PTN Nghiên cứu Mô phỏng và thiết kế quá trình

1 .Giới thiệu chung

Công nghiệp hóa chất có vai trò là một ngành nền tảng, cung cấp nguyên liệu và sản phẩm trung gian cho nhiều lĩnh vực như dược phẩm, nông nghiệp, vật liệu, điện tử, năng lượng. Thực trạng hiện nay của công nghiệp hóa chất: tuy phát triển mạnh mẽ nhưng vẫn phụ thuộc vào nhập khẩu nguyên liệu thô và công nghệ cao. Các khu công nghiệp tập trung như Dung Quất, Cái Mép, Phú Mỹ đang có xu hướng hiện đại hóa. Thách thức đặt ra với ngành công nghiệp hóa chất là công nghệ lạc hậu ở nhiều nhà máy, ô nhiễm môi trường và phát thải chưa được kiểm soát tốt và năng lực nghiên cứu và phát triển còn hạn chế.

Công nghiệp thực phẩm có vai trò là một ngành mũi nhọn, đóng góp lớn cho xuất khẩu và an ninh lương thực quốc gia. Hiện nay Việt Nam là nước xuất khẩu lớn các sản phẩm như thủy sản, cà phê, hạt điều, gạo, trái cây… Đang chuyển dịch từ chế biến thô sang chế biến sâu, nâng cao giá trị gia tăng. Thách thức với công nghiệp thực phẩm là yêu cầu ngày càng cao về tiêu chuẩn chất lượng, an toàn thực phẩm, thiếu công nghệ tối ưu hóa quy trình, giảm tổn thất sau thu hoạch. Nhu cầu đổi mới sản phẩm nhưng thiếu năng lực mô phỏng thử nghiệm.

Ô nhiễm không khí, nước và chất thải rắn ở mức báo động tại các đô thị và khu công nghiệp. Biến đổi khí hậu đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến nông nghiệp và đời sống dân cư. Nhu cầu đối với ngành môi trường và phát triển bền vững hiện nay là cần các công nghệ xử lý, quan trắc và mô hình hóa môi trường chính xác, hiệu quả. Phân tích vòng đời sản phẩm (LCA), đánh giá phát thải carbon, mô phỏng quá trình xử lý nước và chất thải.

Một trong các sản phẩm của PTN mô phỏng và thiết kế quá trình (Hình 1) có thể cung cấp một lộ trình mềm mại và các giải pháp đổi mới thúc đẩy cho việc chuyển đổi và cải tiến công nghệ hiện có theo hướng tối ưu sử dụng năng lượng, giảm phát thải và thân thiện môi trường hơn. Sản phẩm này có khả năng áp dụng vào tất cả các nhà máy hóa chất, thực phẩm, và môi trường bao gồm cả những công nghệ mới đầu tư, góp phần hiện đại hóa ngành công nghiệp tại Việt Nam theo hướng bền vững.

Hình 1. Mục tiêu và sản phẩm đầu ra của nghiên cứu trong PTN Mô phỏng và thiết kế quá trình

Trong bối cảnh công nghiệp hóa – hiện đại hóa và yêu cầu ngày càng cao về hiệu quả sản xuất, chất lượng sản phẩm và bảo vệ môi trường ở Việt Nam, việc nghiên cứu mô hình hóa, mô phỏng và thiết kế quá trình trở nên hết sức cấp thiết, đặc biệt trong các lĩnh vực kỹ thuật hóa học, công nghệ thực phẩm và kỹ thuật môi trường.

