|  |
| Title:
|
An Innovative Synthesis Methodology for Process Intensification |
| Type:
|
Ph.d. thesisPh.d. thesis |
| Participant(s):
|
Technical University of Denmark
Technical University of Denmark
Email:
Technical University of Denmark
Email:
|
| Abstract:
|
Process intensification (PI) has the potential to improve existing processes or create new process
options, which are needed in order to produce products using more sustainable methods.
A variety of intensified equipment has been developed which potentially creates a large number of
options to improve a process. However, to date only a limited number have achieved implementation in
industry, such as reactive distillation, dividing wall columns and reverse flow reactors. A reason for this is
that the identification of the best PI option is neither simple nor systematic. That is to decide where and
how the process should be intensified for the biggest improvement. Until now, most PI has been
selected based on case‐based trial‐and‐error procedures, not comparing different PI options on a
quantitative basis.
Therefore, the objective of this PhD project is to develop a systematic synthesis/design methodology to
achieve PI. It allows the quick identification of the best PI option on a quantitative basis and will push
the implementation and acceptance of PI in industry. Such a methodology should be able to handle a
large number of options. The method of solution should be efficient, robust and reliable using a welldefined
screening procedure. It should be able to use already existing PI equipment as well as to
generate novel PI equipment.
This PhD‐project succeeded in developing such a synthesis/design methodology. In order to manage the
complexities involved, the methodology employs a decomposition‐based solution approach. Starting
from an analysis of existing processes, the methodology generates a set of PI process options.
Subsequently, the initial search space is reduced through an ordered sequence of steps. As the search
space decreases, more process details are added, increasing the complexity of the mathematical
problem but decreasing its size. The best PI options are ordered in terms of a performance index and a
related set are verified through detailed process simulation. Two building blocks can be used for the
synthesis/design which is PI unit‐operations as well as phenomena. The use of PI unit‐operations as
building block aims to allow a quicker implementation/retrofit of processes while phenomena as
building blocks enable the ability to develop novel process solutions beyond those currently in
existence. Implementation of this methodology requires the use of a number of methods/algorithms,
models, databases, etc., in the different steps which have been developed. PI unit‐operations are stored
and retrieved from a knowledge‐base tool. Phenomena are stored and retrieved from a phenomena
library.
The PI synthesis/design methodology has been tested for both building blocks on a number of case
studies from different areas such as conventional and bio‐based bulk chemicals as well as
pharmaceuticals.Proces intensifikation har potentialet at forbedre eksisterende processer eller at generere nye proces
optioner, som er nødvendige til at producere produkter med hjælp af vedvarende metoder. En vifte af
intensiferet udstyr blev udviklet som potentielt skaber et stort antal af optioner at forbedre en proces.
Det er dog til dato kun en begrænset antal af implementeringer i industrien, som eksempelvis reaktiv
destillation, skillevæg kolonner og omvendt flow reaktorer. En årsag til det er at identifikationen af den
bedste PI option er ikke simple eller systematisk. Det er at beslutte, hvor og hvordan processen skal
blive intensiveret for at opnå den største forbedring. Indtil i dag de fleste PI blev udvalgt baseret på
case‐baseret ”trial and error” procedurer hvilke ikke sammenligner forskellige PI optioner på et
kvantitativt grundlag. Målsætning af dette PhD projekt er derfor at udvikle en systematisk
syntese/design metodologi til at opnå PI. Det gør det muligt at hurtig identificere den bedste PI option
på et kvantitativt grundlag og vil dermed understøtte en implementering og accept af PI i industrien. En
sådan metode børe være i stand til at håndtere et stort antal af optioner. Den valgte løsning børe være
effektiv, robust og pålidelig og benytte en veldefineret screening procedure. Det bør være i stand til at
benytte eksisterende PI udstyr såvel som at generere ny PI udstyr.
Det lykkedes i dette PhD projekt at udvikle en sådan syntese/design metodologi. For at styre af
kompleksiteten metodologien benytter en nedbrydende tilgang. Startende fra en analyse af
eksisterende processer metoden generer et sæt af PI proces optioner. Efterfølgende det første søgnings
rum bliver reduceret med hjælp af en kontrolleret sekvens af trin. Med faldende størrelsen af søgnings
rum mere proces detaljer bliver tilføjet, hvilke øger kompleksiteten med henblik af den matematiske
formulering men med reducering af den reelle størrelse. De bedste PI optioner bliver arrangeret i form
af præstations indeks og en relateret sæt bliver verificeret med hjælp af detaljerede proces
simulationer.
To ”byggeklodser” kan blive benyttet til syntese/design hvilke er PI enhedsoperationer såvel som
fænomen baserede. Brugen af PI enhedsoperationer som ”byggeklodser” har som formål til at tillade en
hurtigere implementering/retrofit af processer mens fænomen baserede ”byggeklodser” giver
muligheden til at udvikle nye proces løsninger udover de nuværende eksisterende. Implementeringen af
denne metodologi kræver anvendelsen af et antal af metoder/algoritmer, modeller, databaser osv. i de
forskellige trin, hvilke blev udviklet. PI enhedsoperationer bliver gemt og hentet fra en videns baseret
værktøj. For at benytte fænomener til at syntetisere processer ”forbindelses” regler blev udviklet til at samle fænomener til enhedsoperationer og enhedsoperationer til processer. Fænomener bliver gemt
og hentet fra et fænomen bibliotek.
Den Pi syntese/design metode blev testet for ”byggeklodser” på et antal af casestudier fra forskellige
områder som konventionelle og bio‐baseret bulk kemikalier såvel som lægemidler. |
| Published:
|
|
| File(s):
|
|
|
|