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Optimisation multicritère pour la conception d'ateliers discontinus multiproduits : aspects économique et environnemental

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

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N° d'ordre : 2177 THESE présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE École doctorale : Sciences des procédés Spécialité : Génie des procédés et de l'environnement Par Adrian Rafael DIETZ Titre de la thèse : Optimisation multicritère pour la conception d'ateliers discontinus multiproduits : aspects économique et environnemental Soutenue le 09 décembre 2004 devant le jury composé de : M. Pierre STREHAIANO Président M. Serge DOMENECH Directeur de thèse M. Guy DEFAYE. Rapporteur M. Gilles TRYSTRAM Rapporteur Mme. Catherine AZZARO-PANTEL Membre M. Bernard GRABOT Membre M. Luc PIBOULEAU Invité M. Matthieu SCHIRLIN Invité

  • conception multicritère

  • conception d'ateliers

  • maître de conférences

  • procédure de tri de pareto

  • consommation énergétique

  • im pact environnemental


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Publié par
Publié le 01 décembre 2004
Nombre de lectures 61
Langue Français
Poids de l'ouvrage 4 Mo


N° d’ordre : 2177




THESE

présentée

pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE
TOULOUSE



École doctorale : Sciences des procédés

Spécialité : Génie des procédés et de l’environnement


Par

Adrian Rafael DIETZ



Titre de la thèse : Optimisation multicritère pour la conception
d'ateliers discontinus multiproduits :
aspects économique et environnemental

Soutenue le 09 décembre 2004 devant le jury composé de :

M. Pierre STREHAIANO Président
M. Serge DOMENECH Directeur de thèse
M. Guy DEFAYE. Rapporteur
M. Gilles TRYSTRAM
Mme. Catherine AZZARO-PANTEL Membre
M. Bernard GRABOT Membre
M. Luc PIBOULEAU Invité
M. Matthieu SCHIRLIN







A mes parents
et
à ma sœur



Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier Monsieur Guy DEFAYE, Professeur à
l’ENSPCB, et Monsieur Gilles TRYSTRAM, Professeur à l’ENSIA, pour m’avoir fait
l’honneur d’être rapporteurs de cette thèse.

Mes remerciements vont aussi à Monsieur Pierre STREHAIANO, Professeur à
l’ENSIACET, d’une part, pour son aide en l’interpretation du procédé de biosynthèse,
et d’autre part pour avoir accepté de faire partie du jury de thèse.

Je remercie aussi Monsieur Bernard GRABOT, Professeur à l’ENIT, pour avoir
fait partie du jury de thèse.

Je tiens à remercier Monsieur Serge DOMENECH, Professeur à l’ENSIACET, qui
a été le directeur de cette thèse, pour avoir été présent chaque fois que j’ai rencontré
un problème.

Je remercie vivement Catherine AZZARO-PANTEL, Maître de Conférences à
l’ENSIACET, qui a suivi ce travail de près, pour avoir été présente à tout instant, pour
ses commentaires, conseils et corrections.

Je remercie aussi Luc PIBOULEAU, Professeur à l’ENSIACET, pour tout ce qu’il
m’a apris sur l’optimisation, pour ses commentaires, ses conseils et son interêt pour
ces travaux.

Je remercie Matthieu SCHIRLIN, Ingénieur de la Société SNPE-Isochem, pour sa
cooperation à la validation de ces travaux, pour sa disponibilité et sa sympathie.

Je remercie André DAVIN pour ses conseils, son intérêt pour ces travaux, et son
aide à l’heure de la rédaction de ce manuscrit.

Je remercie Anna CHAPLIN-FISCHER pour son aide tant dans la rédaction de ce
manuscrit comme des différents articles dont on fait l’objet mes travaux de thèse.

Je remercie aussi mes collègues Oscar BAEZ-SENTIES, Antonin PONSICH,
Alberto AGUILAR-LASSERRE, Ludovic MONSTASTRUC, Maria Patricia
RODRIGUEZ ROJAS et tous ceux que je ne mentionne pas mais qui m’ont aussi
soutenu à leur façon.





Résumé
TITRE : Optimisation multicritère pour la conception d'ateliers discontinus
multiproduits : aspects économique et environnemental.

RESUME :

Les politiques environnementales et énergétiques imposent de plus en plus la prise
en compte, dès la phase de conception d’un procédé, la limitation de la génération
d’effluents et de la consommation énergétique. Il importe donc de considérer les
impacts sur l’environnement émanant du cycle de vie complet du procédé. Le cas
d’ateliers multiproduits de chimie fine avec l’objectif de minimiser à la source la
génération des effluents et d’intervenir à titre préventif dès les stades de conception et
de développement du procédé est examiné plus particulièrement.

Le but de cette thèse est la conception multicritère coût – impact environnemental
d’un atelier multiproduit, où les variables de décision sont la configuration de l’atelier,
la taille et le nombre des équipements à chaque étape du traitement et les conditions
opératoires ayant un impact majeur sur les critères d’optimisation.

La méthodologie retenue associe un algorithme génétique multicritère, qui est la
procédure maître d’optimisation, à un simulateur à événements discrets chargé de la
vérification des contraintes et de l’évaluation des critères de performance de l’atelier.
Le simulateur est couplé à des modèles d’opérations unitaires représentant les
procédés étudiés notamment afin de quantifier l’impact environnemental. L’aspect
multicritère est pris en compte à travers une procédure de tri de Pareto.

