Conceptual process design phase is of prime importance to the performance and the profitability of a new or retrofit process. It is also a highly complex task with a large number of process alternatives, a large variety of requirement specifications and large differences in temporal and spatial scales. Therefore, it is essential to continuously improve design methods. The research should not only be focused on modelling unit operations or processes but also to develop a framework to support design tasks during the lifecycle of the chemical process.
Main target of this thesis is to study and present methods how to intensify the conceptual process design phase. The newly developed methods and tools are applied to process equipment selection and pre-design, separation process synthesis and process design support.
First, the theory of case-based reasoning (CBR) was studied with focus in applicability in process engineering. CBR was utilised for general separation process synthesis. The main phases of general CBR-based separation process synthesis algorithm consist of selection of the methods of single separations, selection of separation sequences and selection of combined (hybrid) separations. Selection of single separation also includes selection of azeotropic separations. The applicability of CBR in separation process selection and design was studied by building few prototype CBR systems.
The possibilities of CBR and object database techniques in chemical process engineering field have been illustrated by building applications for an inherently safer process design and for a heat exchanger selection.
A web-service based approach in conceptual process design, parameterised constructors, which are able to construct process and initial data for control system configuration is also introduced in the thesis. The preliminary process design task can be first defined in a more general level and as the design process proceeds; more accurate models (e.g. PI and control system diagrams, simulation models) are composed and used.Käsitteellisen prosessisuunnittelun vaihe on erittäin tärkeä uuden tai uudistettavan prosessin suorituskyvyn ja tuottavuuden kannalta. Se on myös erittäin monimutkainen tehtävä johtuen lukuisista prosessivaihtoehtoista, vaatimusmäärittelyiden monimuotoisuudesta sekä tila- ja aikaskaalojen eroavuuksista. Tämän vuoksi on välttämätöntä, että prosessisuunnittelumenetelmiä jatkuvasti kehitetään paremmiksi. Tutkimusta pitäisi kohdentaa yksikköoperaatioiden ja -prosessien mallituksen lisäksi myös kemiallisen prosessin koko elinkaaren aikaisia suunnittelutehtäviä tukevan palvelukehyksen kehittämiseen.
Väitöskirjassa tutkittiin ja esitettiin menetelmiä, joiden avulla käsitteellistä prosessisuunnittelua voidaan tehostaa. Kehitettyjä menetelmiä ja työkaluja on sovellettu prosessilaitteen valintaan ja esisuunnitteluun, erotusprosessisynteesiin ja prosessisuunnittelun tukemiseen.
Työssä tutkittiin tapauspäättelyn teoriaa keskittyen sen soveltuvuuteen prosessisuunnittelussa. Tapauspäättelyä sovellettiin erityisesti erotusprosessien synteesimenetelmän kehittämiseen. Tapauspäättelypohjaisen erotusprosessisynteesialgoritmin päävaiheet koostuvat yksittäisen erotuksen valintamenetelmistä, erotusjärjestyksen valinnasta ja yhdistettyjen (hybridi) erotusten valinnasta. Yksittäisen erotuksen valintamenetelmä sisältää myös atseotrooppiset erotukset. Tapauspäättelyn soveltuvuutta erotusprosessin valintaan tutkittiin rakentamalla muutamia prototyyppisovelluksia.
Oliokantatekniikan ja tapauspäättelyn etuja demonstroitiin rakentamalla luontaisesti turvallisemman prosessin valintajärjestelmä sekä lämmönsiirtimen esisuunnittelusovellus. Olemassa olevia esimerkkitapauksia voi käyttää hyväksi uusien samankaltaisten ongelmien ratkaisuissa.
Väitöskirjassa käsitellään myös prosessisuunnittelun lisäarvopalveluita, parametrisoituja muodostimia, jotka pystyvät eri tilanteissa muodostamaan prosessi- ja automaatiokonfiguraatio lähtien suunnittelijan antamista korkeamman tason vaatimuksista. Suunnittelutehtävä määritellään ensin yleisemmällä tasolla. Suunnitteluprosessin edetessä prosessisuunnittelun lisäarvopalveluiden avulla muodostetaan ja käytetään tarkempia malleja (esim. PI- ja säätökaavioita, simulointimalleja). Päätarkoituksena on rutiinisuunnittelun tehostaminen, automaatiotoimintojen (tyyppipiirikuvauksien), ajotapadokumenttien sekä automaatiosuunnittelun lähtötietojen generointi. Tavoitteena on suunnittelukulttuurin muutos ja osoittaa, miten uutta suunnittelukulttuuria voidaan toteuttaa prosessi- ja automaatiosuunnittelun kannalta.reviewe
