Neue Methoden für die Optimierung verfahrenstechnischer Prozesse

Abstract

Die Verfahrenstechnik beschäftigt sich mit der Trennung, Umwandlung oder Verflüssigung chemischer Stoffe, wie zum Beispiel die Zerlegung von Luft in ihre Hauptbestandteile Sauerstoff, Stickstoff und Argon oder die Reinigung und Verflüssigung von Erdgas. Mit Hilfe von Prozesssimulatoren können verfahrenstechnische Anlagen, oder Teile davon, modelliert, simuliert und anschließend optimiert werden. Die Engineering Division der Linde AG, eines der weltweit führenden Unternehmen für die Planung und den Bau von verfahrenstechnischen Anlagen, betreibt und entwickelt den hauseigenen Prozesssimulator OPTISIM (R). Steigende Anforderungen an die Optimierung im Bezug auf Problemgröße, Effizienz und Robustheit, insbesondere bei aufretenden Unstetigkeiten und der Verwendung von Approximationen während der Simulation und Optimierung, erfordern den Einsatz neuer Optimierungsverfahren. In dieser Arbeit wurde ein simultaner Optimierungsansatz implementiert, bei dem die Modellgleichungen als Gleichungsnebenbedingungen zu dem Optimierungsproblem hinzugefügt werden. Zur Lösung dieser komplexen Optimierungsaufgaben wurde der Optimierer IPOPT in OPTISIM (R) eingebunden. Hierbei wurde die globale Konvergenz der Filter-Liniensuche von Biegler und Wächter, die in IPOPT verwendet wird, unter der Annahme von Störungen in den Gleichungsnebenbedingungen und deren Ableitungen untersucht. Die Störungen modellieren hierbei die verwendeten Approximationen sowie bis zu einem gewissen Maße auch auftretende Unstetigkeiten. Des Weiteren wurde ein globaler Optimierungsalgorithmus mit einer Methode des mehrfachen Starts umgesetzt. Hierzu wurde eine spezielle Behandlung der Startwerte entwickelt, sodass die Optimierung von unterschiedlichen Punkten aus gestartet werden kann.

Chemical Engineering deals with separation, chemical reactions and liquefaction of different chemical compounds, for example separation of air into its main components oxygen, nitrogen and argon or cleaning and liquefying of natural gas. Entire Chemical plants or parts of them can be modelled, simulated and also optimized with the help of process simulation tools. The Engineering Division of The Linde Group, one of the world leading companies for plant engineering and construction, has been developing the in-house process simulation program OPTISIM (R). Increasing demands on the optimizer concerning problem size, efficiency and robustness, especially with the occurance of discontinuities and the use of approximations during simulation and optimization, give rise to a closer look towards new optimization methods. In this thesis a simultaneous optimization approach was implemented where the model equations are added to the optimization problem as equality constraints. For this large-scaled problem the optimizer IPOPT was included into OPTISIM (R). In this context the global convergence of the filter line search of Biegler and Wächter, used in the optimizer IPOPT, was investigated under the assumption of perturbed equality constraints and derivatives, which models their approximate evaluation as well as the discontinuities to some extent. In addition a global optimization approach with a multiple start method was adopted. Therefore a special handling of the starting points was developed in order to facilitate the start of the optimization from different points.