Dynamıc optımızatıon of batch and semı-batch chemıcal processes - Özveri, Rana Gülizar (My University, 2016)
TEZ BAŞLIĞI: KESİKLİ VE YARI KESİKLİ KİMYASAL PROSESLERİN DİNAMİK OPTİMİZASYONU Kesikli ve yarı kesikli prosesler, kimya endüstrisinde geniş alanlarda kullanılan önemli proseslerdir. Özellikle kimya, ilaç, polimer alanlarında kesikli proses olarak ince kimyasal endüstride kullanılmaktadırlar. Üretim hacimleri düşük olduğunda, proses, güvenlik ve sterilizasyon açısından izole bir sistem olarak kabul edilir. Kesikli prosesler, materyallerin işlenmesi zor olduğunda kullanılan tekniklerdir. Kesikli bir proses, materyaller tanka beslendikten sonra proses boyunca herhangi bir miktar değişimi olmayan prosestir. Kesikli proseslerin aksine, yarı kesikli proseslerde, reaktantlar veya ürünler, proses boyunca eklenebilir veya çıkarılabilir (Bonvin et al, 2003). Kesikli proseslerin dinamik doğasına bağlı olarak, modelleme ve kontrolde ortaya çıkardıkları problemler en ilginç ve aynı zamanda da en ilgi çekici problemlerdir. Kimya mühendisliğindeki proseslerin bir çoğu sürekli proses olarak gerçekleştirilirken, kesikli prosesler genelde daha küçük hacimli özel kimyasallar ve ilaç endüstrisinde gerçekleştirilir. Bu ürünlerin üretildiği kesikli kimyasal reaktör, düşük hız sabitine sahip sürekli reaktörlere göre avantajlıdır (Luyben, 1996). Yarı kesikli, yarı akışlı veya yarı sürekli prosesler, kesikli proseslerde kullanılan ekipmanlara çok benzer ekipmanlarla birlikte çalıştırılan tek karıştırmalı tanklarda gerçekleştirilir. Genelde, reaktantlardan bazıları tanka ilk başta eklenir, geriye kalan reaktantlar ise tanka yavaş yavaş eklenir. Böyle bir reaktant beslemesi, reaksiyonda yüksek ısı etkileri olduğunda, yüksek reaktant konsantrasyonları istenmeyen ara ürünleri oluşturduğunda veya sınırlı çözünürlüğe sahip gaz halinde reaktantlar olduğunda avantajlıdır. Yarı kesikli proseslerin reaktör tasarımı da bu doğrultuda, açık bir sistem olması ve kararlı halde olmaması nedeniyle zordur. Bu zorluğa bağlı olarak, yarı kesikli proseslerin kütle ve enerji denklikleri, kesikli veya sürekli proseslerinkine göre daha karışıktır (Hill, 1977). Kesikli proseslerin önemi ve geniş alanlarda kullanımı, yakın zamanlarda bu proseslerin optimizasyonunu inceleme nedenlerini oluşturmuştur. Herhangi bir prosesin optimizasyonu, üretim maliyetlerinin düşürülmesi, ürün kalitesinin arttırılması, güvenlik ve çevre gerekliliklerinin ve yönetmeliklerinin uygulanması demektir (Bonvin et al, 2002). Endüstriye bakıldığında, bakış açısı üretimden edilecek kârın arttırılması için seri döngü süresini en aza indirgemektir. Yakın zamanlarda kesikli proseslere yöneltilen bu ilginin nedeni, küçük hacimli üretimlere kolayca adapte olabilmeleridir (Tan et al, 2012). Verimli bir operasyon için, enerji tüketiminin veya üretim maliyetinin en aza indirgenmesi ve verimliliği en fazla yapabilmek için kesikli proseslerde ayarlanmış değişkenlerin operasyonel aralığı (değişkenlerin çalışma aralığı) ve çalışma süresinin belirlenmesi gereklidir. Verimlilik, enerji tüketimi başlıkları, kesikli prosesler için sınırlı olarak gündemdedir (Bonvin et al, 2003). Bazı çalışmalarda, kesikli ve yarı kesikli proseslerin istenilen ürününün kazancını arttırmak üzerine çalışılmıştır. Bunun yanı sıra, kesikli prosesler için optimum sıcaklı profili ve yarı kesikli prosesler için optimum sıcaklık profili ve beslemesi incelenmiştir (Pahija et al, 2014). Literatürde kesikli, yarı kesikli ve optimizasyon üzerine bir çok çalışma bulunmaktadır. Ancak, kesikli ve yarı kesikli proseslerin sistematik optimizasyonu için az sayıda çalışma bulunmaktadır. Bu çalışmalar, genel olarak çok basit ve kesikli prosesleri göz önünde bulundurmaktadır. Bu çalışmada amaç, prosesi alt gruplara (alt proseslere) sistematik olarak bölüp sınıflandırarak incelemek ve optimizasyon yöntemleri geliştirmektir. Önerilen amaç doğrultusunda, kontrol vektör iterasyonu ve yörünge optimizasyonu teknikleri bu çalışmada kullanılmıştır. Kesikli ve yarı kesikli prosesler, farklı optimizasyon tekniklerine konu edilmiştir. İzotermal proseslerin kontrolü basit ve kolay ulaşılabilirken, izotermal olmayan proseslerin kontrolü optimize edilirken zorluklarla karşılaşılmıştır. Sonuç olarak, bu çalışmada kullanılan teknikler laboratuvar ölçekli proseslere uygulandıktan sonra düzgün bir kontrolle, sıcaklığı, ürün verimini ve hatta daha ileri ve kapsamlı çalışmalarla, bu çalışmada önerilen tekniklerin geliştirilmesiyle üretim maliyetini geliştirmek üzere büyük ölçekli endüstriyel proseslere uygulanabilir.

