Computer-Aided Sustainable Process Synthesis-Design and Analysis

Processyntese involverer undersøgelse af kemiske reaktioner, der er nødvendige for at producere det ønskede produkt, udvælgelse af separationsteknikker nødvendige for downstream forarbejdning, samt beslutninger om sekvensering af de involverede separationsprocesser. For en effektiv og fleksibel designtilgang, er der behov for en systematisk måde at identificere de typer af opgaver og operationer, der skal udføres, den tilsvarende design af operation-udstyr, deres konfiguration, masse-energistrømme m.v., hvilket giver et optimalt processkema. På grund af det faktum, at processynteseproblemer er af natur kombinatoriske og med flere mulige løsninger, er der blevet foreslået en forskellige metoder til at overkomme dette. Men løsningen til ethvert syntese-design problem er afhængig af søgningsområdet af alternativer og kriterierne for procesydeevne, som i de fleste tilfælde er påvirket af økonomiske faktorer. Dette arbejde fokuserer på udvikling og anvendelse af et computerstøttet platform for bæredygtig syntese-design og analyse af processkemaer ved at generere mulige alternativer, der dækker hele søgningsområdet og omfatter analyseværktøjer for bæredygtighed, LCA og økonomi. Syntesemetoden er baseret på en gruppebidragsbaseret hybridmetode, hvor kemisk processkemaer syntetiseres på samme måde som atomer eller grupper af atomer syntetiseres til dannelse af molekyler i computerstøttet molekylært design (eng: CAMD) teknikker. Byggestenene i et processkemasyntese problem er betegnet som procesgrupper, som repræsenterer en enkelt eller et sæt af enhedsoperationer, der er udvalgt på metoder baseret på termodynamiske grundlag. Disse byggesten kombineres derefter under anvendelse af regler for tilslutningsmuligheder for at generere alle de mulige processkemaalternativer. Den største fordel ved at repræsentere processkemaer med procesgrupper er, at udførelsen af hele processen kan vurderes fra bidragene fra de enkelte procestrinsgrupper mod processkemaegenskaberne (f.eks forbrugt energi). De udviklede processkemaegenskabsmodeller omfatter energiforbrug, carbon footprint, produktudvinding, produktrenhed osv. På denne måde er hele listen over mulige kemiske processkemaer hurtigt genereret, screenet og udvalgt til yderligere analyse. I det næste trin, er udformningen af de mest lovende processkemakandidater udført gennem en omvendt simulationsmetode, hvor designparametre for enhedsoperationer i processkemaet er beregnet ud fra udvalgte definitioner af procesgrupper. I næste fase analyseres det valgte design, til at identificere begrænsninger eller flaskehalse (hot-spots) ved hjælp af en omfattende analysemetode bestående af økonomiske, livscyklus og bæredygtigheds faktorer, der omsættes til procesdesignmål. I den afsluttende fase identificeres hot-spotsne, som er målrettet til den samlede procesforbedring og til at skabe innovative designs. I dette arbejde er den udviklede platform testet sammen med de tilhørende metoder og værktøjer gennem tre casestudier med relation til både kemiske og biokemiske industri med henblik på at fastslå anvendelsesmulighederne af platformen. I hvert af tilfældene er de mange alternativer og litteraturdesignene hurtigt genereret og evalueret. I alle de testede casestudier var de endelige designs, der genereres af platformen, nye og mere bæredygtige.Process synthesis involves the investigation of chemical reactions needed to produce the desired product, selection of the separation techniques needed for downstream processing, as well as taking decisions on sequencing the involved separation operations. For an effective, efficient and flexible design approach, what is needed is a systematic way to identify the types of tasks-operations that need to be performed, the corresponding design of the operation-equipment, their configuration, mass-energy flows, etc., giving an optimal flowsheet. Due to the fact that process synthesis problems are by nature combinatorial and open ended, a number of different solution approaches have been proposed. However the solution for any synthesis-design problem is dependent on the search space of alternatives and the process performance criteria which in most cases are influenced by economic factors. This work focuses on the development and application of a computer-aided framework for sustainable synthesis-design and analysis of process flowsheets by generating feasible alternatives covering the entire search space and includes analysis tools for sustainability, LCA and economics. The synthesis method is based on group contribution and a hybrid approach, where chemical process flowsheets are synthesized in the same way as atoms or groups of atoms are synthesized to form molecules in computer aided molecular design (CAMD) techniques. The building blocks in flowsheet synthesis problem are called as process-groups, which represent a single or set of unit operations that are selected by employing a thermodynamic insights based method. These building blocks are then combined using connectivity rules to generate all the feasible flowsheet alternatives. The main advantage of representing the flowsheet with process-groups is that, the performance of the entire process can be evaluated from the contributions of the individual process-groups towards the selected flowsheet property (for example, energy consumed). The developed flowsheet property models include energy consumption, carbon footprint, product recovery, product purity etc. In this way, the entire list of feasible chemical process flowsheets are quickly generated, screened and selected for further analysis. In the next stage, the design of the most promising process flowsheet candidates is performed through a reverse simulation approach, where the design parameters of the unit operations in the process flowsheet are calculated from selected process-groups definition. In the next stage the selected design is analyzed, for identifying process limitations or bottlenecks (hot-spots) using a comprehensive analysis method consisting of economic, life cycle and sustainability factors that are translated into design targets. In the final stage the identified hot-spots are targeted for overall process improvement and to generate innovative designs. In this work the developed framework along with the associated methods and tools is tested through three case studies related to both chemical and biochemical industry in order to ascertain the applicability of the framework. In each of the cases numerous alternatives of novel and designs reported by others are quickly generated and evaluated. In all the case studies tested, the final design generated by the framework was novel and more sustainable