Forskare vid Texas A&M University har nyligen utvecklat ett mer omfattande matematiskt ramverk som kan hjälpa ingenjörer vid petrokemiska anläggningar att inte bara minska produktionskostnaderna och öka den ekonomiska vinsten, men också göra dessa fabriker säkrare och mer miljövänliga. Forskarna sa att deras nya algoritm är en one-stop-lösning som kan hjälpa ingenjörer att välja den mest optimala designen för kemiska bearbetningsenheter inom sina operativa anläggningar.

"Det nya med vår algoritm är att den tillhandahåller ett sofistikerat beslutsfattande verktyg som kan användas av projektingenjörer för att välja mellan konkurrerande konstruktioner för deras kemiska bearbetningsenheter, " sa Dr Prerna Jain, som arbetade i Mary Kay O'Connor Process Safety Center som doktorand vid Texas A&M och är för närvarande ingenjör på ett olje- och gasföretag. "Vårt verktyg integrerar data från potentiella utrustningsrisker, ekonomiska data, och ännu viktigare, komplex, människa-maskin interaktioner för att generera en enda numerisk utdata. Denna siffra pekar sedan på en design som maximerar vinsten samtidigt som den minskar miljöpåverkan och farlig påverkan."

En artikel om forskargruppens resultat publicerades i oktober i ACS Sustainable Chemistry and Engineering.

Innan petroleumbaserade produkter används för vardagliga ändamål, som att värma hem eller starta fordon, råolja passerar genom en serie bearbetningssteg för förädling och förpackning. Dock, varje bearbetningsfas kan utformas på en mängd olika sätt med hjälp av olika teknologier och en varierande mängd arbetskraft. Och så, varje design kan skilja sig mycket åt vad gäller kostnad, säkerhet, miljöpåverkan och underhåll.

För att välja en design bland många möjliga alternativ, ingenjörer tar ofta till ett numeriskt värde som kallas avkastningen på investeringen. Detta mått, i sin enklaste version, anger den ekonomiska fördelen eller vinsten som är ett resultat av en viss initial monetär investering på en given design. Dock, Ingenjörer använder ofta mer omfattande algoritmer som inkluderar faktorer som miljöpåverkan och arbetarsäkerhet för att beräkna avkastningen på investeringsvärden.

Men Jain noterade att även dessa mer komplexa algoritmer till stor del har förbisett sociala faktorer, som hur ofta bruksanvisningar för en kemisk fabrik uppdateras eller hur ofta utrustningsunderhåll utförs. Detta mänskliga element är viktigt att ta med när man beräknar avkastningen på investeringen, Hon sa, eftersom felaktiga interaktioner mellan människa och utrustning ofta ligger bakom kemiska anläggningskatastrofer, som bränder och explosioner.

Dr Mahmoud El-Halwagi, professor och Bryan Research and Engineering Chair vid Artie McFerrin Department of Chemical Engineering vid Texas A&M, påpekade att sociala och säkerhetsmässiga faktorer vanligtvis beaktas efter att större konstruktionsbeslut avseende den kemiska anläggningen har fattats. "I detta skede, viktiga designkomponenter är redan färdiga, och det blir ganska svårt att göra betydande designändringar, " han sa.

För att komma till rätta med dessa underskott, Jain och hennes team utvecklade ett ännu mer utarbetat matematiskt ramverk som kunde implementeras när man designade kemiska bearbetningsenheter. Vidare, deras algoritm inkluderade nu människa-maskin-interaktioner.

I den nya algoritmen, de kopplade in en mängd som kallas motståndskraft, eller förmågan hos en kemisk anläggning att återhämta sig från ett stressat tillstånd.

"Precis som ett gummiband bara kan sträckas till sin elastiska gräns innan det går sönder, kemiska anläggningar, om de används till sin maximala kapacitet och utan säkerhetsåtgärder på plats, kan försämras, leder till katastrofer, ", sa Jain. "Genom att införliva motståndskraft i vår algoritm, vi ville inkludera de komplexa interaktionerna mellan människa och teknik som kan påverka motståndskraft och, i förlängningen, uppskattningen av avkastningen på investeringen."

När algoritmen väl var färdigutvecklad, forskarna använde den för att jämföra olika konstruktioner av gaskompressorsystem som ofta används i kemiska anläggningar. Särskilt, de kontrasterade värdet av avkastningen på investeringen för ett kompressionssystem som existerade i en kemisk fabrik med fem andra hypotetiska konstruktioner.

Jain och hennes kollegor fann att efter att ha tagit hänsyn till sociala faktorer, den mest lovande designen av kompressorsystemet var inte den som redan fanns i den befintliga anläggningen, men den som forskarna hade skapat.

Jain noterade att deras observationer indikerar möjligheten att använda deras algoritm för att utvärdera nya processdesignidéer som existerar i teorin men som inte har testats i en befintlig anläggning.

"Det finns ofta en tvekan i energibranschen att investera i en ny processdesign om den inte har utvärderats ännu, " sa Jain. "Med vår algoritm, vi har nu möjlighet att brainstorma idéer för nya processdesigner och testa dem virtuellt, utan att de egentligen behöver vara fysiskt inställda och igång. Dessutom, vi kan mata algoritmen med siffror som motsvarar olika sociala faktorer som hänför sig till kemiska växter. I processen, vi kan snubbla över en ny, bättre design som är säkrare för arbetare och snällare mot miljön."