Optimal design of flexible, operable and sustainable processes under uncertainty : biorefinery applications

par Alessandro Di Pretoro

Thèse de doctorat en Génie des Procédés et de l'Environnement

Sous la direction de Ludovic Montastruc et de Flavio Manenti.

Le président du jury était Xavier Joulia.

Le jury était composé de Ludovic Montastruc, Flavio Manenti, Sigurd Skogestad, Ana Paula Barbosa-Povoa, Antonio Espuña.

Les rapporteurs étaient Sigurd Skogestad, Ana Paula Barbosa-Povoa.

  • Titre traduit

    Conception optimale de procédés flexibles, opérationnels et durables dans un environnement incertain : application à la bioraffinerie


  • Résumé

    La démarche conventionnelle pour le design des procédés est une procédure bien consolidée dans le domaine du génie des procédés et utilise des méthodes d’optimisation basées sur plusieurs objectifs pour satisfaire le différents degrés des liberté. Cependant, l’optimalité de la solution obtenue avec cette procédure est uniquement associée aux conditions opératoires nominales et néglige les perturbations externes. L’objectif de cette thèse est la prise en compte de la flexibilité à chaque étape de la démarche de conception des procédés. À ce propos un cas d’étude concernant une opération de séparation ABE/W dans une bioraffinerie a été choisi. Après une recherche bibliographique détaillée sur la flexibilité, des indices de flexibilité déterministes et stochastiques ont été trouvés et comparés sur la base d’un cas de distillation simple. Le problème concernant le nombre optimal d’étages dans les opérations unitaires multi-étage sous incertitude a été discuté. Les aspects économique et environnemental ont été couplés dans une procédure unifiée pour évaluer le meilleur compromis entre surdimensionnement des équipements (i.e. investissement) et demande d’utilités externes (i.e. coûts opératoires) nécessaires pour compenser les perturbations. À cause du comportement non-idéal de la mélange ABE/W, d’abord la flexibilité thermodynamique a été analysée en utilisant les courbes de résidu pour définir les limites physiques du domaine faisable. La procédure pour une seule colonne a été adaptée au cas d’un train des colonnes ainsi que aux configurations intensifiée équivalentes comme la colonne à paroi. Pour que le procédé soit rentable la récupération efficace du butanol et de l’acétone est nécessaire. À ce propos différentes configurations pour des trains de distillation ont été conçues et comparées en prenant en compte le perturbations de composition dans le courant d’alimentation. La configuration indirecte a été identifiée comme la meilleure solution à cause du contenu de butanol élevé dans l’alimentation. Cependant les trains de distillation sont considérés une solution obsolète pour la purification des mélanges multi-constituant. Ils ont en fait été remplacés par des procédés intensifiés qui permettent de réduire à la fois les coûts d’investissement et les coûts opératoires. Le design d’une colonne à paroi séparatrice (DWC) pour les mêmes spécifications a été donc mis en place avec une méthode à chemin réalisable. Une analyse de flexibilité a été ensuite réalisées sur la DWC pour mettre en évidence les bénéfices et les inconvénients de l’utilisation d’un procédé intensifié. Le design optimal de la DWC a été reformulé en prenant en compte les besoins associé à la flexibilité et les surcouts correspondants par rapport au train de colonnes conventionnel. De plus, pour avoir une vision d’ensemble, des indices de flexibilité concernants la dynamique des procédés ont été analysés. En dynamique les résultats de l’analyse de flexibilité et donc le surdimensionnement nécessaire dépend toujours de la configuration de contrôle. Un nouveau index de «switchabilité» a été défini grâce à la corrélation entre les prestations du système en régime permanent et dynamique dans un point de vue de flexibilité. La définition rigoureuse de cet index a été associé à une stratégie de contrôle prédictif (MPC) pour un système simple mais elle peut aussi être utilisé pour différentes boucles de contrôle pour les comparer. Pour décrire ce dernier cas le même exemple de distillation utilisé pour la comparaison des indices statiques a été simulé avec DynSim en utilisant des régulateurs PID pour mettre en évidence les effets l’influence du transitoire. Le résultat final de ce travail de thèse est donc la définition d’une approche globale pour une conception multiobjectif des opérations unitaires dans des conditions opératoires incertaines et l’analyse de criticités associées. Ces critères sont notamment analyse économique, flexibilité, contrôlabilité et durabilité.


  • Résumé

    The conventional process design procedure is a well-established standard in process engineering and implies the fulfillment of the residual degrees of freedom by mean of optimizations based on several possible criteria. However, the optimality of the solution obtained by this procedure is strictly related to nominal operating conditions and doesn’t account for external perturbations. The purpose of this PhD thesis is then to include flexibility in every step of the process design procedure. An ABE biorefinery separation case study has been selected for this purpose. After a detailed literature research about flexibility, both deterministic and stochastic flexibility indexes have been found and compared on a simple distillation column case study. Then the optimal number of stages problem in equilibrium-staged operation under uncertain conditions has been discussed. The economic and environmental aspects were coupled in a unified procedure in order to assess the best compromise between units oversizing (i.e. investment costs) and external duty demand (OPerating EXpenses) to compensate operating conditions perturbations. Due to the highly non-ideal behaviour of the ABE/W mixture, the thermodynamic flexibility was assessed first by mean of Residue Curve Mapping in order to outline the uncertain domain physical boundaries where the separation is feasible. The procedure for a single column was extended to distillation trains as well as equivalent integrated configurations such as Dividing Wall Column. Since the successfully recovery of at least butanol and acetone is required for the profitability of the process, different configurations for the corresponding distillation column train have been designed and compared accounting for feed composition uncertainty. The indirect configuration was found as the best compromise due to the high butanol content in the feed. However distillation trains are considered an outdated solution for multicomponent mixtures purification. They have been indeed replaced by integrated solutions resulting in both lower investments and lower operating costs. A Dividing Wall Column was then designed with respect to the same process specifications by mean of a feasible path based methodology. It consists of the arrangement of a Petlyuk column into a single column shell. A flexibility assessment was then performed on the DWC as well highlighting both benefits and drawbacks of the employment of a process intensified design solution. The optimal DWC design was then discussed by considering flexibility needs and oversizing costs compared to the classical distillation train configuration. All calculations and simulations performed so far were nonetheless related to steady state conditions. In order to have a more complete overview of flexibility indexes process dynamics was investigated as well. When taking into account process dynamics the flexibility assessment results and thus the required equipment oversizing necessarily depend on the control configuration. A new “switchability” index has been defined by correlating the dynamic and steady state performances under a flexibility point of view. The proper definition of this index was referred to a Model Predictive Control configuration for a simple system but it can be used for any kind of control loop configurations in order to compare them. To describe this latter case study the same distillation column involved in the steady state indexes comparison was simulated in DynSim with PID controllers in order to highlight the influence of dynamics. The final outcome of this thesis work is then the definition of a comprehensive approach for multicriteria design of unit operations in general under uncertain operating conditions and investigate the associated criticalities. Those criteria are respectively economics, flexibility, controllability and sustainability.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 30-09-2022

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