Contribution to the Optimization and Flexible Management of Chemical Processes

Zusammenfassung

La industria química ha experimentado en las últimas décadas un aumento en la competencia por la cual las empresas se ven obligadas a adaptarse a un mercado cambiante y cada vez más exigente. Aunque la globalización ha abierto nuevos mercados, ha incrementado también el número de competidores, de tal manera que sólo las empresas que usen las plantas más integradas y eficientes podrán mantenerse en el negocio. En este contexto global, el principal propósito de esta tesis es desarrollar métodos que exploten la flexibilidad de los procesos, con el objetivo de aumentar la eficiencia de las plantas y asegurar los requerimientos de seguridad y calidad de los productos. Esta tesis contribuye a la optimización y a la gestión de la producción desde pequeñas plantas que usen procesos discontinuos hasta grandes plantas de procesado continuo.En primer lugar, esta tesis trata la gestión de los procesos continuos en los que suelen fabricar productos muy similares a gran escala. La gran ventaja de los procesos continuos es que pueden conseguir mayor consistencia en la calidad de los productos y que pueden aprovechar las economías de escala que reducen los costes y residuos. Sin embargo, la industria química para mantenerse competitiva necesita adaptar continuamente sus procesos a las condiciones del mercado y de operación. El sistema de control supervisor presentado en esta parte de la tesis disminuye el tiempo de reacción frente a incidentes en los procesos continuos y re-optimiza la producción en tiempo real, si existe posibilidad de mejora.A continuación, esta tesis trata la gestión de los procesos semicontinuos que permiten una operación más flexible y personalizada. Los procesos semicontinuos operan con puestas en marcha y paradas periódicas para acomodar las frecuentes transiciones entre diferentes productos. Esta tesis presenta un nuevo concepto de fabricación flexible que permite programar perfiles variables de velocidad de producción dentro de cada campaña de producción.La mayor parte del trabajo de investigación de esta tesis se dedica a la planificación de la producción en los procesos discontinuos por lotes, utilizados principalmente en la producción de productos químicos con alto valor añadido. Estos procesos ofrecen varias ventajas respecto a los procesos continuos y semicontinuos debido a la mayor flexibilidad para acomodar diversos productos, diferentes capacidades de producción, y la posibilidad de realizar operaciones completamente diferentes en los mismos equipos. Sin embargo, la obtención del plan de producción óptimo usando se complica al aumentar la complejidad de la planta y/o el número de lotes a planificar. La simplificación de considerar tiempos de transferencia despreciables es generalmente aceptada en la literatura para evitar la complejidad del manejo de las operaciones de transferencia. En cambio, esta tesis pretende resaltar el papel crítico que juegan las operaciones de transferencia en la sincronización de tareas, y en la consiguiente determinación de planes de producción factibles.Siguiendo con los procesos por lotes, esta tesis demuestra que el uso del concepto de recetas flexibles mejora la operación de los procesos en ambientes de producción con mucha incertidumbre. La flexibilidad de las receta se considera como una oportunidad adicional, tanto para la planificación de la producción reactiva como preactiva, reduciendo el riesgo de llegar a resultados económicamente desfavorables.Finalmente, esta tesis presenta las plantas discontinuas sin tuberías como una alternativas a las plantas por lotes clásicas. En la búsqueda de formas más competitivas y efectivas de producción, la flexibilidad para producir un elevado número de productos en plantas por lotes es limitada debido a la necesidad de equipos fijos conectados por tuberías y frecuentes tareas de limpieza. Las plantas sin tuberías presentan una mayor flexibilidad ya que el material se transfiere entre estaciones de procesamiento usando equipos que se mueven dentro de la planta. El trabajo presentado en esta parte de la tesis contribuye a la mejora en la gestión de este tipo de plantas proponiendo una formulación más eficiente a las encontradas en la literatura que resuelve el problema de la planificación de la producción.En resumen, esta tesis desarrolla nuevas estrategias de modelado y métodos de resolución encaminados al soporte de la toma de decisiones que explotan la flexibilidad intrínseca de los procesos químicos. Las principales ventajas de cada una de las contribuciones de esta tesis se demuestran mediante su aplicación a diferentes casos de estudio.