THESIS TITLE: DYNAMIC OPTIMIZATION OF BATCH AND SEMI BATCH CHEMICAL PROCESSES Batch and semi-batch processes are very important and widely used processes in chemical industry. They are used especially in fine chemical industry, including wide variety of chemicals, pharmaceuticals, polymers as in batch processes. When the production volumes are low, the process is realized as an isolated system because of safety and for sterilizing. The batch processes are the techniques to be used when handling of the materials are difficult. Batch operations are processes where the materials are fed to the tank and then no change during the process. Despite batch operations, in semi-batch operations, reactants or products can be removed or added during the process (Bonvin et al, 2003). Regarding the dynamic nature of batch processes, the problems they reveal in modeling and control, are the most interesting and challenging ones. Most of the chemical engineering processes are operated as continuous processes; however batch processes are performed in specialty chemicals with smaller volume and in pharmaceutical industry. Chemical batch reactors have advantages against continuous reactors where particularly slow rate constants in a continuous reaction come into question (Luyben, 1996). Semi batch, semi flow or semi continuous processes take place in single stirred tank with equipments very similar to the ones that are used in batch processes. Most of the time, some of the reactants are fed into the tank primarily and the rest is fed gradually. This type of reactant feed has an advantage where there are large heat effects in the reaction and when high reactant concentrations lead to undesirable intermediate products or when some of the reactants are in gas phase which has a limited solubility. Reactor design of semi batch processes is really the difficult part, since it is an open system that operates under nonsteady-state conditions. According to this difficulty, the mass and energy equations for a semi batch process are more complicated than batch or continuous processes (Hill, 1977). Because of the importance of the batch processes and wide variety of usage, optimization of these kinds of processes is reviewed recently. Optimization of any kind of process means the reduction of production costs, improving product quality, implementing the needs of safety and environmental requirements and regulations (Bonvin et al, 2002). If we take a look at the industry, the perspective is to minimize the batch cycle time for increasing the profit of the production. The reason for the attention concerning the batch processes in recent years is that batch processes are flexible to adapt in small volume productions (Tan et al, 2012). It is necessary to determine the operational range (operating conditions of variables) and operation time of the manipulated variables in batch processes in order to maximize the efficiency and minimize the energy consumption or production cost for an efficient operation. Efficiency, energy consumption subjects are considered limitedly about batch processes (Bonvin et al, 2003). Mujtaba et al. studied on increasing the yield of desired product of batch and semi-batch processes. The optimal temperature profile for batch processes and optimal temperature profile and feed for semi-batch processes are examined (Pahija et al, 2014). In literature, there are many studies on the batch, semi-batch and optimization subjects. However, there are few studies about systematic optimization for batch and semi-batch processes. These few studies consider very simple and batch processes. Thus, in this study, the purpose is to investigate the process by classifying and systematically dividing them into subgroups (sub processes) and develop optimization methods. For the proposed aim, control vector iteration and trajectory optimization techniques were used in this study. Batch and semi-batch processes were subject to different optimization techniques. While the control of isothermal processes was elementary and easily achievable, the control of non-isothermal processes was challenged to be optimized. As a consequence, the techniques that are used in this study can be implemented into laboratory scaled processes and then by a distinct control, they can be implemented into large scale industrial processes in order to control the temperature, the yield and also by further and extensive studies, even the cost of the production can be controlled by developing the techniques proposed in this study.
Keywords: Kimya, Mühendislik; Prosesler, Endüstride