Economic and environmental impacts of the energy source for the utility production system in the HDA process

The well-known benchmark process for hydrodealkylation of toluene (HDA) to produce benzene is revisited in a multi-objective approach for identifying environmentally friendly and cost-effective operation solutions. The paper begins with the presentation of the numerical tools used in this work, i.e., a multi-objective genetic algorithm and a Multiple Choice Decision Making procedure. Then, two studies related to the energy source involved in the utility production system (UPS), either fuel oil or natural gas, of the HDA process are carried out. In each case, a multi-objective optimization problem based on the minimization of the total annual cost of the process and of five environmental burdens, that are Global Warming Potential, Acidification Potential, Photochemical Ozone Creation Potential, Human Toxicity Potential and Eutrophication Potential, is solved and the best solution is identified by use of Multiple Choice Decision Making procedures. An assessment of the respective contribution of the HDA process and the UPS towards environmental impacts on the one hand, and of the environmental impacts generated by the main equipment items of the HDA process on the other hand is then performed to compare both solutions. This ‘‘gate-to-gate’’ environmental study is then enlarged by implementing a ‘‘cradle-togate’’ Life Cycle Assessment (LCA), for accounting of emission inventory and extraction. The use of a natural gas turbine, less economically efficient, turns out to be a more attractive alternative to meet the societal expectations concerning environment preservation and sustainable development

Enhanced genetic algorithm-based fuzzy multiobjective strategy to multiproduct batch plant design

This paper addresses the problem of the optimal design of batch plants with imprecise demands in product amounts. The design of such plants necessary involves how equipment may be utilized, which means that plant scheduling and production must constitute a basic part of the design problem. Rather than resorting to a traditional probabilistic approach for modeling the imprecision on product demands, this work proposes an alternative treatment by using fuzzy concepts. The design problem is tackled by introducing a new approach based on a multiobjective genetic algorithm, combined wit the fuzzy set theory for computing the objectives as fuzzy quantities. The problem takes into account simultaneous maximization of the fuzzy net present value and of two other performance criteria, i.e. the production delay/advance and a flexibility index. The delay/advance objective is computed by comparing the fuzzy production time for the products to a given fuzzy time horizon, and the flexibility index represents the additional fuzzy production that the plant would be able to produce. The multiobjective optimization provides the Pareto's front which is a set of scenarios that are helpful for guiding the decision's maker in its final choices. About the solution procedure, a genetic algorithm was implemented since it is particularly well-suited to take into account the arithmetic of fuzzy numbers. Furthermore because a genetic algorithm is working on populations of potential solutions, this type of procedure is well adapted for multiobjective optimization

Multiobjective genetic algorithm strategies for electricity production from generation IV nuclear technology

Development of a technico-economic optimization strategy of cogeneration systems of electricity/hydrogen, consists in finding an optimal efficiency of the generating cycle and heat delivery system, maximizing the energy production and minimizing the production costs. The first part of the paper is related to the development of a multiobjective optimization library (MULTIGEN) to tackle all types of problems arising from cogeneration. After a literature review for identifying the most efficient methods, the MULTIGEN library is described, and the innovative points are listed. A new stopping criterion, based on the stagnation of the Pareto front, may lead to significant decrease of computational times, particularly in the case of problems involving only integer variables. Two practical examples are presented in the last section. The former is devoted to a bicriteria optimization of both exergy destruction and total cost of the plant, for a generating cycle coupled with a Very High Temperature Reactor (VHTR). The second example consists in designing the heat exchanger of the generating turbomachine. Three criteria are optimized: the exchange surface, the exergy destruction and the number of exchange modules

Optimization of Gas Transmission Networks under Energetic and Environmental Considerations

