Ke3130900 Kemiantekniikan tietotekniikka Luento 3 Kimmo Klemola 08.02.2007 February 8, 2007 Kimmo Klemola 1 Polymath Helppokäyttöinen Chemical Reaction Engineeringprofessorien tekemä Soveltuu monipuolisesti Chemical Engineeringsovelluksiin Jaettu neljään moodiin : 1. Linear Equations 2. Nonlinear Equations 3. Differential Equations 4. Data analysis and Regression Opiskelijoilla mahdollisuus viedä kotikoneeseenkin February 8, 2007 Kimmo Klemola 2 Luento 3 1
Polymath - päävalikko February 8, 2007 Kimmo Klemola 3 Polymath Lineaarisen yhtälöryhmän ratkaisija LEQ EXAMPLE 0.07 D1 + 0.18 B1 + 0.15 D2 + 0.24 B2 = 10.5 0.04 D1 + 0.24 B1 + 0.10 D2 + 0.65 B2 = 17.5 0.54 D1 + 0.42 B1 + 0.54 D2 + 0.10 B2 = 28 0.35 D1 + 0.16 B1 + 0.21 D2 + 0.01 B2 = 14 LEQ SOLUTION [1] D1 = 26.25 [2] B1 = 17.5 [3] D2 = 8.75 [4] B2 = 17.5 February 8, 2007 Kimmo Klemola 4 Luento 3 2
Polymath Epälineaarisen yhtälöryhmän ratkaisija NLE February 8, 2007 Kimmo Klemola 5 Polymath - Differentiaaliyhtälöratkaisija DEQ February 8, 2007 Kimmo Klemola 6 Luento 3 3
Polymath Regressio February 8, 2007 Kimmo Klemola 7 Polymath Dataplot February 8, 2007 Kimmo Klemola 8 Luento 3 4
Polymath Regressio POLYMATH Report Nonlinear Regression (L-M) Model: P = 10^(A+B/(TC+C)) Variable Initial guess Value 95% confidence A 6. 6.615457 0.3426189 B -1000. -1053.266 177.207 C 200. 201.9117 21.62436 Nonlinear regression settings Max # iterations = 64 Precision R^2 R^2adj Rmsd Variance 0.9999704 0.9999619 0.399559 2.280677 February 8, 2007 Kimmo Klemola 9 Production Planning, Logistics, and Scheduling Models - Tuotannon suunnittelu, logistiikka, aikataulutus Tuotannon suunnittelun ja aikataulutuksen avulla pyritään optimoimaan tapahtumia tiettynä aikana, esimerkiksi tuottamaan tietyllä laitekannalla tiettynä aikana mahdollisimman paljon mahdollisimman arvokasta tuotetta. Suomessa tehdään Åbo Akademissa korkeatasoista tutkimusta (prof. Tapio Westerlund) February 8, 2007 Kimmo Klemola 10 Luento 3 5
Process Control Prosessien säätö Prosessien säätö on yleisnimitys sellaisille menetelmille, joilla prosessia pyritään hallitsemaan ja ohjaamaan. Prosessien säädössä käytettään erilaisia instrumentteja kuten paine- ja lämpötila-antureita. Säädössä oleelliset toiminnot ovat mittaus, mittaustuloksen arviointi ja näitä seuraava muutos (esim. virtauksen pienentäminen venttiilin avulla). Yhdessä näitä toimintoja kutsutaan säätöpiiriksi. Prosessien säätösysteemit toimivat real-time ja niiden tulee reagoida välittömästi prosessimuutoksiin. February 8, 2007 Kimmo Klemola 11 Process Control Prosessien säätö APROS (VTT) PROSimulator (Fortum) Metso Automation Damatic Honeywell ABB Automation Total Plant Alcont February 8, 2007 Kimmo Klemola 12 Luento 3 6
Prosessien säätö - PROSimulator Fortumin oma dynaaminen simulaattori, jota käytetään mm. säätöjärjestelmien suunnitteluun ja operaattorien koulutukseen. February 8, 2007 Kimmo Klemola 13 Operator Training and Support Systems - Operaattorien koulutus Käytetään työntekijöiden koulutukseen, etuja mm: hallitummat ja nopeammat prosessien käynnistykset vähemmän ja lyhyempiä prosessien alasajoja parempi tuotteen laatu pienemmät päästöt mitä jos kokeiluja voidaan tehdä riskittä tuotanto pystytään pitämään jatkuvasti hyvänä operaattorien koulutus on riskitöntä ja taloudellista (tuotetta ei mene hukkaan, laitteita ei hajoa ynm) pienennetään koululutusaikaa turvallisuus- ja laatukoulutus uusien työntekijöiden tai uuden työvuoron nopea perehdyttäminen työntekijöiden (operaattorien) taitotaso pystytään pitämään hyvänä February 8, 2007 Kimmo Klemola 14 Luento 3 7
