Tetra Tech 的 Wayne Brown 博士讨论使用定制建模来分析复杂流程

博士。 Wayne Brown 是 Tetra Tech 公司 Coanda 的创新和知识产权主管，在工艺工程领域工作了 30 多年，运用基本化学工程原理应对工业水、矿物和石油加工以及生物技术等不同领域的挑战。韦恩从各个方面参与了开发过程，包括担任运营工厂的工艺工程师、工业研究研究员、麦吉尔大学化学工程终身教授，以及开发和推进自己的专有技术的企业家。

他的大部分工作集中在产品和工艺开发、知识产权管理、技术开发和工艺放大上。 2011 年，他因其在油砂研究方面的创新而被授予著名的 ASTech 奖。在他的整个职业生涯中，韦恩发表了几篇经过审阅的期刊文章，重点关注捕捉复杂的相互作用在简洁的数学框架中生物系统与其化学环境之间的作用。

Wayne 拥有麦吉尔大学化学工程博士学位，并在加拿大不列颠哥伦比亚省和阿尔伯塔省注册为专业工程师。他曾担任加拿大化学工程学会董事会成员。

模型如何帮助解决复杂的水和废水问题？ 

模型提供了一种便捷的方法，可以将基础科学提炼为当前问题的简洁总结。它们可以用来测试问题分析的有效性，最终，如果被证明是正确的，可以用来评估流程变更的影响。

我们在 Tetra Tech 生成的模型使我们的客户能够识别问题的根本原因并制定解决问题的策略，无论问题有多复杂。这是通过将我们的理解（源于数十年的过程建模经验）与先进的测量相结合来实现的验证技术来验证结论。例如，我们根据小规模结果开发了新型废水处理技术的数学模型，然后使用这些模型来评估哪种商业部署策略最合适。

存在哪些类型的模型以及它们的局限性是什么？

我们应用两大类建模方法：物理和数学。使用真实或模拟材料缩放的物理模型可以捕获驱动该过程的关键物理现象，这对于可视化问题背后的现象非常有用。数学模型通常与物理模型结合使用。仅使用一种建模方法来解决问题的情况很少见。

流程建模通常用于在构建流程之前预测流程的行为。广泛使用的行业标准（包括 BioWIN）特别适合对一系列常见工艺条件进行建模。此类工具不足当客户尝试开发或排除 BioWIN 等商业软件包未考虑的全新应用程序、流程和几何结构时。在这里，我们的建模专业知识和重要的基础设施资源相结合，为我们的客户提供对其流程挑战的无与伦比的洞察力。

我们的化学工程、应用数学、物理学、公共交通、生化工程、流体动力学、岩土工程等众多学科的专家开发了控制过程的概念模型，并将其用作描述系统的基础。然后，我们根据客户的需求和流程限制制定实用的建模策略。 

建模技术如何发展以满足不断增长的需求？

缩放物理建模是一种捕捉极其复杂过程的物理现象的强大技术。在大多数相关情况下精确相似是不可能的，因此，经验在确定可以放宽哪些特征而不损害模型完整性方面发挥着重要作用。 Tetra Tech 不断积累该领域的专业知识，拥有多位规模建模方面的博士培训专家。我们在比例建模方面的专业知识与我们在计算流体动力学和其他基于数学的技术方面的能力相辅相成，因此我们可以为客户提供全面的交钥匙解决方案。

在过去的几十年里，我们不断地将工艺改进融入到我们所涉及的许多工艺技术中。结果，理想性能与实际性能之间的差距已大大缩小。优化机会变得越来越窄且更具挑战性，我们相应地改进了我们的建模方法和测量技术。除了高速摄像或 X 射线成像等最先进的仪器之外，我们现在还实施自己的 Tetra Tech Delta 技术人工智能和虚拟传感器等技术可以为我们的客户带来实时洞察。

如何验证模型结果是否正确且有意义？

验证是任何建模练习的主要要求。我们根据尽可能多的数据源验证建模结果，无论是现有工厂的商业数据、过去研究文献中发表的结果、客户自己的安装数据，还是来自我们自己的实验室和模拟模型的经验数据。通过构建适当规模的物理模型并使用正确的仪器，我们可以现场收集有价值的数据，并使用该数据来交叉检查流程或其子系统的实际性能。

数据本身通常是任何建模项目中最有价值的方面。为了确保我们收集的数据的质量和完整性，我们拥有一支由熟练的博士组成的专门仪器团队。物理学家和数学家能够识别使用正确的测量技术和传感器从系统收集相关数据。在许多情况下，我们发现根本不存在合适的仪器，即提供正确测量技术、传感范围、准确性和可重复性的仪器。在这些情况下，我们的团队开发必要的仪器来提供所需的测量。这种独特的技能组合为我们的客户在获取和收集解决挑战所需的数据方面提供了明显的优势。

建模在分析流程方面有哪些优势？ 

流程建模可以在创新链的任何一点增加价值——从概念验证、差距缩小和扩大规模阶段，一直到调试、商业化，甚至发布后优化和故障排除。

我们始终采用“Leading with Science®”方法，从基本科学原理出发。接下来的定制建模策略决定了模型本身如何构建根据项目的具体目标雇用。 

经过调整和验证的过程模型（无论是数学模型还是物理模型）可以比实际测试提供许多优势。诸如在高压或高温下或使用刺激性物质或在不透明墙壁后面运行的系统等系统是过程建模的主要候选者。此类系统可以在实验室中使用透明且良性的材料进行分析，或者我们可以在不考虑安全法规的计算空间内利用 Tetra Tech Delta 技术（包括计算流体动力学模拟）。建模可以在虚拟环境中快速评估和优化建议几何形状的性能，在虚拟环境中进行更改不会对生产力或排放产生影响。 

客户在他们的项目中看到了建模的哪些好处？ 

在一个例子中，一位客户希望开发一种新的絮凝剂添加剂，用于岩土工程的稳定和回收伊林斯池塘。我们使用模型来测试真实的化学配方和混合设备，以评估絮凝质量。对此类过程进行建模使该客户能够快速测试多种配方和物理配置，其成本比全面的现场测试低得多，并且不会对周围的生态系统造成风险。这些测试结合了我们团队开发和构建的物理和数学模型。 

在另一个例子中，当无法直接从真实过程中测量和收集感兴趣的物理数据时，我们开发了一个基于第一原理的数学模型，用作虚拟传感器。虚拟传感器为过程操作员提供有价值的信息，帮助他们做出决策，保持受影响的单元（在本例中为化学反应器）的健康。

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