Adaptive digital twin for pressure swing adsorption systems: Integrating a novel feedback tracking system, online learning and uncertainty assessment for enhanced performance
Creators
- 1. Universidade do Porto
- 2. Universidade Federal da Bahia
- 3. Norwegian University of Science and Technology
Description
This paper presents a novel approach to digitizing and modeling pressure swing adsorption (PSA) processes using an uncertainty-aware digital twin. PSA modeling presents unique challenges due to its complex and cyclic behavior, which lacks a steady state. By contributing to the literature on periodic systems, we provide valuable insights into the potential applications of artificial intelligence and digital twins beyond the field of cyclic processes. Our proposed methodology can enhance the understanding and optimization of complex systems across various industries and applications. The proposed digital twin is uncertainty-aware and reliable, continuously updating itself through online learning and utilizing a novel feedback tracker to accurately represent the PSA system. This robust and adaptable methodology supports optimal PSA system operation and facilitates informed decision-making for enhanced process operation. The results demonstrate that the proposed approach yields a reliable digital twin for the PSA unit, capable of tracking the process's complex dynamics and adapting to changes, including adsorbent degradation, which is a significant challenge in PSA operations. Overall, this work highlights the potential of advanced technologies, such as digital twins and artificial intelligence, to improve performance and efficiency in the field of process engineering. This work contributes to the ongoing efforts to optimize industrial processes and support sustainable development by providing a reliable and adaptable methodology for digitizing PSA processes.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تقدم هذه الورقة نهجًا جديدًا لرقمنة ونمذجة عمليات الامتزاز المتأرجح للضغط (PSA) باستخدام توأم رقمي مدرك لعدم اليقين. تمثل نمذجة جهاز التخطيط والإحصاء تحديات فريدة بسبب سلوكه المعقد والدوري، والذي يفتقر إلى حالة مستقرة. من خلال المساهمة في الأدبيات المتعلقة بالأنظمة الدورية، نقدم رؤى قيمة حول التطبيقات المحتملة للذكاء الاصطناعي والتوائم الرقمية خارج مجال العمليات الدورية. يمكن لمنهجيتنا المقترحة أن تعزز فهم الأنظمة المعقدة وتحسينها عبر مختلف الصناعات والتطبيقات. التوأم الرقمي المقترح مدرك للشك وموثوق به، ويحدث نفسه باستمرار من خلال التعلم عبر الإنترنت ويستخدم متتبع ملاحظات جديد لتمثيل نظام جهاز التخطيط والإحصاء بدقة. تدعم هذه المنهجية القوية والقابلة للتكيف التشغيل الأمثل لنظام محلل نظام التحفيز وتسهل اتخاذ القرارات المستنيرة لتعزيز عملية التشغيل. تُظهر النتائج أن النهج المقترح ينتج توأمًا رقميًا موثوقًا به لوحدة جهاز التخطيط والإحصاء، قادر على تتبع الديناميكيات المعقدة للعملية والتكيف مع التغييرات، بما في ذلك تدهور المواد الممتزة، وهو ما يمثل تحديًا كبيرًا في عمليات جهاز التخطيط والإحصاء. بشكل عام، يسلط هذا العمل الضوء على إمكانات التقنيات المتقدمة، مثل التوائم الرقمية والذكاء الاصطناعي، لتحسين الأداء والكفاءة في مجال هندسة العمليات. يساهم هذا العمل في الجهود الجارية لتحسين العمليات الصناعية ودعم التنمية المستدامة من خلال توفير منهجية موثوقة وقابلة للتكيف لرقمنة عمليات جهاز التخطيط والإحصاء.Translated Description (French)
Cet article présente une nouvelle approche pour numériser et modéliser les processus d'adsorption modulée en pression (PSA) en utilisant un jumeau numérique sensible à l'incertitude. La modélisation de l'APS présente des défis uniques en raison de son comportement complexe et cyclique, qui manque d'un état stable. En contribuant à la littérature sur les systèmes périodiques, nous fournissons des informations précieuses sur les applications potentielles de l'intelligence artificielle et des jumeaux numériques au-delà du domaine des processus cycliques. Notre méthodologie proposée peut améliorer la compréhension et l'optimisation de systèmes complexes dans diverses industries et applications. Le jumeau numérique proposé est conscient de l'incertitude et fiable, se mettant à jour en permanence grâce à l'apprentissage en ligne et utilisant un nouveau tracker de rétroaction pour représenter avec précision le système PSA. Cette méthodologie robuste et adaptable prend en charge le fonctionnement optimal du système PSA et facilite la prise de décision éclairée pour un