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Optimal steady state and transient operation of simulated moving bed chromatographic processes
Li, Suzhou
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem optimalen stationären und transienten Betrieb von chromatographischen Simulated Moving Bed (SMB)-Prozessen. Diese Arbeit ist in zwei Abschnitte unterteilt. Im ersten Teil wird der stationäre Betrieb des neu entwickelten Betriebsmodus „fractionation and feedback SMB“ (FF-SMB) optimiert. Der zweite Teil behandelt optimale Anfahr- und Abfahrstrategien konventioneller SMB-Prozesse. Im Rahmen der Optimierung des FF-SMB-Prozesses konzentrieren wir uns zunächst darauf, dass nur ein Ausgang zur Fraktionierung genutzt wird. Ein rigoroser modellbasierter Ansatz wird angewendet, um die Fraktionierungsmethode zu prüfen. Die Ergebnisse zeigen, dass, in Bezug auf den maximalen Durchsatz und den minimalen Lösemittelverbrauch, das neue Betriebsregime den konventionellen SMB-Prozess deutlich übertrifft. Dies gilt sowohl für lineare als auch für Langmuir Adsorptionsisothermen. Das entwickelte Konzept wird daraufhin zum allgemeinen Szenario erweitert, bei dem beide Ausgangsströme gleichzeitig fraktioniert werden. Um die Überlegenheit des FF-SMB-Prozesses gegenüber den zwei Fraktionierungsbetrieben und dem SMB-Prozess zu demonstrieren, werden umfangreiche Optimierungsuntersuchungen durchgeführt. Der Leistungsvergleich zeigt, dass das Regime der doppelten Fraktionierung am produktivsten ist, obwohl schon das einzelne Fraktionierungsschema dem SMB-Prozess deutlich überlegen ist. Die praktische Anwendbarkeit der FF-SMB-Anlage wird dann im Detail analysiert. Die Untersuchungen zeigen, dass der FF-SMB-Prozess für schwierige Trennungen ein höheres Potenzial hat. Dann ist die FF-SMB-Anlage eine äußerst wettbewerbsfähige Alternative zum SMB-Prozess und seinen Erweiterungen. Darüber hinaus erforschen wir mögliche Potenzialsteigerungen der FF-SMB-Anlage durch Anreicherung der Recycling-Fraktionen. Es zeigt sich, dass durch eine solche Anreicherung konzentrierteres Rezyklat gewonnen werden kann. Es lässt sich beweisen, dass die aus dem Recycling resultierenden angereicherten Fraktionen für den FF-SMB-Prozess vorteilhaft sind und zu einer weiteren Leistungssteigerung führen. Effiziente Anfahr- und Abfahrverfahren für SMB-Anlagen sind unabhängig vom Maßstab der Produktion sehr vorteilhaft. Hierbei wirft die komplexe, gemischt diskrete und kontinuierliche Dynamik der SMB-Anlage eine große Herausforderung für die Entwicklung von effizienten transienten Strategien auf. Zurzeit sind herkömmliche Anfahr- und Abfahransätze, die die stationären Betriebsbedingungen benutzen, Stand der Technik. Nachteile dieser traditionellen Methode sind die lange Dauer und der hohe Lösemittelverbrauch. Darüber hinaus garantiert der Prozess nicht alle erforderlichen Spezifikationen für die Produkte, die während der Anfahr- und Abfahrphasen hergestellt werden. Produkte aus so genannten off-spec Produktionen müssen entsorgt oder wiederaufgearbeitet werden. Insbesondere bei kurzen Trennungskampagnen wiegen die genannten Nachteile schwer. Um diese Einschränkungen zu verringern und die transiente Leistung zu verbessern, wird im zweiten Teil der Arbeit eine neue mehrstufige optimale Anfahr- und Abfahrverfahren präsentiert. Das vorgeschlagene Konzept ermöglicht eine stufenweise Modulation der transienten Betriebsbedingungen. Hierbei wird die Qualität des Produktes berücksichtigt. Der optimale transiente Betrieb wird dann als ein dynamisches Optimierungsproblem formuliert. Die anlagenbedingte periodische Prozessdynamik erschwert hierbei die direkte Lösung des ursprünglichen Problems. In dieser Arbeit wird ein speziell entwickelter Zerlegungsalgorithmus vorgeschlagen, um die rechentechnische Lösbarkeit des Optimierungsproblems zu gewährleisten. Bei dieser Lösungsstrategie gliedert sich das gesamte Problem in eine Folge von Sub-problemen. Jedes Sub-problem hat eine reduzierte Komplexität und ist damit einfacher zu behandeln. Das Verfahren löst einzelne Sub-probleme nacheinander, bis ein gegebenes Konvergenzkriterium des stationären Zustandes erfüllt ist. Durch die Untersuchung eines Trennbeispiels wird die Machbarkeit des Lösungsalgorithmus demonstriert. Die Ergebnisse zeigen, dass die neuen vorgeschlagenen Regime nicht nur die transiente Zeit deutlich verkürzen, sondern auch den Lösemittelverbrauch erheblich reduzieren. Ein weiterer attraktiver Vorteil des mehrstufigen Ansatzes ist die Möglichkeit der Optimierung der transienten Leistung unter Berücksichtigung der Anforderungen an die Produktqualität. Dadurch kann auch während der Anfahr- und Abfahrprozeduren eine on-spec Produktion sowohl für den Extrakt als auch für das Raffinat erreicht werden. Die entwickelten Anfahr- und Abfahrstrategien sind nicht nur bei kontinuierlichen großvolumigen Prozessen vorteilhaft. Die Anwendbarkeit von SMB kann damit auch in kleinmaßstäblichen Produktionen erweitert werden.
