Reactor network synthesis with guaranteed robust performance

• Synthese von Reaktornetzwerken mit robust garantierten Eigenschaften

Zhao, Xiao; Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor); Mönnigmann, Martin (Thesis advisor)

Als Manuskript gedruckt. - Düsseldorf : VDI Verlag GmbH (2017)
Buch, Doktorarbeit

In: Fortschritt-Berichte VDI. Reihe 3, Verfahrenstechnik 952
Seite(n)/Artikel-Nr.: XIV, 171 Seiten : Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Übliche kontinuierliche Prozesse enthalten einen Reaktionsteil, eine Trennsequenz und Rückführungen. Der Reaktionsteil stellt meist den wichtigsten Teil eines chemischen Prozesses dar, der aus vielen untereinander verknüpften Reaktoren bestehen kann. Der Überstrukturansatz beschreibt eine oft genutzte, modellgestützte Methode zur Erstellung von Reaktornetzwerken mit strukturellen Freiheitsgraden. Ausgehend von einer Überstruktur des Reaktornetzwerkes werden mathematische Modelle und Optimierungswerkzeuge genutzt, um den besten Prozessentwurf zu finden. Der Überstrukturansatz resultiert in einem optimalen Prozessfließbild mit festgelegten Verknüpfungen der Reaktoren eines bestimmten Reaktortyps sowie mit den zugehörigen Designparametern und Betriebsbedingungen für jeden Reaktor. In dieser Arbeit wird ein systematischer, modellgestützter Ansatz für den Entwurf von Reaktornetzwerken mit garantiert robusten dynamischen Eigenschaften präsentiert. Die Arbeit basiert auf dem Überstrukturansatz. Im Vergleich zu konventionellen Methoden wird jedoch nicht nur die ökonomische Optimalität in Bezug auf eine statische Zielfunktion, sondern auch bestimmte spezifische dynamische Eigenschaften, insbesondere die dynamische Stabilität und die Geschwindigkeit des Responses, gleichzeitig unter parametrischer Unsicherheit garantiert. Strukturelle Fließbildalternativen, insbesondere die Verknüpfung von Reaktoren untereinander und Alternativen in Bezug auf die Regelungsstruktur, d.h. insbesondere die Kopplung von geregelten und manipulierten Variablen, zählen zu den Freiheitsgraden des Entwurfsprozesses. Des Weiteren werden unbenutzte Reaktoren und Regler im Netzwerk zugelassen, sodass a-priori keine feste Anzahl von benutzten Reaktoren und Reglern vorgegeben werden muss. Der optimale Entwurf des Reaktornetzwerks im offenen oder geschlossenen Regelkreis wird durch die Lösung eines einzelnen Optimierungsproblems ermittelt. Der vorgeschlagene Ansatz erlaubt eine integrierte Behandlung von parametrischen Unsicherheiten, die entweder aus Modellunsicherheiten resultieren, wie z.B. Konstanten in der Reaktionskinetik oder Wärmeübergangskoeffizienten, oder aus Prozessunsicherheiten, die auch langsame Veränderungen des Zuflusses oder der Qualität der Edukte einschließen. Es wird eine robuste Zwangsbedingung für die Eigenwerte formuliert, um ein robustes Verhalten des entworfenen Reaktornetzwerkes zu garantieren. Effiziente Formulierungen zur Verknüpfung von Reaktoren und neue Zwangsbedingungen zur Auswahl der Regelungsstruktur, die auf Komplementarität basieren, werden vorgeschlagen. Die Methode resultiert in einem semi-infiniten gemischt-ganzzahligen nichtlinearen Optimierungsproblem mit Komplementaritätsbdingungen, Disjunktionen, und einer robusten Eigenwert-Nebenbedingung. Es wird eine hybride zweistufige Lösungsmethode vorgeschlagen, welche die Lösungsalgorithmen des verwandten Optimierungsproblems integriert. Die vorgeschlagene Lösungsmethode wird auf eine Fallstudie der Allylchlorid-Produktion mit bis zu zehn Rohrreaktoren bzw. Rührkesselreaktoren angewandt.