Optimal biorefinery processes using differential-algebraic equation systems with optimization criteria embedded

  • Optimale Bioraffinerieprozesse unter Verwendung differential-algebraischer Gleichungssysteme mit eingebetten Optimierungskriterien

Ploch, Tobias Michael; Mitsos, Alexander (Thesis advisor); Wiechert, Wolfgang (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Verfahrenstechnik series - AVT.SVT - Process Systems Engineering 19 (2022)
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Bioraffinerien umfassen eine Reihe von Prozessschritten, die aus nachwachsenden Rohstoffen eine Vielzahl von Produkten herstellen. Die dynamische Simulation und Optimierung von detaillierten Prozessmodellen unterstützt die Analyse und Regelung von Bioraffinerieprozessen kurz vor oder während der Umsetzung in Pilot-Anlagen. Die dynamischen Flussbilanzanalyse (DFBA) ermöglicht dabei eine detaillierte Modellierung biotechnologischer Prozesse. Die algebraischen Variablen werden hierbei als Lösung eines Optimierungsproblems bestimmt, sodass ein differential-algebraisches Gleichungssystem mit eingebettetem Optimierungsproblem (DAEO) entsteht. Die dynamische Modellierung von Trennprozessen basierend auf thermodynamischem Gleichgewicht führt ebenfalls zu einem DAEO. In dieser Arbeit wird eine heuristische Lösungsmethode für allgemeine DAEOs vorgestellt, die das eingebettete Optimierungsproblem durch seine notwendigen Optimalitätskriterien (KKT Bedingungen) ersetzt. Die Methode ist in einer DAEO Toolbox implementiert, die auch für andere Anwendungen von DAEOs nutzbar ist. Darüber hinaus wird eine Modelica-Bibliothek dynamischer Modelle, die typische Teilprozesse einer Bioraffinerie beschreiben, präsentiert. Zusammen mit der DAEO Toolbox wird die dynamische Simulation von anlagenweiten Bioraffineriemodellen ermöglicht. Des Weiteren wird die Optimierung von DAEOs, die mathematisch zu einem dynamischen mehrstufigen Optimierungsproblem führt, durchgeführt. Dazu wird das DAEO mit der KKT-basierten Methode zu einem nicht-glatten differential-algebraischen Gleichungssystem (DAE) umformuliert. Die Erweiterung eines Lösers für nicht-glatte DAEs ermöglicht die gradienten-basierte Optimierungen in einem direkten Einfachschießverfahren. Schließlich werden Limitierungen aufgezeigt, die auftreten, wenn der KKT-basierte Ansatz angewendet wird, um dynamische Phasengleichgewichtsprobleme mit mehreren Flüssigphasen zu lösen. Ein alternativer Modellierungsansatz wird vorgeschlagen, der die dynamische Simulation solcher Prozesse ermöglicht.

Identifikationsnummern

Downloads