Production and changeover control of textile and PET recycling systems

This thesis is the result of an extensive inquiry for recycling and circular economies in general. The notion of circular economies is gaining popularity. Circular economies have become a strong candidate to meet the issues of environmental consciousness and sustainability, which are areas of growing attention. Therefore, this work aims at providing three contributions: (1) a systematic review of the literature about PET recycling from both PET and textile waste with the goal of mapping and identifying obstacles, (2) the identification of industrial problems related to PET recycling starting from a real case study, and (3) the development of an optimization model for the operative production management of the recycling plant to increase the profit. The recycling plant includes three stages working two product types in a semi-batch mode. Changeovers are significantly affecting system performance and can be executed performing Quality Based Changeovers (QBC) or cleaning. A discrete event simulation model representing the controlled system is proposed, and the response function is analyzed as the control parameters vary to understand the impact of control parameters in a set of scenarios. The policy is a threshold-based control policy based on four control parameters. Numerical results include a full factorial design with three factors representing different scenarios of application, each solved by exhaustive search of candidate solutions. System performance (production volume, number of cleanings, and number of QBC) are used to describe the features of the profit response functions found in the results. Two optimality areas are found varying the control parameters of the chemical recycling process and their appearances significantly vary according to scenario factors. Higher profits are found when QBC requires many loads of the chemical reactor (i.e., 32 loads), the processing cost is low (i.e., 65 $/kg for the chemical stage), and the sorting stage is accurate (i.e., a downgrade probability of 0.03). Numerical results also include a sensitivity analysis to further study the effect of the cleaning cost on the optimal areas and showed that this area is migrating as the cleaning cost increases.

Questa tesi è il risultato di un'ampia indagine sul riciclaggio e sulle economie circolari in generale. La nozione di economie circolari sta guadagnando popolarità. Le economie circolari stanno diventando una forte candidata per affrontare le questioni legate alla consapevolezza ambientale e alla sostenibilità, che sono aree di crescente attenzione. Pertanto, questo lavoro mira a fornire tre contributi: (1) una revisione sistematica della letteratura sul riciclaggio del PET sia dai rifiuti di PET che da quelli tessili, con l'obiettivo di mappare e identificare gli ostacoli, (2) l'identificazione dei problemi industriali legati al riciclaggio del PET a partire da uno studio di caso reale, e (3) lo sviluppo di un modello di ottimizzazione per la gestione operativa della produzione dell'impianto di riciclaggio al fine di aumentare il profitto. L'impianto di riciclaggio comprende tre fasi che lavorano su due tipi di prodotto in modalità semibatch. I cambi di produzione influenzano significativamente le prestazioni del sistema e possono essere eseguiti eseguendo Cambi di Produzione Basati sulla Qualità (QBC) o pulizie. Viene proposto un modello di simulazione ad eventi discreti che rappresenta il sistema controllato, e la funzione di risposta è analizzata al variare dei parametri di controllo per comprendere l'impatto di tali parametri in un insieme di scenari. La politica è basata su un controllo basato su soglie e si basa su quattro parametri di controllo. I risultati numerici includono un design fattoriale completo con tre fattori che rappresentano diversi scenari di applicazione, ciascuno risolto con una ricerca esaustiva di soluzioni candidate. Le prestazioni del sistema (volume di produzione, numero di pulizie e numero di QBC) vengono utilizzate per descrivere le caratteristiche delle funzioni di risposta al profitto presenti nei risultati. Due aree di optimalità sono individuate variando i parametri di controllo del processo di riciclaggio chimico e la loro comparsa varia significativamente in base ai fattori degli scenari. Profitti più elevati sono trovati quando i QBC richiedono molte cariche del reattore chimico (ad esempio, 32 cariche), il costo di elaborazione è basso (ad esempio, 65 $/kg per la fase chimica) e la fase di smistamento è accurata (ad esempio, una probabilità di declassamento del 0,03). I risultati numerici includono anche un'analisi di sensitività per studiare ulteriormente l'effetto del costo di pulizia sulle aree ottimali e hanno mostrato che questa area si sposta man mano che aumenta il costo di pulizia.