PSE objectives Hierarchical view of the problem

27-03-2011
PSE objectives
 Rational use of resources
 Optimization  Decision making problem
 Objective function ?
 Optimization of the optimization ????
 Constraints ?
 Optimization of the model ????
 Solution procedure
 Mathematical formulation of the problem
 Practical tools
 Application
 Information required ?
 Applicability ????
Plantilla -10
Hierarchical view of the problem
 Some decisions have “effects” of higher order of magnitude 
 The problem usually admints hierarchizatrion  solution approach as
“Branch & Bound” ( Douglas, Rudd et al., ….)
Stechiometry  Benefit < 130
Other sep. sys
Selectivity

 BenefitDistillation
< 90
Benefit < 75
Benefit< 70
Membranes
Benefit < 53
Liq-LiqLiq-Liq
Extr Extr.
Benefit Benefit
< 45 < 45
Complete design
 Benefit= 50
Designs
without
subproducts
“Space of
designs”
separation
Technical problems
Plantilla -20
1
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Points to consider
 Divide (synthesis, design, planing, scheduling, control…)
 … But subproblems are solved “separatelly” ( unlinked)
 Suboptimal solutions
 Unfeasibilities
 Simplify (Objectives, constraints (scenario, process
model,…)
 … But another problem is solved
 Suboptimal solutions
 Unfeasibilities
 Review is required !!!
Plantilla -30
Steps (hierarchy) to solve the preliminar synthesis
and design problem (Douglas, 1988)

Douglas, J.M (1988): Conceptual Design of Processes (McGraw-Hill):
 Formalization of a hierarchy of decisions
 Heuristic sequence of hierarchical steps + Heuristic rules
 Rudd, Powers and Siirola (1973): Process Synthesis (Prentice Hall)
proposed a similar apporach (without the heuristic rules)
Plantilla -40
2
27-03-2011
General Procedure overview
Plantilla -50
Preliminar Synthesis
 Establish a “base-case”, including a first approximation
in order to:
 Progressively approach to the specified objective:
 Getting closer to chemical species  Chemical reaction adjustment (chemical path,
selectivity, operating conditions…
 Getting closer to flowrates  Mass balances, stechiometry, conversions,…)
 Getting closer to composition  Separation and/or mixing
 Getting closer to temperature, pressure, phase, …  Changes in temperature,
pressure, phase, …
 Allocate tasks to equipment units (“task integration”)
Plantilla -60
3
27-03-2011
General procedure: Detail
1. Identificar una oportunidad (potencial) de negocio: Crear un “problema
inicial”.
2. Especificar la idea: Determinar / detallar los productos a producir (y sus
propiedades / características) y las posibles formas de fabricarlos 
evaluación preliminar de las diferentes alternativas.
3. Crear el “caso-base”
4. Desarrollar el “caso-base”
5. Síntesis de proceso detallada
6. Estudio general de controlabilidad, seguridad, impacto ambiental, ….
7. Dimensionado y selección de equipos (optimización,…)
 Dinámica, controlabilidad, seguridad,, impacto ambiental,…
8. Diseño de planta (Piping & Instrumentation Diagram)
 Construcción  Puesta en marcha  Operación  (cambios,…) 
Desmantelamiento
Plantilla -70
Step 2: Clarify the idea (“initial problem”)
Actividad “Creativa”
 Recoger / obtener información “relevante”
 Generar de buen principio un gran número de “problemas iniciales” o vías
alternativas para “desarrollar la idea”
 … aún sabiendo que muchas de ellas (casi todas) van a quedar descartadas en el proceso
 Evaluar las vías alternativas generadas (al menos a nivel potencial)
 Evaluación técnica
 Evaluación comercial / económica (competidores, precios, demanda,…)
 Las alternativas descartadas son fuentes de ideas para las alternativas no descartadas
 Analizar los motivos que llevan a descartarlas
 Analizar los puntos favorables (a pesar de que por otros motivos la alternativa deba descartarse)
 La evaluación de las alternativas aceptadas permite:
 identificar los futuros problemas a resolver
 Identificar los puntos fuertes de cada alternativa  evolución a alternativas mejores
 La no detección de algún factor clave compromete el éxito del proceso
Plantilla -80
4
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Step 2-a: Alternatives generation
La forma de generar alternativas suele estar muy ligada a la forma de representarlas
(y evaluarlas)
 Abstracción: Agrupar soluciones por familias, y tomar decisiones sobre las familias de soluciones
 Estrategias de bifurcación y acotación
 Identificar la lista de decisiones con los nodos de un árbol
 La enumeración es completa, aunque para su evaluación puede no ser necesario calcular
explícitamente todas las alternativas (enumeración implícita)
 Estrategias basadas en superestructuras
 Apropiadas para modelizar matemáticamente el problema
 Estrategias basadas en métodos evolutivos
 La propuesta de cambios se basa en los cuellos de botella identificados durante la evaluación de
alternativas anteriores
 Estrategias basadas en objetivos específicos
 La propuesta de cambios se basa en las ineficiencias para llegar a esos objetivos
 Heurísticas




