Recently, many papers have shown that performing detailed
bifurcation and stability analysis may be very helpful for the
development and implementation of nonlinear models and
model-based controllers.232–236 Hence, bifurcation analysis
provides a guide for process modifications to make processes
more controllable by eliminating or avoiding undesirable
behaviors.
Challenges and Future Developments
Significant progress has been made in the field of controllability
analysis for chemical processes over the last several
decades. Various design methodologies have been presented
to improve controllability characteristics. At the same time,
a critical assessment for academia and industry is what has
been achieved vs. what we will do next. Some of these challenges
and future developments are discussed below.
Multiobjective optimization-based analysis
for chemical process design
The traditional chemical engineering design problem is no
longer a single economic objective problem. In recent years,
as discussed above, many papers237,238 have been published
on process design combining control and economic considerations.
Although profitability remains the key objective for
shareholders and management in selecting optimal designs,
other objectives such as controllability and flexibility have
been gaining importance, due to tight restrictions on product
quality and strict environmental regulations. These objectives
are important aspects in the design of chemical processes.239
Trade-offs between these objectives has been the focus of
designs that account for controllability and designs in the
face of uncertainty. Alhammadi and Romagnoli discussed
the problem of process design and operation incorporating
environmental, profitability, heat integration, and controllability
considerations.240 Recently, as a series of serious
accidents has occurred, researchers and engineers241,242 have
placed efforts on improving the safety of chemical processes.
Meel and Seider presented a game theory-based multiobjective
optimization method for designing processes, focusing
on inherent safety.48 This multiobjective optimization
of design considering controllability, flexibility, and stability
simultaneously would be a very interesting future
development.
Recently, Yuan et al. presented an approach to segregate
the operation zone of a chemical reactor into different subzones
based on stability and nonminimum phase analysis, focusing
on inherent safety.243 In many cases, operation is
more profitable at an unstable steady state or involving nonminimum
phase behavior. Certain operation spaces have
minimum phases but instability, as seen in Figure 1, which
describes the concentration of reactant x2 varied with feed q
and coolant flow rate qc of an exothermic CSTR.243
On the basis of a series of nonlinear analyses for chemical
processes,244–247 we will next analyze controllability involving
stability, profitability, and flexibility based on the multiobjective
optimization method presented by our group.248
Furthermore, the presented method will be extended to the
design of more complex industrial processes, such as industrial
polymerization reactors.249
New methods for solving optimization problems
One of the main challenges in the successful application
of optimization-based process design for improving controllability
characteristics is the rigorous and efficient solution of
underlying large-scale mixed integer dynamic optimization
problems such as (P2) and (P3). The need for new global
mixed integer dynamic optimization algorithms becomes
extremely important in preventing the generation of economically
or controllability unfavorable designs and fortifying
the theoretical foundations of the techniques.
Switchability analysis is an important aspect of controllability
analysis. To meet the demands of downstream customers,
certain chemical process must move between steady
state operating points in nonminimum phase zones or in
unstable zones due to the high profitability/product quality in
these zones. As is well known, the difficulty of switchability
analysis is not the formulation of the dynamic optimization
problem but the reliable computation of the problem. Sequential
approaches and simultaneous approaches have their
advantages and disadvantages, respectively. Therefore, methods
for solving dynamic optimization problems such as (P1)
efficiently, involving path constraints and unstable processes,
is very helpful in switchability analysis. This is a challenging
problem, especially when the operating point moves
between unstable processes.
In the future, the contributions of other objectives such as
energy efficiency and sustainability are expected to weigh
more heavily when seeking optimal designs. Clearly, these
issues will complicate the multiobjective design optimization.
The main challenge is achieving high-efficiency algorithms
for solving multiobjective optimization. Recent theoretical
and computational advances in multiobjective optimization
provide an excellent starting point for future developments.
