Ολοκληρωμένος σχεδιασμός βιοδιυλιστηρίων

Abstract

The upcoming field of biorefineries and the implementation of circular economy appear new challenges and design problems that cannot be effectively addressed by the conventional engineering tools of literature. This work presents three generalized methodologies and computational tools that combine process synthesis and integration technologies in order to detect complementary processes, to improve energy efficiencies and sustainability margins of upcoming biorefineries and to upgrade performance of existing industry. New challenges arise originated from the analysis of value chains, which include numerous candidate chemical, biochemical and thermochemical paths that upgrade waste flows and/or biomass feedstocks into added value chemicals, like solvents, fuels, materials, nutraceuticals, etc. The design problem involves infinite synthesis options of candidate, competitive and existing paths that need to be evaluated and screened in order to reveal best biorefining routes that effectively integrate among them and with adjacent, distributed industries. The proposed methodologies are generalized and become an ideal solution to detect high sustainable biorefining strategies ahead of detailed design, as well as to address any case of conventional industry.The methodologies focus on key degrees of freedom related with connections among upcoming and existing processes and industries preparing the conditions to exchange chemicals and energy among them in the scope of viably applying circular economy. Each process results in different efficiencies when integrated across alternative process combinations, which need to be systematically screened and evaluated to detect promising biorefinery portfolios (feedstocks, processes and products) in terms of energy savings and profitability margins. High energy costs reported in real-life biorefinery cases are unable to support the selected production paths, unless proper and strong energy integration is provided. Common process-to-process integration methodologies are based on graphical tools, that apply as separate analysis stages, each referring to different levels of integration: the first, for direct integration of hot-cold streams within each process and the second, for indirect (via steam) process-to-process integration. Under these conditions, the conventional graphical tools are strictly applied for known and preselected process portfolios, rather than for candidate chemical paths. This work presents systems representations to address the combinatorial nature of the process synthesis and integration problem, incorporating processes as additional degrees of freedom in integration procedure. The methodology utilizes a generalized graph that maps all synthesis options among candidate/variable and existing/fixed distributed processes, which are expected to exchange chemical flows and energy in any way and combination. The graph also includes options to address problems subjected to seasonal availability of biomass varieties considering competitive feedstocks as additional degrees of freedom of the overall problem. In this scope, storage options for feedstocks and refinery chemicals are used with the purpose to optimize the seasonal operation plan of multiple-feedstock and multiple-process biorefineries. While the graph develops feasible biorefinery portfolios, integration technologies are systematically applied to build and evaluate efficiencies of all candidate biorefinery sites. In this scope, this work introduces energy integration representations – based on key concepts of heat transshipment models – that extend common integration capabilities by combining direct and indirect integration stages as a single, linear energy optimization problem. The proposed heat transshipment models enable any feasible heat exchange option among all candidate biorefining paths, as well as with distributed processes of existing industry. The overall synthesis and integration methodology combines and synchronizes the graph with the proposed heat transshipment models to systematically evaluate all (infinite) process combinations and the overall problem is constructed as a linear optimization model. The revised transshipment models also include options to manage heat loads of fresh steam (from furnace) and generated steam (using available process energy) enabling the analysis and the optimization of power cogeneration using turbines. The existing literature strategies used for the approximation of turbine power output and isentropic efficiency are commonly based on graphical and multi-stage computational procedures, which are inefficient to address the combinatorial nature of the biorefinery problem; they also appear limited accuracy under extreme turbine operating conditions. These issues are addressed by combining the revised transshipment models with new computational strategies proposed for robust optimization of power cogeneration and steam utility levels. The original biorefinery problem finally combines the degrees of freedom related with process synthesis, integration and cogeneration to investigate efficient strategies to implement circular economy; also incorporating electric power as an additional biorefinery product. In addition, this work addresses the design of fully integrated distillation systems. The methodology focuses on the use of multiple-effect (column) distillation systems, which utilize parallel columns that share the overall distillation feed and operate at various pressures enabling heat exchange among condensers-reboilers, as well as with hot/cold streams of the rest of process. The conventional literature approaches are exclusively based on the use of graphical tools that are time consuming, do not guarantee optimality and subject to partiality. The methodology detects, systematizes and mathematically models the design options of multiple-effect distillation systems with the use of a generalized graph. The graph is appropriately combined with common heat transshipment models to incorporate (to the distillation design problem) the degrees of freedom for the integration of distillation effects among them and with hot/cold streams of the rest of process. As a result, the problem is constructed as a linear optimization model for the design of fully energy integrated distillation systems. The three engineering tools: (a) process synthesis and integration, (b) cogeneration and utility levels optimization and (c) design of integrated distillation systems, have been applied to address real-life biorefinery problems resulting in better (not obvious) solutions that cannot be detected by means of existing literature methodologies.

