Eco-design of chemical processes : an integrated approach coupling process modeling, life cycle assessment and multi-objective optimization
Écoconception de procédés : approche systémique couplant modélisation globale, analyse du cycle de vie et optimisation multiobjectif
Résumé
The objective of this work is to propose an integrated and generic framework for eco-design coupling traditional modelling and flowsheeting simulation tools (HYSYS, COCO, ProSimPlus and Ariane), Life Cycle Assessment, multi-objective optimization based on Genetic Algorithms and multiple criteria decision-making methods MCDM (Multiple Choice Decision Making, such as ELECTRE, PROMETHEE, M-TOPSIS) that generalizes, automates and optimizes the evaluation of the environmental criteria at earlier design stage. The approach consists of three main stages. The first two steps correspond respectively to process inventory analysis based on mass and energy balances and impact assessment phases of LCA methodology. Specific attention is paid to the main issues that can be encountered with database and impact assessment i.e. incomplete or missing information, or approximate information that does not match exactly the real situation that may introduce a bias in the environmental impact estimation. A process simulation tool dedicated to production utilities, Ariane, ProSim SA is used to fill environmental database gap, by the design of specific energy sub modules, so that the life cycle energy related emissions for any given process can be computed. The third stage of the methodology is based on the interaction of the previous steps with process simulation for environmental impact assessment and cost estimation through a computational framework. The use of multi-objective optimization methods generally leads to a set of efficient solutions, the so-called Pareto front. The next step consists in identifying the best ones through MCDM methods. The approach is applied to two processes operating in continuous mode. The capabilities of the methodology are highlighted through these case studies (benzene production by HDA process and biodiesel production from vegetable oils). A multi-level assessment for multi-objective optimization is implemented for both cases, the explored pathways depending on the analysis and antagonist behaviour of the criteria.
L’objectif de ce travail est de développer un cadre méthodologique et générique d’éco-conception de procédés chimiques couplant des outils de modélisation et de simulation traditionnels de procédés (HYSYS, COCO, ProSimPlus et Ariane), d’Analyse du Cycle de Vie (ACV), d’optimisation multiobjectif basée sur des Algorithmes Génétiques et enfin des outils d’aide à la décision multicritère (ELECTRE, PROMETHEE, M-TOPSIS). Il s’agit de généraliser, d’automatiser et d’optimiser l’évaluation des impacts environnementaux au stade préliminaire de la conception d’un procédé chimique. L’approche comprend trois étapes principales. Les deux premières correspondent d’une part aux phases d’analyse de l’inventaire par calcul des bilans de matière et d’énergie et d’autre part à l’évaluation environnementale par ACV. Le problème du manque d’information ou de l’imprécision dans les bases de données classiques en ACV pour la production d’énergie notamment sous forme de vapeur largement utilisée dans les procédés a reçu une attention particulière. Une solution proposée consiste à utiliser un simulateur de procédés de production d’utilités (Ariane, ProSim SA) pour contribuer à alimenter la base de données environnementale en tenant compte de variations sur les conditions opératoires ou sur les technologies utilisées. Des sous-modules « énergie » sont ainsi proposés pour calculer les émissions relatives aux impacts liés à l’utilisation de l’énergie dans les procédés. La troisième étape réalise l’interaction entre les deux premières phases et l’optimisation multi-objectif qui met en jeu des critères économiques et environnementaux. Elle conduit à des solutions de compromis le long du front de Pareto à partir desquelles les meilleures sont choisies à l’aide de méthodes d’aide à la décision. L’approche est appliquée à des procédés de production continus : production de benzène par hydrodéalkylation du toluène HDA et production de biodiesel à partir d’huiles végétales. Une stratégie à plusieurs niveaux est mise en oeuvre pour l'analyse de l'optimisation multi-objectif. Elle est utilisée dans les deux cas d'étude afin d'analyser les comportements antagonistes des critères.
Origine : Version validée par le jury (STAR)