja toimii kemian laitetekniikanprofessorina Aalto-yliopistossa.ville.alopaeus@aalto.fi44 KEMIA 7/2011