Cet ouvrage et des milliers d'autres font partie de la bibliothèque YouScribe
Obtenez un accès à la bibliothèque pour les lire en ligne
En savoir plus

Partagez cette publication

Sustainability assessment and decision making
in chemical process design
vorgelegt von
Ma. Eng.
Mohamad Rizza bin Othman
aus Malaysia
von der Fakult at III-Prozesswissenschaften
der Technischen Universit at Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
-Dr.-Ing.-
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Matthias Kraume
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Gun ter Woznyhter: Prof. Jens-Uwe Repke
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 16.09.2011
Berlin 2011
D83iiAbstract
Sustainability in industries o ers a big challenge to engineers and managers. Particu-
larly in process system engineering (PSE), it is important to address the challenges
of design for sustainability especially in the early stages of process development.
Considering sustainability in process design is about nding the best solution that
not only considers its techno-economic performance but also the environmental and
social impacts. In the light of this, we proposed a concept called sustainability
assessment and selection (SAS) which perform sustainability assessment to several
design alternatives and adopting analytic hierarchy process (AHP); a multi crite-
ria decision making (MCDM) methodology, to systematically select a sustainable
design. In doing so, we rst proposed a set of indicators; hard (quantitative) and
soft (qualitative), which suitable for early process design assessment. Having the
indicators and AHP as the basis of our research we further expand it by developing
a systematic and modular sustainability assessment and decision making tool utiliz-
ing state of the art process simulators and spreadsheets. The tool was successfully
tested in assessing and selecting sustainable option of two biodiesel process designs;
alkali-based system and supercritical methanol. Apart from that, our research also
touches several aspects on decision making. One of them is to found out the ef-
fect of di erent decision model topology to solution preferability. We compared
two methods; ours and IChemE sustainability metrics (2002), assessing the same
biodiesel case study and our observation shows that the problem model does a ect
the design preferability. It suggested, for a more meaningful result to clearly de ne
the indicators and the assessment boundaries. Other than that, we also proposed
a score-based scoring methodology to overcome negative preferences in AHP eval-
uation step. Using a rule-based approach, the scores which may span over positive
and negative values are treated to elicit the nal selection and ranking solution.
Its functionality were successfully implemented for and of several
biodiesel process designs in presence of various positive and negative scenarios. We
also proposed a new set of decision model that include interdependency indicators
which are determinant to engineers and managers. Using analytic network process
(ANP), it able to capture those complexities and interacting environment for rank-
ing and selecting sustainable biodiesel process design. Apart from that, we also
introduce the concept into chemical engineering education. In a computer aided
process design (CAPD) course at TU Berlin, we conduct a 1-day course to process
engineering students to nd out their response to the idea. From the evaluation
form we found that the course was able to attract the interest of these students.
We believed this approach is potentially useful and would add an extra edge to the
students for their future career.
iiiiv ABSTRACTZusammenfassung
Die Nachhaltigkeit stellt eine grosse Herausforderung fur Ingenieure und Manager
in der Industrie dar. Gerade auf dem Gebiet der Prozessentwicklung oder dem
Prozess-System Engineering (PSE), ist die Nachhaltigkeit des Prozessdesigns vor
allem in den fruhen Phasen der Prozessentwicklung von enormer Bedeutung. Bei
der Nachhaltigkeit im Prozess-Design geht es um das Finden der besten L osung,
die neben der techno- okonomischen Leistungsf ahigkeit, gerade die ok ologischen und
sozialen Auswirkungen betrachtet und bewertet. Hierfur wird ein Konzept beste-
hend aus: Nachhaltigkeit, Bewertung und Auswahl (SAS) vorgeschlagen, in dem die
Bewertung der Nachhaltigkeit mehrerer Design-Alternativen mittels eines method-
ischen Ansatzes, des Analytic Hierarchy Process (AHP) durchgefuhrt wird. Eine
Multi Criteria Decision Making (MCDM) Methodik fuhrt hierbei zur systematis-
chen Auswahl eines nachhaltigen Designs. Dabei werden zun achst eine Reihe von
Indikatoren vorgeschlagen, sogenannten harte (quantitative) und weiche (qualita-
tive) Indikatoren, die sich fur das fruhe Prozess-Design Assessment eignen. Die In-
dikatoren und der AHP bilden die Grundlage der Forschungsarbeit, und werden zu
einem Arbeitswerkzeug durch eine systematische und modulare Nachhaltigkeitsbew-
ertung unter zu Hilfenahme von Entscheidungshilfen, wie moderner Simulationsver-
fahren und Tabellenkalkulationen weiterentwickelt. Das Programm wurde erfol-
greich in der Beurteilung und Auswahl einer nachhaltigen Option zweier Biodiesel
Prozess-Alternativen getestet, ein Alkali-basiertes System und einem ub erkritischem
Methanol. Daneben besch aftigt sich diese Arbeit auch mit Aspekten der Entschei-
