Implisiittisen kalibroinnin soveltamismahdollisuudet kemiantekniikassa

Abstract

Työn taustalla oli tavoite parantaa erään teollisuusprosessin toimintaa ja sen tuottoa mallintamalla reaktiovaiheen alussa tapahtuvan välituotteen muodostumisen reaktiokinetiikka sekä perinteisellä tavalla että implisiittisellä kalibroinnilla. Toisena tavoitteena oli selvittää, kuinka implisiittistä kalibrointia voidaan yleisemmin hyödyntää kemiantekniikassa.

Implisiittinen kalibrointi on menetelmä, jolla voidaan ratkaista jonkin teoreettisen mallin parametrit suoraan epäsuorasta mittausdatasta (esimerkiksi spektreistä) lähes kokonaan ilman off-line analyysejä.

Tämän työn kirjallisuusosassa on esitetty implisiittisen kalibroinnin toimintaperiaate sekä lyhyesti FTIR-spektrometrian perusteita. Työn kokeellisessa osassa on estimoitu tutkitun välituotteen muodostumisen kineettiset parametrit sekä tavanomaisella parametriestimoinnilla että implisiittisellä kalibroinnilla. Lisäksi kokeellisessa osassa on selvitetty lyhyesti tutkitun prosessin FTIR-spektrien lämpötilariippuvuuksia ja esitetty neljä mahdollista uutta sovelluskohdetta implisiittiselle kalibroinnille.

Tavanomaisella parametriestimoinnilla saatiin estimoitua varsin yksiselitteiset arvot kineettisille parametreille. Myös mallin sovitus koedataan on hyvä kolmessa kokeessa viidestä.

Parametriestimointi implisiittisellä kalibroinnilla onnistui lupaavasti vaikka tulokset eivät ole aivan niin hyviä kuin tavanomaisessa parametriestimoinnissa. Parhaat tulokset implisiittisessä kalibroinnissa saavutettiin suoralla kalibrointitavalla GRR (Generalized Ridge Regression)-kalibrointimenetelmää käyttämällä.

The background of the work was to improve an industrial process and increase its yield by modelling the reaction kinetics of intermediate formed in the beginning of the reaction step. The modelling was carried out both in conventional manner and with implicit calibration. Another objective was to find ways to utilize implicit calibration in chemical technology in general.

The idea of implicit calibration is to provide a method for estimating the parameters of a theoretical model directly from indirect measurements (e.g. spectrum) with only a few off-line analyses.

The literature section presents the principles of implicit calibration and the basics of FTIR-spectrometry. In the experimental section both conventional parameter estimation and implicit calibration was used to estimate the kinetic parameters of formation of studied intermediate. In addition, the experimental section deals shortly with temperature dependencies of the FTIR-spectra in the studied process and presents four new possible applications for implicit calibration.

Conventional parameter estimation provided quite unambiguous values for kinetic parameters. The fit of the model was good in three cases out of five.

Parameter estimation using implicit calibration was promising, although the results were not quite as good as the ones calculated with conventional parameter estimation. Best results in implicit calibration were reached with direct implicit calibration using GRR (Generalized Ridge Regression)-method.