Development and implementation of systematic model-development strategy using model-based experimental design - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2019

Development and implementation of systematic model-development strategy using model-based experimental design

Développement et implémentation d’une stratégie systématique de développement de modèle se basant sur la planification optimale d’expériences

Abstract

Adequate and accurate models describing quantitatively the syntheses of fine and pharmaceutical chemicals are essential to optimize the performances of chemical processes. However, it is difficult, time consuming and experimentally expensive to develop such models. Appropriate, efficient and systematic strategies for model development are therefore required. In this context, the aims of this work consist in methodological development, numerical implementation and experimental validation of a systematic model-development strategy. In the first stage of this work, a methodologically systematic model-development strategy, consisting of initial data acquisition, model development, model identification, model validation and model refining modules, is developed. In the initial data acquisition module, preliminary experiments are designed and performed to provide the basic information for the initial model development. Module development module is composed of three steps: model structure development, model structure analysis and model parameter development. Model structure development is based on the reaction network proposed within the reaction supernetwork containing all feasible chemical reactions and mass transfers. For model identification, validation and refining, the model-based experimental design is performed by taking into consideration several reactors, which enlarges the explored experimental windows. In the second stage of this work, in order to facilitate the application of the strategy, a software, integrating model parameter estimation, model evaluation, model-based experimental design for model refining and performance optimization, is developed using MATLAB R2014a. The initial version of the software is suitable for the liquid-phase reaction systems, 4 ideal reactors are taken into consideration: batch stirred-tank reactor, semi-batch stirred-tank reactor, continuous stirred-tank reactor and continuous tubular reactor. In the third stage of this work, the feasibilities and generalities of the developed strategy and strategy-based software are demonstrated with two experimental case studies, relating to the valorization of sunflower oil, namely, NaOH-catalyzed ethanolysis of sunflower oil and epoxidation of sunflower oil by performic acid generated in situ.
Des modèles adéquats et précis décrivant quantitativement les synthèses de produits chimiques fins et pharmaceutiques sont essentiels pour optimiser les performances de procédés chimiques. Cependant, il est difficile, expérimentalement long et coûteux de développer de tels modèles. Des stratégies appropriées, efficaces et systématiques servant au développement du modèle sont donc nécessaires. Dans ce contexte, les objectifs de ce travail consistent au développement méthodologique, à l’implémentation numérique et à la validation expérimentale d’une stratégie systématique de développement du modèle. Lors de la première phase de ce travail, une stratégie méthodologiquement systématique servant au développement du modèle comprenant les modules d'acquisition initiale de données, de développement, d’identification, de validation et d’affinage du modèle, est développée. Dans le module d'acquisition initial de données, des expériences préliminaires sont planifiées et effectuées pour fournir les informations de base pour le développement initial du modèle. Le module de développement du modèle est composé de trois étapes: le développement de la structure du modèle, l’analyse de la structure du modèle et le développement des paramètres du modèle. La structure du modèle est développée en se basant sur le réseau réactionnel extrait du super-réseau réactionnel contenant toutes les réactions chimiques et les transferts de matière faisables. Pour l'identification, la validation et le raffinage du modèle, la planification expérimentale basée sur le modèle est effectuée en prenant en compte plusieurs réacteurs, ce qui élargit les fenêtres expérimentales. Lors de la deuxième phase de ce travail, afin de faciliter l’application de la stratégie, un logiciel, intégrant l’estimation des paramètres, l’évaluation du modèle et la planification expérimentale pour l’affinage du modèle et l’optimisation des performances, est développée en utilisant Matlab R2014a. La version initiale du logiciel convient aux systèmes réactionnels liquides, quatre réacteurs idéaux sont pris en compte: réacteur fermé en cuve agitée, réacteur semi-fermé en cuve agitée, réacteur continu en cuve agitée et réacteur tubulaire continu. Lors de la troisième phase de ce travail, les faisabilités et généralités de la stratégie et du logiciel basé sur la stratégie sont validées par deux cas d’étude expérimentaux, relatifs à la valorisation de l’huile de tournesol. Il s’agit de l’éthanolyse de l’huile de tournesol catalysée par NaOH et de l’époxydation de l’huile de tournesol par acide performique généré in situ.
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Dates and versions

tel-03022942 , version 1 (25-11-2020)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03022942 , version 1

Cite

Zhengkun Jiang. Development and implementation of systematic model-development strategy using model-based experimental design. Chemical and Process Engineering. Université de Lorraine, 2019. English. ⟨NNT : 2019LORR0349⟩. ⟨tel-03022942⟩
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