Trong kỹ thuật hóa học như lĩnh vực lọc hóa dầu, xi măng, phân bón, dược phẩm, mô hình hóa và mô phỏng là công cụ quan trọng giúp phân tích, tối ưu hóa và điều khiển các quá trình phản ứng, trao đổi nhiệt, truyền khối… từ đó nâng cao hiệu suất, giảm chi phí và đảm bảo an toàn vận hành. Đối với công nghệ thực phẩm, việc mô phỏng các quá trình chế biến như sấy, tiệt trùng, lên men… giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng và đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm. Trong lĩnh vực môi trường, mô hình hóa và mô phỏng cho phép đánh giá tác động của các nguồn ô nhiễm, thiết kế và tối ưu các hệ thống xử lý nước, khí và chất thải rắn, đồng thời cho phép tính toán phát thải khí nhà kính, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững.

Bên cạnh đó, sự phát triển của các công nghệ số như trí tuệ nhân tạo (AI), dữ liệu lớn (Big Data), digital twin và Internet vạn vật (IoT) đang tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp mô hình hóa, mô phỏng vào các hệ thống điều khiển và giám sát thông minh, mở ra nhiều hướng đi mới cho nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn. Do đó, việc đẩy mạnh nghiên cứu trong lĩnh vực này là yêu cầu cấp bách, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc.

2. Mục tiêu 

PTN mô phỏng và thiết kế quá trình nhằm đẩy mạnh ứng dụng công nghệ số bằng phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và thiết kế quá trình để phục vụ cho việc tối ưu hóa sản xuất trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, góp phần thúc đẩy chuyển đổi sang sản xuất thông minh và kinh tế tuần hoàn. 

Mục tiêu cụ thể

Xây dựng các mô hình mô phỏng chính xác cho các quá trình trong kỹ thuật hóa học, thực phẩm và môi trường, nhằm phân tích, dự đoán và tối ưu hiệu suất vận hành.

Tích hợp các công cụ mô hình hóa và mô phỏng vào thiết kế quy trình sản xuất có khả năng tái sử dụng tài nguyên, giảm chất thải, tiết kiệm năng lượng, và khí nhà kính.

Đề xuất các giải pháp thiết kế quá trình phù hợp với mô hình kinh tế tuần hoàn, từ đó làm giảm phát sinh chất thải và phát thải khí nhà kính.

Ứng dụng các công nghệ số (AI, IoT, digital twin, dữ liệu lớn…) để xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển thông minh dựa trên mô hình mô phỏng.

Đánh giá tiềm năng giảm thiểu phát thải và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên thông qua các mô hình đã xây dựng.

PTN mô phỏng và thiết kế quá trình hướng đến mục tiêu tổng thể là hỗ trợ quá trình thiết kế và vận hành các hệ thống công nghệ thân thiện với môi trường, có khả năng tự tối ưu và thích ứng, phù hợp với yêu cầu phát triển bền vững trong thời đại công nghiệp 4.0 ở Việt Nam.

3. Chức năng, nhiệm vụ

 Chức năng

        PTN Mô phỏng và Thiết kế quá trình được xây dựng nhằm phục vụ các hoạt động nghiên cứu khoa học, phát triển công nghệ và đào tạo trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học, công nghệ thực phẩm và kỹ thuật môi trường. Phòng thí nghiệm đóng vai trò trung tâm trong việc tích hợp các công nghệ mô hình hóa, mô phỏng và thiết kế hiện đại vào quá trình nghiên cứu – giảng dạy, đồng thời hỗ trợ chuyển giao công nghệ và tư vấn kỹ thuật cho doanh nghiệp, góp phần thúc đẩy sản xuất thông minh và phát triển bền vững.

 Nhiệm vụ

Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các phương pháp mô hình toán học để mô tả, dự đoán và điều khiển các quá trình vật lý, hóa học, sinh học và môi trường.

Phát triển và triển khai mô phỏng các quá trình công nghiệp (như truyền nhiệt, truyền khối, phản ứng hóa học, xử lý chất thải…) phục vụ tối ưu hóa vận hành và thiết kế hệ thống.

Thiết kế các quy trình công nghệ tích hợp dựa trên mô hình mô phỏng, hướng tới sử dụng hiệu quả tài nguyên, giảm phát thải khí nhà kính và phù hợp với mô hình kinh tế tuần hoàn.

