(H2N2)-Mô hình hóa các quá trình và mô phỏng bằng máy tính đã được chứng minh là những công cụ phục vụ kỹ thuật vô cùng hiệu quả trong thiết kế và tối ưu các quá trình công nghệ hóa học. Việc ứng dụng mô phỏng đã được mở rộng nhanh chóng trong suốt bốn thập kỷ qua nhờ vào sự trợ giúp của các máy tính điện tử tốc độ cao. Trong các quá trình công nghệ hóa học trong công nghiệp hiện nay, những vấn đề có quy mô lớn, phi tuyến và mang tính chất thực tế đang được giải quyết đều đặn thông qua mô phỏng trên máy tính. Hơn nữa, những khuynh hướng gần đây nhắm vào việc tính toán cá nhân và chuyên biệt, các chương trình công nghiệp cho phép mở rộng ứng dụng tin học trong kỹ thuật thực hành. Điều này có nghĩa là các tính toán kỹ thuật sẽ nhanh hơn và các kỹ sư cần phải hiểu cơ sở đằng sau nhưng chương trình này và làm thế nào để sử dụng một cách hiệu quả nhằm giải quyết các vấn đề về quá trình công nghệ.
Vệc gia tăng sử dụng các kỹ thuật mô phỏng trên máy tính đã mở rộng tính hiệu dụng của khoa học trong công việc. Để phát triển mô phỏng các quá trình, yêu cầu đòi hỏi người kỹ sư phải phát triển những kỹ năng:
– Có hiểu biết cơ sở về kỹ thuật: Các quá trình công nghệ không thể coi như những hộp đen được. Người kỹ sư phải quen với các hệ thống vật lý và cơ chế của các hệ thống này để có thể mô phỏng các quá trình thực và đánh giá kết quả các mô phỏng này.
– Kỹ năng mô hình hóa: Người kỹ sư phải có khả năng triển khai các quan hệ toán học tương xứng nhằm mô tả những hành vi quan trọng của quá trình công nghệ.
– Kỹ năng về tin học: Đưa ra những giải pháp nhanh chóng và rẻ tiền để mô phỏng các quá trình. Người kỹ sư cần phải lựa chọn và sử dụng công cụ hợp lý với nhu cầu. Đối với các vấn đề thực tế, công cụ thường được sử dụng nhất là máy tính điện tử. Bên cạnh đó, cũng cần phải đánh giá và lựa chọn gói phần mềm phù hợp.
Kể từ khi mô phỏng được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết khoa học nhiều hơn là làm thực nghiệm, nó đã kích thích sự phát triển các lĩnh vực đa ngành như là công nghệ sinh học và kỹ thuật môi trường. Họ đã nhận thấy tầm quan trọng mà mô hình hóa mang lại cho xã hội khi mô phỏng những thành công những hệ thống sinh học và môi trường. Và việc mô phỏng các hệ thống chính trị và xã hội là bước tiến kế tiếp cần đạt đến. Mô hình hóa các quá trình công nghệ hóa học được nghiên cứu cả quá trình ổn định và quá trình động (không ổn định).
Tác động to lớn của mô phỏng đối với các quá trình hóa học trong công nghiệp bởi vì nó có những lợi ích sau:
– Lợi ích về mặt kinh tế: thường thì kỹ thuật mô hình hóa kết hợp với các số liệu thực nghiệm và mô hình tóan học thường rẻ hơn so với xây dựng các nhà máy có quy mô khác nhau khi thiết kế.
– Đây là con đường tiện lợi để khảo sát ảnh hưởng của các thông số và nhiễu trong quá trình họat động. Nó thường dễ dàng hơn để thay đổi họat động và đánh giá những thay đổi này thông qua mô hình tóan học so với làm thực nghiệm. Để đánh giá kết quả mô phỏng, cần phải thực hiện một số thí nghiệm, nhưng chỉ thực hiện những thí nghiệm có tầm quan trọng mà thôi.
