Ilmiöpohjaisen mallinnuksen käyttö yksikköprosessien suunnittelussa

Väitöskirjassa tutkittiin eri kemianteollisuuden yksikköprosesseja ilmiöpohjaisen mallinnuksen keinoin niiden mahdollisten optimointireittien löytämiseksi. Monien kemianteollisuuden yksikköprosessien suora kokeellinen tutkiminen on paitsi monin paikoin mahdotonta, myös erittäin kallista ja hankalaa. Tällöin numeerisella mallinnuksella voidaan saada systeemistä tietoa, joka ei muutoin olisi mahdollista. Tätä voidaan edelleen soveltaa sen toiminnan tehostamiseen ja saamaan sekä ajallisia että rahallisia säästöjä.

Yksikköprosesseja tutkittiin numeerisen virtausmallinnuksen (Computational Fluid Dynamics, CFD) ja partikkelimallinnuksen (Discrete Element Method, DEM) avulla. Tavoitteena oli tutkia, miten näitä voidaan käyttää tutkimuksen työkaluina ja kuinka ne soveltuvat teollisten yksikköprosessien tutkimukseen. Työkaluina käytettiin kaupallista ANSYS Fluent CFD -ohjelmistoa, avoimen lähdekoodin OpenFOAM CFD -ohjelmistoa ja LIGGGHTS DEM -ohjelmistoa.

Tutkittujen yksikköprosessien kautta tutkittiin niin numeriikkaa kuin mallinkehitystäkin. Numeerisista seikoista havaittiin, että käytettyjen ohjelmistojen välillä on suuria eroja niiden toiminnallisuudessa, jotka on hyvä olla tiedossa mallinnusta suoritettaessa. Tämä tuli erityisen hyvin selville, kun laskentaa pyrittiin optimoimaan kaasu-neste rajapinnan läheisyydessä. Molemmat käytetyt CFD-ohjelmistot käyttäytyivät hieman eri tavalla ja molemmissa havaittiin puutteita, joskin erityyppisiä. Mallinkehityksen puolelta tuotiin esille, kuinka olemassa olevia malleja voidaan kehittää ei-standardien aineensiirtomekanismien huomioimiseksi. Lisäksi tarkasteltiin kuinka sekä laadullista että määrällistä validointia voidaan suorittaa mallinnusmenetelmän soveltuvuuden varmistamiseksi.

Yksikköprosesseista havaittiin, että putkilämmönvaihtimissa ilmaantuvaa likaantumista voidaan vähentää suuntaamalla virtausta seinämiä kohti ja täten parantaa laitteen tehokkuutta. Sulan teräksen ja levylämmönvaihtimen yhteydessä käytettyjen monifaasimallinnusten avulla pystyttiin päättelemään prosessien ominaisuuksia sekä kuinka niitä voitaisiin kehittää. Lisäksi havaittiin, että mallien kokeellinen todentaminen on erittäin haastavaa ja vaatii lisätutkimusta. Lopuksi lääkejauheen jatkuvatoimiseen rakeistukseen sovelletun DEM-mallinnuksen avulla pystyttiin määrittämään rakeistimen sisäisiä ominaisuuksia, mikä olisi suoraan tutkimalla erittäin hankalaa. Havaittiin, että sovellettua mallia voidaan käyttää prosessin optimoimiseksi, mutta myös sen kokeelliseen varmistamiseen tarvitaan vielä lisää tutkimusta.