fonctionnement amélioré du processus. Les résultats démontrent que l'approche proposée donne un jumeau numérique fiable pour l'unité PSA, capable de suivre la dynamique complexe du processus et de s'adapter aux changements, y compris la dégradation de l'adsorbant, qui est un défi important dans les opérations PSA. Dans l'ensemble, ces travaux mettent en évidence le potentiel des technologies de pointe, telles que les jumeaux numériques et l'intelligence artificielle, pour améliorer les performances et l'efficacité dans le domaine de l'ingénierie des procédés. Ce travail contribue aux efforts en cours pour optimiser les processus industriels et soutenir le développement durable en fournissant une méthodologie fiable et adaptable pour la numérisation des processus PSA.Translated Description (Spanish)
Este documento presenta un enfoque novedoso para digitalizar y modelar procesos de adsorción por oscilación de presión (PSA) utilizando un gemelo digital consciente de la incertidumbre. El modelado de PSA presenta desafíos únicos debido a su comportamiento complejo y cíclico, que carece de un estado estable. Al contribuir a la literatura sobre sistemas periódicos, proporcionamos información valiosa sobre las posibles aplicaciones de la inteligencia artificial y los gemelos digitales más allá del campo de los procesos cíclicos. Nuestra metodología propuesta puede mejorar la comprensión y optimización de sistemas complejos en diversas industrias y aplicaciones. El gemelo digital propuesto es consciente de la incertidumbre y confiable, se actualiza continuamente a través del aprendizaje en línea y utiliza un novedoso rastreador de comentarios para representar con precisión el sistema PSA. Esta metodología robusta y adaptable respalda el funcionamiento óptimo del sistema PSA y facilita la toma de decisiones informadas para mejorar el funcionamiento del proceso. Los resultados demuestran que el enfoque propuesto produce un gemelo digital confiable para la unidad PSA, capaz de rastrear la dinámica compleja del proceso y adaptarse a los cambios, incluida la degradación de los adsorbentes, que es un desafío significativo en las operaciones de PSA. En general, este trabajo destaca el potencial de las tecnologías avanzadas, como los gemelos digitales y la inteligencia artificial, para mejorar el rendimiento y la eficiencia en el campo de la ingeniería de procesos. Este trabajo contribuye a los esfuerzos en curso para optimizar los procesos industriales y apoyar el desarrollo sostenible al proporcionar una metodología confiable y adaptable para digitalizar los procesos de PSA.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التوأم الرقمي التكيفي لأنظمة امتصاص تأرجح الضغط: دمج نظام جديد لتتبع الملاحظات والتعلم عبر الإنترنت وتقييم عدم اليقين لتحسين الأداء
- Translated title (French)
- Double numérique adaptatif pour les systèmes d'adsorption modulée en pression : intégration d'un nouveau système de suivi du retour d'information, apprentissage en ligne et évaluation de l'incertitude pour améliorer les performances
- Translated title (Spanish)
- Gemelo digital adaptativo para sistemas de adsorción por oscilación de presión: integración de un novedoso sistema de seguimiento de retroalimentación, aprendizaje en línea y evaluación de la incertidumbre para mejorar el rendimiento
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4388101665
- DOI
- 10.1016/j.engappai.2023.107364
References
- https://openalex.org/W1493921296
- https://openalex.org/W1995780830
- https://openalex.org/W2071544114
- https://openalex.org/W2073544611
- https://openalex.org/W2086892703
- https://openalex.org/W2262312635
- https://openalex.org/W2954247282
- https://openalex.org/W2984700679
- https://openalex.org/W2991087965
- https://openalex.org/W2999014372
- https://openalex.org/W3042704529
- https://openalex.org/W3102100346
- https://openalex.org/W3186809666
- https://openalex.org/W3198896619
- https://openalex.org/W3199368917
- https://openalex.org/W4205680641
- https://openalex.org/W4210792477
- https://openalex.org/W4213387153
- https://openalex.org/W4214707962
- https://openalex.org/W4220911107
- https://openalex.org/W4281255924
- https://openalex.org/W4283382655
- https://openalex.org/W4292013897
- https://openalex.org/W4312523688
- https://openalex.org/W4313259922
- https://openalex.org/W4321786753
- https://openalex.org/W4387491868