Parameter Estimation - Parametriestimointi Parametriestimoinnissa esimerkiksi koedatan pisteisiin sovitetaan jokin matemaattinen malli. Toisin sanoen mallin parametrit saavat sellaiset optimaaliset arvot, että malli sopii mahdollisimman hyvin koepisteisiin. Malli fitataan, sovitetaan, koedataan. Huom!!!!!!!!!!!!! Mikäli koedata sovitetaan matemaattiseen malliin (teoriaan), on kyse esimerkiksi tieteellisestä huijauksesta. February 8, 2007 Kimmo Klemola 15 Parameter Estimation - Parametriestimointi Toisen asteen yhtälön sovitus datapisteisiin Excelillä, eli estimoidaan parametrit a, b ja c 70 60 50 2 y = ax + bx+ c 40 30 y = 0.6038x 2-3.1548x + 5.6836 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 February 8, 2007 Kimmo Klemola 16 Luento 3 8
Parameter Estimation - Parametriestimointi Ulkomaisia: Matlab Polymath SigmaPlot and many more Suomalaisia: ModEst (Haario, LTY, kemianteollisuus, farmasia) Kinfit (Aittamaa, Flowbat) VLE-fit (Aittamaa, Flowbat) February 8, 2007 Kimmo Klemola 17 Experimental Planning (Experimental Design) - Koesuunnittelu Koesuunnittelun avulla pyritään löytämään optimaalinen koejärjestely tarvittavan tiedon saamiseksi. Kansanomaisesti voi sanoa, että koesuunnittelun avulla pyritään saamaan mahdollisimman paljon irti mahdollisimman vähällä vaivalla. Käytännössä koesuunnittelun tuloksena saadaan esimerkiksi selville missä lämpötilassa ja paineessa kokeet kannattaa tehdä, kuinka paljon katalyyttiä ja kuinka paljon lähtöaineita kussakin kokeessa kannattaa käyttää jne. February 8, 2007 Kimmo Klemola 18 Luento 3 9
Koesuunnittelu - ModEst ModEst = Model Estimation LUT:n professori Heikki Haarion tekemä ohjelma Käytetty runsaasti Suomen kemianteollisuudessa, lähinnä Kemirassa, sekä tieteellisessä tutkimuksessa Jaettu viiteen moodiin : 1. Simulation 2. Parameter Estimation 3. Optimal Design of Experiments 4. Sensitivity Analysis 5. Optimization February 8, 2007 Kimmo Klemola 19 ModEst - päävalikko February 8, 2007 Kimmo Klemola 20 Luento 3 10
ModEst - esimerkki CH 3 O C C CH 3 CH 2 O + (CH 2 ) 3 CH 2 OH k + CH 3 O H 3 C CH C C CH 2 (CH 2 ) 3 CH 3 CH 2 CH CH 3 + 3 OH k - CH 2 O CH CH 2 CH 3 Metyylimetakrylaatti 2-etyyliheksanoli 2-etyyliheksyylimetakrylaatti metanoli r = k1*katmass*cmma*c2eh k2*katmass*c2ehma*cmeoh k = A*exp(-E/RT) February 8, 2007 Kimmo Klemola 21 ModEst - Optimal Design of Experiments - koesuunnittelu February 8, 2007 Kimmo Klemola 22 Luento 3 11
ModEst - Parameter Estimation February 8, 2007 Kimmo Klemola 23 ModEst - Simulation February 8, 2007 Kimmo Klemola 24 Luento 3 12
ModEst Sensitivity Analysis February 8, 2007 Kimmo Klemola 25 ModEst Sensitivity Analysis February 8, 2007 Kimmo Klemola 26 Luento 3 13
Process Integration - Prosessi-integraatio Prosessi-integraatiossa prosessin osia yhdistetään toistensa kanssa siten, että esimerkiksi energian käyttö minimoidaan. Esimerkiksi reaktorissa syntynyt lämpö voidaan käyttää tislaimen lämmitykseen. February 8, 2007 Kimmo Klemola 27 Process synthesis - Prosessisynteesi Prosessisynteesissä yritetään etsiä optimaalinen prosessi (flowsheet) ja laitteet, joilla saadaan valmistetuksi tietyistä lähtöaineista tiettyä tuotetta. metanoli isobuteeni? MTBE February 8, 2007 Kimmo Klemola 28 Luento 3 14