Application to novel and realistic process
To further bridge the gap between academia and industry,
substantial expansion of the boundary of application for process
controllability analysis is required. Meeuse applied controllability
analysis tools to the design of a monolithic reactor
for Fischer Tropsch synthesis.250 Based on anticipating sequential
design with screening of alternatives using dynamic
controllability indices, Kaymak and Luyben quantitatively
compared two different process flowsheets for a hypothetical
reactive distillation,194 not directly aimed at representing any
real industrial reactive distillation system. Ydstie and
ล่าสุด เอกสารจำนวนมากได้แสดงให้เห็นที่ดำเนินการโดยละเอียด
bifurcation และเสถียรภาพการวิเคราะห์อาจจะมีประโยชน์มากสำหรับการ
พัฒนาและการใช้งานของแบบจำลองไม่เชิงเส้น และ
เซ controllers.232–236 ดังนั้น วิเคราะห์ bifurcation
ให้คำแนะนำสำหรับการปรับเปลี่ยนกระบวนการเพื่อให้กระบวนการ
ควบคุมได้มากขึ้น โดยการกำจัด หรือหลีกเลี่ยงผล
พฤติกรรมได้
ความท้าทายและพัฒนาอนาคต
ความคืบหน้าที่สำคัญได้ในฟิลด์ของ controllability
วิเคราะห์เคมีที่กระบวนการมากกว่าสุดท้ายหลาย
ทศวรรษ วิธีการออกแบบต่าง ๆ ได้ถูกนำเสนอ
เพื่อปรับปรุงลักษณะ controllability ในเวลาเดียวกัน,
ประเมินสำคัญ academia และอุตสาหกรรมเป็นสิ่ง
ได้สำเร็จเปรียบเทียบกับสิ่งที่เราจะทำต่อไป ความท้าทายเหล่านี้อย่างใดอย่างหนึ่ง
และพัฒนาในอนาคตจะต่ำ
วิเคราะห์ปรับใช้ Multiobjective
ออกแบบกระบวนการทางเคมี
ปัญหาออกแบบวิศวกรรมเคมีแบบดั้งเดิมคือไม่
ยาวปัญหาเศรษฐกิจวัตถุประสงค์เดียว ในปีที่ผ่านมา,
ได้ถูกประกาศเป็นการกล่าวถึงข้างต้น หลาย ๆ papers237, 238
ออกแบบกระบวนการที่รวมการควบคุมและข้อพิจารณาทางเศรษฐกิจ
แม้ว่าผลกำไรยังคงเป็น เป้าหมายหลักสำหรับ
ผู้ถือหุ้นและการจัดการในการเลือกออกแบบดีที่สุด,
มีวัตถุประสงค์อื่นเช่น controllability และยืดหยุ่น
ถูกดึงดูดสำคัญ เนื่องจากข้อจำกัดแน่นบนผลิตภัณฑ์
คุณภาพและกฎหมายสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวด วัตถุประสงค์เหล่านี้
มีลักษณะสำคัญในการออกแบบของ processes.239
เคมีทางเลือกระหว่างวัตถุประสงค์เหล่านี้ได้รับการโฟกัสของ
controllability บัญชีที่ออกแบบ และออกแบบในการ
หน้าความไม่แน่นอน Alhammadi และ Romagnoli กล่าวถึง
ปัญหาของกระบวนการออกแบบและดำเนินการเพจ
ผลกำไรสิ่งแวดล้อม ความร้อนรวม และ controllability
considerations.240 ล่าสุด เป็นชุดของร้ายแรง
เกิดอุบัติเหตุ นักวิจัยและ engineers241, 242 มี
ทำความพยายามในการปรับปรุงความปลอดภัยของสารเคมีกระบวนการ
Meel และ Seider multiobjective ที่ใช้ทฤษฎีเกมนำเสนอ
วิธีปรับให้เหมาะสมสำหรับการออกแบบกระบวนการ เน้น
บน safety.48 โดยธรรมชาติเพิ่มประสิทธิภาพนี้ multiobjective
พิจารณา controllability ความยืดหยุ่น และเสถียรภาพการออกแบบ
จะพร้อมกันในอนาคตมาก
พัฒนา
ล่าสุด al. หยวนและนำเสนอวิธีการ segregate
เขตการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์เคมีเป็น subzones ต่าง ๆ
เสถียรภาพและการวิเคราะห์ขั้นตอน nonminimum เน้น
safety.243 โดยธรรมชาติในหลายกรณี การดำเนินการเป็น