Tích hợp các công nghệ số như trí tuệ nhân tạo (AI), digital twin, Internet vạn vật (IoT), dữ liệu lớn (Big Data) vào hệ thống mô phỏng – điều khiển trong môi trường ảo và thực tế.

Đào tạo, hướng dẫn sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh tiếp cận và sử dụng thành thạo các phần mềm chuyên dụng như Aspen Plus, MATLAB/Simulink, Amesim, COMSOL, gPROMS, Ansys Fluent, STAR-CCM+…

Thực hiện các đề tài nghiên cứu các cấp, tham gia xây dựng chính sách khoa học – công nghệ, và chuyển giao kết quả nghiên cứu cho doanh nghiệp.

Cung cấp dịch vụ mô phỏng – tư vấn thiết kế – đánh giá hiệu quả quá trình cho các tổ chức, doanh nghiệp trong và ngoài nước.

4. Nội dung phát triển chuyên môn

Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao về đào tạo, nghiên cứu và chuyển giao công nghệ trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, phòng thí nghiệm Mô phỏng và Thiết kế quá trình sẽ tập trung phát triển chuyên môn theo các định hướng sau:

Phát triển chuyên môn nghiên cứu

• Đẩy mạnh nghiên cứu ứng dụng các phương pháp mô hình hóa tiên tiến trong mô phỏng hệ thống động, phi tuyến, nhiều biến và tích hợp liên ngành (hóa học – sinh học – môi trường).

• Phát triển các mô hình số phục vụ tối ưu hóa quá trình sản xuất trong các lĩnh vực như sản xuất nhiên liệu sinh học, chế biến thực phẩm, xử lý nước thải và tái sử dụng tài nguyên.

• Nghiên cứu tích hợp các mô hình vật lý với mô hình học máy (machine learning), mô hình dữ liệu lớn để tạo ra các giải pháp mô phỏng thông minh theo thời gian thực.

Ứng dụng mô hình hóa và mô phỏng trong thiết kế quá trình

• Nâng cao năng lực thiết kế quá trình công nghiệp bằng cách tích hợp các mô hình mô phỏng vào quy trình thiết kế thiết bị, lựa chọn điều kiện công nghệ và đánh giá hiệu quả kinh tế – kỹ thuật.

• Phát triển mô hình hỗ trợ thiết kế các quy trình phù hợp với nguyên tắc sản xuất sạch hơn, tuần hoàn hóa nguyên liệu, và giảm phát thải khí nhà kính.

 Phát triển công nghệ mô phỏng tích hợp số

• Xây dựng các nền tảng mô phỏng số tạo ra bản đồ số nhà máy phục vụ đào tạo và chuyển giao công nghệ.

• Triển khai các hệ thống Digital twin (bản sao số) cho các quá trình công nghiệp, giúp giám sát – điều khiển và tối ưu vận hành từ xa.

 Hợp tác và hội nhập

• Thiết lập mạng lưới hợp tác nghiên cứu với các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp trong và ngoài nước trong các lĩnh vực sản xuất thông minh, công nghệ môi trường và thực phẩm.

• Tổ chức các hội thảo khoa học, lớp tập huấn chuyên đề và hoạt động nghiên cứu ứng dụng theo đơn đặt hàng của doanh nghiệp.

 Đào tạo và phát triển nguồn nhân lực

         Cập nhật và nâng cao chương trình đào tạo liên quan đến mô hình hóa – mô phỏng trong các ngành kỹ thuật.

        Tổ chức các khóa đào tạo ngắn hạn, thực hành chuyên sâu cho sinh viên, học viên và cán bộ kỹ thuật ở các nhà máy và đơn vị nghiên cứu trên toàn quốc nhằm nâng cao kỹ năng ứng dụng phần mềm mô phỏng hiện đại.

5. Cơ cấu tổ chức