Optimal design of flexible, operable and sustainable processes under uncertainty: biorefinery applications

The conventional process design procedure is a well-established standard in process engineering and implies the fulfillment of the residual degrees of freedom by mean of optimizations based on several possible criteria. However, the optimality of the solution obtained by this procedure is strictly related to nominal operating conditions and doesn’t account for external perturbations. The purpose of this PhD thesis work is then to include flexibility in every step of the process design procedure. An ABE/W (Acetone-Butanol-Ethanol/Water) biorefinery separation case study has been selected for this purpose. After a detailed literature research about flexibility and the associated indicators already proposed by other authors, both deterministic and stochastic indexes were found and compared each other on a simple distillation column case study according to a thorough procedure. The flexibility assessment was then coupled with the economic one and an “additional investment costs vs flexibility” diagram was outlined in order to allow the decision maker a more conscious decision based on both those indicators. The flexibility analysis was then extended and studied in deep on equilibrium-staged operations. The usual design procedure to assess the optimal number of equilibrium stages in a whatever multi-staged operation (e.g. multiple-effect evaporators, absorbers, distillation columns, etc.) is based indeed on a Total Annualized Costs (OPEX and CAPEX) cost optimization. However, this optimization is carried out with respect to nominal operating conditions; this means that, when perturbations occur, the control system compensates to those disturbances by managing the external duties (e.g. steam, reflux ratio etc.) considerably affecting energy costs. Although CAPEX is fixed once the design is carried out, OPEX value may vary over a certain range reflecting the uncertain variables deviation likelihood. A new procedure based on an OPEX averaged over a the uncertain domain was outlined to define the optimal number of trays (CAPEX) under uncertainty. An additional criterion related to the process sustainability was then introduced. A flexible unit design indeed reflects into a lower system energy demand, i.e. a considerably lower environmental impact. Thus the carbon footprint indicator was used to integrate the design procedure and to include sustainability among the design criteria. This way it has been possible to assess the best compromise between units oversizing (i.e. investment costs) and external duty demand (OPerating EXpenses) to compensate operating conditions perturbations. Then the analysis shifted to the biorefinery application. The selected case study refers to a biorefinery separation process, namely a distillation train downstream an ABE (Acetone-Butanol-Ethanol) fermentation process after a preliminary dewatering operation. This mixture was selected both because of the renewed interest in biofuels and because of the possibility to discuss how mixture non-idealities affect the process from a flexibility perspective. Moreover it is well-known that biomasses feedstock nature fluctuates according to their seasonality and the profitability of bioprocesses is strictly related to the good performances of the purification section. Thus this example looked particularly suitable for such a flexibility assessment case study worth to be analyzed even for practical applications. Differently from the former case studies aimed to separate relatively simple hydrocarbon mixtures, when both water and alcohols are involved in a distillation process the operation feasibility boundaries should be better investigated due to the presence of azeotropic species. Residue Curve Mapping was then exploited for different kinds of separation specifications through a well-defined procedure used to generate the thermodynamic feasibility boundaries under uncertain operating conditions. The procedure for a single column was extended to distillation trains as well as equivalent integrated configurations such as the Dividing Wall Column (DWC). Once thermodynamic boundaries have been outlined, the several possible distillation train configurations aimed to purify the ABE mixture components were simulated and compared from a flexibility and economic viewpoint at once. The analysis was carried out both with deterministic and stochastic flexibility indexes and the optimal design choice was successfully identified. However distillation trains with no energy integration are considered an outdated solution for multicomponent mixtures purification. They have been indeed replaced by integrated solutions resulting in both lower investments and lower operating costs. A Dividing Wall Column was then designed with respect to the same process specifications with a feasible-paths based algorithm. A flexibility assessment was then performed on the DWC as well highlighting both benefits and drawbacks of the employment of a process intensified design solution. The optimal DWC design was then discussed by considering flexibility needs and oversizing costs compared to the classical distillation train configuration. All calculations and simulations performed so far were nonetheless related to steady state conditions. In order to have a more complete overview of flexibility indexes process dynamics was investigated as well. When taking into account process dynamics the flexibility assessment results and thus the required equipment oversizing necessarily depend on the control configuration. A new “switchability” index has been defined by correlating the dynamic and steady state performances under a flexibility point of view. The proper definition of this index was referred to a Model Predictive Control configuration for a simple system but it can be used for any kind of control loop configurations in order to compare them. To describe this latter case study the same distillation column involved in the steady state indexes comparison was simulated in DynSim dynamic process simulator with PID controllers in order to highlight the influence of dynamics. The final outcome of this thesis work is then the definition of a comprehensive approach for multicriteria design of unit operations in general under uncertain operating conditions and investigate the associated criticalities. Those criteria are respectively economics, flexibility, controllability and sustainability.

