Diss. ETH 5340 THE COMPUTER-AIDED DESIGN OF MULTI-PRODUCT BATCH-WISE CHEMICAL PLANTS ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels eines Doktors der technischen Wissenschaften der EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH vorgelegt von ROBERT EDWARD SPARROW B. Tech., (Bradford), M. A., (Lancaster) geboren am 12. September, 1947 London, England Angenommen auf Antrag von Prof. Dr. D. W. T. Rippin (Referent) Prof. Dr. W. Richarz (Korreferent) aku-fotodruck Zürich 1974
ZUSAMMENFASSUNG Es wird die Entwicklung von Berechnungsverfahren und der Aufbau eines Programrapaketes MULTI-BATCH für den computerunterstützten Entwurf von Multiprodukt-Batch-Anlagen beschrieben. In Multiprodukt- Batch-Anlagen erfolgen die wesentlichen Verfahrensschritte chargenweise (zyklischer Betrieb: Füllen, Verarbeiten und Leeren), und man erzeugt eine Anzahl verschiedener Produkte in zusammen hängenden Kampagnen oder Produktionsperioden in ein und derselben Anlage. Solch eine Anlage ist im allgemeinen für eine festgelegte Serie von Produkten konzipiert, wobei alle Produkte die Anlage auf ungefähr dem gleichen Weg durchlaufen. Für die Dimensionierung der Prozesseinheiten in Multiprodukt- Batch-Anlagen werden zwei neue Methoden entwickelt zur Lösung des praktischen Problems der Wahl von Standardgrößen und der Anzahl von parallelen Batch-Einheiten, Die erste dieser Methoden ist ein heuristiches Verfahren, das eine brauchbare Kombination von Prozesseinheiten erzeugt. Die Qualität der erzeugten Lösung ist jedoch, wie bei allen heuristischen Methoden, ungewiss. Die zweite Methode beruht auf dem "Branch and Bound"- Verfahren und wählt Standardgrossen und die Anzahl paralleler Batch-Einheiten derart, dass die totalen Kapitalkosten der Batch-Einheiten minimal sind. Die Entwicklung einer rechnerisch effizienten Version des "Branch and Bound" Algorithmus wird beschrieben. Die beiden Dimensionierungsmethoden werden hinsichtlich der erzeugten Lösungen und ihrer rechnerischen Bedürfnisse verglichen. Es wird gezeigt, dass beide gewisse Vorteile haben, und dass beide zur Verwendung in einem Programm für den computerunterstützten Entwurf geeignet sind. Nach Erläuterung der Struktur eines Programmpaketes zum Entwurf und zur wirtschaftlichen Evaluation von Multiprodukt-Batch-Anlagen wird die bei der Anwendung einer ersten Version des Programrapaketes an einer Anzahl verschiedener Beispiele gewonnene Erfahrung beschrieben.
- ii - Eine zweite Version des Programmes, welche auf den Erkenntnissen aus dem ersten Programm beruht, wird dann vorgestellt. Diese Version kann für die folgenden Berechnungen an Multiprodukt-Batch- Anlagen verwendet werden: die Berechnung von Wärme- und Material- Bilanzen für jedes Produkt, die Dimensionierung der Prozesseinheiten, um die verlangte Produktion in der verfügbaren Produktionszeit herzustellen und die Schätzung der Kosten der Prozesseinheiten, der Produktionskosten und der Wirtschaftlichkeit des Projektes. Die Verwendung dieses Beispiel erläutert. Programmpaketes wird an einem einfachen
ABSTRACT The development of computational methods and the construction of a Computer package, MÜLTI-BATCH, for the computer-aided design of multi-product batch-wise chemical plants is described. A multiproduct batch-wise plant is one in which the main processing steps are carried out in equipment which operates batch-wise (cyclic Operation: filling, processing and emptying) and which achieves a ränge of products by producing one product at a time in a campaign or production run. Such a plant is usually designed for a fixed set of products, all products following essentially the same path through the process, Two methods are presented for sizing equipment in multi-product batch-wise plants which are directed at the practical problems of choosing Standard sizes of equipment and the number of items of batch equipment in parallel. The first of these methods is a heuristic procedure capable of producing a feasible set of equipment but, like all heuristic methods, does not guarantee the quality of the Solution generated. The second method is based on the technique of branch and bound and sezects Standard sizes of batch equipment and the number of items of batch equipment in parallel to minimise the total capital cost of batch equipment items. The development of a computationally efficient Version of the branch and bound algorithm is described. The two equipment sizing methods are compared with respect to the Solutions they generate and their computational requirements. It is shown that they each have certain advantages and both are suitable for use in a computer-aided design package. After presenting the basic structure of a Computer package for the design and economic evaluation of multi-product batch-wise chemical plants, the experience gained in using an initial Version of the package on a number of different examples of multi-product plants is described. A second version of the package is then presented which is based on the experience gained from using the first. This package
- iv - can be used to carry out the following calculations for multiproduct batch-wise plants: the calculation of a heat and material balance for each product» the sizing of equipment to achieve the production requireraents in the available production time and the estiraation of the equipment costs, the manufacturing costs and the project economics. The use of this package on a simple design example is presented.