Plantilla -10 PSE objectives Rational use of resources Optimization  Decision making problem  Objective function ? Optimization of the optimization ????

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1 Plantilla -10 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 ????

2 Plantilla -20 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., ….) “Space of designs” Stechiometry  Benefit < 130 Selectivity  Benefit < 90 Designs without subproductsseparation Other sep. sys  Benefit < 75 Distillation  Benefit< 70 Liq-Liq Extr  Benefit < 45 Complete design  Benefit= 50 Liq-Liq Extr.  Benefit < 45 Membranes  Benefit < 53 Technical problems

3 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

4 Plantilla -40 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)

5 Plantilla -50 General Procedure overview

6 Plantilla -60 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”) RUDD et al. (1973)

7 Plantilla -70 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

8 Plantilla -80 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

9 Plantilla -90 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

10 Plantilla -100 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

11 Plantilla -110 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 …

12 Plantilla -120 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

13 Plantilla -130 Representation of alternatives Sistema de separación (enumeración jerarquizada)(enumeración explícita) Condensables (M, EL, PL) Incondensables (EtOH, W, IPA, DEE) Condensables (M, EL, PL) Destilación producto (EtOH, / W, IPA, DEE) Destilación ETOH, IPA, DEE / W) Destilación pesadors (EtOH, W, IPA / DEE) FLASH ABSORC.

14 Plantilla -140 Representation of alternatives C1C2C3 H1 H2X H3 C1C2C3 H11 H232 H3 HEN (superestructura) HEN (enumeración: 1 (0HX) + 9 (1HX) + 9*6 + 3*3*2 (2HX)+…) C1C2C3 H11 H22 H3 1 2 3 H1

15 Application: This paper…. Sinthesys / Design  Retrofit Focused on energy requirements Hierarchical Approach Different models at the different steps Plantilla -150

16 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

17 Objectives for tomorrow Issue: Uncertainty How to face uncertainty Application to simple problems Application to the problem posed by this work ?  Discusion Plantilla -170

18 Identify the problem to be solved Identify (and “characterize”) the objective Plantilla -180

19 Identify the models Model 1  Modeling issues Model 2  Modeling issues Model 3  Modeling issues Diferences / Alternatives Plantilla -190

20 Identify the solution approaches Solution approach 1  Issue 1.1 Solution approach 2  Issue 2.1 Differences/alternatives Plantilla -200

21 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

22  What should be done then ??? (discusion) Action 1  Issue 1.1 Action 2  Issue 2.1 Plantilla -220