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A framework for the integration of design and operation under uncertainty using dynamic perturbation and chance constraints
Hoffmann, Christian
Process design is a fundamental aspect of developing new processes in the chemical industry. Often, process design is performed sequentially. In the first step, the design is found by optimization under steady-state conditions and under consideration of economic criteria. In the second step, the control scheme is developed.
In this work, a simultaneous approach is taken what is known in the literature as integration of design and operation (or: integration of design and control). For this purpose, the thesis first outlines the state-of-the-art for the solution of such problems and discusses the theoretical background of the thesis. Afterwards, the methodology developed in this thesis is discussed. This methodology allows the integration of design and operation in an optimization problem in which parametric uncertainty is included without scenario-based recourse and without the sequential solution on individual realizations of the uncertain parameters. This goes beyond the pure challenge of solving a dynamic equation system. The methodology also suggests how to estimate and treat parametric uncertainty and proposes an approach to dealing with dynamic variability of inputs.
The methodology is then applied on two case studies: a stirred reactor and the CO2-based synthesis of methanol. The design obtained with the proposed methodology is compared to a design that is obtained only under consideration of steady-state conditions. In addition, the impact of parametric uncertainty on the design is studied. Due to the proposed transformation of dynamic system into purely algebraic systems, the optimization problems can be solved without methods for the integration of differential equation systems.
The compiled results are finally summarized and critically discussed in order to formulate aspects for future research.
Prozessdesign ist ein essentieller Bestandteil bei der Verfahrensentwicklung in der chemischen Industrie. Oft läuft dies sequentiell ab, wobei in einem ersten Schritt ein Design unter stationären Bedingungen ökonomisch optimiert und in einem zweiten Schritt das Regelungskonzept erstellt wird.
In dieser Arbeit wird ein simultaner Ansatz verfolgt, was in der Literatur als Integration von Design und Betrieb (auch: Design und Regelung) verstanden wird. Hierfür werden zunächst der Stand der Technik zur Lösung solcher Probleme sowie die theoretischen Grundlagen zu dieser Arbeit erörtert. Anschließend wird auf die in der Arbeit entwickelte Methodik eingegangen. Diese erlaubt die Integration von Design und Betrieb in einem Optimierungsproblem, bei dem parametrische Unsicherheit ohne szenariobasierten Recourse und ohne sequenzielle Lösung an einzelnen Realisierungen der unsicheren Parameter erfolgt. Dabei wird zusätzlich zu der Herausforderung in Form der Lösung eines dynamischen Problems auch Möglichkeiten vorgeschlagen, wie parametrische Unsicherheit abgeschätzt und behandelt, und wie dynamische Variabilität von Eingangsgrößen berücksichtigt werden können.
Die entwickelte Methodik wird auf zwei Fallstudien angewendet: einen Rührreaktor und die CO2-basierte Methanolsynthese. Hierbei werden die Ergebnisse für ein unter rein stationären Gesichtspunkten erhaltenes Design und das mithilfe der Methodik unter Berücksichtigung der Dynamik erhaltene Design verglichen. Ferner wird der Einfluss der parametrischen Unsicherheit auf das Design untersucht. Durch die in der Methodik vorgeschlagene Transformation der dynamischen zu rein algebraischen Gleichungssystemen lassen sich die Optimierungsprobleme ohne Verwendung von numerischen Verfahren zur Integration von Differentialgleichungen lösen.
Die in der Arbeit zusammengetragenen Ergebnisse werden zuletzt zusammengefasst und kritisch diskutiert, um darauf basierend Anküpfungspunkte für künftige Forschungsarbeiten zu formulieren.
