化工概論: 製程分析模擬最適化與控制_陳奇中教授演講投影片

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Page 1: 化工概論: 製程分析模擬最適化與控制_陳奇中教授演講投影片

化學工程概論Introduction to Chemical Engineering

陳奇中[email protected]

製程設計、分析、模擬、最適化與控制Process Design, Analysis, Simulation, Optimization and Control

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製程設計 (Process Design)

chemical

process

原料Raw

materials

1. 需經過哪些流程 ? Which process is suitable?2. 需由幾個單元程序組成生產線 ? What units should be involved in the process?

產品Products

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原料 A

原料 B

蒸餾塔

產品

蒸氣

反應器

(Luyben and Luyben, 1997)

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製程分析 (Process Analysis)

1. 是否可實現 ? (Realization)2. 能源消耗 ? (Energy issues)3. 操作可行性 ? (Operational feasibility)4. 設備維護 ? (Maintenance)

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製程模擬 (Process Simulation)

軟體 : Aspen plus ( 整廠 )( 模組化 )

(Software) Chem CAD ( 整廠 )( 模組化 ) COMSOL Multiphysics ( 多重

物理量 ) … MATLAB ( 單元 )( 程式寫作 )

硬體 : computer, monitor, printer, etc.

(Hardware)

program design – algorithm, etc.

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CSTR 混和器動態模擬設計

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T

B

H

D

h

Tank diameter T 0.28m

Depth of liquid H 0.2m

Baffle width B 0.03m

Impeller diameter D 0.112m

Impeller blade width w 0.025m

Impeller blade height h 0.025m

Impeller clearance C 0.06m

Dimensionless parameters

D/T 0.4

H/T 0.714

B/T 0.107

C

w

Subdomain

ρ=1000 kg/m3

η=0.01 Pa . s = 10 cp

攪拌葉設計

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水平式 MOCVD 反應器之動態模擬 AIXTRON, AIX200/4 水平式 MOCVD 反應器

上口端進料 III: trimethylgallium, TMGa ( 三甲基鎵 )

下口端進料 V: tertiary- butylarsine, TBAs ( 叔丁基砷 )GaAs

Page 11: 化工概論: 製程分析模擬最適化與控制_陳奇中教授演講投影片

Simulation of a MOCVD Reactor

0

0

Tp

t

t

uu u u u

u

ii i i i

cD c c R

t

u

p p

TC k T C T Q

t

u

動量平衡 (Momentum balance) 能量平衡 (Energy balance)

質量平衡 (Mass balance)

VV,in

VIII,in

化學反應機構 (Chemical reaction)

氣相反應 (Gas reaction)

TMGa+H2 MMGa+2CH4 (G1) TBAs AsH+C4H8+H2 (G2)

表面反應 (Surface reaction)

MMGa+AsH GaAs(s)+CH4 (S1)

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Page 13: 化工概論: 製程分析模擬最適化與控制_陳奇中教授演講投影片

製程最適化 (Process Optimization)

獲利最佳化 (maximal profits) 能源消耗最小化 (minimal energy loss) 原料成本最小化 (minimum costs)

操作條件之選擇 (selection of optimal operating conditions)

① 單目標 (single objective)

② 多目標 (multi-objective)

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Where is the global minimum?

Page 15: 化工概論: 製程分析模擬最適化與控制_陳奇中教授演講投影片

Benchmark test: search for the global minimum

Global optimal solution

X(-3.79,-3.32)

F=43.3030

2 22 21 2 1 2 1 2min 11 7 3 57

.

5 5, 1, 2i

F x x x x x x

s t

x i

Modified Himmelblau function, 1993

Page 16: 化工概論: 製程分析模擬最適化與控制_陳奇中教授演講投影片

Convergence of the solution

Page 17: 化工概論: 製程分析模擬最適化與控制_陳奇中教授演講投影片

Before After

Optimal design of an MOCVD reactor

98.65 10 / minGR dA

GR mA

0.003504GR GR

dAGR

911.65 10 / minGR dA

GR mA

0.00220GR GR

dAGR

Page 18: 化工概論: 製程分析模擬最適化與控制_陳奇中教授演講投影片

Concept of multi-objective optimization 多目標最佳化

Cost

Com

fort

10 k 100 k

40%

90%

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f 2

f1

Feasible objective space

Pareto-optimal front

Second level

Concept of Pareto-optimal solutions : non-dominated

A

B

CD

B dominate A

C dominate A

B, C non-dominated

D, E non-dominated

E dominate A, B, C

D dominate A, BE

(Goldberg, 1989)

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-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Growth Rate (nm/min)

Un

ifo

rmit

y in

de

x

Optimal Pareto-front solutions of an MOCVD

AD

C

B

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Uncertainties ? 不明確因素

Sources of uncertainties

- modeling errors- physical parameter

variations- change of environments- unknown dynamics

…Deterministic design Not reliable

uncertainties

Uncertainty is

everywhere.

Page 22: 化工概論: 製程分析模擬最適化與控制_陳奇中教授演講投影片

Deb et al. (2009)

Deterministic solution vs. Reliable solution

*Deterministic optimum

Reliable solution

Stochastic constraint

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0 2 4 6 8 100

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1

2Example 4.2

Solution cells with different reliability indices (0, 0.5, 1, 1.5, 3)

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程序控制 (Process Control)

系統識別 (modeling) 控制器設計 (controller design) 控制系統分析 ( 穩定性 , 控制品質 )

(stability & performance) 常用控制策略 (control strategies)

PID controller

Model predictive control

Intelligent controllers, etc.

Page 25: 化工概論: 製程分析模擬最適化與控制_陳奇中教授演講投影片

CSTR 反應器之 PI 控制

1 21 1

2

(1 )exp1a

dx xx D x

dt x

ux

xxBDx

dt

dxa

2

212

2

1exp)1()1(

2 2 2 20

1( ) ( ) ( )

t

c s sI

u t K x x x x dtT

Simulink

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智慧型批次間控制 (Run-to-Run)

Rotational Wafer CarrierSlurry

Feeding System

Rotational Table

Supporting

the Pad and the Wafer

CMP Simulink

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0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000-500

0100

500

1000

1500

2000

2500

3000MIMO System with metrology delay of 0

Wafer Run#

Res

pons

es

Std.dev. = 60.0055(+0.0002) Mean = 2001.2

Std.dev. = 30.0075(+0.0063) Mean = 99.9

Non-Uniformity (Min. Std.dev.=60.0053)

Removal Rate (Min. Std.dev.=30.0012)

智慧型批次間控制技術 :傳統控制技術 :

半導體 CMP 製程 控制品質比較

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結語 (Summary)

製程設計、分析、模擬、最適化與控制Process Design, Analysis, Simulation, Optimization and Control

高效率、低耗能、零汙染的 綠色新製程 (Green Process)

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Q & A

謝謝聆聽敬請指教

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Quiz (1/3)

1. What are the main parts of a green process? (1) high efficiency (2) low pollution (3) low material and energy consumptions (4) all the above.

2. Why a process should be operated at its optimum condition? (1) low cost and energy loss (2) high productivity (3) high profit (4) all the above.

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Quiz (2/3)

3. Why a control system is necessary in a chemical process? (1) stable operation (2) disturbance rejection (3) low product variations (4) all the above.

4. Why a simulation tool is necessary for process design? (1) low cost (2) reliability (3) be able to achieve a better design (4) all the above.

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Quiz (3/3)

5. What are the main issues of process analysis? (1) realization and operational feasibility (2) maintenance (3) energy consumptions (4) all the above.