Reactor network synthesis with guaranteed robust performance

Zhao, Xiao; Marquardt, Wolfgang; Mönnigmann, Martin

doi:HT019422975

Reactor network synthesis with guaranteed robust performance = Synthese von Reaktornetzwerken mit robust garantierten Eigenschaften

Zhao, Xiao

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Xiao Zhao

AusgabeAls Manuskript gedruckt

ImpressumDüsseldorf : VDI Verlag GmbH 2017

UmfangXIV, 171 Seiten : Diagramme

ISBN978-3-18-395203-8

ReiheFortschritt-Berichte VDI. Reihe 3, Verfahrenstechnik ; 952

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Zweitveröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor) ; Mönnigmann, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-05-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-08230
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/699341/files/699341.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/699341/files/699341.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Prozesstechnik (416410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
eigenvalue constraints (frei) ; integration of process and control system design (frei) ; mixed-integer nonlinear programming (frei) ; normal vector approach (frei) ; reactor network synthesis (frei) ; robust optimization (frei) ; superstructure approach (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Übliche kontinuierliche Prozesse enthalten einen Reaktionsteil, eine Trennsequenz und Rückführungen. Der Reaktionsteil stellt meist den wichtigsten Teil eines chemischen Prozesses dar, der aus vielen untereinander verknüpften Reaktoren bestehen kann. Der Überstrukturansatz beschreibt eine oft genutzte, modellgestützte Methode zur Erstellung von Reaktornetzwerken mit strukturellen Freiheitsgraden. Ausgehend von einer Überstruktur des Reaktornetzwerkes werden mathematische Modelle und Optimierungswerkzeuge genutzt, um den besten Prozessentwurf zu finden. Der Überstrukturansatz resultiert in einem optimalen Prozessfließbild mit festgelegten Verknüpfungen der Reaktoren eines bestimmten Reaktortyps sowie mit den zugehörigen Designparametern und Betriebsbedingungen für jeden Reaktor. In dieser Arbeit wird ein systematischer, modellgestützter Ansatz für den Entwurf von Reaktornetzwerken mit garantiert robusten dynamischen Eigenschaften präsentiert. Die Arbeit basiert auf dem Überstrukturansatz. Im Vergleich zu konventionellen Methoden wird jedoch nicht nur die ökonomische Optimalität in Bezug auf eine statische Zielfunktion, sondern auch bestimmte spezifische dynamische Eigenschaften, insbesondere die dynamische Stabilität und die Geschwindigkeit des Responses, gleichzeitig unter parametrischer Unsicherheit garantiert. Strukturelle Fließbildalternativen, insbesondere die Verknüpfung von Reaktoren untereinander und Alternativen in Bezug auf die Regelungsstruktur, d.h. insbesondere die Kopplung von geregelten und manipulierten Variablen, zählen zu den Freiheitsgraden des Entwurfsprozesses. Des Weiteren werden unbenutzte Reaktoren und Regler im Netzwerk zugelassen, sodass a-priori keine feste Anzahl von benutzten Reaktoren und Reglern vorgegeben werden muss. Der optimale Entwurf des Reaktornetzwerks im offenen oder geschlossenen Regelkreis wird durch die Lösung eines einzelnen Optimierungsproblems ermittelt. Der vorgeschlagene Ansatz erlaubt eine integrierte Behandlung von parametrischen Unsicherheiten, die entweder aus Modellunsicherheiten resultieren, wie z.B. Konstanten in der Reaktionskinetik oder Wärmeübergangskoeffizienten, oder aus Prozessunsicherheiten, die auch langsame Veränderungen des Zuflusses oder der Qualität der Edukte einschließen. Es wird eine robuste Zwangsbedingung für die Eigenwerte formuliert, um ein robustes Verhalten des entworfenen Reaktornetzwerkes zu garantieren. Effiziente Formulierungen zur Verknüpfung von Reaktoren und neue Zwangsbedingungen zur Auswahl der Regelungsstruktur, die auf Komplementarität basieren, werden vorgeschlagen. Die Methode resultiert in einem semi-infiniten gemischt-ganzzahligen nichtlinearen Optimierungsproblem mit Komplementaritätsbdingungen, Disjunktionen, und einer robusten Eigenwert-Nebenbedingung. Es wird eine hybride zweistufige Lösungsmethode vorgeschlagen, welche die Lösungsalgorithmen des verwandten Optimierungsproblems integriert. Die vorgeschlagene Lösungsmethode wird auf eine Fallstudie der Allylchlorid-Produktion mit bis zu zehn Rohrreaktoren bzw. Rührkesselreaktoren angewandt.

Typical continuous process flowsheets include reaction section, separation section and recycles. The reaction section is often the most important part of a chemical process, which may contain several interconnected reactors. The superstructure approach is a widely used model-based process design method for reactor network synthesis. It starts from a reactor network superstructure and uses mathematical models and optimization tools to select the best process design. The superstructure approach results in an optimal process flowsheet with determined connection patterns of reactors, reactor types, design parameters and operating conditions of each reactor. In this work, a systematic model-based approach for reactor network synthesis problems with guaranteed robust dynamic performance will be presented. The work is based on the superstructure approach, but in comparison to the classical methods, not only economic optimality with respect to a static objective function, but also certain specified dynamic properties, i.e. dynamic stability and response speed, are guaranteed simultaneously under parametric uncertainty. Structural alternatives in the flowsheet, i.e., how reactors are interconnected, as well as in the control system, i.e., how controlled and manipulated variables are paired, are subject to design degrees of freedom. Moreover, it is allowed that idle reactors and controllers can appear in the reactor network superstructure, so that a fixed number of non-idle reactors and controllers does not have to be assumed as a priori. The optimal reactor network design in either open- or closed-loop is determined by solving a single optimization problem. The proposed approach allows an integrated treatment of parametric uncertainties, which may either result from model uncertainties, such as reaction kinetic constants or heat transfer coefficients, or from process uncertainties, including slow disturbances in load or the quality of raw materials. A robust eigenvalue constraint to guarantee the robust performance of the designed reactor network is formulated. Efficient formulations of interconnecting reactors and novel complementarity-based constraints for control structure selection are proposed. The method results in a semi-infinite mixed-integer nonlinear optimization problem with complementarity constraints, disjunctions and a robust eigenvalue constraint. A hybrid two-step solution method is proposed to solve the synthesis problem, which integrates candidate solution algorithms of related optimization problems. The proposed solution method is applied to a case study of allyl chloride production with up to ten plug flow and continuous stirred tank reactors.

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