La procedura tradizionale per la progettazione di processi chimici costituisce uno standard ben consolidato nell’ingegneria di processo e solitamente richiede la saturazione di alcuni gradi di libertà residui tramite un’ottimizzazione basata su vari criteri. Tuttavia, la soluzione che si ottiene tramite questa procedura può dirsi “ottimale” unicamente in relazione alle condizioni operative nominali e non tiene conto delle possibili perturbazioni esterne. Lo scopo di questo lavoro di dottorato è quindi quello di includere la flessibilità in ogni tappa della procedura di progettazione. A tal proposito è stato scelto di utilizzare come caso di studio un processo di bioraffineria relativo alla separazione di una miscela ABE/W (Acetone-Butanolo-Etanolo/Acqua) nei suoi componenti puri. In seguito ad una ricerca bibliografica dettagliata sulla flessibilità e sui vari indicatori proposti precedentemente da altri autori, indici di flessibilità sia di tipo deterministico che stocastico sono stati trovati e messi a confronto sulla base di un semplice caso di distillazione di miscela ideale. L’analisi di flessibilità è stata quindi combinata con la valutazione economica permettendo la costruzione di un diagramma “costi aggiuntivi vs. flessibilità” che permette al progettista di effettuare una scelta di design più consapevole basata sugli indicatori precedentemente discussi. In seguito, l’analisi di flessibilità è stata estesa ed analizzata in dettaglio in merito al problema relativo al numero ottimale di stadi di equilibrio in caso di incertezza nelle operazioni multi-stadio. La procedura tradizionale per la scelta del numero di stadi di equilibrio in questo tipo di operazioni (e.g. evaporazione a multiplo effetto, assorbimento, distillazione etc.) è basata infatti su un’ottimizzazione dei Costi Totali Annui (CAPEX ed OPEX). Tuttavia questa ottimizzazione viene realizzata in base alle condizioni operative nominali. Questo significa che, nel caso di perturbazioni, il sistema di controllo deve compensare i disturbi esterni con la gestione delle utenze (e.g. vapore al ribollitore, rapporto di reflusso etc.) influenzando notevolmente i costi relativi ai consumi energetici. Sebbene i costi di investimento per un design definito siano già fissati, i costi operativi possono variare in un intervallo che rispecchia la probabilità delle deviazioni dei parametri incerti. Una nuova procedura basata sulla media degli OPEX pesata sulla distribuzione di probabilità nell’intervallo di incertezza è stata quindi delineata in modo da definire il numero ottimale di stadi di equilibrio (e quindi i CAPEX) in caso di condizioni operative incerte. Un ulteriore criterio associato alla sostenibilità del processo è stato dunque introdotto. Un design flessibile si riflette infatti in una minor domanda di energia, ovvero un impatto ambientale considerevolmente inferiore. Pertanto l’impronta di carbonio è stata presa in considerazione per integrare la procedura di design ed includere la sostenibilità tra i criteri di progettazione. In tal modo è stato possibile trovare il miglior compromesso tra sovradimensionamento delle apparecchiature (costi di investimento) e consumo di utenza esterna (costi operativi) al fine di compensare la perturbazione delle condizioni operative. L’analisi si è quindi spostata sulle applicazioni relative ai processi di bioraffineria. Il case study scelto fa riferimento ad un’operazione di separazione di bioraffineria, nello specifico ad un treno di colonne di distillazione a valle di un processo di fermentazione ABE (Acetone-Butanolo-Etanolo) in seguito ad una rimozione preliminare del contenuto d’acqua. Questa miscela è stata scelta sia per il rinnovato interesse nei biocombustibili sia perché permette di discutere in dettaglio come le non-idealità della miscela incidono sul processo dal punto di vista della