Object-oriented modeling of thermo-chemical processes for system and control studies

This thesis presents the design of UnitOperations, a new object-oriented modeling library aimed at enhancing the simulation of chemical processes. Built within the Modelica environment, the library bridges the gap between thermo-hydraulic and chemical reaction dynamics, providing a flexible and scalable solution for simulating real industrial systems. By leveraging object-oriented principles, UnitOperations enables seamless integration of various unit operations, allowing for detailed simulations. The library features a dual-layer architecture. The chemical layer manages reaction kinetics and species interactions, while the thermo-hydraulic layer addresses fluid dynamics and heat transfer. These layers interact through a shared framework, ensuring an accurate representation of process behaviors. The modular design enhances reusability, simplifies the addition of new components, and facilitates future expansions. The capabilities of the UnitOperations library are illustrated through an example of a dimethyl ether production plant, highlighting its ability to model dynamic interactions within interconnected systems. In conclusion, this thesis presents UnitOperations as a powerful and extensible framework for chemical process simulation, addressing the evolving demands of the chemical industry. The library lays the foundation for further advancements in chemical process modeling, offering a valuable tool for academic research and industrial applications.

Questa tesi presenta lo sviluppo di UnitOperations, una nuova libreria basata sulla programmazione orientata agli oggetti, progettata per ottimizzare la simulazione dei processi chimici. Sviluppata all'interno dell'ambiente Modelica, la libreria colma il divario tra le dinamiche termo-idrauliche e quelle delle reazioni chimiche, offrendo una soluzione flessibile e scalabile per la simulazione di sistemi industriali. Grazie ai principi della programmazione orientata agli oggetti, UnitOperations permette l'integrazione fluida di diverse operazioni unitarie, consentendone simulazioni dettagliate. La libreria è strutturata in due livelli. Quello chimico gestisce la cinetica delle reazioni e le interazioni tra le specie, mentre il livello termoidraulico si occupa della dinamica dei fluidi e del trasferimento di calore. Questi due livelli interagiscono tramite un'infrastruttura condivisa, garantendo una rappresentazione accurata del comportamento dei processi. L'architettura modulare favorisce la riusabilità, semplifica l'aggiunta di nuovi componenti e ne facilita future espansioni. Le funzionalità di UnitOperations vengono illustrate attraverso un esempio di un impianto di produzione di etere dimetilico, mettendo in luce la capacità della libreria di modellare le complesse interazioni dinamiche all'interno di sistemi interconnessi. In conclusione, questa tesi propone UnitOperations come un ambiente potente ed estensibile per la simulazione di processi chimici, rispondendo alle esigenze in continua evoluzione dell'industria chimica. La libreria rappresenta una base solida per futuri sviluppi nella modellazione dei processi, offrendo un prezioso strumento sia per la ricerca accademica che per le applicazioni industriali.