Food processing plant design optimization and dynamic start-up procedure simulation : a tomato sauce concentration application

Food industry, which is mainly discontinuous, can benefit a lot from the digitalization of production plants, which is investing all industrial sectors. This thesis intends to provide an example to optimize, build, implement and use a dynamic computer-based simulation for a tomato sauce evaporation plant. The present work can be divided in three parts. In the first part the description of the tomato industry context is presented together with the characteristics of tomatoes. Since the digital twin is a model that should be as close as possible to reality, tomato composition and properties have been investigated. The second part deals with the determination of the best process configuration, identified as the one which minimizes the sum of operating and capital expenses. To do so SimCentral simulator is used to determine the values of all the variables in stationary conditions and so to evaluate the dimensions of all the equipment. Once this information is available, it is possible to perform the economic optimization and find the solution which minimizes total costs. Finally, in the third part, Dynsim simulation suite is used for the development of the digital twin and so, to perform a dynamic simulation of the best process configuration previously found. In particular, start-up of the plant is simulated verifying that, with the proper control configuration, the system arrives to the desired steady state without oscillations of the measured variables.

L'industria alimentare, prevalentemente discontinua, può trarre molti benefici dalla digitalizzazione degli impianti di produzione, che sta investendo tutti i settori industriali. Questa tesi intende fornire un esempio di ottimizzazione, modellazione, implementazione e utilizzo di una simulazione dinamica digitale di un impianto di evaporazione per la produzione di salsa di pomodoro. Il presente lavoro può essere diviso in tre parti. Nella prima parte, è presentato il contesto in cui si inserisce l’industria di processo alimentare insieme alle caratteristiche del pomodoro. Dato che un digital twin (o gemello digitale) è un modello che dovrebbe essere il più vicino possibile alla realtà, la composizione e le proprietà del pomodoro sono state analizzate. La seconda parte è dedicata alla determinazione della configurazione di processo ottimale, che si identifica come quella in grado di minimizzare la somma di cost operativi e di investimento. A tal fine, il simulatore SimCentral è utilizzato per determinare il valore di tutte le variabili in condizioni stazionarie e quindi per valutare le dimensioni di tutte le apparecchiature. Una volta che queste informazioni sono disponibili, è possibile eseguire l’ottimizzazione economica e trovare la soluzione che minimizza i costi totali. Infine, nella terza parte, Dynsim è utilizzato per lo sviluppo del digital twin, quindi arrivare a realizzare la simulazione dinamica della miglior configurazione di processo. In particolare, viene simulata l’accensione dell’impianto per verificare che, con una configurazione di controllo adeguata, il sistema arriva alle condizioni stazionarie desiderate senza avere oscillazioni troppo elevate delle variabili in gioco.