Aquest treball de tesi s'adreça a la indústria de procés químic d'operació discontínua tot i que també pot resultar profitós per altres situacions de fabricació per lots. Aquests tipus d'indústries són molt variats i s'inclouen en sectors com el de la química fina, el farmacèutic, l'agroalimentari i, en definitiva, l'elaboració d'especialitats. La seva importància econòmica rau tant en el seu significatiu volum de producció com en l'alt valor afegit que sovint tenen els productes.L'objecte de l'estudi és la gestió dels recursos de fabricació i l'optimització de l'operació de la planta per tal d'ajustar la producció resultant als requeriments de la demanda. La natura discontínua i dinàmica dels processos que hi tenen lloc reclama la presa de decisions en termes d'assignació de tasques a equips (reactors, filtres i altres aparells), de seqüenciació de productes i temporització de les operacions. Es tracta, doncs, d'un problema de programació d'activitats.El primer pas vers la solució d'aquest problema és la modelització del sistema estudiat. Aquest treball proposa un model d'operació detallat que inclou, a més de la compartició per part dels diferents productes de recursos generals (temps, equips, serveis...), aspectes més específics de la indústria química. Són les necessitats de transferència i emmagatzamatge de productes, tant intermedis com acabats, de natura molt probablement fluïda. I són també, les tasques de preparació i neteja que, depenent de la seqüència de productes, cal aplicar als equips emprats.La modelització de l'emmagatzemament també considera la possible inestabilitat de certs intermedis i la conseqüent limitació de l'espera abans de ser processats. De fet, la modelització incorpora un nou esquema conceptual que permet la segmentació de les receptes dels diferents productes en sèries de tasques lligades als intermedis estables. Llavors, la descripció d'un programa d'operacions complex mitjançant una sèrie d'ordres de fabricació d'aquests intermedis proporciona una notable simplificació del problema que redueix el número de restriccions a considerar i facilita el procediment d'optimització.L'optimització mitjançant mètodes rigorosos ja establerts només resulta indicada per problemes molt simples en comparació amb el que es planteja en aquest treball. És per això que s'ha desenvolupat una metodologia heurística general que permet abordar aquest problema patró sota les diferents circumstàncies de cada cas particular. En una primera part es procedeix a la generació d'alternatives de producció considerant els casos possibles i eliminant els ineficients sota una sèrie de criteris preestablerts. Aquestes alternatives s'expressen com seqüències de fabricació d'intermedis estables i posteriorment poden ser millorades sota diferents objectius bé manualment o bé emprant mètodes sistemàtics.La validació de la metodologia proposada és possible gràcies a la comparació amb casos de la literatura. En proposar exemples de major complexitat, la utilització de mètodes estocàstics es demostra molt eficient per resoldre problemes per als quals és difícil trobar regles de solució. Llavors, la validació d'aquest casos és possible estadísticament.En conclusió, d'aquest treball en resulta una metodologia general i flexible que s'adapta a la majoria de característiques d'un tipus de problemes que, de moment i en última instància, han de ser resolts de manera particular. La seva complexitat continua reclamant la nostra intuïció. / This thesis concerns batch chemical process industries, although it may be of interest in other batch processing areas. This kind of industry is diverse and includes a variety of sectors such as fine chemicals, pharmaceuticals, food and agriculture industry and speciality manufacturing. The economical significance of this industrial activity resides on both, its large production volume and its high added value. The thesis is aimed at studying the management of limited resources and the optimization of plant operation in order to have the production meet the demand requirements. The inherent discontinuous and dynamic nature of this kind of processes needs decision-making in terms of unit-to-task assignment (reactors, filters and other apparatuses), in terms of product sequencing and in terms of operation timing. The first step towards the solution of this problem is system modelling. This work proposes a detailed operation model that includes the general sharing of resources (time, equipment, utilities, etc.), as well as more specific aspects related to the chemical industry. These aspects are the special needs for material transfer and storage, both final and intermediate, which are likely to be of fluid nature. Additionally, these aspects also include the special set-up and cleaning tasks that the equipment units require depending on the sequence of tasks performed.Storage modelling also considers the different stability of the intermediate substances and the resulting limitation of the waiting time before processing. Thus, the modelling incorporates a novel conceptual framework allowing the segmentation of the recipes into different series of tasks defined by the stable intermediate products. Hence, the