The dissertation deals with the optimal steady state and transient operation problems of simulated moving bed (SMB) chromatographic processes. For the first topic that is discussed in the first part of the thesis, we optimize the steady state operation of one newly developed SMB variant, called fractionation and feedback SMB (FF-SMB). In the second part of the thesis, we turn our research endeavors to optimal startup and shutdown issues of conventional SMB. For the optimization of FF-SMB, we concentrate our attention firstly on the case where only one outlet is used for fractionation. A rigorous model-based optimization approach is adopted to optimize this fractionation mode. The effectiveness of the concept is demonstrated and its relative potentials over the classical SMB are assessed quantitatively. The results reveal that the new operating regime significantly outperforms SMB in terms of maximum feed throughput and minimum desorbent consumption for both linear and Langmuir isotherms. We then extend the previous concept to the general scenario that fractionates both outlet streams simultaneously. To evaluate its superiority over the existing two single fractionation options and the SMB concept, extensive optimization studies are carried out for these process alternatives. The performance comparison shows that the double fractionation regime is most productive, although each single fractionation scheme is clearly superior to SMB. Besides, the practical applicability of FF-SMB is analyzed in detail by examining the effect of different parameters on its relative advantages. The studies show that FF-SMB has more potential for difficult separations characterized by high purity requirements, low column efficiency, small selectivity and a small number of columns. For such kind of applications, FF-SMB is a highly competitive alternative to SMB and its other derivatives. Furthermore, we also explore the possibility of exploiting the potential of FF-SMB by enriching the recycled fractions before feeding them back into the unit. It is found that this enrichment operation allows to create more concentrated recyclates. Recycling the resulting enriched fractions is proven advantageous for FF-SMB and leads to further performance enhancement. Efficient startup and shutdown procedures are highly advantageous for SMB regardless of production scale. The complex mixed discrete and continuous dynamics of SMB poses a significant challenge for the development of efficient transient strategies. The conventional startup and shutdown approaches, which simply specify steady state operating conditions as transient policies, are very often used in practice. However, they suffer from a few shortcomings, such as long transient duration and high desorbent consumption. Moreover, the products collected during transient periods may not be necessarily guaranteed to respect required specifications. These drawbacks become particularly serious for small-scale separation campaigns. To surmount these limitations and to improve the transient performance, the thesis presents new multistage optimal startup and shutdown procedures in the second part. Compared to the conventional operation, the proposed concept allows for a stage-wise modulation of transient operating conditions and is able to take the product quality specifications into account. The optimal transient operation is then formulated as a dynamic optimization problem. The inherent periodic nature of the process dynamics largely complicates the direct solution of the original problem. We suggest a specially tailored decomposition algorithm to guarantee the computational tractability. This solution strategy decomposes the overall problem into a sequence of stage-wise sub-problems, each of which is of reduced complexity and thus easier to deal with. The procedure then solves these problems sequentially until some given convergence criterion for steady state is fulfilled. By examining a separation example with Langmuir isotherm, the feasibility of the solution algorithm is demonstrated, and the performance of the conventional and multistage optimal schemes is compared systematically. The results show that the newly suggested regimes not only significantly shorten transient time, but also drastically reduce desorbent usage. Another attractive advantage of the multistage approach lies in its capability of optimizing the transient performance while respecting the product quality requirements. Aided by this strength, the process can achieve on-spec production of both extract and raffinate products even over the startup and shutdown periods, which is proven infeasible with the conventional methods. The developed startup and shutdown strategies not only are advantageous for continuous large-volume purifications, but also can expand the applicability of SMB to small batch productions.
