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Optimal biorefinery processes using differential-algebraic equation systems with optimization criteria embedded = Optimale Bioraffinerieprozesse unter Verwendung differential-algebraischer Gleichungssysteme mit eingebetten Optimierungskriterien
2021 & 2022
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2022
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-06-15
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-01969
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/841785/files/841785.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Karush-Kuhn-Tucker conditions (frei) ; Modelica (frei) ; dynamic flux balance analysis (frei) ; nonsmooth dynamic systems (frei) ; phase equilibrium (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Bioraffinerien umfassen eine Reihe von Prozessschritten, die aus nachwachsenden Rohstoffen eine Vielzahl von Produkten herstellen. Die dynamische Simulation und Optimierung von detaillierten Prozessmodellen unterstützt die Analyse und Regelung von Bioraffinerieprozessen kurz vor oder während der Umsetzung in Pilot-Anlagen. Die dynamischen Flussbilanzanalyse (DFBA) ermöglicht dabei eine detaillierte Modellierung biotechnologischer Prozesse. Die algebraischen Variablen werden hierbei als Lösung eines Optimierungsproblems bestimmt, sodass ein differential-algebraisches Gleichungssystem mit eingebettetem Optimierungsproblem (DAEO) entsteht. Die dynamische Modellierung von Trennprozessen basierend auf thermodynamischem Gleichgewicht führt ebenfalls zu einem DAEO. In dieser Arbeit wird eine heuristische Lösungsmethode für allgemeine DAEOs vorgestellt, die das eingebettete Optimierungsproblem durch seine notwendigen Optimalitätskriterien (KKT Bedingungen) ersetzt. Die Methode ist in einer DAEO Toolbox implementiert, die auch für andere Anwendungen von DAEOs nutzbar ist. Darüber hinaus wird eine Modelica-Bibliothek dynamischer Modelle, die typische Teilprozesse einer Bioraffinerie beschreiben, präsentiert. Zusammen mit der DAEO Toolbox wird die dynamische Simulation von anlagenweiten Bioraffineriemodellen ermöglicht. Des Weiteren wird die Optimierung von DAEOs, die mathematisch zu einem dynamischen mehrstufigen Optimierungsproblem führt, durchgeführt. Dazu wird das DAEO mit der KKT-basierten Methode zu einem nicht-glatten differential-algebraischen Gleichungssystem (DAE) umformuliert. Die Erweiterung eines Lösers für nicht-glatte DAEs ermöglicht die gradienten-basierte Optimierungen in einem direkten Einfachschießverfahren. Schließlich werden Limitierungen aufgezeigt, die auftreten, wenn der KKT-basierte Ansatz angewendet wird, um dynamische Phasengleichgewichtsprobleme mit mehreren Flüssigphasen zu lösen. Ein alternativer Modellierungsansatz wird vorgeschlagen, der die dynamische Simulation solcher Prozesse ermöglicht.Biorefineries comprise a variety of process steps to convert renewable feedstocks into desired products. The dynamic simulation and optimization of detailed process models support the analysis and control of biorefinery processes shortly before or during implementation in pilot plants. The dynamic flux balance analysis (DFBA) enables detailed modeling of biotechnological processes. The algebraic variables are calculated as the solution of an optimization problem leading to a differential-algebraic equation system with embedded optimization criteria (DAEO). The dynamic modeling of separation processes based on thermodynamic equilibrium is another important example for DAEOs. In this thesis, a heuristic solution method for general DAEOs is presented that is based on replacement of the embedded optimization problem with its first-order optimality conditions (KKT conditions). The method is implemented in a DAEO toolbox which can also be used for other DAEO applications. In addition, a Modelica library of dynamic models describing typical parts of biorefinery processes is presented. Together with the DAEO toolbox, the dynamic simulation of plant-wide biorefinery models is carried out. Furthermore, the optimization of DAEOs is considered. Mathematically, this leads to a dynamic bilevel optimization problem. In the first step, the DAEO is replaced with its KKT conditions yielding a nonsmooth differential-algebraic equation system (DAE). The extension of a solver for nonsmooth DAEs enable the gradient-based optimization in a single-shooting approach. Finally, limitation are discussed that arise when a relaxed KKT approach from literature is applied to solve dynamic phase equilibrium problems with multiple liquid phases. An alternative modeling approach is proposed that enables the dynamic simulation of such processes.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT021368216
Interne Identnummern
RWTH-2022-01969
Datensatz-ID: 841785
Beteiligte Länder
Germany
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