The transport of large quantities of natural gas (NG) is carried out by pipelinenetwork systems across long distances. Pipeline network systems include one orseveral compressor stations which compensate for pressure drops. A typical net-work today might consist of thousands of pipes, dozens of stations, and manyother devices, such as valves and regulators. Inside each station, there can be sev-eral groups of compressor units of various vintages that were installed as the ca-pacity of the system expanded. The compressor stations typically consume about3 to 5% of the transported gas. It is estimated that the global optimization ofoperations can save considerably the fuel consumed by the stations. Hence, theproblem of minimizing fuel cost is of great importance. This study presents amathematical formulation for NG transport through pipelines and compressors byconsidering the mass and energy balance equations on the basic elements of a di-dactic network from the literature. First, a deterministic optimization procedure isimplemented. The objective of this formulation is the fuel minimization problemin the compressor stations for a fixed gas mass flow delivery. A second example isdevoted to the simultaneous consideration of gas mass flow delivery maximizationand fuel consumption minimization. In that case, two procedures are compared:a genetic algorithm coupled with a Newton-Raphson procedure and the scalariza-tion method of ?-constraint. In both monobjective and biobjective cases, a studyof carbon dioxide (CO2) emissions is carried out. The Pareto front deduced fromthe biobjective optimization can be used either for identifying the minimum andmaximum network capacity in terms of CO2 emissions and mass flow delivery or for a given mass flow delivery for determining the minimal CO2emissions froman appropriate operating of the compressor stations

Optimisation du développement de nouveaux produits dans l'industrie pharmaceutique par algorithme génétique multicritère

Le développement de nouveaux produits constitue une priorité stratégique de l'industrie pharmaceutique, en raison de la présence d'incertitudes, de la lourdeur des investissements mis en jeu, de l'interdépendance entre projets, de la disponibilité limitée des ressources, du nombre très élevé de décisions impliquées dû à la longueur des processus (de l'ordre d'une dizaine d'années) et de la nature combinatoire du problème. Formellement, le problème se pose ainsi : sélectionner des projets de Ret D parmi des projets candidats pour satisfaire plusieurs critères (rentabilité économique, temps de mise sur le marché) tout en considérant leur nature incertaine. Plus précisément, les points clés récurrents sont relatifs à la détermination des projets à développer une fois que les molécules cibles sont identifiées, leur ordre de traitement et le niveau de ressources à affecter. Dans ce contexte, une approche basée sur le couplage entre un simulateur à événements discrets stochastique (approche Monte Carlo) pour représenter la dynamique du système et un algorithme d'optimisation multicritère (de type NSGA II) pour choisir les produits est proposée. Un modèle par objets développé précédemment pour la conception et l'ordonnancement d'ateliers discontinus, de réutilisation aisée tant par les aspects de structure que de logique de fonctionnement, a été étendu pour intégrer le cas de la gestion de nouveaux produits. Deux cas d'étude illustrent et valident l'approche. Les résultats de simulation ont mis en évidence l'intérêt de trois critères d'évaluation de performance pour l'aide à la décision : le bénéfice actualisé d'une séquence, le risque associé et le temps de mise sur le marché. Ils ont été utilisés dans la formulation multiobjectif du problème d'optimisation. Dans ce contexte, des algorithmes génétiques sont particulièrement intéressants en raison de leur capacité à conduire directement au front de Pareto et à traiter l'aspect combinatoire. La variante NSGA II a été adaptée au problème pour prendre en compte à la fois le nombre et l'ordre de lancement des produits dans une séquence. A partir d'une analyse bicritère réalisée pour un cas d'étude représentatif sur différentes paires de critères pour l'optimisation bi- et tri-critère, la stratégie d'optimisation s'avère efficace et particulièrement élitiste pour détecter les séquences à considérer par le décideur. Seules quelques séquences sont détectées. Parmi elles, les portefeuilles à nombre élevé de produits provoquent des attentes et des retards au lancement ; ils sont éliminés par la stratégie d'optimistaion bicritère. Les petits portefeuilles qui réduisent les files d'attente et le temps de lancement sont ainsi préférés. Le temps se révèle un critère important à optimiser simultanément, mettant en évidence tout l'intérêt d'une optimisation tricritère. Enfin, l'ordre de lancement des produits est une variable majeure comme pour les problèmes d'ordonnancement d'atelier. ABSTRACT : New Product Development (NPD) constitutes a challenging problem in the pharmaceutical industry, due to the characteristics of the development pipeline, namely, the presence of uncertainty, the high level of the involved capital costs, the interdependency between projects, the limited availability of resources, the overwhelming number of decisions due to the length of the time horizon (about 10 years) and the combinatorial nature of a portfolio. Formally, the NPD problem can be stated as follows: select a set of R and D projects from a pool of candidate projects in order to satisfy several criteria (economic profitability, time to market) while copying with the uncertain nature of the projects. More precisely, the recurrent key issues are to determine the projects to develop once target molecules have been identified, their order and the level of resources to assign. In this context, the proposed approach combines discrete event stochastic simulation (Monte Carlo approach) with multiobjective genetic algorithms (NSGA II type, Non-Sorted Genetic Algorithm II) to optimize the highly combinatorial portfolio management problem. An object-oriented model previously developed for batch plant scheduling and design is then extended to embed the case of new product management, which is particularly adequate for reuse of both structure and logic. Two case studies illustrate and validate the approach. From this simulation study, three performance evaluation criteria must be considered for decision making: the Net Present Value (NPV) of a sequence, its associated risk defined as the number of positive occurrences of NPV among the samples and the time to market. Theyv have been used in the multiobjective optimization formulation of the problem. In that context, Genetic Algorithms (GAs) are particularly attractive for treating this kind of problem, due to their ability to directly lead to the so-called Pareto front and to account for the combinatorial aspect. NSGA II has been adapted to the treated case for taking into account both the number of products in a sequence and the drug release order. From an analysis performed for a representative case study on the different pairs of criteria both for the bi- and tricriteria optimization, the optimization strategy turns out to be efficient and particularly elitist to detect the sequences which can be considered by the decision makers. Only a few sequences are detected. Among theses sequences, large portfolios cause resource queues and delays time to launch and are eliminated by the bicriteria optimization strategy. Small portfolio reduces queuing and time to launch appear as good candidates. The optimization strategy is interesting to detect the sequence candidates. Time is an important criterion to consider simultaneously with NPV and risk criteria. The order in which drugs are released in the pipeline is of great importance as with scheduling problems

