Batch process scheduling optimization of multiproduct plants under simultaneous environmental and economical considerations

This work aims at analyzing the significant environmental issues associated to production process scheduling. The implementation of a LCA for a given process or product requires the gathering of data regarding process environmental interventions (e.g. raw material consumption, uncontrolled emissions and waste generation). This set of data is organized in a life cycle inventory (LCI) which is the basis for the environmental impact calculation, as specified in the ISO 1404X series. In this work we aim at generating the required process LCI by means of a mathematical programming model. Multicriteria optimization of a mathematical process model representation is considered to obtain the optimal production schedules from both economical and environmental points of view.Peer ReviewedPostprint (published version

On the process of building a process systems engineering ontology using a semi-automatic construction approach

This work presents a novel systematic approach for the construction of domain ontolog ies . The s ugge sted approach uses a semi - automatic construction methodology . F or this study , parent - child concept pairs are taken from a previous work. Novel contributions include bu ilding and completing branches, introducing new relations , and resolving inconsistencies and contradictions. For the p rocess s ystems en gineering (PSE) domain the ISA88 Standard is chosen as a promising starting point for automatic text processing. Finally, this work concludes with a discussion of the ISA88 S tandard based on the conclusions tha t can be obtained from the application of this semi - automatic construction methodologPostprint (published version

Gestió de projectes experimentals al laboratori

Els plans d’estudi d'Enginyeria Química tenen assignatures troncals exclusivament de laboratori. Tot i així, la visió tradicional de la docència al laboratori continua essent la d’unes pràctiques complementàries a les assignatures teòriques. Tanmateix, es pot dotar aquestes assignatures d'un discurs propi basat en l’experimentació com a mètode i aprofitar el fet que el laboratori, a diferència de l'aula, és un escenari idoni per a l’aprenentatge i desenvolupament de competències, actituds i aptituds més enllà de la repetició del procés de mesura i del coneixement dels fonaments fisicoquímics dels fenòmens i processos que s’estudien. Des de fa més de deu anys l’Experimentació en Enginyeria Química de l’EUETIB s’ha plantejat com un procés de millora continua vers aquest objectiu. La formulació d’un pla estratègic que en gestionava la transformació va ser premiada el 2007 i actualment incorpora de manera explícita una sèrie de jocs de rol al laboratori orientats a l’aprenentatge de competències en l’àmbit de l’aplicació del mètode científic, la resolució de problemes, la gestió de projectes, la gestió de la qualitat i la millora contínua, la gestió de la seguretat i el medi ambient, la coavaluació i l’avaluació per a l’aprenentatge i la comunicació i el llenguatge.Peer Reviewe

