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Optimisation multicritère pour la conception d'ateliers discontinus multiproduits : aspects économique et environnemental.

Dietz, Adrian (2004) Optimisation multicritère pour la conception d'ateliers discontinus multiproduits : aspects économique et environnemental. (Multicriteria optimisation for multiproduct batch plant design under economic and environmental considerations.)

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Prix Léopold Escande 2005 (more)

Abstract

Les politiques environnementales et énergétiques imposent de plus en plus la prise en compte, dès la phase de conception d'un procédé, la limitation de la génération d'effluents et de la consommation énergétique. Il importe donc de considérer les impacts sur l'environnement émanant du cycle de vie complet du procédé. Le cas d'ateliers multiproduits de chimie fine avec l'objectif de minimiser à la source la génération des effluents et d'intervenir à titre préventif dès les stades de conception et de développement du procédé est examiné plus particulièrement. Le but de cette thèse est la conception multicritère coût - impact environnemental d'un atelier multiproduit, où les variables de décision sont la configuration de l'atelier, la taille et le nombre des équipements à chaque étape du traitement et les conditions opératoires ayant un impact majeur sur les critères d'optimisation. La méthodologie retenue associe un algorithme génétique multicritère, qui est la procédure maître d'optimisation, à un simulateur à événements discrets chargé de la vérification des contraintes et de l'évaluation des critères de performance de l'atelier. Le simulateur est couplé à des modèles d'opérations unitaires représentant les procédés étudiés notamment afin de quantifier l'impact environnemental. L'aspect multicritère est pris en compte à travers une procédure de tri de Pareto. Un atelier multiproduit pour la production de quatre protéines, comportant huit étapes de traitement sert de support à la validation de l'approche. Celle-ci est cependant suffisamment générique pour être facilement réutilisable et adaptable à d'autres contextes. Les critères pris en compte dans l'exemple concernent le coût d'investissement, la biomasse rejetée et la quantité de solvant utilisée. La méthode propose un ensemble suffisamment large de solutions de compromis permettant au décideur d'aborder le problème du choix final. Deux stratégies de production sont envisagées, modes mono et multiproduit. Pour tous les essais réalisés, la solution multiproduit s'est avérée plus performante en terme de coût ou de flexibilité. La méthodologie multicritère est ensuite appliquée à un atelier industriel à des fins de conception et de remodelage. Elle a permis de retrouver le comportement industriel et met en évidence l'intérêt d'une stratégie multiproduit. ABSTRACT : Because of more and more stringent regulations, pollution prevention and limitation on energy consumption have become important objectives at the earliest stages of process design. It is thus necessary to take into account environmental impacts which may occur during life cycle assessment of a given process. This work is focused more particularly on multiproduct batch plant design for the manufacturing of specialty chemicals, with the objective of preventing the generation of environmentally offensive wastes. This work deals with the multi-criteria cost-environment design of multi-product batch plants, where the design variables are the plant configuration with equipment item sizes and parallel equipment number as well as the operating conditions. Given the important combinatorial aspect of the problem, the approach used consists in coupling a stochastic algorithm, indeed a Genetic Algorithm (GA) with a Discrete Event Simulator (DES). The management of production constraints and the computation of the objective functions are carried out by the DES embedding unit operation models in order to quantify environmental impact. The master Multicriteria Genetic Algorithm (MUGA) involves a Pareto sort procedure. The problem of optimal design of a multi-product batch plant for the production of four recombinant proteins is first treated for validation purpose. It must be said that the approach is generic enough to be easily reused and adapted to other production contexts. The criteria involved are based on investment cost, biomass released and solvent amount. The methodology leads to a set of compromise solutions which may be useful for final decision making. Two production strategies have been tested, either mono or multiproduct. For all the simulations runs, the multiproduct case finds out to be slightly more efficient from cost and flexibility viewpoints. The multicriteria approach has then be applied to an industrial batch plant, for both design and retrofit purposes. The results obtained fit with the industrial practice, thus validating the approach, and showing the interest of a multiproduct strategy.

Department or laboratory:Laboratoire de Génie Chimique - LGC (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Domenech, Serge
Uncontrolled Keywords:Conception d'ateliers - Simulation à événements discrets - Optimisation multicritère - Algorithme génétique multicritère - Impact environnemental - Production de protéines. KEYWORDS : Batch plant design - Discrete event simulation - Multicriteria optimisation - Multicriteria genetic algorithm - Environmental impact - Proteins production.
Subjects:Process engineering > Process and environmental engineering
Deposited On:31 May 2005

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