Multiobjective optimization of natural gas transportation networks

L'optimisation de l'exploitation d'un réseau de transport de gaz naturel (RTGN) est typiquement un problème d'optimisation multiobjectif, faisant intervenir notamment la minimisation de la consommation énergétique dans les stations de compression, la maximisation du rendement, etc. Cependant, très peu de travaux concernant l'optimisation multiobjectif des réseaux de gazoducs sont présentés dans la littérature. Ainsi, ce travail vise à fournir un cadre général de formulation et de résolution de problèmes d'optimisation multiobjectif liés aux RTGN. Dans la première partie de l'étude, le modèle du RTGN est présenté. Ensuite, diverses techniques d'optimisation multiobjectif appartenant aux deux grandes classes de méthodes par scalarisation, d'une part, et de procédures évolutionnaires, d'autre part, communément utilisées dans de nombreux domaines de l'ingénierie, sont détaillées. Sur la base d'une étude comparative menée sur deux exemples mathématiques et cinq problèmes de génie des procédés (incluant en particulier un RTGN), un algorithme génétique basé sur une variante de NSGA-II, qui surpasse les méthodes de scalarisation, de somme pondérée et d'ε-Contrainte, a été retenu pour résoudre un problème d'optimisation tricritère d'un RTGN. Tout d'abord un problème monocritère relatif à la minimisation de la consommation de fuel dans les stations de compression est résolu. Ensuite un problème bicritère, où la consommation de fuel doit être minimisée et la livraison de gaz aux points terminaux du réseau maximisée, est présenté ; l'ensemble des solutions non dominées est répresenté sur un front de Pareto. Enfin l'impact d'injection d'hydrogène dans le RTGN est analysé en introduisant un troisième critère : le pourcentage d'hydrogène injecté dans le réseau que l'on doit maximiser. Dans les deux cas multiobjectifs, des méthodes génériques d'aide à la décision multicritère sont mises en oeuvre pour déterminer les meilleures solutions parmi toutes celles déployées sur les fronts de Pareto. ABSTRACT : The optimization of a natural gas transportation network (NGTN) is typically a multiobjective optimization problem, involving for instance energy consumption minimization at the compressor stations and gas delivery maximization. However, very few works concerning multiobjective optimization of gas pipelines networks are reported in the literature. Thereby, this work aims at providing a general framework of formulation and resolution of multiobjective optimization problems related to NGTN. In the first part of the study, the NGTN model is described. Then, various multiobjective optimization techniques belonging to two main classes, scalarization and evolutionary, commonly used for engineering purposes, are presented. From a comparative study performed on two mathematical examples and on five process engineering problems (including a NGTN), a variant of the multiobjective genetic algorithm NSGA-II outmatches the classical scalararization methods, Weighted-sum and ε-Constraint. So NSGA-II has been selected for performing the triobjective optimization of a NGTN. First, the monobjective problem related to the minimization of the fuel consumption in the compression stations is solved. Then a biojective problem, where the fuel consumption has to be minimized, and the gas mass flow delivery at end-points of the network maximized, is presented. The non dominated solutions are displayed in the form of a Pareto front. Finally, the study of the impact of hydrogen injection in the NGTN is carried out by introducing a third criterion, i.e., the percentage of injected hydrogen to be maximized. In the two multiobjective cases, generic Multiple Choice Decision Making tools are implemented to identify the best solution among the ones displayed of the Pareto fronts

