A methodology for reactor synthesis based on process intensification concepts and application of optimization methods

Abstract

In this Ph.D. thesis, a new methodology for Reactor Synthesis Based on Process Intensification Concepts and Application of Optimization Methods (ReSyPIO) is presented and applied to two different cases. In Chapter 1: Introduction – Motivation and Objectives, the motive for the research is presented, and Hypotheses are formulated. The ReSyPIO methodology that rests upon these Hypotheses and consists of three consecutive stages is briefly described in this Chapter. The first stage encapsulates all present phases and phenomena inside the reactor functional building block, called module. Modules come as a direct result of a conceptual representation of the analyzed system. In the second stage, modules are further segmented if needed and interconnected, creating a reactor superstructure that is mathematically described for all desirable operating regimes. In the last stage of the ReSyPIO methodology, the optimal structure, operating conditions, and the operational regime are determined with the use of rigorous optimization. All three stages of the ReSyPIO methodology have a backflow, meaning that if analysis leads to impractical, nonfunctional or inefficient results, modifications in reactor superstructure and modules can be made. The objective is to conceptually and numerically derive the most efficient reactor structure and a set of operating conditions that would be used as a starting point in the future reactor design. Chapter 2: Literature Review is used to cover and review the most important research published in the area of Process Intensification and different Process System Engineering techniques. Different approaches and studies present in academia are highlighted and their elements compared with the presented ReSyPIO methodology with the accent on its advantages and contribution to the engineering science community.Also, in this Chapter, an array of well researched analytical and numerical approaches is presented that could be used in the future to strengthen the ReSyPIO methodology further and facilitate its easier application. In Chapter 3: Description of the ReSyPIO Methodology Reactor Synthesis based on Process Intensification and Optimization of Superstructure is explained in detail, with a graphical representation of the main building block, called Phenomenological Module. A general explanation is given on how to form a reactor superstructure and mathematically describe it with sets of material and energy balance equations that correspond to a number of present phases and components in the system. The ReSyPIO methodology is first applied to a generic case of two parallel reactions in Chapter 4, called Application of the ReSyPIO Methodology on a Generic Reaction Case. The case corresponds to two parallel reactions that could be found in the fine chemical industry. The reactions are endothermic and slow with the undesired product. After the application of the ReSyPIO methodology, an optimal reactor structure consisting of a segmented module with 17 side inlets for the reactant and heat source is obtained. It is recommended for the reactor to work in a continuous steady-state mode as the dynamic operation would not lead to a sufficient increase in reactor efficiency...

U ovoj doktorskoj disertaciji je predstavljena i primenjena nova metodologija za sintezu reaktora zasnovana na konceptima intenzifikacije procesa i primeni različitih optimizacionih tehnika (Reactor Synthesis Based on Process Intensification Concepts and Application of Optimization Methods – ReSyPIO). U poglavlju Uvod – Motivacija i ciljevi, formirane su hipoteze na kojima počiva ReSyPIO metodologija i data je motivacija za istraživanje. ReSyPIO metodologija je ukratko predstavljena i opisana kroz tri uzastopne etape. Prva etapa uokvirava sve prisutne faze i fenomene u reaktoru unutar funkcionalnih gradivnih jedinica, nazvanih moduli. Moduli predstavljaju rezultat konceptualnog prikaza analiziranog sistema. U drugoj etapi, moduli se po potrebi mogu dalje podeliti u segmente i međusobno povezati, kreirajući superstrukturu reaktora. Superstruktura je matematički opisana za sve režime rada reaktora od interesa. U poslednjoj etapi ReSyPIO metodologije, optimalna struktura, uslovi i režim rada reaktora su određeni primenom rigorozne optimizacije. Sve tri etape ReSyPIO metodologije imaju povratni tok, što znači da ukoliko analiza vodi ka nepraktičnim, nefunkcionalnim ili neefikasnim rešenjima, modifikacija matematičkog modela, superstrukture i/ili modula je moguća. Cilj primene ReSyPIO metodologije je da se konceptualnim i numeričkim pristupom dođe do optimalne preporuke za strukturu reaktora, operativne uslove i režim rada, koja bi bila početna pretpostavka u budućem dizajnu uređaja. Pregled literature daje opis i prikaz svih istraživanja od interesa, iz oblasti Intenzifikacije procesa i Teorije i analize procesnih sistema. Naglašeni su različiti pristupi i studije prisutne u istraživačkojzajednici, a njihovi elementi upoređeni sa predstavljenom ReSyPIO metodologijom sa akcentom na prednostima i naučnom doprinosu. U ovom poglavlju je dat i niz dobro istraženih analitičkih i numeričkih pristupa koji bi mogli da budu korišćeni u okviru ReSyPIO metodologije i olakšaju njenu primenu. U poglavlju Opis ReSyPIO metodologije, je detaljno objašnjena sinteza reaktora zasnovana na konceptima intenzifikacije procesa i optimizaciji superstrukture. Prvo je data procedura za grafičku i konceptualnu reprezentaciju sistema, preko glavnih gradivnih jedinica, fenomenoloških modula. Potom je objašnjeno kako se kreira superstruktura reaktora. Na kraju je dat uopšten postupak za matematički opis superstrukture preko skupova jednačina materijalnog i energetskog bilansa, čiji broj zavisi od broja prisutnih faza i komponenata u sistemu. ReSyPIO metodologija je prvi put primenjena na slučaju dve generičke paralelne reakcije u poglavlju pod nazivom Primena ReSyPIO metodologije na slučaju generičke reakcije. Ovaj slučaj odgovara reakcijama koje se mogu naći u industriji finih hemikalija. Reakcije su endotermne i spore, pri čemu je kinetički favorizovano kreiranje neželjenog proizvoda. Nakon primene ReSyPIO metodologije, dobijena je optimalna struktura reaktora koja se sastoji od segmentisanog modula sa 17 ulaza za izvor toplote i reaktant koji se dozira. Predloženo je da reaktor radi kontinualno, u stacionarnom režimu rada, jer bi dinamički režim rada rezultovao nedovoljnim povećanjem efikasnosti reaktora...