Aplicació d'algoritmes genètics en l'optimització dels processos de fabricació del paper

Abstract

La creciente preocupación y concienciación de la sociedad respecto el medio ambiente, y en consecuencia la legislación y regulaciones generadas inducen a la modificación de los procesos productivos existentes en la industria química. Las configuraciones iniciales deben modificarse para conseguir una mayor integración de procesos. Para este fin se han creado y desarrollado diferentes metodologías que deben facilitar la tarea a los responsables del rediseño. El desarrollo de una metodología y herramientas complementarias es el principal objetivo de la investigación aquí presentada, especialmente centrada en el desarrollo y la aplicación de una metodología de optimización de procesos. Esta metodología de optimización se aplica sobre configuraciones de proceso existentes y pretende encontrar nuevas configuraciones viables según los objetivos de optimización fijados. La metodología tiene dos partes diferenciadas: la primera se basa en un simulador de procesos comercial y la segunda es la técnica de optimización propiamente dicha. La metodología se inicia con la elaboración de una simulación convenientemente validada que reproduzca el proceso existente, en este caso una papelera no integrada que produce papel estucado de calidad, para impresión. A continuación la técnica de optimización realiza una búsqueda dentro del dominio de los posibles resultados, en busca de los mejores resultados que satisfazcan plenamente los objetivos planteados. Dicha técnica de optimización está basada en los algoritmos genéticos como herramienta de búsqueda, junto a un subprograma basado en técnicas de programación matemática para el cálculo de resultados. Un número reducido de resultados son finalmente escogidos y utilizados para modificar la simulación existente fijando la redistribución de los flujos del proceso. Los resultados de la simulación del proceso determinan en último caso la viabilidad técnica de cada reconfiguración planteada. En el proceso de optimización, los objetivos están definidos en una función objetivo dentro de la técnica de optimización. Dicha función rige la búsqueda de resultados. La función objetivo puede ser individual o una combinación de objetivos. En el presente caso, la función persigue una minimización del consumo de agua y una minimización de la pérdida de materia prima. La optimización se realiza bajo restricciones para alcanzar este objetivo combinado en forma de una solución de compromiso. Producto de la aplicación de esta metodología se han obtenido resultados interesantes que significan una mejora del cierre de circuitos y un ahorro de materia prima, sin comprometer al mismo tiempo la operabilidad del proceso producto ni la calidad del papel.

The growing awareness of the civil society for the environment and the resulting regulations introduced has modified chemical industry production processes. Existing process configuration should be modified to reach an integrated process design. Methodologies are required to support process reconfiguration during the integrated process design. The development of a methodology and its related tools is the goal of the research presented here. The focus lies on the development and application of a process optimization methodology. This optimization methodology starts with an existing process configuration and looks for feasible new configurations according to objectives fixed. The whole methodology has two differentiated parts: a commercial process simulation tool and the process optimization technique. Methodology starts with a validated process simulation reproducing existing process, in this case a non integrated paper mill producing coated high grade printing paper. Then process optimization technique performs a search in domain of possible results, looking for best results satisfying the objectives stated. Optimization technique is based on genetic algorithms as a search tool, coupled with mathematic linear programming. A pool of retained results is introduced into process simulation as process flows redistribution. Process simulation results determine feasibility of each reconfiguration. Objectives of process optimization are defined in an objective function in the optimization technique. Such function rules the search of results. Objective function could contain a single objective or a combination of objectives. In this case, objective function is defined to reach water consumption minimization and material loss minimization. Optimization was carried out under constraints to reach combined goals in a trade-off solution. As a result of optimisation methodology application interesting results were obtained enhancing system closure and raw materials savings while keeping process operability and paper quality.