Gestió de projectes experimentals al laboratori

Postprint (published version

Integrated scheduling decision making in enterprise wide optimization

In the current environment of markets globalization and fierce competition, process industries must strive to remain competitive. In this sense, companies pursue decision integration among the different space and time levels of their organizational structure in order to improve their overall results. Indeed, several cases reported in the literature confirm the economic benefits derived from decision integration. Hence, much research is devoted to obtain improved models, integration and information tools as well as optimization algorithms which provide with decision support tools within a coherent framework for the enterprise design. From a plant level perspective, the short-term scheduling problem deals with the management of production orders in order to optimally fulfill customers' demands by assigning the available resources. This decision level is further related to other decision levels such as planning and control. The need for integration of these decision levels has been reported from the 60s, but the contributions in this area are still scarce. Therefore, further efforts have to be devoted to the integration within the operational level. This thesis aims at contributing to the integration of the short-term scheduling problem of batch process industries from a structural and functional point of view. The structural perspective refers to other decision levels from the managerial organization, specifically the basic process control in this work. As for the functional issues, the completion of the objective functions used at scheduling level may lead to integrated decisions from an overall perspective. Therefore, the inclusion of non-economic objectives in the decision making may lead to more concerned solutions from other problem perspectives, such as environmental. Thus, the extension of economic criteria to consider process variables costs may ease the integration approaches. First of all, an overview of the current global scenario, the relevance of scheduling problem and of its integration in the decision making, as well as the existing solution approaches are presented. The second part of this work is devoted to the description and extension of the immediate and general precedence formulations of the scheduling problem, in order to consider non-trivial problem features such as the batch cleaning operations, equipment transfer operations, variable processing rates, timing synchronization of operations and the introduction of process dynamics. Precisely, the third part of this thesis is devoted to the introduction of process dynamics at the scheduling level, which can be achieved either (i) indirectly: by considering cost functions of time; or (ii) directly: by combining discretized dynamic equations in the scheduling formulation. This part explores the adequacy of each integration method andEn el entorno actual de globalización de los mercados las industrias de proceso deben esforzarse para seguir siendo competitivas. En este sentido, las empresas buscan la integración de decisiones dentro de su estructura organizativa con el fin de mejorar sus resultados globales. A nivel de planta, el problema de programación de operaciones a corto plazo busca la gestión óptima de las órdenes de producción mediante la asignación de los recursos disponibles con el fin de cumplir con las demandas de los clientes. Este nivel de decisión está además relacionado con otros niveles como la planificación y control. La necesidad de integración de estos niveles se ha citado ya desde los años 60, pero las contribuciones en esta área de investigación son escasas. El principal objetivo de esta tesis consiste en contribuir a la integración del problema de programación de operaciones a corto plazo de las industrias discontinuas de proceso desde un punto de vista estructural y funcional. La perspectiva estructural se refiere a la integración con otros niveles de decisión de la estructura organizativa de la empresa, que se limita en esta tesis al nivel de control básico. En cuanto a las cuestiones funcionales, la adopción de funciones objetivo que incluyan todos los aspectos del problema de programación de operaciones puede llevar a decisiones integradas desde un punto de vista global. En este sentido, la inclusión de los costes de las variables de proceso en la función objetivo del problema de programación de operaciones puede facilitar la integración de los niveles. Además, la inclusión de objetivos no económicos en la toma de decisiones puede generar soluciones más comprometidas desde otras perspectivas del problema como la medioambiental. En primer lugar, se presentan una visión general del panorama actual de la industria de proceso, la relevancia del problema de programación de operaciones y de su integración en la toma de decisiones, así como los enfoques existentes para la solución de dicho problema. La segunda parte de esta tesis está dedicado a la descripción y la extensión de las varias formulaciones del problema de programación de operaciones, a fin de considerar características no triviales del problema, tales como las operaciones de limpieza, las operaciones de transferencia de equipo, velocidades de proceso variables, la sincronización de operaciones y la introducción de la dinámica del proceso. Precisamente, la tercera parte de esta tesis está dedicada a la introducción de la dinámica del proceso dentro del nivel de programación de operaciones, que se puede lograr ya sea (i) indirectamente: considerando funciones de coste en función del tiempo, o (ii) directamente: mediante la discretización de las ecuaciones dinámicas del modelo de proceso y su incorporación a la formulación del problema. En esta parte, se analiza la idoneidad de cada método de integración y se evalúan los beneficios que pueden lograrse con la integración. Además, se estudia la repercusión de velocidades de proceso variables, en procesos semicontinuos con producción de un solo lote por campaña de producto. La última contribución de esta tesis se centra en la ampliación de la tradicional función objetivo económica del problema de programación de operaciones para examinar cuestiones medioambientales. En concreto, se estudian las soluciones de compromiso que aparecen entre los criterios ambientales y económicos mediante fronteras de Pareto, que proporcionan información sobre los compromisos existentes. En esta parte, se observa que cuando se consideran diferentes funciones objetivo, se puede llegar a soluciones de la frontera de Pareto completamente diferentes, tanto en términos de número como secuencia de los lotes de productos, así como en los métodos de limpieza. Por último, se presenta una estrategia híbrida de optimización, para poder resolver problemas de tamaño real, que consiste en un algoritmo genético combinado con una búsqueda local matemática rigurosa

