Εφαρμογή πειραματικών σχεδιασμών σε χημικές διεργασίες με χρήση μοντέλων προσομοίωσής τους

Application of experimental designs in chemical processes using simulation models (Αγγλική)

  1. MSc thesis
  2. ΤΕΜΠΛΗΣ, ΧΡΥΣΟΒΑΛΑΝΤΗΣ
  3. Διαχείριση και Τεχνολογία Ποιότητας (ΔΙΠ)
  4. 25 Σεπτεμβρίου 2021 [2021-09-25]
  5. Ελληνικά
  6. 122
  7. ΚΑΠΕΤΑΝΟΠΟΥΛΟΥ, ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ
  8. ΚΑΠΕΤΑΝΟΠΟΥΛΟΥ, ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ | ΕΥΑΓΓΕΛΑΡΑΣ, ΧΑΡΑΛΑΜΠΟΣ
  9. Χημικές διεργασίες | Chemical processes | Πειραματικοί σχεδιασμοί | Experimental designs | Κεντρικά συνδυασμένοι σχεδιασμοί | Central composite designs | Επιφάνειες απόκρισης | Response surfaces
  10. 4
  11. 17
  12. Περιέχει : πίνακες, σχήματα, εξισώσεις
    • Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι η εφαρμογή κατάλληλων πειραματικών σχεδιασμών σε χημικές διεργασίες βιομηχανικής κλίμακας κατά τις οποίες παράγονται περισσότερα του ενός προϊόντα με στόχο την επιλογή των καταλληλότερων/βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας, ανάλογα με τις ανάγκες και την ζήτηση της αγοράς στα προϊόντα. Για την επίτευξη των στόχων αναπτύχτηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης της διεργασίας, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως εργαλείο για να προκύψουν τα δεδομένα των αποκρίσεων στις επιλεγμένες θεραπείες των σχεδιασμών που εφαρμόζονται. Θεωρήθηκε ένα θεωρητικό δίκτυο αντιδράσεων με παράλληλη και εν σειρά αντιδράσεις που οδηγεί στην μετατροπή ενός αντιδρώντος A σε τρία (3) επιμέρους προϊόντα B, C και D. Για την περιγραφή του ρυθμού αντίδρασης κάθε χημικής αντίδρασης που συμμετέχει στον μηχανισμό/δίκτυο, θεωρήθηκε ένα εκθετικής τάξης τεχνικό κινητικό μοντέλο με κατάλληλες κινητικές παραμέτρους. Καταστρώθηκε ένα μαθηματικό μοντέλο με τα διαφορικά ισοζύγια μάζας των ενώσεων που αντιδρούν και παράγονται κατά τις αντιδράσεις, και αναπτύχθηκε ένα μοντέλο επίλυσής του σε περιβάλλον γλώσσας προγραμματισμού για την προσομοίωση της λειτουργίας του βιομηχανικού αντιδραστήρα. Οι παράγοντες που εξετάζονται είναι οι εξής τέσσερις (4) : η θερμοκρασία T, η πίεση P, η περιεκτικότητα Χ της τροφοδοσίας σε αντιδρών Α και η μαζική παροχή M της τροφοδοσίας. Εξετάζονται έξι (6) μεταβλητές απόκρισης η παραγωγικότητα και η εκλεκτικότητα για κάθε ένα από τα τρία (3) προϊόντα. Αντικείμενο της εργασίας είναι αρχικά η εφαρμογή ενός πλήρους παραγοντικού σχεδιασμού τεσσάρων (4) παραγόντων με τρεις (3) στάθμες έκαστος, ώστε να προσδιοριστεί η σημαντικότητα των παραγόντων και οι σημαντικότερες επιδράσεις που επιδρούν στην εκλεκτικότητα και στην παραγωγικότητα για κάθε προϊόν. Ακολουθήθηκε η διαδικασία των επιφανειών απόκρισης και αναπτύχθηκε ένα μοντέλο παλινδρόμησης που περιλαμβάνει τετραγωνικούς όρους και αλληλεπιδράσεις μεταξύ των παραγόντων, για τον έλεγχο της καμπυλότητας των επιφανειών απόκρισης. Προσδιορίζονται οι συνθήκες λειτουργίας για τις οποίες μεγιστοποιείται η εκλεκτικότητα ή η παραγωγικότητα για κάθε προϊόν. Κατόπιν λόγω της διαπίστωσης της καμπυλότητας των επιφανειών απόκρισης εφαρμόζεται ένας οικονομικότερος κεντρικά συνδυασμένος σχεδιασμός με σημεία αστέρος για τον προσδιορισμό ενός μοντέλου δεύτερης τάξης, των επιφανειών απόκρισης και τον προσδιορισμό των συνθηκών λειτουργίας για τις οποίες μεγιστοποιείται η εκλεκτικότητα ή η παραγωγικότητα για κάθε προϊόν. Συγκρίνονται τα αποτελέσματα των δυο σχεδιασμών. Οι συνθήκες λειτουργίας υποδεικνύονται κάθε φορά από το σχήμα λειτουργίας και τις ανάγκες της αγοράς ανάλογα με τη ζήτηση σε προϊόντα. Επιπλέον δεδομένου ότι οι βιομηχανικής κλίμακας καταλυτικές διεργασίες συνήθως είναι συνεχείς με ένα κύκλο λειτουργίας 1-3 χρόνια κατά τον οποίο σημειώνεται μείωση της δραστικότητας του καταλύτη (αποδραστικοποίηση) με τον χρόνο, η δραστικότητα του καταλύτη ενσωματώνεται στο μοντέλο. Με αυτό τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα προσδιορισμού των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας της διεργασίας σε διαφορετικές χρονικές περιόδους όπου η δραστικότητα του καταλύτη είναι μειωμένη σε σχέση με την αρχική. Ως μελέτη περίπτωσης μελετάται η επίδραση της αποδραστικοποίησης κατά 50% του καταλύτη στις συνθήκες που επιτυγχάνεται η μεγιστοποίηση των μεταβλητών απόκρισης, καθώς και στις μέγιστες τιμές των μεταβλητών απόκρισης.
