Life cycle thinking and general modelling contribution to chemical process sustainable design and operation

Abstract

La industria es comúnmente vista como una fuente de degradación ambiental y de consumo de recursos, a pesar de ello es una parte vital del desarrollo social y de la creación de riqueza. Del mismo modo, los sistemas industriales causan y determinan los flujos de materias y energía a través de la sociedad. El desarrollo sostenible está asociado a todos los aspectos anteriores al englobarlos a todos.<br/><br/>Los servicios sostenibles son aquellos que restringen el consumo de recursos y generación de residuos a un nivel aceptable considerando las existencias y las velocidades de recuperación de los recursos así como la capacidad de soporte de La Tierra. Asimismo, hacen una contribución positiva a la satisfacción de las necesidades humanas y proveen de valor económico a la empresa. La selección de procesos apropiados para la provisión de un dado servicio es el tópico principal de esta tesis.<br/><br/>Esta tesis presenta un marco consistente para el soporte a la decisión hacia alternativas sostenibles. El marco abarca un grupo de métodos y herramientas aplicables al soporte de la decisión en cuestiones de diseño, actualización, y operación considerando criterios de sostenibilidad en términos económicos y medioambientales. Se ha enfatizado la simulación de procesos, el modelado matemático y otros métodos de estadística multivariable. El marco está materializado en un procedimiento de uso que posee cuatro pasos que imitan los de otros métodos actualmente utilizados y un set integrado de herramientas. Las herramientas usadas son en todos los casos modelos matemáticos que permiten una representación precisa de la realidad que simulan. El problema multiobjetivo resultante es resuelto usando una estrategia que permite restringir la mejor solución de compromiso. Una multitud de casos de estudio industriales muestra la forma de aplicación del marco en diferentes escenarios.<br/><br/>El marco se ha aplicado a casos de estudios que requieren de soporte a la decisión. El caso de diseño de procesos continuos se ha incluido tratando tres casos. El primero está relacionado con la selección de opciones de tratamiento de aguas residuales en una planta de producción de ácido fosfórico considerando incertidumbre en variables operativas. Otro caso considera las decisiones relacionadas al uso de diferentes materias primas en una usina eléctrica con tecnología de gasificación. El último caso considera la optimización de las variables operativas en el diseño de un sistema de destilación reactiva. Todos los casos son modelados rigurosamente usando noveles herramientas de simulación y modelado en conjunto con otras desarrolladas para el análisis de los aspectos económicos y medioambientales de la sostenibilidad.<br/><br/>Posteriormente, se ha estudiado el problema operacional de la selección de la planificación de producción. En este caso se ha puesto atención especial a la selección de métricas apropiadas considerando aspectos económicos, medioambientales y de eficiencia que reflejen las características secuenciales del problema. El modelo propuesto se ha construido usando herramientas de programación matemática y la producción de fibras acrílicas es la aplicación considerada.<br/><br/>Finalmente el marco se ha aplicado al diseño y planificación de una cadena de producción. En este caso se modelan decisiones de planificación a medio y largo plazo y se las aplica a la producción de anhídrido maleico en Europa del Oeste. Dadas las características del problema se han estudiado diferentes instrumentos económicos asociados al medio ambiente, como la venta de permisos de emisión y subsidios a la producción. Esto permite mostrar las capacidades del marco para el estudio de políticas gubernamentales.<br/><br/>Los casos de estudio muestran las diferentes compensaciones que aparecen en varios niveles de decisión. Asimismo el marco provee con un enfoque robusto para la trazabilidad y capacidad de verificación de las diferentes hipótesis de modelado, lo cual refuerza el proceso de toma de decisiones.

Industry is often seen as a source of environmental degradation and resource depletion, however it is a vital part of societal development and wealth creation. Moreover, industrial systems cause and determine flows of materials and energy through the society. Sustainable development is associated to all the former issues, by encompassing them altogether under the same umbrella.<br/><br/>Sustainable services are those, that restrain resource consumption and waste generation to an acceptable level, considering Earth's existing capital, rates of replenishment and carrying capacity, make a positive contribution to the satisfaction of human needs, and provide enduring economic value to the business enterprise. The selection of appropriate processes for providing a given sustainable service is the main topic of this thesis. <br/><br/>This thesis presents a consistent framework for decision support towards sustainable design. It encompasses a set of methods and tools applicable to decision aid in process design, retrofit and operation considering sustainability criteria in terms of economic and environmental issues. In this sense special consideration is given to process simulation, general modelling programs and other multivariate statistical methods, as well as their supporting associated tools. The framework is materialised as a procedure for its application in four steps, which mimics other current applied methods; and a set of tools which are integrated. One of the framework aims is the consideration of the uncertainty associated to parameters and values. The tools, which in all cases are mathematical models, allow for an accurate representation of the reality they simulate. In the case of alternatives generation problem, the resultant multiobjective optimisation problem is solved by an strategy that permits narrowing-in the best solution compromise. A multitude of industrial case studies teaches the way to use the framework in different scenarios.<br/><br/>The framework is applied to different case studies which require decision aid. The case of continuous process design is first addressed along with three different studies. The first one is related to the selection of waste water treatment options for a phosphoric acid plant considering uncertainty in operating variables, another analysis considers the decisions related to raw material management in an integrated gasification combined cycle power plant, while the last one addresses the design of a reactive distillation system considering optimisation of operating variables. All case studies are modelled rigorously using state of the art commercial simulation tools in conjunction with other tools developed for the assessment of sustainability concerns, mainly economic and environmental issues. <br/><br/>The operational problem of selecting appropriate schedules, for the production of different products, is addressed next. In this case, special attention is given to the selection of appropriate metrics, considering economic, efficiency and environmental concerns that reflect the sequence dependence features of this problem. The model proposed is built using mathematical programming and the production of acrylic fibres is the application considered. <br/><br/>Finally, the framework is applied to the design and retrofit of the whole chemical supply chain. Mid- to long-term planning decisions are modelled in this case, which studies a maleic anhydride production supply chain in Western Europe. Due to the problem nature, economic-environmental instruments such as emission trading and price subsidies are studied showing the viability of the presented approach for policy analysis.<br/><br/>The case studies and the proposed framework show that different trade offs appear at different decision making levels. Moreover, the framework provides with a robust approach for traceability and verifiability of different modelling hypothesis which strengthens the decision making process.