Ο ανερχόμενος κλάδος των βιοδιυλιστηρίων και της κυκλικής οικονομίας φέρνει στην επιφάνεια νέες προκλήσεις και προβλήματα σχεδιασμού, τα οποία δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν επαρκώς με τα συμβατικά εργαλεία ανάλυσης και βελτιστοποίησης διεργασιών. Το παρόν έργο παρουσιάζει τρεις γενικευμένες μεθοδολογίες και υπολογιστικά εργαλεία σχεδιασμού που συνδυάζουν τεχνολογίες σύνθεσης και ενεργειακής ολοκλήρωσης για τη διερεύνηση συμπληρωματικών διεργασιών και την ενίσχυση των ενεργειακών αποδόσεων και της βιωσιμότητας ανερχόμενων εφαρμογών βιοδιυλιστηρίων, καθώς και την αναβάθμιση υφιστάμενων βιομηχανικών εγκαταστάσεων. Οι προκλήσεις εμφανίζονται κατά την ανάλυση αλυσίδων αξίας προϊόντων (value chains), οι οποίες περιλαμβάνουν όλα τα υποψήφια χημικά, βιοχημικά και θερμοχημικά μονοπάτια αναβάθμισης υπολειμματικών ροών και τροφοδοσιών βιομάζας σε προϊόντα υψηλής αξίας, όπως διαλύτες, καύσιμα, υλικά, συμπληρώματα διατροφής, κ.ά. Το πρόβλημα καλεί τη διερεύνηση άπειρων επιλογών σύνθεσης υποψήφιων και ανταγωνιστικών μονοπατιών και τον εντοπισμό βέλτιστων βιοδιυλιστηριακών μονάδων που ολοκληρώνονται με τον αποδοτικότερο τρόπο τόσο μεταξύ τους όσο και με παρακείμενες, κατανεμημένες διεργασίες της υφιστάμενης βιομηχανίας. Τα προτεινόμενα εργαλεία ολοκλήρωσης αποτελούν ιδανική λύση για τον εντοπισμό βιώσιμων σεναρίων βιοδιυλιστηρίων και εφαρμογών κυκλικής οικονομίας σε πρόωρα στάδια σχεδιασμού, ενώ η γενικευμένη διατύπωση των μεθοδολογιών επιτρέπει την αντιμετώπιση κάθε υποπερίπτωσης σχεδιασμού της συμβατικής βιομηχανίας. Οι μεθοδολογίες εντοπίζουν βαθμούς ελευθερίας ζωτικής σημασίας που σχετίζονται με συνδέσεις υποψήφιων και υφιστάμενων διεργασιών προετοιμάζοντας τις συνθήκες ανταλλαγής ροών χημικών και ενέργειας μεταξύ τους στα πλαίσια ανάπτυξης βιώσιμων εφαρμογών κυκλικής οικονομίας. Οι διεργασίες παρουσιάζουν διαφορετικές αποδόσεις όταν ολοκληρώνονται μέσω εναλλακτικών συνδυασμών, τους οποίους ο μηχανικός καλείται να αξιολογήσει συστημικά και να επιλέξει (τα πιο) βιώσιμα σενάρια χαρτοφυλακίων τροφοδοσιών, διεργασιών και προϊόντων υψηλής απόδοσης, εξοικονόμησης κόστους και κερδοφορίας, σε πρώιμα στάδια σχεδιασμού. Πραγματικές περιπτώσεις βιοδιυλιστηρίων παρουσιάζουν υψηλά κόστη ενέργειας, που συνήθως απειλούν τη βιωσιμότητα των εγχειρημάτων, ενισχύοντας τα κίνητρα για τον εντοπισμό ενεργειακά συμπληρωματικών διεργασιών και την κατάλληλη και αυστηρή εφαρμογή τεχνικών ολοκλήρωσης. Οι υπάρχουσες τεχνικές ολοκλήρωσης βασίζονται σε γραφικές μεθόδους ανάλυσης, οι οποίες εφαρμόζονται ως ξεχωριστά στάδια μελέτης, καθένα από τα οποία αφορά διαφορετικά