Un atelier multiproduit pour la production de quatre protéines, comportant huit
étapes de traitement sert de support à la validation de l’approche. Celle-ci est
cependant suffisamment générique pour être facilement réutilisable et adaptable à
d’autres contextes. Les critères pris en compte dans l’exemple concernent le coût
d’investissement, la biomasse rejetée et la quantité de solvant utilisée. La méthode
propose un ensemble suffisamment large de solutions de compromis permettant au
décideur d’aborder le problème du choix final.

Deux stratégies de production sont envisagées, modes mono et multiproduit. Pour
tous les essais réalisés, la solution multiproduit s’est avérée plus performante en terme
de coût ou de flexibilité.

La méthodologie multicritère est ensuite appliquée à un atelier industriel à des fins
de conception et de remodelage. Elle a permis de retrouver le comportement industriel
et met en évidence l’intérêt d’une stratégie multiproduit.

MOT CLES : Conception d'ateliers, Simulation à événements discrets,
Optimisation multicritère, Algorithme génétique multicritère, Impact environnemental,
Production de protéines.


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– – 8Abstract
TITLE: Multicriteria optimisation for multiproduct batch plant design under
economic and environmental considerations.

ABSTRACT:

Because of more and more stringent regulations, pollution prevention and
limitation on energy consumption have become important objectives at the earliest
stages of process design. It is thus necessary to take into account environmental
impacts which may occur during life cycle assessment of a given process. This work is
focused more particularly on multiproduct batch plant design for the manufacturing of
specialty chemicals, with the objective of preventing the generation of
environmentally offensive wastes.

This work deals with the multi-criteria cost-environment design of multi-product
batch plants, where the design variables are the plant configuration with equipment
item sizes and parallel equipment number as well as the operating conditions. Given
the important combinatorial aspect of the problem, the approach used consists in
coupling a stochastic algorithm, indeed a Genetic Algorithm (GA) with a Discrete
Event Simulator (DES). The management of production constraints and the
computation of the objective functions are carried out by the DES embedding unit
operation models in order to quantify environmental impact. The master Multicriteria
Genetic Algorithm (MUGA) involves a Pareto sort procedure.

The problem of optimal design of a multi-product batch plant for the production of
four recombinant proteins is first treated for validation purpose. It must be said that the
approach is generic enough to be easily reused and adapted to other production
contexts.

The criteria involved are based on investment cost, biomass released and solvent
amount. The methodology leads to a set of compromise solutions which may be useful
for final decision making. Two production strategies have been tested, either mono or
multiproduct. For all the simulations runs, the multiproduct case finds out to be
slightly more efficient from cost and flexibility viewpoints.

The multicriteria approach has then be applied to an industrial batch plant, for both
design and retrofit purposes. The results obtained fit with the industrial practice, thus
validating the approach, and showing the interest of a multiproduct strategy.

KEYWORDS: Batch plant design, Discrete event simulation, Multicriteria
optimisation, Multicriteria genetic algorithm, Environmental impact, Proteins
production.




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– – 10Resumen
TITULO : Optimisación multicriterio para la concepción de plantas discontinuas
multiproducto: aspecto económico y aspecto medioambiental.

RESUMEN :

Las políticas medioambientales y energéticas obligan cada vez más a los
industriales a tener en cuenta, desde la fase de concepción de un proceso, la limitación
en la producción de efluentes y los gastos energéticos; por lo tanto, es importante
evaluar los impactos relacionados con el ciclo de vida completo del proceso sobre el
medio ambiente. Este trabajo se centra específicamente en el caso de plantas
discontinuas multiproducto de química fina, con el objetivo de minimizar la
producción de efluentes desde su origen e intervenir de forma preventiva en las etapas
de concepción y desarrollo del proceso.

El objetivo de esta tésis es la concepción multicriterio costo – impacto
medioambiental de una planta discontinua multiproducto, en la cual las variables de
decisión son la configuración de la planta, el tamaño y el número de equipos a cada
etapa del tratamiento y las condiciones operatorias que tienen un impacto importante
sobre los criterios de optimización.

La metodología consiste en asociar un algoritmo genético multicriterio, que es el
algoritmo externo de optimización , con un simulador a eventos discretos encargado
de la verificación de las restriciones y de la evaluación de los criterios de eficiencia de
la planta. El simulador esta asociado con modelos de operaciones unitarias que
representan los procesos estudiados, entre otras cosas para quantificar el impacto
medioambiental. El aspecto multicriterio se tiene en cuenta a través de un
procedimiento de selección de Pareto.

El ejemplo de una planta discontinua multiproducto para la producción de cuatro
proteinas, que consta de ocho etapas de tratamiento, sirve de soporte para validar el
enfoque. Sin embargo, este es suficientemente genérico para ser reutilizable y
adaptable a otros contextos. Los criterios que se toman en cuenta en el ejemplo son el
costo de inversión, los efluentes en biomasa y la cantidad de solvente utilizada. La
metodología propone un conjunto de soluciones de compromiso suficientemente
amplio para abordar el problema de la selección final.

Dos estrategias de producción han sido consideradas, el modo monoproducto y el
modo multiproducto. Los resultados obtenidos muestran que la solución multiproducto
es más eficiente en términos de costo y flexibilidad. Posteriormente la metodología
multicriterio de diseño y remodelación fue aplicada a una planta industrial, lo que
permitió encontrar el comportamiento industrial y evidenciar el interés de una
estrategia multiproducto.

PALABRAS CLAVE: Concepción de plantas discontinuas, Simulación a eventos
discretos, Optimización multicriterio, Algoritmo genético multicriterio, Impacto
medioambiental, Producción de proteinas.
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