રાસાયણિક પ્રવિધિઓનું પ્રતિરૂપણ (modelling of chemical processes)

રાસાયણિક પ્રવિધિઓનું પ્રતિરૂપણ (modelling of chemical processes) : અસ્તિત્વમાં હોય (અથવા જેની રચના કરવાની હોય) તેવી પ્રણાલીનાં મુખ્ય પાસાંઓનું એવું નિરૂપણ (યથાર્થ ચિત્રણ, representation) કે જે પ્રણાલીના ઉપયોગમાં લઈ શકાય તેવા સ્વરૂપની માહિતી આપે. આ ચિત્રણ શક્ય તેટલું સાદું પણ અતિશય સાદું ન હોવું જોઈએ.

રાસાયણિક પ્રક્રિયા ઇજનેરી (chemical reaction engineering) એ એવો વિષય છે કે જે રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓનો ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન એકમોમાં ઉપયોગ કરે છે. તેનો અંતિમ હેતુ રાસાયણિક રિઍક્ટરોનું અભિકલ્પન અને તેમના પ્રચાલનનો ઇષ્ટતમ ઉપયોગ કરવાનો છે.

છેલ્લા બે દાયકા થયાં કમ્પ્યૂટર અનુરૂપણો (simulations) એ સંશોધક-ઇજનેરના કાર્યનું મહત્વનું અંગ બની રહ્યાં છે. અત્યંત ખર્ચાળ અને કેટલાક કિસ્સાઓમાં પ્રાયોગિક દૃષ્ટિએ જોખમી એવી જટિલ ભૌતિક પ્રવિધિઓના અભ્યાસ માટે આધુનિક (advanced) અનુરૂપણોનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આવાં આધુનિક અનુરૂપણોની પરાસ (range) આણ્વિક પ્રતિરૂપણથી માંડીને પરમાણુ-બૉંબના પ્રભાવ(impact)ના પ્રતિરૂપણ સુધીની હોય છે.

પ્રતિરૂપણ માટેના ત્રણ અભિગમો છે : (1) ભૌતિક/રાસાયણિક અથવા મૂળભૂત, (ii) આનુભવિક (empirical), અને (iii) અર્ધ-આનુભવિક (semiempirical).

ભૌતિક/રાસાયણિક અભિગમ એ મૂળભૂત અથવા સાર્વત્રિક છે. તેમાં સૈદ્ધાંતિક પૃથક્કરણ દ્વારા પ્રતિરૂપ-સંરચના તૈયાર કરવામાં આવતી હોય છે. આમાં દ્રવ્ય (material)/ઊર્જા-સંતુલનો; ઉષ્મા, દળ (mass) અને વેગમાન સ્થાનાંતરણ; ઉષ્માગતિશાસ્ત્ર અને રાસાયણિક ગતિશાસ્ત્ર (kinetics) તથા ભૌતિક ગુણધર્મો-વિષયક સંબંધોનો સમાવેશ થાય છે. આવા પ્રતિરૂપની જટિલતા નક્કી કરવી પણ જરૂરી છે, કારણ કે તે પરિકલની રીતે (computationally) ખર્ચાળ અને વધુ સમય માંગી લેતું હોય છે. જોકે તે બહિર્વેશન (extrapolation) અને અનુમાપ-ઊર્ધ્વન (scale-up) માટે સારું છે. તેને માટે પ્રાયોગિક ન્યાસ(data)ની જરૂર પડતી નથી.

આનુભવિક અથવા શ્યામ-સંદૂક (black box) અભિગમમાં અજ્ઞાત પ્રાચલોની સંખ્યા મોટી હોય છે; પણ તે રૈખિક (linear) સમાશ્રયણ (પ્રતિક્રમણ, regression) જેવા પ્રાચલો દ્વારા સહેલાઈથી મેળવી શકાય છે. આ રીતે તૈયાર થતી પ્રતિરૂપ-સંરચના વસ્તુલક્ષી (objective) હોય છે. તે બહિર્વેશન માટે જોખમી છે.

અર્ધ-આનુભવિક અભિગમ એ ઉપરના બે અભિગમો વચ્ચેની તડજોડ છે. આ પ્રતિરૂપની સંરચના વધુ સરળ હોઈ શકે છે. તેમાં લાક્ષણિક એવાં 2થી 10 ભૌતિક પ્રાચલો નિર્ધારિત કરવામાં આવે છે (અરૈખિક સમાશ્રયણ). અહીં બહિર્વેશન થઈ શકતું હોવાથી આ અભિગમ સારી પરિવર્તનશીલતા (versatility) ધરાવે છે.

પ્રતિરૂપણની ચોકસાઈને અનેક પ્રાચલો અસર કરતા હોવાથી જે પ્રાચલો ઉપયોગમાં લીધા હોય તેમની વિશ્વસનીય સીમાઓ(confidence limits)નું મૂલ્યાંકન કરવું જરૂરી છે.