Experiencia propia
Referencias
Brainstorming
Procedimientos de generación de ideas
 Metaheurísticas (heurísticas basadas en estrategias sistemáticas)
 Jerarquización
Plantilla -90
Step 2–b: First assessment / alternatives feasibility
and cost
 Cálculo del beneficio potencial máximo
 Beneficio esperado del (de los) producto(s)
 Coste de las Materias primas
 Otros costes (producción (amortizaciones, servicios,…), financieros, ventas,…)
 Estimación de otros factores característicos
 Incertidumbre
 Aspectos internos: Técnica (problemas potenciales), organizativa, de I+D,…
 Aspectos externos: Demanda (aceptación), precio, Regulaciones (medio ambiente, seguridad, …)
 Seguridad
 Horizontes de tiempo
 Capacidad para hacer frente a contingencias básicas
 Derivadas de las incertidumbres
 …
 “Peso” de cada factor en la toma de decisiones
Plantilla -100
5
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Step 3: Create the “process”
1. Recopilar de información
 Recopilación sobre propiedades fisicoquímicas, tecnológicas de los
productos a manipular y de los materiales a utilizar
 Propiedades relacionadas con el uso de los productos a fabricar
 Seguridad / Efectos ambientales / etc.
 Datos a explotar en los procesos de reacción (cinéticas, etc.) y de separación
 Recopilación de información comercial y económica
 Experimentación (si fuera necesaria) sobre la viabilidad técnica del proceso, sobre
las características de los productos, o sobre cualquiera de las informaciones
indicadas en los puntos anteriores
 Recopilación de “conocimiento” sobre el proceso (o sobre otros semejantes)
 Creación de las estructuras necesarias para manipular la información en el
futuro (identificar qué información se necesitará)
 REPRESENTAR ADECUADAMENTE LA INFORMACIÓN Y LAS ALTERNATIVAS
2. Síntesis preliminar …
Plantilla -110
General steps (Douglas, 1988)
1. Proceso “Continuo vs. Discontinuo”:
 Normalmente, los procesos continuos tienen mucho menor costes de
inversión y operación, incluso para productividades muy pequeñas.
2. Determinar las entradas y salidas del proceso:
 Número y características principales de las corrientes de entrada y salida.
 Presencia co-productos, subproductos y residuos. Presencia de “inertes”.
 Niveles de concentración
 Posibilidad de recuperación y reciclo. Purgas
(…)
5. Síntesis de la red de “recuperación de energía”
 Selección y localización de las unidades de recuperación (intercambiadores,
pero también turbinas, bombas de calor, etc.).
 Efecto del grado de integración energética en el resto de procesos (sistemas de reacción
y de separación)
 Cálculo de límites termodinámicos aproximados
Plantilla -120
6
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Representation of alternatives
Sistema de separación
(enumeración jerarquizada)
Sistema de separación
(enumeración explícita)
Condensables (M, EL, PL) vs.
Incondensables (EtOH, W, IPA, DEE)
FLASH
ABSORC.
Condensables (M, EL, PL)
Condensables (M, EL, PL)
Incondensables
(EtOH, W, IPA, DEE)
Incondensables
(EtOH, W, IPA, DEE)
Destilación pesadors
(EtOH, W, IPA / DEE)
Destilación producto
(EtOH, / W, IPA, DEE)
Destilación
ETOH, IPA, DEE / W)
Plantilla -130
Representation of alternatives
HEN (superestructura)
1
HEN (enumeración: 1 (0HX) +
9 (1HX) + 9*6 + 3*3*2 (2HX)+…)
C1
C2
C3
C2
C3
H1
H2
X
H3
C1
H1
2
H1
1
H2
2
H3
C1
3
H1
1
H2
3
C2
C3
2
H3
Plantilla -140
7
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Application: This paper….




Sinthesys / Design  Retrofit
Focused on energy requirements
Hierarchical Approach
Different models at the different steps
Plantilla -150
Objectives for today
Understand how this paper addresses these points:
 Identify the problem to be solved
 Identify (and “characterize”) the objective
 Identify the model(s)
 Identify the differences among the models
 Identify/review the modeling issues
 Identify the different solution approaches proposed
 Identify (and understand) the results
 Identify the eventual inconsistences vs. the problem
 Identify the eventual inconsistences vs. the formulated model
 What should be done then ??? (discusion)
Plantilla -160
8
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Objectives for tomorrow
Issue: Uncertainty
 How to face uncertainty
 Application to simple problems
 Application to the problem posed by this work ?
 Discusion
Plantilla -170
Identify the problem to be solved
 Identify (and “characterize”) the objective
Plantilla -180
9
27-03-2011
Identify the models
 Model 1
 Modeling issues
 Model 2
 Modeling issues
 Model 3
 Modeling issues
 Diferences / Alternatives
Plantilla -190
Identify the solution approaches
 Solution approach 1
 Issue 1.1
 Solution approach 2
 Issue 2.1
 Differences/alternatives
Plantilla -200
10
27-03-2011
Identify (and understand) the results
 Identify the eventual inconsistencies vs. the problem
 Issue 1.1
 Identify the eventual inconsistences vs. the model
 Issue 2.1
Plantilla -210
 What should be done then ??? (discusion)
 Action 1
 Issue 1.1
 Action 2
 Issue 2.1
Plantilla -220
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