description of a complex operation schedule by a sequence of production orders related to these intermediate products allows a significant problem simplification, which results in the reduction of the number of constraints to be considered and enhances the performance of the search. Optimization via established rigorous methods is only suitable for problems simpler than those addressed in this thesis. This is the reason for the development of a general heuristic methodology. The first part generates production alternative paths through an enumerative procedure that eliminates inefficient options according to given pre-established criteria. These alternative paths are characterized as production sequences of storable intermediate products that are next improved regarding different objective functions either manually or automatically.The validation of the proposed methodology is achieved through a comparative study using cases reported in the literature. For those more complex cases, the use of stochastic methods has demonstrated to be very effective when scheduling rules are not available. For these cases, the assessment and validation is achieved through statistical analysis.In conclusion, this thesis results in a general and flexible methodology that accommodates the most of the features of a kind of scheduling and planning problems that finally require particular solution strategies. The more complex the problem, the more the human intuition is to some extend still required.

Resum La societat es cada dia més conscient de la escassetat i els canvis ambientals. Per això les empreses químiques han d’adaptar i desarrollar processos químics més sostenibles. En aquest sentit, hi ha una clara demanda dins de la comunitat científica per desenvolupar eines sistemàtiques per aconseguir reduccions en els costos de producció i en l’impacte ambiental en els processos químics. Aquesta Tesis introdueix un nou mecanisme pel disseny de processos químics més sostenibles. El sistema que es presenta està basat en l’ús combinat de simulació de processos, eines d’optimització multi-objectiu, anàlisis econòmic, anàlisis de cicle de vida i sistemes de suport a la presa de decisions. L’estratègia presentada s’utilitza en la resolució de problemes complexos, pel que també serà necessari desenvolupar nous algoritmes i estratègies de descomposició per dividir el problema original, en sub-problemes més manejables, per obtindre el disseny òptim del procés. La Tesis es presenta utilitzant sis articles que han estat publicats en revistes científiques. La primera part, que inclou dues publicacions, està enfocada en el disseny de bioprocessos sostenibles, ja que aquests processos han guanyat molt interès al mercat degut al seu alt valor afegit. En el primer treball, s’ha estudiat la maximització del Valor Actual Net en la producció de l’amino-acid L-lisina. El cas es formulat com un problema d’optimització dinàmica entera mixta, i es soluciona mitjançant un mètode de descomposició que itera entre els sub-problemes esclau i el mestre. L’optimització dinàmica del problema esclau es resolta mitjançant un algoritme seqüencial que integra el simulador de procés (SuperPro Designer®) amb un solver de problemes de programació no lineal implementat en Matlab®. En el segon article, el problema d’optimització permet una resolució conjunta dels aspectes econòmics i ambientals del procés. En aquest cas s’optimitza el Valor Actual Net conjuntament amb diversos indicadors ambientals. La solución del problema es presentada mitjançant diverses corbes de Pareto, i en elles s’aplica l’anàlisi de components principals per tal de trobar objectius redundants entre els diversos indicadors ambientals. Degut a que la demanda d’energia s’ha incrementat dràsticament durant els últims anys, l’anàlisi energètic en els processos industrial ha guanyat molt interès. Es per això, que la segona part de la Tesis està enfocada en el disseny òptim de cicles termodinàmics. En aquesta secció s’han publicat dos articles. En el primer dels articles d’aquesta segona part es presenta un mètode per el disseny òptim de cicles d’absorció d’amoni-aigua, tenint en compte l’anàlisi econòmic i ambiental. El problema es planteja com un problema de programació no-lineal entera amb multiples objectius i es resol amb l’estratègia d’aproximació exterior. Al segon article, s’aplica una estratègia similar però incloent diversos cicles termodinàmics. En aquest article es demostren les capacitats del mètode amb diversos cicles termodinàmics, com un cicle Rankine de 10 MW modelat en Aspen Hysys® i un cicle d’absorció d’ammonia-aigua de 90 kW modelat en Aspen Plus®. La producció de biocombustibles segueix creixent a nivell mundial a una gran velocitat. A la tercera part d’aquesta Tesis, hem aplicat tècniques matemàtiques per desenvolupar processos de producció de biocombustibles. Aquesta tercera part inclou novament dos publicacions. En la primera s’adreça el problema de reduir l’impacte ambiental de les plantes de producció de biodiesel mitjançant la inclusió de panells solars per la generació del vapor utilitzat en la planta. Per dur a terme l’estudi s’utilitza un model de sistemes d’energia solar que inclou emmagatzematge