This thesis addresses the development of efficient methods for synthesis of chemical processes. Synthesis of the chemical process means determining both the structure of the process and its design parameters.
The proposed methods apply the Process graph(P-graph) theory to represent the chemical process synthesis problems and to generate the set of feasible process structures. Generally, process synthesis problems can be represented by MINLP (Mixed Integer Nonlinear Programming) models with suitable superstructure. However there had been no mathematical definition and theory about superstructure until P-graph theory was introduced. Also it is difficult to solve the MINLP models in which many combinatorial properties are involved. This problem can be overcome using P-graph theory in which combinatorial properties can be easily incorporated. In addition, if the structural constraints of synthesis problems are used to determine the set of feasible process structures, then the size of search space can be extremely reduced in the synthesis problem. The main contribution of this work is the minimization of search space of binary variables in chemical process synthesis problems.
The original P-graph theory was developed for general flowsheet synthesis problems, but it can be applied to the specific problems with proper definitions of material and operating unit sets.
In this work, methods for synthesis of two chemical process networks are developed. They are mass exchange network (MEN) and scheduling list synthesis. For each synthesis problem, the process synthesis problem is converted to a P-graph synthesis problem.
To demonstrate the proposed methods, industrial synthesis problems are examined.
이 논문은 화학공정의 합성문제에 대한 효율적인 방법을 개발하였다. 화학공정의 합성이란 공정 구조와 함께 설계 파라미터를 결정하는 것이다. 제안된 방법들은 화학공정의 합성 문제에 대하여 공정 그래프 (P-graph) 이론을 적용하여서 feasible 공정 구조들을 얻어내도록 하였다. 일반적으로 공정합성 문제들은 적절한 superstructure를 이용하여 MINLP (Mixed Integer Nonlinear Programming) 모델로 표현이된다. 그러나 공정 그래프이론이 발표되기 전까지superstructure를 수학적으로 정의한 이론은 존재하지 않았다. 또한 MINLP모델은 많은 조합이 가능한 특성이 있기 때문에 해를 구하기가 쉽지 않다. 이러한 문제는 조합문제를 효율적으로 해결할 수 있는 공정 그래프이론을 이용하여 극복할 수 있다. 또한 합성 문제의 구조가 특별한 구조상의 제한조건을 가지고 있다면 이를 feasible 구조를 결정하는 데 사용함으로써 합성문제의 search space를 효율적으로 줄일 수 있다. 이 논문의 가장큰 기여는 화학공정의 합성문제에서 이진변수(binary variable)의 search space를 최소화 하도록 공정합성문제를 구성하고 이의 해를 구한 것이다. 원래의 공정그래프이론은 일반적인 플로우쉬트의 합성문제를 주요 목적으로 개발 되었지만, 물질집합과 운전장치 집합을 적절히 정의합으로써 특정문제에도 적용이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 두개의 화학공정 네트워크의 합성방법이 개발되었다. 물질 교환 네트워크 (MEN)과 화학공정의 스케줄링에 대하여 적용되었다. 각각의 합성문제에 대하여, 공정합성문제는 공정그래프의 합성 문제로 변환되었다. 각각의 제안된 방법의 설명을 위해서 몇개의 산업문제크기의 예제를 풀고 그 해를 보였다.