Méthodologie d'éco-conception de procédés par optimisation multiobjectif et aide à la décision multicritère

Ce travail a pour objectif le développement d’une méthodologie de conception de procédés éco-efficaces, avec prise en compte simultanée de considérations écologiques et économiques lors de la phase de conception préliminaire de procédés chimiques. L’aspect environnemental est quantifié à travers l’utilisation d’un ensemble d’indicateurs selon les lignes directrices de concepts de développement durable. Le cadre conceptuel est basé sur une modélisation du procédé et de l’unité de production d’utilités, car l’impact environnemental d’un procédé est lié non seulement aux effluents directs du procédé, mais également à la consommation énergétique, l’effet du recyclage, de la conversion des matières premières … Dans ce but, le logiciel d’aide à la décision ARIANETM dédié à la gestion des utilités des unités de production (vapeur, électricité, eau …) et des effluents (CO2, SO2, NOx, etc..) a été couplé au modèle d’un procédé pour déterminer les besoins en énergies primaires et quantifier les émissions polluantes. Ces modèles ont ensuite été intégrés au sein d’une boucle d’optimisation multiobjectif, basée sur une variante d’un algorithme génétique multiobjectif de type NSGA-II (Non Sorted Genetic Algorithm). Le compromis entre les objectifs économiques et écologiques est illustré à travers la génération de fronts de Pareto. La sélection des meilleures solutions parmi cet ensemble est effectuée par utilisation de techniques d’analyse multicritère. L’exemple test bien connu du procédé de production de benzène par hydrodésalkylation du toluène (HDA) est revisité ici dans un mode multiobjectif pour illustrer l’utilité de l’approche pour trouver des solutions de conception économiques et écologiques. ABSTRACT : This study aims at the development of a design methodology for eco-efficient processes, meaning that ecological and economic considerations are taken into account simultaneously at the preliminary design phase of chemical processes. The environmental aspect is quantified by using of a set of indicators following the guidelines of sustainability concepts. The design framework is based on a modelling approach considering both process and utility production units, since the environmental impact of a chemical process not only contains the material involved in the process but also the energy consumption, the effect of flow recycle, material conversion and so on... For this purpose, a decision support tool dedicated to the management of plant utilities (steam, electricity, water...) and pollutants (CO2, SO2, NOx, etc..), (ARIANETM package) was coupled to process modelling and used here both to compute the primary energy requirements of the process and to quantify its pollutant emissions. Both models were thus integrated in an outer multiobjective optimization loop, based on a variant of the so-called NSGA-II (Non Sorted Genetic Algorithm) multiobjective genetic algorithm. The trade-off between economic and environmental objectives is illustrated through the generation of Pareto fronts. The selection of the best design alternatives is performed through the use of multicriteria analysis. The well-known benchmark process for hydrodealkylation (HDA) of toluene to produce benzene, revisited here in a multi-objective mode, is used to illustrate the usefulness of the approach in finding environmentally friendly and cost-effective designs