CORO (Capex-Opex Robust Optimizer): a multi-objective techno-economic optimization tool for chemical process design

Early design decisions in chemical process development are often taken when only limited and uncertain information is available, yet they have the highest economic impact. In this context, fast, consistent and automated evaluations of capital expenditure (CAPEX), operating expenditure (OPEX) and other economic indicators are essential to compare alternatives. This thesis presents the development and extension of CORO (Capex Opex Robust Optimizer), a software application that connects a commercial process simulator (Aspen HYSYS) with an economic estimation and optimization environment. The tool uses a Microsoft Excel workbook as a user-friendly interface to retrieve flowsheet data via VBA, while the calculation and optimization routines, implemented in C++, communicate through XML. This modular architecture keeps the simulator interface decoupled from the optimization engine and makes the system extensible to other simulators or cost packages. This work aims to enable multi-objective optimization to manage the trade-offs among different, often conflicting objectives (for example, CAPEX and OPEX). The classical Weighted Sum (WS) method is first implemented because of its simplicity and straightforward integration into the existing CORO structure. However, WS revealed limitations in exploring the whole CAPEX–OPEX trade-off. For this reason, the Normal Boundary Intersection (NBI) method is introduced. NBI proved to be more effective in generating a well-distributed Pareto set, giving a clearer picture of the available trade-offs and of how shifting the priorities between investment and operating costs changes the optimal solution. A case study on a methanol separation section showed that CORO can operate on problems controlled by a process simulator and characterized by mildly non-smooth behaviour. Thanks to the BzzMinimizationRobust algorithm, CORO maintains numerical stability within the iterative HYSYS–Excel–C++ loop. Overall, the results demonstrate that the software can evolve from a basic cost estimator into a practical tool to support early-stage processes, capable of handling multiple scenarios and multiple economic objectives.

Le decisioni progettuali nelle fasi iniziali dello sviluppo di un processo chimico vengono spesso prese quando sono disponibili solo informazioni limitate e incerte, ma proprio in questa fase esse hanno il maggiore impatto economico. In questo contesto, valutazioni rapide, coerenti e automatizzate del capitale investito (CAPEX), dei costi operativi (OPEX) e di altri indicatori economici sono essenziali per confrontare diverse alternative. Questa tesi presenta lo sviluppo e l’estensione del CORO (Capex Opex Robust Optimizer), un’applicazione software che collega un simulatore di processo commerciale (Aspen HYSYS) con un ambiente di stima economica e di ottimizzazione. Lo strumento utilizza un file Microsoft Excel come interfaccia intuitiva per recuperare i dati tramite VBA, mentre le routine di calcolo e di ottimizzazione, implementate in C++, comunicano tramite XML. Questa architettura modulare rende il sistema estendibile ad altri simulatori o pacchetti di costo. Lo scopo centrale del lavoro è implementare l’ottimizzazione multi-obiettivo per gestire i compromessi tra molteplici obiettivi, spesso tra loro in conflitto (per esempio, CAPEX e OPEX). Il metodo classico della Weighted Sum (WS) è stato implementato per primo, grazie alla sua semplicità e alla facile integrazione nella struttura CORO esistente. Tuttavia, la WS ha mostrato limiti nell’esplorare l’intero compromesso CAPEX–OPEX. Per questo motivo è stato introdotto il metodo della Normal Boundary Intersection (NBI). L’NBI si è dimostrato più efficace nel generare un insieme di Pareto ben distribuito, offrendo un quadro più chiaro dei compromessi disponibili e di come lo spostamento delle priorità tra investimento e costi operativi cambi la soluzione ottimale. Un caso studio su una sezione di separazione del metanolo ha mostrato che CORO può operare su problemi controllati da un simulatore di processo e caratterizzati da un comportamento non liscio. Grazie all’algoritmo BzzMinimizationRobust, il CORO mantiene la stabilità numerica all’interno del ciclo iterativo HYSYS–Excel–C++. Nel complesso, i risultati dimostrano che il software può evolvere da un semplice stimatore di costi a uno strumento pratico di supporto alle fasi iniziali di progettazione, capace di gestire obiettivi economici multipli.