    • The objective of this master's thesis is the application of experimental designs in industrial scale catalytic chemical processes through which the production of more than one product takes place. The main target of the application is the determination of the most suitable/optimal operating conditions of the process as indicated by the market needs and demands for the products. To achieve the objectives, a process simulation model has been developed, which was used as a tool to generate response data at the conditions indicated by the applied experimental design. A theoretical network of reactions with parallel and sequential reactions has been considered for the conversion of a reactant A into three (3) individual products B, C and D. A power-law technical kinetic model with appropriate kinetic parameters has been considered for the mathematical description of reaction rate of each chemical reaction involved in the reaction network. A mathematical model, consisting of the differential mass balances of the compounds involved in the network, was developed. The model was solved using programming language environment to simulate the operation of an industrial reactor. The factors examined are the following four (4) : the temperature T, the pressure P, the feed content X in reactant A and the feed mass flow rate M. The levels considered for each factor depends on system constraints. Six (6) response variables are examined, the productivity and selectivity for each of the three products. A full factorial design including four (4) factors with three (3) levels each has been applied to determine the most significant factors and interactions affecting the selectivity and productivity of each product. Using the full factorial design, the procedure of the response surfaces was followed, and a regression model was developed including quadratic and 2-way interaction terms to test the curvature of the response surfaces. Τhe operating conditions at which the selectivity or productivity for each product is maximized have been determined. Due to the curvature of the response surfaces, a Central Compοsite Design with center and axial-points has been applied to determine a second-order model, the response surfaces, and the operating conditions at which the selectivity or productivity for each product is maximized. The operating conditions are selected based on the operating scheme and market needs for the products. The results derived from the two designs are compared. The industrial-scale catalytic processes are usually continuous with a 1-3 year operating cycle during which the catalyst activity decreases (deactivated) with the time on stream. The level of the catalyst activity is incorporated into the model, to be possible to determine the optimal operating conditions of the process at different time periods where the activity of the catalyst is reduced compared to the initial activity of the fresh catalyst. As a case study, the effect of a 50% deactivation of the catalyst on the conditions under which the maximization of response variables is achieved, as well as on the maximum values of the response variables, has been studied.
  14. Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Διεθνές