– Mô hình hóa là con đường hợp lý để ngoại suy hiệu quả và chuyển đổi quy mô. Bằng cách kết hợp các cơ chế vào mô hình hóa quá trình, hiệu quả của hệ thống có thể dự đóan được trong vùng họat động khác.
– Hiểu được hành vi và cơ chế quan trọng của quá trình: Nhờ nắm bắt được rõ ràng mô tả tóan học, người kỹ sư biết được hiều thông tin về quá trình được mô phỏng. Để đạt được một mô phỏng thành công, các cơ chế quan trọng phải được đề cập đến. Thông qua việc giải các mô hình, các mối quan hệ giữa các thông số quá trình và thông số thiết bị đã được khám phá và quan sát một cách dễ dàng.
Quy trình chung để xây dựng một mô phỏng phức tạp được thể hiện qua các bước sau:
Xác định vấn đề
Đây là một bước rất quan trọng để có một mô phỏng thành công. Nhưng thật không may vì có khá ít quy luật chung trong việc xác định vấn đề. Chìa khóa quan trọng trong “Xác định vấn đề” là khả năng tưởng tượng của người kỹ sư. Yêu cầu đặt ra là một tư tưởng đầy sáng tạo dựa trên cơ sở nền tảng kiến thức kỹ thuật. Người kỹ sư bỏ thời gian tìm hiểu về khía cạnh này của vấn đề trước khi tiến hành mô phỏng. Để “Xác định vấn đề” tốt cần phải trả lời được các câu hỏi sau: Đâu là vấn đề mà tôi thực sự muốn tìm ra ? Đâu là kết quả quan trọng của nghiên cứu ? Tại sao công việc này cần phải được thực hiện ? Những nỗ lực cần thiết yêu cầu ở người kỹ sư ? Bao lâu thì công việc này sẽ hòan thành ?
Mô hình tóan học của quá trình
Ở thời điểm này, người kỹ sư đã sản sàng để viết những phương trình bảo tòan thích hợp và mối liên hệ vật giữa các yếu tố trong quá trình với nhau. Những thực nghiệm quan trọng cần phải được thiết kế và thực hiện nhằm xác định các cơ chế chưa biết và các thông số của mô hình. Những thí nghiệm này cần phải được thực hiện vì tính chất quan trọng của nó và không được sao lãng ở bất kỳ thí nghiệm nào. Các phân tích hỗ trợ có vai trò quan trọng trong việc đưa ra các giả thuyết để đơn giản hóa vấn đề. Điều này bắt buộc người kỹ sư phải có kiến thức và không bỏ sót hoặc quên các giả thiết được đặt ra khi xây dựng mô hình tóan học.
Tổ chức phương trình
Một khi các mối liên hệ tóan học được thiết lập, chúng cần phải được sắp xếp theo một trình tự để giải quyết vấn đề. Đó là, cần phải xác định các biến số cần được giải trong các liên hệ. Đối với các vấn đề nhỏ, chúng ta thường biểu diễn hàm này mà không cần suy nghĩ nhiều. Tuy nhiên, với các vấn để lớn thì cần phải thận trong.Việc sắp xếp các phương trình theo một lưu đồ để giải là cần thiết. Lưu đồ khối này rất là hữu ích trong việc tổ chức và chỉ ra mối liên hệ giữa các biến số trong các phương trình với nhau. Ngoài ra, các phương trình nên được sắp xếp lại để quá trình giải phù hợp với mối quan hệ nhân – quả trong các hệ thống vật lý. “Thứ tự tự nhiên” này (theo Franks 1967) của các phương trình thường dẫn đến một giải pháp ổn định và hiệu quả.
