A holistic approach for the optimal design and control of an intensified hydrogen production system

Abstract

The aim of the dissertation was the study of methane steam reforming in a palladium-based membrane reactor for hydrogen production. The process was investigated both experimentally and computationally where a developed mathematical model was validated and the effects of various parameters on the performance of the aforementioned system, as defined by methane conversion were explored. In addition, a systematic design procedure was implemented for the integrated membrane reactor module and three alternative flowsheet configurations of the process. A model predictive controller was designed and applied for the control the process. Finally, a holistic optimal design and control framework that considers simultaneously process economics and control system dynamic performance was developed and applied for all alternative flowsheet configurations. The methodology included the solution of a steady state mathematical model in order to calculate equipment and operational costs of the process followed by the solution of a dynamic mathematical model along with the solution of the model predictive control algorithm in order to minimize the operational cost of the process and the effects of a predetermined disturbance scenario on the system performance. The disturbance scenario was obtained by identifying the direction of maximum variability of the process with respect to exogenous and model parameter variations. Also, the dynamic performance is either quantified by the deviation of the controlled variables from a desired trajectory, or the effect of off-spec performance on process economics. Results demonstrated the ability of the proposed framework to identify design points that exhibited superior dynamic performance. The framework is unique in combining the systematic process design with advanced control schemes for highly intensified processes within a stochastic optimization framework that enables the identification of the global optimal solution. Even though the cascaded reactor-separator configuration exhibited superior dynamic economic performance compared to the integrated membrane reactor configuration due to a larger number of manipulated variables, the integrated membrane reactor achieved a more attractive solution considering the overall economic performance of the system.

Σκοπός της διατριβής είναι η μελέτη της αντίδρασης αναμόρφωσης μεθανίου με ατμό σε αντιδραστήρα μεμβράνης παλλαδίου για την παραγωγή υδρογόνου. Εξετάστηκε τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά την αντίδραση και παρουσιάστηκαν αποτελέσματα σχετικά με την επαλήθευση του μαθηματικού μοντέλου και την επίδραση διαφόρων παραμέτρων στην απόδοση του συστήματος όπως αυτή ορίζετε από την μετατροπή μεθανίου. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε και παρουσιάστηκε ο βέλτιστος σχεδιασμός τόσο της λειτουργικής μονάδας του αντιδραστήρα μεμβράνης όσο και τριών εναλλακτικών διαγραμμάτων ροής για τη διεργασία. Στη συνέχεια, σχεδιάστηκε ένας βέλτιστος προβλεπτικός ελεγκτής και εφαρμόστηκε για τον έλεγχο της διεργασίας. Τέλος, αναπτύχθηκε ένα πλαίσιο ολιστικού βέλτιστου σχεδιασμού και ελέγχου διεργασιών και εφαρμόστηκε για το σχεδιασμό των εναλλακτικών διαγραμμάτων ροής. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει την επίλυση ενός μαθηματικού μοντέλου σε μόνιμη κατάσταση, για τον υπολογισμό του πάγιου και λειτουργικού κόστους της διεργασίας καθώς και την επίλυση ενός δυναμικού μαθηματικού μοντέλου μαζί με την επίλυση του αλγορίθμου του ελεγκτή, για την διόρθωση του λειτουργικού κόστους της διεργασίας και για τον υπολογισμό την επίδρασης ενός προκαθορισμένου σεναρίου διαταραχής στο σύστημα. Η ελαχιστοποίηση του υπολογιστικού κόστους πραγματοποιείται με τον υπολογισμό της μέγιστης μεταβλητότητας του συστήματος ως προς τις προκαθορισμένες πολλαπλές ταυτόχρονες διαταραχές. Επίσης, η ποσοτικοποίηση της δυναμικής συμπεριφοράς πραγματοποιείτε είτε μέσω απόκλισης από την επιθυμητή τροχιά είτε μέσω της οικονομικής επιβάρυνσης της λειτουργίας εκτός προδιαγραφών. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν την ικανότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας στο να προσδιορίζει σχεδιαστικά σημεία που παρουσιάζουν ανώτερη συμπεριφορά ως προς τα κριτήρια σχεδιασμού. Η μεθοδολογία είναι μοναδική στο ότι συνδυάζει τον βέλτιστο σχεδιασμό και έλεγχο ολοκληρωμένων, εντατικοποιημένων διεργασιών υπό την επήρεια πολλαπλών ταυτόχρονων διαταραχών με αλγόριθμους στοχαστικής βελτιστοποίησης εξασφαλίζοντας την εύρεση της ολικά μέγιστης λύσης. Τέλος, το διάγραμμα ροής που χρησιμοποιεί αντιδραστήρα και διαχωριστή σε σειρά παρουσιάζει ανώτερη δυναμική συμπεριφορά σε σχέση με το διάγραμμα ροής με τον αντιδραστήρα μεμβράνης, λόγω επιπλέον χειραγωγούμενων μεταβλητών. Ωστόσο, το διάγραμμα ροής που είναι εξοπλισμένο με τον αντιδραστήρα μεμβράνης είναι πιο ελκυστική λύση λαμβάνοντας υπόψη τη συνολική οικονομική επίδοση του συστήματος.