επίπεδα ολοκλήρωσης: το πρώτο, για την άμεση ολοκλήρωση θερμών-ψυχρών ρευμάτων εντός κάθε διεργασίας και το δεύτερο, για έμμεση ολοκλήρωση (μέσω ατμού) διεργασίας-με-διεργασία. Υπό αυτές τις συνθήκες, οι γραφικές μέθοδοι προορίζονται αυστηρά για την ολοκλήρωση γνωστών και προεπιλεγμένων διεργασιών, αδυνατώντας να αντιμετωπίσουν περιπτώσεις υποψήφιων χημικών μονοπατιών. Στο παρόν έργο παρουσιάζονται συστήματα αναπαραστάσεων για την αντιμετώπιση της συνδυαστικής φύσης του προβλήματος σύνθεσης και ολοκλήρωσης διεργασιών, ενσωματώνοντας τις διεργασίες ως επιπλέον βαθμούς ελευθερίας του γενικότερου προβλήματος ολοκλήρωσης. Η μεθοδολογία χρησιμοποιεί έναν γενικευμένο γράφο χαρτογράφησης όλων των επιλογών σύνθεσης μεταξύ υποψήφιων και δεδομένων (προαιρετικά) κατανεμημένων διεργασιών, οι οποίες μπορούν να ανταλλάσουν ροές χημικών μεταξύ τους με οποιονδήποτε τρόπο. Ο γράφος ενσωματώνει επιπλέον επιλογές για την αντιμετώπιση προβλημάτων εποχικής διαθεσιμότητας των ποικιλιών βιομάζας, αντιμετωπίζοντας τις ανταγωνιστικές τροφοδοσίες ως επιπλέον βαθμούς ελευθερίας του συνολικού προβλήματος. Επίσης, διαθέτει επιλογές αποθήκευσης τροφοδοσιών και προϊόντων με στόχο τον βέλτιστο χρονοπρογραμματισμό της λειτουργίας βιοδιυλιστηρίων πολλαπλών-διεργασιών και πολλαπλών-τροφοδοσιών. Ενώ ο γράφος αναλαμβάνει τη σύνθεση όλων των υποψήφιων χαρτοφυλακίων διεργασιών, τεχνικές ολοκλήρωσης αναλαμβάνουν την αξιολόγηση και τη βελτιστοποίηση των αποδόσεων των υποψηφίων. Στο παρόν έργο παρουσιάζονται αναπαραστάσεις ενεργειακής ολοκλήρωσης – βασισμένες στις έννοιες των μοντέλων μεταφόρτωσης – οι οποίες επεκτείνουν τις δυνατότητες των συμβατικών εργαλείων ολοκλήρωσης και ενσωματώνουν τις ξεχωριστές διαδικασίες άμεσης και έμμεσης ολοκλήρωσης, ως ένα ενιαίο, συντομευμένο και γραμμικό μοντέλο ενεργειακής βελτιστοποίησης. Τα προτεινόμενα μοντέλα μεταφόρτωσης επιτρέπουν κάθε επιλογή ανταλλαγής θερμότητας μεταξύ των υποψήφιων διεργασιών των βιοδιυλιστηρίων και των παρακείμενων υφιστάμενων βιομηχανιών. Η μεθοδολογία συνδυάζει και συγχρονίζει κατάλληλα τον γράφο με τα μοντέλα μεταφόρτωσης για τη συστημική αξιολόγηση όλων των συνδυασμών ανταγωνιστικών διεργασιών και το συνολικό πρόβλημα σύνθεσης και ολοκλήρωσης διατυπώνεται ως ένα γραμμικό μοντέλο βελτιστοποίησης. Τα προτεινόμενα αναβαθμισμένα μοντέλα μεταφόρτωσης ενσωματώνουν επιπλέον δυνατότητες για την διαχείριση του φρέσκου ατμού (από το φούρνο τη μονάδας) και του παραγόμενου ατμού (από περίσσεια θερμότητα διεργασιών) επιτρέποντας την ταυτόχρονη μελέτη και βελτιστοποίηση των αποδόσεων συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με τη χρήση