પ્રવિધિની સમય અને ભૂમિતિ ઉપરની આધારિતતાના અનુરૂપણ વખતે વપરાતાં સમીકરણોને આંશિક વિકલ સમીકરણો (partial differential equations, PDE) કહે છે. તરલ યાંત્રિકી(fluid dynamics)ના ક્ષેત્રે કે જ્યાં વિમાન, મોટરગાડી અને જહાજની ડિઝાઇન મુખ્ય બાબત હોય છે, તેમાં તેમના વાયુગતિક (aerodynamic) અથવા તરલ-યાંત્રિકીય ગુણધર્મોના ઇષ્ટતમ ઉપયોગ માટે PDEનો ઉપયોગ વર્ષોથી થતો આવ્યો છે. સંરચનાકીય યાંત્રિકીમાં પણ તેમનો ઉપયોગ થાય છે. આને લીધે પ્રાયોગિક સમય અને સાધનોમાં મોટો બચાવ થાય છે. રાસાયણિક ઇજનેરીના ક્ષેત્રે પણ હવે PDEના ઉપયોગ વડે થતા આધુનિક પ્રતિરૂપણનો ઉપયોગ થાય છે. પર્યાવરણીય જરૂરિયાતો અને ઊપસતી જતી વૈશ્ર્વિક ત્રેવડ(economy)માં ટૂંકા વળતર-સમય(payback time)ની જરૂરિયાતો નોંધપાત્ર રીતે વધી હોઈ રાસાયણિક ઇજનેર માટે પ્લાન્ટ ઊભો કરતાં પહેલાં તેના પ્રવિધિ-ઉપકરણ અને પ્રચાલની (operational) પ્રાચલોનો ઇષ્ટતમ ઉપયોગ થાય તે જોવું જરૂરી બન્યું છે. એટલે કે રાસાયણિક ઇજનેરે મૂડીરોકાણ અને પ્રચાલન-ખર્ચ તેમજ નિષ્કાસ(effuent)ના સંઘટન જેવી જે આનુષંગિક આગાહીઓ કે ગણતરીઓ મૂકી હોય તે આજના સમયમાં વધુ ચોક્કસ હોવી જરૂરી છે.

રાસાયણિક ઇજનેરીમાં અનેક પરિવર્તી (variables) ધરાવતી પ્રવિધિઓના અનુરૂપણ અને પ્રતિરૂપણની વધતી જતી માંગ પરિવહન(transport)ની ઘટનાને આભારી છે. એક પ્રવિધિના પ્રતિરૂપણમાં વેગમાન, ઊર્જા અને દળના પરિવહનના સમાવેશને લીધે એકમ-પ્રચાલનો (unit operations) માટેના રિઍક્ટર અને ઉપકરણોમાં [દા. ત., અલગકો (separators) કે ઉષ્મા-વિનિમયકો(heat exchangers)માં] વિવિધ જગાએ વહન (flow), તાપમાન અને સંઘટનના ફેરફારો ઉદભવે છે. આના ઊંડા અભ્યાસ સાથે સંકળાયેલ રાસાયણિક ઇજનેરે કાગળ-પેન્સિલને બદલે હવે અનુરૂપણ-સૉફ્ટવેર(software)નો ઉપયોગ કરવો પડે છે. આને કારણે પ્રતિરૂપણ વધુ અઘરું બને છે, કારણ કે ઇજનેરે સૉફ્ટવેરમાંથી મળતા સંરૂપણ (formulation) સાથે પોતાના પ્રશ્ર્નને બંધબેસતો કરવો પડે છે. હવે તો તંત્રિકા-જાળ (neural nets) જેવાં અરબી પ્રતિરૂપો વધુ ને વધુ લોકપ્રિય બનતાં જાય છે.

ઉપયોગિતા : પ્રતિરૂપણ વડે જે તે પ્રવિધિની સારી સમજ પ્રાપ્ત થાય છે. તે અભિકલ્પન/પ્રચાલનના સંજોગોનું ઇષ્ટતમીકરણ (optimization) કરવામાં મદદરૂપ થાય છે. પ્રવિધિના નિયંત્રણની વ્યૂહરચના દોરવામાં તથા પ્રચાલન કરનાર કર્મચારીઓને તાલીમ આપવામાં પણ ઉપયોગી છે. તેની ઉપયોગિતાનાં ક્ષેત્રોમાં એકમ-પ્રચાલનોના પ્રતિરૂપણથી માંડીને જૈવરાસાયણિક ટેક્નૉલૉજી અને વીજરાસાયણિક ઇજનેરીનો સમાવેશ થાય છે.

હર્ષદ રમણભાઈ પટેલ

અનુ. જ. દા. તલાટી