Multi-objective optimization of sustainability criteria in the conceptual design of chemical plants

Sustainability is a primary issue in the design and retrofitting of chemical processes. The concept of sustainability embraces a broad spectrum of meanings and interdisciplinary topics, and is generally conjugated in three distinct dimensions: economic, environmental, and social. The economic dimension of sustainability denotes the capability of an industrial activity to sustain its capital and operative expenditures and generate profit, while the environmental and social dimensions deal with the possibility of harmonizing with the environment and society, respectively. The question that arises from this premise is: “How can sustainability factors be employed in the design and optimization of chemical processes?”. The present work aims at providing an insight on this still controversial question. When considering sustainability criteria, a Multi-Objective Optimization (MOO) problem needs to be stated (and solved), in which each of the three dimensions represents an objective function. As far as economic sustainability is concerned, an innovative approach to conceptual design is applied in order to account for price volatility and market uncertainty. Proper econometric models are employed to simulate future price trajectories of both commodities and utilities. The WAste Reduction (WAR) algorithm is then employed to assess the Potential Environmental Impact (PEI), a relative measure of the impact that the process produces on the environment, thus being an indicator of its environmental friendliness. Social sustainability, on the other hand, can be addressed in terms of well-being of plant operators and security of the neighboring population, i.e. health and safety issues. This approach covers the inherent safety aspect that aims to achieve safer processes at lower capital and operating costs. A proper methodology for hazard identification, assessment, and ranking is employed to assess the overall hazard potential of the plant, and therefore its level of inherent safety. Finally, the sustainability-based MOO problem is stated and a solution strategy is illustrated and discussed.

La sostenibilità è un tema di primaria importanza nella progettazione e ammodernamento dei processi chimici. Il concetto di sostenibilità abbraccia un ampio spettro di significati ed è generalmente coniugato in tre diverse dimensioni: economica, ambientale e sociale. L’aspetto economico della sostenibilità è legato alla capacità di un’attività industriale di sostenere le proprie spese operative e di investimento e di generare profitti, mentre gli aspetti ambientali e sociali riguardano rispettivamente la possibilità di armonizzazione con l’ambiente e la società. La domanda che sorge da questa premessa è: “In che modo tali criteri di sostenibilità possono essere impiegati nella progettazione e ottimizzazione dei processi chimici?” Il presente lavoro vuole fornire una possibile risposta a questa domanda ancora controversa. Nel momento in cui si considerano diversi criteri di sostenibilità, risulta necessario formulare un problema di ottimizzazione multi-obiettivo, in cui ciascuna delle tre dimensioni sopra citate rappresenta una funzione obiettivo. Per quanto riguarda la sostenibilità economica, un approccio innovativo è stato applicato all’analisi economica del processo al fine di tenere in conto la volatilità dei prezzi. Specifici modelli econometrici sono utilizzati per simulare le traiettorie future dei prezzi di commodity e utility. Il Waste Reduction algorithm è invece impiegato per valutare l’impatto ambientale potenziale (PEI), una misura relativa dell’impatto dell’impianto sull’ambiente. Gli aspetti legati alla sostenibilità sociale sono affrontati in termini di salute e sicurezza degli operatori dell’impianto e della popolazione circostante. Questo approccio copre gli aspetti di sicurezza intrinseca necessari per ottenere processi più sicuri a costi operativi e di investimento più bassi. Una specifica metodologia di identificazione, valutazione e classificazione dei rischi è impiegata per valutare il potenziale di rischio dell’impianto, e di conseguenza il suo livello di sicurezza intrinseca. Infine, il problema di ottimizzazione multi-obiettivo è definito e una strategia di soluzione illustrata e discussa.