Data reconciliation - Taseiden täsmäys Todellisuudessa jatkuvatoimiset prosessit eivät toimi täysin jatkuvatoimisesti. Taseiden täsmäyksessä mittatiedot manipuloidaan siten, että taseet täsmäävät. Taseiden täsmäyksellä voidaan paikallistaa mittarien virheitä, vuotoja jne. February 8, 2007 Kimmo Klemola 29 Algorithms - Algoritmit An algorithm contains instructions for performing a sequence of simple operations, like recipes in a cookbook [Haataja, 2000]. Algoritmi on sarja toimenpiteitä, ohjeita ja askelia, joiden avulla tietokoneella pystytään ratkaisemaan vaikeitakin matemaattisia ongelmia. February 8, 2007 Kimmo Klemola 30 Luento 3 15
Parallel computing - Rinnakkaislaskenta Vaikka prosessorit ovat nykyään hyvin tehokkaita, saattavat laskenta-ajat niillä olla liian pitkiä. Tällöin voidaan käyttää rinnakkaislaskentaa. Rinnakkaislaskennassa ongelma jaetaan alaongelmiin, jotka lasketaan samanaikaisesti. Nykyisten supertietokoneiden laskentateho perustuu rinnakkaislaskentaan. February 8, 2007 Kimmo Klemola 31 Visualization - Visualisointi Jotta numeerisia laskentatuloksia voidaan tulkita, ne on usein välttämätöntä, järkevää ja havainnollista visualisoida. 0 0 4.162047 3.468385 0 1 0 3.981119 3.607482 0 5 0.223504 3.826961 3.373552 0.195338 11 0.354107 3.845101 3.142151 0.317038 20 0.501807 3.774603 3.013755 0.413083 32 0.561941 3.38279 3.022031 0.595745 45 0.673788 3.349711 2.892413 0.679494 60 0.787541 3.441513 2.72721 0.723255 90 0.954534 3.255379 2.581773 0.885755 120 1.04089 3.106762 2.506724 0.996118 157 1.122729 3.006901 2.428592 1.08462 180 1.225222 3.022523 2.336982 1.120333 240 1.167927 2.800931 2.271894 1.284208 300 1.377029 2.828393 2.161257 1.309213 360 1.380535 2.740131 2.083912 1.403999 428 1.457236 2.649965 2.0388 1.466753 484 1.306253 2.51474 1.998007 1.586207 550 1.521308 2.640498 1.955985 1.515565 604 1.614978 2.526833 1.950274 1.561566 660 1.497204 2.516223 1.911199 1.611613 720 1.428562 2.412852 1.877866 1.696781 Concentration (mol/l) 4 3 2 1 0 0 200 400 600 Time (min) February 8, 2007 Kimmo Klemola 32 Luento 3 16
Tiedon hallinta ja haku Tietotekniikka on tuonut kemistin ulottuville helposti valtavan määrän tietoa. Verkossa on laajoja tietokantoja, mm. patentteja ja Chemical Abstracts tietokanta. Oikeanlaisen tiedon löytäminen saattaa silti olla joskus hankalaa. February 8, 2007 Kimmo Klemola 33 Joitain suomalaisia kemian/prosessiteollisuuden ohjelmia FLOWBAT steady-state flowsheet simulator (TKK, Fortum Oyj) ModEst software package for parameter estimation and optimal design of experiments (Profmath Oy, LUT) HSC Chemistry thermodynamic calculation (Outokumpu Oyj) RAMI steady-state simulator for pulp and paper industry (PI-Consulting Oy) APROS Advanced Process Simulator (VTT) KCL-WEDGE process analysis system (KCL) Solvo power plant simulator (Fortum) Chemsheet thermochemical software for process simulation (VTT) Balas steady-state simulation package for chemical processes with emphasis on pulp and paper (VTT) PulpSim simulation system for the pulp and paper industry (Arhippainen&Gullichsen Oy) Prosim simulator for thermal power plants (Endat Oy, TKK) PROSimulator dynamic process simulator (Fortum Oyj) BSched production planning and scheduling program (Ovela Solutions, Åbo Akademi) FINFLO CFD simulator (TKK) Nova CFD simulator (CFD-Finland Oy) ELMER tool for CFD simulation (CSC Tieteellinen Laskenta Oy) February 8, 2007 Kimmo Klemola 34 Luento 3 17