Metodología para el retrofit de procesos químicos basada en una representación jerárquica

Abstract

Los procesos industriales en operación deben ser evaluados periódicamente para satisfacer las demandas económicas (coste de producción, eficiencia, etc.) y medioambientales (disminución de emisiones atmosféricas, residuos, etc.) a las que se ven sometidos. Una de las formas de hacer esta tarea es mediante el retrofit.<br/>El objetivo de este trabajo fue desarrollar una metodología para el retrofit de procesos químicos basada en representaciones jerárquicas para hacer mas eficiente y menos costosa la evaluación de nuevas condiciones de operación.<br/>La metodología se fundamenta en:<br/>- La aplicación de manera inversa del procedimiento de diseño jerárquico de Douglas [Douglas, 1988].<br/>- La representación de procesos mediante diagramas de bloques genéricos de Turton [Turton et al., 1998].<br/>- La estructura básica de los sistemas basados en conocimientos (base de conocimiento, motor de inferencia e interfaz de usuario) [Han et al., 1996].<br/>La metodología que se planteo para el retrofit de proceso integra conocimientos relacionados con el retrofit, diseño, síntesis y análisis de procesos, de forma que se logró diseñar e implementar herramientas informáticas de apoyo al retrofit de procesos. Además de los conocimientos de ingeniería química antes mencionados, se incorporaron conocimientos del área de ingeniería informática para desarrollar un sistema basado en conocimientos utilizando algoritmos computacionales de comunicación, visualización y técnicas de inteligencia artificial.<br/>La metodología consiste de cuatro etapas generales:<br/>1. Extracción de la información.<br/>2. Análisis y representación de la información.<br/>3. Generación de alternativas de solución.<br/>4. Adaptación y evaluación de alternativas de solución.<br/>La metodología se implementó en un Sistema Basado en Conocimientos (SBC).<br/>El SBC está formado por tres prototipos informáticos y una ontología que sirve de base para un lenguaje común entre los prototipos. Los prototipos son:<br/>- HEAD (Hysys Extraction Data), el cual permite la extracción de información de procesos simulados con ayuda del simulador comercial Hysys.Plant .<br/>- AHA! (Automatic Hierarchical Abstraction tool) el cual realiza el análisis y la representación de la información proporcionada por HEAD mediante el enfoque de modelos múltiples. Uno de los objetivos de AHA! es la generación de niveles de abstracción que permitan al usuario comprender e identificar las secciones de un proceso químico.<br/>- RETRO (Reverse Engineering Tool for Retrofit Options), el cual realiza una búsqueda de secciones susceptibles de mejora con base en información proporcionada por el usuario y unos criterios funcionales, para posteriormente generar y evaluar alternativas de solución mediante un sistema de razonamiento basado en casos.<br/>El SBC ha sido validado con 50 procesos químicos. Ha sido aplicado detalladamente a los procesos de producción de amoniaco y acetona con resultados satisfactorios en cuanto a la reducción del tiempo y complejidad de las tareas de análisis, representación y generación de alternativas de solución durante el retrofit.<br/>Los avances y resultados de la investigación se han publicado en 9 artículos (3 en revistas internacionales, 1 en un libro y 5 en libros de congresos con revisores) y se han presentado en 10 congresos internacionales (7 ponencias y 3 pósters) y 3 nacionales (3 pósters).

Industrial processes require periodic evaluations to verify their normal operation, as much in economical as in technical terms. These evaluations are necessary due to changes in markets, safety and environmental legislation. It is necessary to satisfy these demands in order to investigate process alternatives that allow the optimal use of existing resources with the possible minimum investment. One way to make this task is by means of retrofit.<br/>The objective of this work is to develop a methodology for retrofit of chemical processes based on hierarchical representations. The concepts involved in the methodology are,<br/>- The application in inverse manner of hierarchical procedure for conceptual design of Douglas [Douglas, 1988]<br/>- The representation of processes by means of generic block diagrams from Turton [Turton et al., 1998].<br/>- The structure of knowledge based systems (knowledge base, inference machine and user interface) [Han et al., 1996].<br/>The proposed methodology has learning from retrofit, design, synthesis and analysis of processes, so that it was managed to design and implement support tools for retrofit of processes. Knowledge from computer science area in addition to knowledge from chemical engineering were applied in order to develop a knowledge-based system by using computational algorithms from communication, visualization and artificial intelligence techniques.<br/>The methodology consists of four general steps,<br/>1. Data extraction. Information of chemical process is extracted from an initial representation.<br/>2. Analysis and representation of information. Extracted information is abstracted at several levels based on a set of hierarchical functions, precedence rules and user information.<br/>3. Generation of alternatives. The alternatives are generated based on the new specification for the original process and a Case-Based Reasoning (CBR) system.<br/>4. Adaptation and evaluation. The generated alternatives are evaluated until their new specifications are satisfied.<br/>The methodology was implemented as Knowledge-Based System (KBS). The KBS has three prototypes and one ontology. The ontology is used as common language between the prototypes. The prototypes are,<br/>- HEAD (Hysys Extraction Data) was developed in MS Visual Basic . The goal is to extract information from a process flow diagram (PFD) which is simulated in Hysys.Plant .<br/>- AHA! (Automatic Hierarchical Abstraction tool) is a prototype developed in Java that generates different levels of abstraction from the initial PFD in order to identify sections where retrofit can be applied.<br/>- RETRO (Reverse Engineering Tool for Retrofit Options) includes a CBR system to retrieve from a library cases with equipment/devices (Units) or groups of them (Meta-units) which were similar to the one selected by the user.<br/>A set of cases (Units and/or Meta-units) is obtained as output from the CBR system. The set is ordered according to similarity of cases. The user should take the most similar alternative and make the adaptation in a simulator (in our case, we have used Hysys.Plant ).<br/>The KBS has been validated with 50 chemical processes. It has been applied in detail to the processes of ammonia and acetone production with satisfactory results in reduction of time and complexity of the analysis, representation and generation of alternatives of solution during retrofit tasks.<br/>The advances and results of the research have been published in 9 articles (3 in international journals, 1 in a book collection and 5 in refereed conference papers).<br/>Also they have been presented in 10 international congresses (7 communications and 3 posters) and 3 nationals (3 posters).