d’energia implementat en GAMS®. Aquest model es combinat amb un model de simulació rigorós desenvolupat amb Aspen Plus® de la planta de biodiesel. En el problema el sistema d’energia solar té en compte la minimització del cost i del potencial d'escalfament global de la planta. En el segon treball, el problema adreça el disseny multi-objectiu d’una planta de producció de bio etanol combinada amb un sistema de panels solars per la generació de vapor en la planta. Globalment es pot considerar que la Tesis presenta un nou marc en l’àmbit del disseny òptim de processos sostenibles. Els resultants numèrics mostren que es possible aconseguir millores ambientals i econòmiques utilitzant aquest enfoc rigorós. Addicionalment, aquest mètode ha estat aplicat a diferents tipus de processos com: bioprocesos, cicles termodinàmics i biocombustibles. Aquest mètode serà molt útil per els prenedors de decisions a fi d'avaluar la topologia i les condicions de funcionament en l'enginyeria de procés. / Resumen La sociedad es cada día más consciente de la escasez y los cambios ambientales. Por lo que las empresas químicas tienen la necesidad de adaptarse y desarrollar procesos químicos más sostenibles. Por lo tanto, se ha creado una clara demanda dentro de la comunidad científica para desarrollar herramientas sistemáticas que consigan reducciones en el coste y en el impacto ambiental de los procesos químicos. Esta Tesis introduce un nuevo mecanismo para el diseño de procesos químicos más sostenibles. El sistema que se presenta está basado en el uso combinado de simulación de procesos, herramientas de optimización multi-objetivo, análisis económico, análisis de ciclo de vida y sistemas de soporte a la toma de decisiones. La estrategia presentada se utiliza en la resolución de problemas complejos, por lo que será también necesario desarrollar nuevos algoritmos y estrategias de descomposición para dividir el problema original, en sub-problemas más manejables, para obtener el diseño óptimo del proceso. La Tesis se presenta utilizando seis artículos que se han publicado en revistas científicas. La primera parte, que incluye dos publicaciones, está enfocada en el diseño de bioprocessos sostenibles, ya que han ganado mucho interés en el mercado debido a su alto valor. En el primer trabajo, se ha estudiado la maximización del Valor Actual Neto en la producción del amino-ácido L-lisina. El problema se formula como un problema de optimización dinámica entera mixta, solucionándolo mediante un método de descomposición que itera entre los sub-problemas esclavo y maestro. La optimización dinámica del problema esclavo es resuelta mediante un algoritmo secuencial que integra el simulador de proceso (SuperPro Designer®) con un solver de problemas de programación no lineal implementado en Matlab®. En el segundo artículo, el problema de optimización permite una resolución conjunta de los aspectos económicos y ambientales del proceso. En este caso se optimiza el Valor Actual Neto conjuntamente con diferentes indicadores ambientales. La solución del problema se presenta mediante diferentes curvas de Pareto, a las que se aplica el análisis de componentes principales. Debido a que la demanda de energía a incrementado drásticamente durante los últimos años, el análisis energético en los procesos industriales ha ganado mucho interés. Es por eso que en la segunda parte de la Tesis nos enfocamos en el diseño óptimo de ciclos termodinámicos. En esta sección se han publicado dos artículos. En el primero de esta segunda parte se presenta un método para el diseño óptimo de ciclos de absorción de amoníaco-agua, teniendo en cuenta el análisis económico y ambiental. El caso se plantea como un problema de programación no-lineal entera con múltiples objetivos. En el segundo, se aplica una estrategia similar al primero pero a diversos ciclos termodinámicos. En este trabajo se demuestran las capacidades del método con diversos ciclos termodinámicos. Entre ellos un ciclo Rankine de 10 MW simulado en Aspen Hysys® y un ciclo de absorción de amoníaco-agua de 90 kW simulado en Aspen Plus®. La producción de biocombustibles sigue creciendo a nivel mundial a una gran velocidad. En la tercera parte de la Tesis, hemos aplicado herramientas matemáticas a desarrollar procesos de producción de biocombustibles. Esta tercera parte incluye nuevamente dos publicaciones. En el primer trabajo el problema es reducir el impacto ambiental de las plantas de producción de biodiesel mediante la inclusión de paneles solares para la generación del vapor utilizado en dicha planta. Para realizar este estudio se utiliza un modelo de sistemas de energía solar en GAMS®. Este modelo se combina con un modelo de simulación riguroso en Aspen Plus® de la planta de biodiesel. En el problema el sistema de energía solar tiene en cuenta la minimización del coste y del potencial de calentamiento global. En el segundo trabajo, el problema es el diseño multi-objectivo de una planta de producción de bioetanol combinada con un sistema de paneles solares para la generación de vapor en la planta. En general, se puede considerar que la Tesis presenta un marco interesante en el ámbito del diseño optimo de procesos sostenibles. Los