Definició del sistema d'inertització de tancs atmosfèrics pel magatzematge de dissolvents

L’objectiu del projecte és definir el sistema d’inertització òptim pel parc d’emmagatzematge de tancs de dissolvents orgànics de l’empresa Ecologia Química. Per avaluar la millor solució s’utilitzen els criteris de reducció de cost, minimització d’emissions de vapors a l’atmosfera i seguretat d’operació. La principal proposta per reduir el cost del sistema consisteix en la instal·lació d’un col·lector que uneixi els espais de vapor dels diferents tancs. D’aquesta manera es redueix el nombre de dispositius necessaris i la longitud total de canonades. Mitjançant la simulació del comportament del col·lector es garanteix el correcte funcionament d’aquest sistema. Per això, s’han tingut en compte les necessitats de nitrogen dels tancs, les dades dels equips i les característiques de la instal·lació. El tipus de col·lector seleccionat consisteix en una canonada central que creua les zones de tancs i es bifurca per a cada parell de tancs. La simulació demostra que la diferència de pressions entre tancs deguda a la unió amb col·lector és inferior als 500 Pa, i per tant, la instal·lació del col·lector és factible. El nombre de dispositius d’inertització i venteig es redueixen d’un per tanc, fins a un total de quaranta-dos, a únicament tres de cada tipus per realitzar la mateixa funció. S’han seleccionat vàlvules de control accionades pel sistema de control distribuït que rep el senyal de l’estat del sistema per mitjà dels transmissors de pressió. Aquests dispositius permeten controlar el comportament del sistema i adaptar les accions futures a les dades de funcionament registrades. El cost de la inversió inicial és de nou cents mil euros, aproximadament, que representa un estalvi d’un vint per cent respecte la instal·lació típica, i es preveu un estalvi del 30% de nitrogen respecte el mètode tradicional

Expanding the Horizons of Manufacturing, towards Wide Integration, Smart System, and Tools

This research topic aims at enterprise-wide modeling and optimization (EWMO) through the development and application of integrated modeling, simulation and optimization methodologies, and computer-aided tools for reliable and sustainable improvement opportunities within the entire manufacturing network (raw materials, production plants, distribution, retailers, and customers) and its components [...

Euclidean remainders for generalized polynomials

Available from British Library Document Supply Centre- DSC:7673.7004(86/35) / BLDSC - British Library Document Supply CentreSIGLEGBUnited Kingdo

Improved short-term batch scheduling flexibility using variable recipes

Batch scheduling and control decision levels are usually optimized separately, even though integrated decisions would potentially increase the overall performance of the plant. This work aims at including in the scheduling problem the operating conditions related to the control function, which are traditionally optimized and fixed beforehand, to shed light to the benefits that may be obtained when using variable recipes in contrast to fixed nominal recipes. A multiproduct and amultipurpose plant illustrate the proposed approach. In both cases, the potential benefits are confirmed resulting in clear advantages regarding overall economic benefit, when the variable recipes are introduced. Thus, the presented approach gives rise to new tradeoffs, since it allows new improvement opportunities associated with quality, safety, or changing operating policies, which are usually considered separately.Peer Reviewe

Operation scheduling of batch autothermal thermophilic aerobic digestion processes

The autothermal thermophilic aerobic digestion (ATAD) is an exothermic batchwise operated sludge treatment process, in which sludge undergoes heating and pasteurization as temperature attains values about 50-60ºC. Based on detailed process models, different approaches have been suggested (Rojas and Zhelev, 2009) to minimize the specific energy requirement of existing ATAD designs by altering the operating conditions, but less attention has been paid to process optimization by means of operation planning and timing. This work aims at minimizing the specific energy requirement of existing ATAD processes considering simultaneously operational conditions, planning and timing. Hence, a scheduling formulation including process model variables and a flexible recipe is proposed. Energy savings are reported for a case study of a simplified treatment plant. The proposed approach results in energy consumption reduction by optimizing batch sizes and operating conditions.Peer ReviewedPostprint (published version