มากกว่ากำไรที่เป็นท่อนไม่เสถียรหรือเกี่ยวข้องกับ nonminimum
ระยะทำงาน มีพื้นที่ดำเนินการบาง
ระยะต่ำแต่ความไม่แน่นอน ตามที่เห็นในรูปที่ 1 ซึ่ง
อธิบายความเข้มข้นของตัวทำปฏิกิริยา x 2 แตกต่างกันกับตัวดึงข้อมูล q
และอุณหภูมิลแลนท์ qc อัตราไหลของ CSTR.243
On การ exothermic พื้นฐานของชุดวิเคราะห์ไม่เชิงเส้นสำหรับสารเคมี
กระบวน 244-247 เราต่อไปจะวิเคราะห์เกี่ยวข้องกับ controllability
เสถียรภาพ ผลกำไร และความยืดหยุ่นตาม multiobjective ที่
วิธีเพิ่มประสิทธิภาพการนำเสนอ โดย group.248
Furthermore ของเรา แบบวิธีการนำเสนอเพื่อ
ออกแบบซับซ้อนมากขึ้นอุตสาหกรรมกระบวนการ เช่นอุตสาหกรรม
polymerization reactors.249
New วิธีแก้ปัญหาเพิ่มประสิทธิภาพ
ความท้าทายหลักในแอพลิเคชันที่ประสบความสำเร็จอย่างใดอย่างหนึ่ง
ออกแบบปรับให้เหมาะสมตามกระบวนการสำหรับปรับปรุง controllability
ลักษณะเป็นทางออกเข้มงวด และมีประสิทธิภาพของ
ต้นแบบเต็มขนาดใหญ่ผสมแบบไดนามิกปรับ
ปัญหาเช่น p (2) และ (P3) ต้องใหม่สากล
กลายเป็นเลขจำนวนเต็มแบบผสมแบบไดนามิกปรับอัลกอริทึม
สำคัญมากในการป้องกันการสร้างประสิทธิภาพ
หรือ controllability ร้ายออกและ fortifying
รากฐานทฤษฎีของเทคนิค
Switchability วิเคราะห์เป็นข้อมูลสำคัญด้าน controllability
วิเคราะห์ เพื่อตอบสนองความต้องการของลูกค้าปลายน้ำ,
กระบวนการทางเคมีบางประการต้องย้าย steady
รัฐปฏิบัติจุด ในระยะ nonminimum เขต หรือใน
โซนไม่เสถียรเนื่องจากคุณภาพสินค้าสูงทำกำไรใน
โซนเหล่านี้ เป็นเป็นที่รู้จัก ความยากของ switchability
วิเคราะห์ไม่แบ่งปรับไดนามิก
ปัญหาแต่การคำนวณความน่าเชื่อถือของปัญหา ลำดับ
วิธีและแนวทางพร้อมมีการ
ข้อดีและข้อเสีย ตามลำดับ ดังนั้น วิธี
สำหรับแก้ปัญหาการปรับแบบไดนามิกเช่น (P1)
เกี่ยวข้องกับข้อจำกัดของเส้นทางและกระบวนการไม่เสถียร มีประสิทธิภาพ
เป็นประโยชน์มากในการวิเคราะห์ switchability นี่คือการท้าทาย
ปัญหา โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อจุดปฏิบัติงานย้าย
ระหว่างกระบวนการเสถียร
ในอนาคต การจัดสรรวัตถุประสงค์อื่น ๆ เช่น
พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพและความยั่งยืนจะต้องชั่งน้ำหนัก
ขึ้นอย่างมากเมื่อกำลังออกแบบที่เหมาะสม ชัดเจน เหล่านี้
จะ complicate ปัญหาเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ multiobjective
ท้าทายหลักจะบรรลุประสิทธิภาพสูงอัลกอริทึม
สำหรับแก้ไขเพิ่มประสิทธิภาพ multiobjective ล่าทฤษฎี
และคำนวณความก้าวหน้าในการเพิ่มประสิทธิภาพ multiobjective
ให้เป็นจุดเริ่มต้นแห่งการพัฒนาในอนาคต.
เพื่อประมวลผลจริงและนวนิยาย
การเติม ช่องว่างระหว่าง academia และอุตสาหกรรม,
พบการขยายตัวของขอบเขตของโปรแกรมประยุกต์สำหรับกระบวนการ
controllability วิเคราะห์จำเป็น Meeuse ใช้ controllability
เครื่องมือวิเคราะห์เพื่อการออกแบบของเครื่องปฏิกรณ์เสาหิน
สำหรับ synthesis.250 Tropsch ตื่นตามบนสนองตามลำดับ
ออกแบบคัดกรองทางเลือกใช้ไดนามิก
controllability ดัชนี Kaymak และ Luyben quantitatively
เปรียบเทียบสอง flowsheets กระบวนการที่แตกต่างกันสำหรับการสมมุติ
ปฏิกิริยากลั่น 194 ไม่ตรงมุ่งแสดงใด ๆ
ระบบกลั่นอุตสาหกรรมจริงปฏิกิริยา Ydstie และ
การแปล กรุณารอสักครู่..