τουρμπίνων. Οι κλασσικές στρατηγικές εκτίμησης της συμπαραγωγής χρησιμοποιούν γραφικές ή υπολογιστές διαδικασίες πολλαπλών σταδίων, οι οποίες δεν ανταπεξέρχονται στις ειδικές ανάγκες σχεδιασμού των ανερχόμενων βιομηχανιών και σε ορισμένες περιπτώσεις παρουσιάζουν μειωμένη ακρίβεια. Τα ζητήματα αυτά αντιμετωπίζονται συνδυάζοντας κατάλληλα τις δυνατότητες των αναβαθμισμένων μοντέλων μεταφόρτωσης με νέες στρατηγικές που προτείνονται για την εκτίμηση της συμπαραγωγής ισχύος με χρήση τουρμπίνων και τη βελτιστοποίηση των επιπέδων ατμού της βιομηχανίας. Το αρχικό πρόβλημα σχεδιασμού βιοδιυλιστηρίων επεκτείνεται συνδυάζοντας όλους τους βαθμούς ελευθερίας που σχετίζονται με τη σύνθεση, την ολοκλήρωση και τη συμπαραγωγή για τον εντοπισμό συγκροτημάτων διεργασιών υψηλής ενεργειακής απόδοσης, εισάγοντας (και βελτιστοποιώντας) την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ως επιπλέον προϊόν των βιοδιυλιστηρίων. Τέλος, το παρόν έργο αντιμετωπίζει προβλήματα σχεδιασμού και ενεργειακής βελτιστοποίησης συστημάτων απόσταξης. Η μεθοδολογία εστιάζει στη χρήση σχημάτων απόσταξης πολλαπλών-επιπέδων (στηλών), τα οποία μοιράζονται την τροφοδοσία και λειτουργούν σε διαφορετικές πιέσεις επιτρέποντας την ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ συμπυκνωτήρων-αναβραστήρων και ρευμάτων της υπόλοιπης διεργασίας. Η συμβατική διαδικασία σχεδιασμού αποστάξεων και ολοκλήρωσής τους διεξάγεται αποκλειστικά με τη χρήση γραφικών εργαλείων, τα οποία είναι χρονοβόρα, δεν εγγυώνται την εύρεση βέλτιστων λύσεων και αντιμετωπίζουν ζητήματα μεροληψίας. Η μεθοδολογία εντοπίζει και συστηματοποιεί τις επιλογές σχεδιασμού των αποστάξεων μέσω ενός γενικευμένου γράφου λήψης αποφάσεων, που επιτρέπει την μαθηματική προτυποποίηση του προβλήματος σχεδιασμού. Ο γράφος συνδυάζεται κατάλληλα με κλασσικά μοντέλα ενεργειακής μεταφόρτωσης ενσωματώνοντας (στο πρόβλημα σχεδιασμού) τους επιπλέον βαθμούς ελευθερίας ολοκλήρωσης των συστημάτων απόσταξης τόσο μεταξύ τους όσο και με τα θερμά/ψυχρά ρεύματα της υπόλοιπης διεργασίας. Το συνολικό πρόβλημα κατασκευάζεται ως ένα συντομευμένο, γραμμικό και εύκολα προσαρμόσιμο μοντέλο βελτιστοποίησης για τον σχεδιασμό πλήρως ενεργειακά ολοκληρωμένων συστημάτων απόσταξης. Τα τρία εργαλεία σχεδιασμού: (α) σύνθεσης και ενεργειακής ολοκλήρωσης διεργασιών, (β) εκτίμησης και βελτιστοποίησης της συμπαραγωγής και (γ) σχεδιασμού ολοκληρωμένων συστημάτων απόσταξης, εφαρμόζονται για την επίλυση προβλημάτων σχεδιασμού πραγματικών βιοδιυλιστηρίων αποδίδοντας καλύτερες (μη-προφανείς) λύσεις που δεν μπορούν να εντοπιστούν με τη χρήση των κλασσικών εργαλείων της βιβλιογραφίας.