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Efficient Bayesian Optimization of Industrial-Scale Pressure-Vacuum Swing Adsorption Processes for CO2 Capture

多目标优化 贝叶斯优化 分类 计算机科学 数学优化 水准点(测量) 帕累托原理 遗传算法 过程(计算) 最优化问题 工艺工程 算法 数学 工程类 大地测量学 地理 操作系统
作者
Adam Ward,Ronny Pini
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:61 (36): 13650-13668 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.2c02313
摘要

The design of adsorption systems for separation of CO2/N2 in carbon capture applications is notoriously challenging because it requires constrained multiobjective optimization to determine appropriate combinations of a moderately large number of system operating parameters. The status quo in the literature is to use the nondominated sorting genetic algorithm II (NSGA-II) to solve the design problem. This approach requires 1000s of time-consuming process simulations to find the Pareto front of the problem, meaning it can take days of computational time to obtain a solution. As an alternative approach, we have employed a Bayesian optimization algorithm, the Thompson sampling efficient multiobjective optimization (TSEMO). For constrained productivity/energy usage optimization, we find that the TSEMO algorithm is able to find an essentially identical solution to the design problem as that found using NSGA-II, while requiring 14 times less computational time. We have used the TSEMO algorithm to design a postcombustion carbon capture system for a 1000 MW coal fired power plant using two adsorbent materials, zeolite 13X and ZIF-36-FRL. Although ZIF-36-FRL showed promising process-scale performance in previous studies, we find that the industrial-scale performance is inferior to the benchmark zeolite 13X, requiring a 21% greater cost per tonne of CO2 captured. Finally, we have also tested the performance of the Bayesian design framework when coupled with a data-driven machine learning process modeling framework. In this instance, we find that the incumbent NSGA-II offers better computational performance than the Bayesian approach by a factor of 3.

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