resultados numéricos muestran cómo es posible conseguir mejoras ambientales y económicas utilizando estos modelos rigurosos. Además, este método ha sido aplicado a diferentes tipos de procesos como: los bioprocesos, los ciclos termodinámicos y los biocombustibles. Este método será muy útil para los tomadores de decisiones a fin de evaluar la topología y las condiciones de funcionamiento en la ingeniería de proceso. / The society is every day more conscious about the scarce of resources, the global economy, and the environmental changes. Hence, chemical companies have the necessity to be adapted and develop more sustainable processes. There is a clear demanding to the scientific community to develop systematic tools to achieve reductions in the production costs as well as the associated environmental impact in order to develop decision support tools for the design of chemical plants. This thesis introduces a novel framework for the optimal design of sustainable chemical processes. Our approach combines process simulation, multi-objective optimization tools (MOO), economic analysis, life cycle assessment (LCA) and decision support systems (DSS). The developed strategy will be used to solve very complex problems. For that it will be necessary to develop new algorithms and decomposition strategies to divide the original problem in more manageable sub-problems, to obtain the optimum design of the process. The capabilities of the methodology have been tested in different processes along the Ph.D Thesis. This PhD dissertation is presented using six articles that have been published in international peer reviewed journals. The first part, which includes two publications, is focused in the development of sustainable bioprocesses, as these processes have recently gained wider interest for their potential to produce high-value products. In the first work, we studied the maximization of the Net Present Value (NPV) in the production of the amino acid L-lysine. The design task is mathematically formulated as a mixed-integer dynamic optimization (MIDO) problem, which is solved by a decomposition method that iterates between primal and master sub-problems. The dynamic optimization primal sub-problems are solved via a sequential approach that integrates the process simulator SuperPro Designer® with an external non-linear programming (NLP) solver implemented in Matlab®, while the task of the master problem is to decide on the value of the integer variables. In the second paper, the optimization allows for the simultaneous consideration of economic and environmental concerns. We optimize in this case the economic (NPV) and different environmental indicators. The solution is given by various bi-objective Pareto sets, and then we applied principal component analysis (PCA) in order to find redundant objective functions between the environmental indicators. Because the energy demand has drastically increased over the last few years, the energetic analysis of industrial processes has gained wider interest. Hence, we focused in the second part of the thesis in the optimal design of thermodynamic cycles. In this section, we published two papers. In the first article of the second part we present a method for the optimal design of ammonia-water absorption cycles for cooling and refrigeration applications with economic and environmental concerns. The design task is posed as multi-objective mixed-integer non-linear programming (MINLP). In the second article, we expand our work to different thermodynamic cycles. We demonstrate the capabilities of the approach with a 10 MW Rankine cycle simulated in Aspen Hysys® and a 90 kW ammonia-water absorption cycle in Aspen Plus®. Biofuels production worldwide is continuing to grow at very rapid pace. Hence, in the third part of the thesis, we applied the techniques developed in different biofuels production processes. This third part includes two publications. In the first work we address the problem of reducing the environmental impact of biodiesel plants through their integration with a solar thermal energy system that generates steam. A mathematical model of the solar energy system that includes energy storage is programmed and coupled with a rigorous simulation model of the biodiesel facility developed in Aspen Plus®. The solar energy system accounts for the simultaneous minimization of cost and global warming potential. In the second work, we address MOO of a corn-based bioethanol plant coupled with solar assisted steam generation system with heat storage. Our approach relies on the combined use of process simulation, rigorous optimization tools and, economic and energetic plant analysis. Overall, we can consider that this thesis presents a promising framework for the optimal design of sustainable chemical processes. Numerical results show that it is possible to achieve environmental and cost saving using this rigorous approach. Additionally, this approach has been applied in very different type of processes, such as: bioprocesses, thermodynamic cycles and biofuels. This methodology will be very useful for decision-makers in order to evaluate the topology and operating conditions in process system engineering