Optimierung integrierter Kolonnensysteme
unter stochastischen Echtzeitbedingungen

Projekt im Rahmen des Schwerpunktprogramms Echtzeit-Optimierung großer Systeme
der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)

Inhalt

Projektleiter, Projektmitarbeiter, Wissenschaftliche Hilfskräfte
Projektbeschreibung/Arbeitsprogramm
Ausgewählte Publikationen

Schaltwarte

Versuchsanlage

Projektleiter

PD Dr. rer. nat. René Henrion
Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik Mohrenstraße 39 10117 Berlin	Tel.: (030) 20372 540 Fax: (030) 2044 975 e-mail: henrion@wias-berlin.de

Prof. Dr. sc. nat. Werner Römisch
Humboldt-Universität zu Berlin Institut für Mathematik Unter den Linden 6 10099 Berlin	Tel.: (030) 2093 2561 Fax: (030) 2093 2232 e-mail: romisch@mathematik.hu-berlin.de

Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Wozny
Technische Universität Berlin Fachbereich Verfahrenstechnik Institut für Prozeß- und Anlagentechnik Fachgebiet Dynamik und Betrieb technischer Anlagen Straße des 17 Juni 135 10623 Berlin	Tel.: (030) 314 23893 Fax: (030) 314 26915 e-mail: wozny@dynamik.fb10.TU-Berlin.de

Projektmitarbeiter

Dr.-Ing. Pu Li
Technische Universität Berlin Fachbereich Verfahrenstechnik Institut für Prozeß- und Anlagentechnik Fachgebiet Dynamik und Betrieb technischer Anlagen Straße des 17 Juni 135 10623 Berlin	Tel.: (030) 314 23418 Fax: (030) 314 26915 e-mail: li@dynamik.fb10.TU-Berlin.de

Dipl.-Math. Andris Möller
Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik Mohrenstraße 39 10117 Berlin	Tel.: (030) 20372 474 Fax: (030) 2044 975 e-mail: moeller@wias-berlin.de

Dipl.-Ing. Moritz Wendt
Technische Universität Berlin Fachbereich Verfahrenstechnik Institut für Prozeß- und Anlagentechnik Fachgebiet Dynamik und Betrieb technischer Anlagen Straße des 17 Juni 135 10623 Berlin	Tel.: (030) 314 22494 Fax: (030) 314 26915 e-mail: wendt@dynamik.fb10.TU-Berlin.de

Projektbeschreibung/Arbeitsprogramm

Gegenstand des beantragten Projekts ist die Optimierung integrierter Kolonnensysteme unter stochastischen Echtzeitbedingungen. Das Ziel besteht in der Ermittlung einer online zu ermittelnden robusten, optimalen Führungsstrategie.

Aus Wirtschaftlichen und ökologischen Gründen ist die Senkung des Energieverbrauchs von thermischen Destillationsprozessen in der chemischen Industrie erforderlich. Durch Verwendung energetisch gekoppelter Destillationskolonnen läßt sich der Energiebedarf bereits wesentlich reduzieren, doch ist dies mit einer schwierigeren Steuerung, Regelung und Optimierung der Prozesse verbunden. Der konventionelle Betrieb integrierter Kolonnensysteme basiert auf der vorherigen Auslegung für einen konstanten Betriebspunkt. In der Realität ändern sich jedoch die Randbedingungen, so daß die Prozesse am vorgegebenen Betriebspunkt energetisch nicht optimal betrieben werden können. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit der Echtzeit-Optimierung unter Berücksichtigung der sich ändernden Randbedingungen. Der sowohl nach Menge als auch Zusammensetzung stochastisch variierende Feed des Prozesses besitzt wesentlichen Einfluß auf die Einhaltung der geforderten Produktspezifikationen. In dieser Arbeit wird der bisher in der Literatur nicht betrachtete Fall einer Feedänderung von 2t/h bis 6t/h und einer Änderung der Feedkonzentration von ca. 3% Methanol (Strahlerwässer) auf 35-40% Methanol (Produkte aus Veresterungsprozessen) untersucht. Es muß ein Vollastbetrieb mit hohen Lasten (6t/h) und unterschiedlichen Eingangskonzentrationen ebenso wie z.B. am Wochenende Teillast (2t/h) zum Warmhalten der Kolonnen realisiert werden können. Hier liegt die besondere wissenschaftliche Herausforderung bezüglich der Echtzeit-Optimierung des Energieverbrauchs bei gleichzeitiger Einhaltung aller Produktanforderungen und der gegebenen Anlagenbegrenzungen.

Das dem zu untersuchenden Prozeß zugrundeliegende dynamische Modell wird durch ein semi-explizites differentiell-algebraisches Gleichungssystem beschrieben. Die Besonderheit des hier gewählten Zugangs besteht darin, daß die herkömmlich deterministisch formulierten Nebenbedingungen für die Produktspezifikationen als Wahrscheinlichkeitsrestriktionen aufgefaßt werden, um deren stochastische Abhängigkeit vom Feed mit dem Ziel der Ermittlung einer robusten Strategie zu berücksichtigen.

Das Steuerungsproblem soll durch Anwendung direkter Kollokations- oder Schießverfahren zur Diskretisierung in Verbindung mit strukturorientierten SQP-Verfahren gelöst werden. Hierzu ist durch eingehendere Modellanalyse zu prüfen, welche der in der Literatur beschriebenen modernen Methoden sowie verfügbaren effizienten Software im vorliegenden Fall am besten geeignet ist, um dem Echtzeitcharakter der Problematik zu entsprechen. Wegen der hohen Dimensionalität ist darüberhinaus eine sinnvolle Modellreduktion (Abteilmodell) zu erproben.

Die oben genannte Einbeziehung von Wahrscheinlichkeitsrestriktionen in die Optimierung erfordert eine nähere Analyse des stochastischen Feedprozesses. Insbesondere sollen durch Anwendung sowohl analytischer als auch von Simulationsmethoden Möglichkeiten zur Berechnung von Werten und Gradienten der die Wahrscheinlichkeitsrestriktion definierenden Abbildung herausgearbeitet werden. Hierdurch ist eine geeignete Einpassung in die SQP-Struktur des Optimierungsverfahrens anzustreben.

Die Beziehungen zwischen den Eingangs- und Ausgangsgrößen des Prozesses werden durch Simulation ermittelt und analysiert. Die Simulationsergebnisse werden mit den Meßwerten von den Versuchen der Anlage verglichen um das Modell zu validieren. Die optimale Führungsstrategie wird auf einer Workstation berechnet und als Sollwert der adaptiven Regler dem Prozeßleitsystem zugeschickt.

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Ausgewählte Publikationen

R. Henrion and W. Römisch: Stability of solutions to chance constrained stochastic programs, Weierstrass-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik, Preprint No. 397, Berlin 1998.

H. Arellano Garcia, R. Henrion, P. Li, A. Möller, W. Römisch, M. Wendt, G. Wozny: A model for the online optimization of integrated distillation columns under stochastic constraints, DFG-Schwerpunktprogramm "Echtzeitoptimierung großer Systeme", Preprint 98-32, 1998.

R. Henrion, A. Möller: Optimization of a continuous distillation process under random inflow rate, DFG-Schwerpunktprogramm "Echtzeitoptimierung großer Systeme", Preprint 00-4, 2000.

R. Henrion: Structure and stability of probabilistic storage level constraints, DFG-Schwerpunktprogramm "Echtzeitoptimierung großer Systeme", Preprint 00-19, 2000.