Optimal design of sustainable chemical processes via a combined simulation-optimization approach
- Autores: Robert Brunet Sole
- Directores de la Tesis: Gonzalo Guillén Gosálbez (dir. tes.), Laureano Jiménez Esteller (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Rovira i Virgili ( España ) en 2012
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Puigjaner Corbella (presid.), Dieter Boer (secret.), Elisabet Capón García (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
Resum La societat es cada dia més conscient de la escassetat i els canvis ambientals. Per això les empreses químiques han d’adaptar i desarrollar processos químics més sostenibles. En aquest sentit, hi ha una clara demanda dins de la comunitat científica per desenvolupar eines sistemàtiques per aconseguir reduccions en els costos de producció i en l’impacte ambiental en els processos químics. Aquesta Tesis introdueix un nou mecanisme pel disseny de processos químics més sostenibles. El sistema que es presenta està basat en l’ús combinat de simulació de processos, eines d’optimització multi-objectiu, anàlisis econòmic, anàlisis de cicle de vida i sistemes de suport a la presa de decisions. L’estratègia presentada s’utilitza en la resolució de problemes complexos, pel que també serà necessari desenvolupar nous algoritmes i estratègies de descomposició per dividir el problema original, en sub-problemes més manejables, per obtindre el disseny òptim del procés. La Tesis es presenta utilitzant sis articles que han estat publicats en revistes científiques. La primera part, que inclou dues publicacions, està enfocada en el disseny de bioprocessos sostenibles, ja que aquests processos han guanyat molt interès al mercat degut al seu alt valor afegit. En el primer treball, s’ha estudiat la maximització del Valor Actual Net en la producció de l’amino-acid L-lisina. El cas es formulat com un problema d’optimització dinàmica entera mixta, i es soluciona mitjançant un mètode de descomposició que itera entre els sub-problemes esclau i el mestre. L’optimització dinàmica del problema esclau es resolta mitjançant un algoritme seqüencial que integra el simulador de procés (SuperPro Designer®) amb un solver de problemes de programació no lineal implementat en Matlab®. En el segon article, el problema d’optimització permet una resolució conjunta dels aspectes econòmics i ambientals del procés. En aquest cas s’optimitza el Valor Actual Net conjuntament amb diversos indicadors ambientals. La solución del problema es presentada mitjançant diverses corbes de Pareto, i en elles s’aplica l’anàlisi de components principals per tal de trobar objectius redundants entre els diversos indicadors ambientals. Degut a que la demanda d’energia s’ha incrementat dràsticament durant els últims anys, l’anàlisi energètic en els processos industrial ha guanyat molt interès. Es per això, que la segona part de la Tesis està enfocada en el disseny òptim de cicles termodinàmics. En aquesta secció s’han publicat dos articles. En el primer dels articles d’aquesta segona part es presenta un mètode per el disseny òptim de cicles d’absorció d’amoni-aigua, tenint en compte l’anàlisi econòmic i ambiental. El problema es planteja com un problema de programació no-lineal entera amb multiples objectius i es resol amb l’estratègia d’aproximació exterior. Al segon article, s’aplica una estratègia similar però incloent diversos cicles termodinàmics. En aquest article es demostren les capacitats del mètode amb diversos cicles termodinàmics, com un cicle Rankine de 10 MW modelat en Aspen Hysys® i un cicle d’absorció d’ammonia-aigua de 90 kW modelat en Aspen Plus®. La producció de biocombustibles segueix creixent a nivell mundial a una gran velocitat. A la tercera part d’aquesta Tesis, hem aplicat tècniques matemàtiques per desenvolupar processos de producció de biocombustibles. Aquesta tercera part inclou novament dos publicacions. En la primera s’adreça el problema de reduir l’impacte ambiental de les plantes de producció de biodiesel mitjançant la inclusió de panells solars per la generació del vapor utilitzat en la planta. Per dur a terme l’estudi s’utilitza un model de sistemes d’energia solar que inclou emmagatzematge d’energia implementat en GAMS®. Aquest model es combinat amb un model de simulació rigorós desenvolupat amb Aspen Plus® de la planta de biodiesel. En el problema el sistema d’energia solar té en compte la minimització del cost i del potencial d'escalfament global de la planta. En el segon treball, el problema adreça el disseny multi-objectiu d’una planta de producció de bio etanol combinada amb un sistema de panels solars per la generació de vapor en la planta. Globalment es pot considerar que la Tesis presenta un nou marc en l’àmbit del disseny òptim de processos sostenibles. Els resultants numèrics mostren que es possible aconseguir millores ambientals i econòmiques utilitzant aquest enfoc rigorós. Addicionalment, aquest mètode ha estat aplicat a diferents tipus de processos com: bioprocesos, cicles termodinàmics i biocombustibles. Aquest mètode serà molt útil per els prenedors de decisions a fi d'avaluar la topologia i les condicions de funcionament en l'enginyeria de procés.