Tính toán
Để thu được giải kết quả mô phỏng, người kỹ sư phải có khả năng tính tóan (từ việc kiểm tra cho tới việc phân tích và sử dụng máy tính tốc độ cao để tính tóan). Vì mức độ phức tạp và sự không tuyến tính của mô phỏng mà hầu hết các tính tóan đều yêu cầu máy tính tốc độ cao. Các máy tính này đặc biệt hữu dụng trong giải quyết các vấn đề bằng phương pháp số. Ngôn ngữ FORTRAN được thiết kế để sử dụng trong khoa học và cũng có khả năng giải quyết các bài tóan logic khá tốt; chính vì vậy mà nó được sử dụng nhiều theo kinh nghiệm của các kỹ sư quá trình. Để giải quyết một tập hợp các phương trình đại số, phương trình vi phân tòan phần và phương trình vi phân riêng phần thì việc sử dụng phương pháp số là cần thiết. Để đơn giản hóa việc lập trình khi sử dụng phương pháp số, thường thì người ta viết ra các thủ tục con sử dụng trong khoa học. Một bộ tài liệu đặc biệt hữu dụng là thư viện NAG. Thư viện này có thể làm việc trên máy tính cá nhân hoặc workstation. Những gói phần mềm hỗ trợ cũng đã ra đời với giao diện đồ họa tuyệt vời và dễ dàng trong việc giải quyết các bài tóan khoa học. Một trong những gói phần mềm phổ biến nhất là Matlab (Math Works, Inc.; Sherborn, MA). Đây là một gói phần mềm được phát triển để giải quyết các bài tóan đại số và đáp ứng động. Bên cạnh đó, phần mềm có một loạt các tool-box hỗ trợ để giải quyết các vấn đề kỹ thuật chuyên biệt như là điều khiển quá trình và xác định quá trình.
Phân tích kết quả thu được
Điều quan trọng nhất của mô phỏng các quá trình công nghệ hóa học là việc phân tích và sử dụng kết quả thu được của người kỹ sư. Về mặt này, người kỹ sư cần phải tìm hiểu một cách rõ ràng mô hình có giá trị trong những trường hợp cụ thể nào của quá trình trong thực tế hoặc khi nào cần phải xem xét lại và nâng cấp. Dù mô phỏng có hoàn thành hay không thì các quyết định cũng phải được đưa ra. Hơn nữa, các giải pháp thay thế hợp lý cũng cần được nghiên cứu nhằm nỗ lực nâng cao tính hiệu quả của mô phỏng.
Hạn chế của mô phỏng quá trình
Có một số hạn chế của mô phỏng quá trình mà người kỹ sư phải thận trọng là:
1. Thiếu các dữ kiện tốt và kiến thức về cơ chế của quá trình: Thành công trong việc mô phỏng quá trình phụ thuộc khá nhiều vào kiến thức cơ sở của người kỹ sư.
2. Đặc tính của công cụ tính toán: Có nhiều loại phương trình khác nhau dẫn đến các phương pháp giải quyết vấn đề khác nhau. Những phương trình này bao gồm một vài phương trình đại số phi tuyến và tập hợp các phương trình vi phân riêng phần.
3. Sự nguy hiểm khi quên các giả thiết được đặt ra trong mô hình: Điều này có thể dẫn đến những thay đổi quan trọng trong kết quả mô phỏng.
Ích lợi của mô phỏng quá trình
Mô phỏng quá trình đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong việc giải quyết các về vấn đề hóa học, sinh học, năng lượng và môi trường. Để phát triển nhận thức trong lĩnh vực này, cần phải xem lại các tài liệu trong các năm qua, và tìm các bài báo với ứng dụng tính toán trên máy tính và mô hình hóa để phân tích và giải quyết một vấn đề trong kỹ thuật hóa học. Chuẩn bị một bản tóm tắt ngắn gọn, xúc tích về bài báo với những nội dung sau:
1. Tính đúng đắn của phần tham khảo của bài báo.
2. Tên tác giả, nơi họ làm việc và công việc của họ.
3. Tính chất tự nhiên của vấn đề nghiên cứu.
4. Phương pháp tính toán và độ lớn của vấn đề.
5. Giá trị của kết quả thu được.
Computers in Chemical Engineering, I&EC Research, AIChE Journal, Chemical Engineering Communication, và Chemical Engineering Science là các nguồn đáng để tham khảo.
Trịnh Hoài Thanh
Nguồn W. Fred Ramirez/Blog Nhatquyen
