This work presents a methodology that accounts for both environmental impact and price volatility to carry out improved feasibility studies of chemical plants. Recent global events brought to the realization that substantial changes in the design of products and processes are necessary for the sustainability of industrial systems. For instance, raw material and energy prices have been more volatile than ever in the last decade, and might face higher fluctuations in the future. Unfortunately, conventional feasibility studies assume that commodity and utility prices are constant throughout the operational life of the plant. This approach has huge limitations as financial markets are neither stationary not systematic. For these reasons, this work proposes an innovative approach to conceptual design that considers the operative expenditures as a function of price fluctuations, and uses econometric models to devise a set of possible future scenarios of commodity and utility prices. As far as the environmental performance of chemical processes is concerned, the Waste Reduction algorithm is a simple tool to be used by design engineers to determine the potential environmental impact (PEI) of a process. PEI is a relative measure of the potential for a chemical compound to have an effect on the environment, and is calculated by summing the PEI of individual chemicals over eight impact categories. Multi-objective optimization allows incorporating the environmental concerns in the optimization of chemical processes, since it allows treating them as decision-making objectives. The applied case study, based on the cumene process, shows that economic and environmental objectives tend to be contradictory, thus tradeoffs are necessary to reach the preferred flowsheet configuration and its corresponding operating conditions. This work proves that whenever a modification is proposed to improve the environmental friendliness of a process, it is useful to question its economic viability under market uncertainty. Indeed, the cumene plant shows that the most environmentally friendly configurations are those most likely to be economically unfeasible under market uncertainty.

Il presente lavoro di tesi propone e descrive una procedura innovativa per la progettazione concettuale di impianti chimici sostenibili. Tale procedura si concentra sull’analisi della sostenibilità economica ed ambientale volta all’ottimizzazione di variabili progettuali ed operative. Al fine di prevedere la sostenibilità economica di impianto, viene illustrato un approccio sistematico allo studio delle incertezze di mercato. Questo approccio consiste nello sviluppo di opportuni modelli econometrici capaci di simulare l’andamento nel tempo dei prezzi e dei costi di materie prime, prodotti, coprodotti e utility. Così facendo, viene rimossa l’ipotesi di prezzi costanti per lunghi periodi di tempo, ammessa dagli studi di fattibilità convenzionali, e si elabora una stima probabilistica dei profitti attesi sulla base di un numero statisticamente significativo di possibili scenari economici futuri. Per quanto concerne l’analisi della sostenibilità ambientale, viene proposta l’implementazione del Waste Reduction algorithm, il cui scopo è determinare l’impatto ambientale potenziale (PEI) di un processo chimico e del relativo sistema di generazione di energia. Il PEI stima l’effetto che gli scarti di un impianto avrebbero se fossero rilasciati nell’ambiente e viene calcolato come somma dei PEI specifici di tutti i composti chimici di interesse, opportunamente pesati nei loro contributi alle diverse categorie di impatto ambientale. Il caso studio applicato, basato sul processo di sintesi del cumene, mette in evidenza le contrapposizioni tra gli obiettivi economico ed ambientale, che conducono, anziché ad una singola configurazione ottimale di impianto, ad una serie di compromessi tra i rispettivi ottimi. Questo elaborato dimostra che, ogni qualvolta ci si propone di apportare modifiche di impianto finalizzate al miglioramento della prestazione ambientale, è opportuno valutarne la fattibilità economica in condizioni di incertezza di mercato. Infatti, l’impianto del cumene mostra come le configurazioni più sostenibili dal punto di vista ambientale abbiano la maggiore probabilità di non esserlo dal punto di vista economico.

Conceptual design of chemical plants by multi-objective optimization of economic and environmental criteria

SEPIACCI, PIERNICO
2015/2016

Abstract

This work presents a methodology that accounts for both environmental impact and price volatility to carry out improved feasibility studies of chemical plants. Recent global events brought to the realization that substantial changes in the design of products and processes are necessary for the sustainability of industrial systems. For instance, raw material and energy prices have been more volatile than ever in the last decade, and might face higher fluctuations in the future. Unfortunately, conventional feasibility studies assume that commodity and utility prices are constant throughout the operational life of the plant. This approach has huge limitations as financial markets are neither stationary not systematic. For these reasons, this work proposes an innovative approach to conceptual design that considers the operative expenditures as a function of price fluctuations, and uses econometric models to devise a set of possible future scenarios of commodity and utility prices. As far as the environmental performance of chemical processes is concerned, the Waste Reduction algorithm is a simple tool to be used by design engineers to determine the potential environmental impact (PEI) of a process. PEI is a relative measure of the potential for a chemical compound to have an effect on the environment, and is calculated by summing the PEI of individual chemicals over eight impact categories. Multi-objective optimization allows incorporating the environmental concerns in the optimization of chemical processes, since it allows treating them as decision-making objectives. The applied case study, based on the cumene process, shows that economic and environmental objectives tend to be contradictory, thus tradeoffs are necessary to reach the preferred flowsheet configuration and its corresponding operating conditions. This work proves that whenever a modification is proposed to improve the environmental friendliness of a process, it is useful to question its economic viability under market uncertainty. Indeed, the cumene plant shows that the most environmentally friendly configurations are those most likely to be economically unfeasible under market uncertainty.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
21-dic-2016
2015/2016
Il presente lavoro di tesi propone e descrive una procedura innovativa per la progettazione concettuale di impianti chimici sostenibili. Tale procedura si concentra sull’analisi della sostenibilità economica ed ambientale volta all’ottimizzazione di variabili progettuali ed operative. Al fine di prevedere la sostenibilità economica di impianto, viene illustrato un approccio sistematico allo studio delle incertezze di mercato. Questo approccio consiste nello sviluppo di opportuni modelli econometrici capaci di simulare l’andamento nel tempo dei prezzi e dei costi di materie prime, prodotti, coprodotti e utility. Così facendo, viene rimossa l’ipotesi di prezzi costanti per lunghi periodi di tempo, ammessa dagli studi di fattibilità convenzionali, e si elabora una stima probabilistica dei profitti attesi sulla base di un numero statisticamente significativo di possibili scenari economici futuri. Per quanto concerne l’analisi della sostenibilità ambientale, viene proposta l’implementazione del Waste Reduction algorithm, il cui scopo è determinare l’impatto ambientale potenziale (PEI) di un processo chimico e del relativo sistema di generazione di energia. Il PEI stima l’effetto che gli scarti di un impianto avrebbero se fossero rilasciati nell’ambiente e viene calcolato come somma dei PEI specifici di tutti i composti chimici di interesse, opportunamente pesati nei loro contributi alle diverse categorie di impatto ambientale. Il caso studio applicato, basato sul processo di sintesi del cumene, mette in evidenza le contrapposizioni tra gli obiettivi economico ed ambientale, che conducono, anziché ad una singola configurazione ottimale di impianto, ad una serie di compromessi tra i rispettivi ottimi. Questo elaborato dimostra che, ogni qualvolta ci si propone di apportare modifiche di impianto finalizzate al miglioramento della prestazione ambientale, è opportuno valutarne la fattibilità economica in condizioni di incertezza di mercato. Infatti, l’impianto del cumene mostra come le configurazioni più sostenibili dal punto di vista ambientale abbiano la maggiore probabilità di non esserlo dal punto di vista economico.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/131687