dungs ndung. So wurde die Wirkung der verschiedenen Entscheidungsprozesse auf
die gefundene L osung untersucht. In der Arbeit wird die entwickelte Methode
mit der IChemE Nachhaltigkeit Metriken (2002) fur die Beurteilung der gleichen
Biodiesel Fallstudie miteinander verglichen. Es zeigt sich, dass das Problem-Modell
die Gestaltung nachhaltig beein usst. Es wird vorgeschlagen, die Indikatoren klar
zu de nieren, ebenso wie die Beurteilungsgrenzen vorzugeben. Daneben wird eine
Score-Scoring-Methode vorgeschlagen, um negative Entscheidungen in dem AHP
Auswertungsschritt zu verhindern. Mit Hilfe eines regelbasierten Ansatzes werden
die L osungen gewichtet, wobei sowohl positive und negative Werte auftreten, um
die endgultige Auswahl und die Ranking-L osung zu erhalten. Die Funktionalit at
wurden erfolgreich fur die Auswahl und Platzierung von mehreren Biodiesel Prozess-
Alternativen in Gegenwart von verschiedenen Szenarien getestet. Daneben wurde
eine neue Reihe von Entscheidungsmodellen vorgeschlagen, in der die Abh angigkeit
der Indikatoren im Bestimmungsprozess fur Ingenieure und Manager enthalten sind.
Mit dem Analytic Network Process (ANP), k onnen komplexe Strukturen und Ver-
knupfungen erfasst werden, fur die Bewertung und die Auswahl eines nachhaltigen
vvi ZUSAMMENFASSUNG
Biodiesel Prozess-Design. Das Konzept wurde in die chemische Ingenieurausbildung
eingebunden und getestet. In einem computergestutzten Prozess-Design (CAPD) an
der TU Berlin, wurde ein 1-Tages-Kurs integriert, um die Bewertung der Studenten
auf die neue Idee zu erhalten. Es konnte festgestellt werden, dass im Rahmen des
Kurses das Interesse der Studenten fur Nachhaltige Entwicklung in der Prozessin-
dustrie gewonnen werden konnte. Der entwickelte Ansatz besitzt grosses Potenzial
ist und er o net Studenten die M oglichkeit schnell L osungen zu erarbeiten. Damit
besitzen die Studierenden erste praktische Erfahrungen auf dem Gebiet der Nach-
haltigkeitsanalyse.Acknowledgments
In the name of Allah, Most Gracious, Most Merciful. First and foremost, I would
like to thank my supervisor Professor Gun ter Wozny, for his endless support and
motivation during my stay at the institute. Special thanks also to Professor Jens-
Uwe Repke and Professor Yinlun Huang for their help and discussions. I am very
much obliged to all of them for their discerning guidance and for taking the time to
understand me as an individual and encouraging all the time. I also thank Professor
Matthias Kraume for being one of the members of the examination committee.
I would also like to express my sincere gratitude to all the scienti c research
members at DBtA, past and present, for their hospitality and warm cooperation.
They were always there for help either for work or personal matters. Special thanks
to Lukasz Hady for help in my research. Being a part of the institute was indeed
an unforgettable memory. I learned a lot of new things and gain valuable new
experience which I believe bene cial for my future career.
I wish to thank my friends in Germany and Malaysia for their constant support.
I am grateful to all my Malaysian and Indonesian friends who I met in Berlin and
with whom I often had conversations on various topics. Thanks for giving me your
time and last but not the least; I wish to thank my parents, brothers, sisters and
my beloved wife Mardhiyah Mat Hussin for their love, encouragement and patience.
Special thanks to Mujahid, Mukhlis, Khaulah and Kautsar for understanding Abi’s
work. They must have felt my struggle during these years, not really knowing what
I do, but are happy that I am nish at last.
Berlin, September 2011.
viiviii ACKNOWLEDGMENTSContents
Abstract iii
Zusammenfassung v
Acknowledgments vii
Nomenclature xix
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Research objectives and scopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Overview of major contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Thesis overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Sustainability Assessment 7
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Economic indicator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Net present value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Discounted cash ow rate of return . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Environmental indicator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.1 Waste reduction algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.2 An example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Social indicator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 Decision Making - AHP Methodology 29
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 AHP methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Steps for performing AHP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.1 Problem decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.2 Pairwise comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.3 Ranking of priorities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.4 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 An illustrative example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5 Concluding remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
ix

Un pour Un
Permettre à tous d'accéder à la lecture
Pour chaque accès à la bibliothèque, YouScribe donne un accès à une personne dans le besoin