flessibilità. Inoltre è noto che la natura della materia prima biomassa fluttua durante l’anno con l’alternarsi delle stagioni e la redditività dei bio-processi è strettamente legata alle buone prestazioni della sezione di purificazione. Per tutte queste ragioni, tale esempio è sembrato particolarmente adatto per questo tipo di analisi di flessibilità che merita di essere analizzata anche in termini di applicazioni pratiche. A differenza dei casi precedenti, il cui fine era la separazione di miscele idrocarburiche relativamente semplici, quando acqua ed alcoli sono coinvolti nello stesso processo di distillazione la regione di fattibilità dell’operazione dev’essere delineata con maggiore accuratezza a causa della presenza degli azeotropi. Per svariati valori delle specifiche di separazione sono state utilizzate le curve di residuo (RCM) tramite una procedura dettagliata al fine di generare i limiti di fattibilità termodinamica in condizioni operative incerte. La procedura per una singola colonna di distillazione è stata quindi estesa ai treni di colonne ed alle configurazioni integrate equivalenti come la colonna a parete separatrice (DWC). Una volta definiti i limiti termodinamici, le differenti configurazioni del treno di distillazione per la purificazione dei componenti nella miscela ABE sono state simulate e confrontate tra loro per flessibilità e costi al contempo. L’analisi è stata realizzata sia con indici di flessibilità deterministici che stocastici e la scelta progettistica ottimale è stata identificata con successo. Tuttavia i treni di colonne di distillazione sono considerati un’opzione tecnologica superata per la purificazione di miscele multicomponente. Essi sono stati infatti rimpiazzati da soluzioni integrate che permettono sia costi di investimento che costi operativi inferiori. Una colonna a parete separatrice (DWC) è stata quindi progettata al fine di ottenere le stesse specifiche di processo tramite un algoritmo basato sui cammini fattibili. È stata dunque condotta un’analisi di flessibilità sulla DWC e messi in risalto sia i benefici che gli inconvenienti dell’impiego di una soluzione di processo intensificata. Il design ottimale della DWC è stato quindi discusso tenendo conto sia dei bisogni di flessibilità e dei costi di sovradimensionamento e confrontato con la classica configurazione del treno di colonne. Tutti i calcoli e le simulazioni fatte finora tuttavia fanno unicamente riferimento alle condizioni stazionarie. Al fine di avere una prospettiva più completa degli indici di flessibilità è stata quindi studiata la dinamica di processo. Quando si prende in considerazione anche la dinamica di un processo i risultati dell’analisi di flessibilità e quindi il sovradimensionamento delle apparecchiature dipendono necessariamente dalla configurazione del sistema di controllo. Un nuovo indice di “switchabilità” è stato quindi definito correlando le prestazioni in dinamico ed in stazionario dal punto di vista della flessibilità. La definizione più appropriata di questo indice è stata riferita ad una strategia di Model Predictive Control per un sistema semplice ma può essere adattata a qualsiasi tipo di loop di controllo al fine di confrontarli. Per descrivere quest’ultimo caso è stata simulata la stessa colonna di distillazione trattata nel confronto degli indici stazionari tramite il simulatore di processo dinamico DynSim con controllori di tipo PID al fine di evidenziare gli effetti legati ai transitori. Il risultato finale di questo lavoro di tesi è quindi la definizione di un approccio globale per la progettazione e l’ottimizzazione multicriterio di operazioni unitarie in generale in condizioni operative incerte e l’analisi delle criticità ad esso associate. I criteri presi in considerazione sono stati rispettivamente l’aspetto economico, la flessibilità, la controllabilità e la sostenibilità.