Detail předmětu

Systémové přístupy pro procesy a energetiku

FSI-KS3Ak. rok: 2018/2019

Předmět "Systémové přístupy pro procesy a energetiku" prezentuje postupy, techniky a činnosti, jejichž úkolem je systematickým způsobem zajistit co nejlepší řešení dané procesní či energetické výrobní linky, jejího subsystému i dílčího zařízení jak v případě nového řešení, tak v případech rekonstrukce stávajícího provedení pro nové účely. Předmět mimo nezbytné teoretické vybavení seznámí posluchače na řadě konkrétních procesních a energetických průmyslových aplikací zejména s:
- přístupy pro optimalizace provozních podmínek klíčového zařízení a jeho provedení (jedno vs. vícestupňové) a řešení výchozí aparátové struktury a skladby (tzv. flowsheeting);
- přístupy koncepční optimalizace vybrané skladby výrobní linky pro optimální provozní podmínky – tzv. integrace (syntéza) procesu resp. integrace subsystémů linky (subsystémy výměny tepla a externích energetických zdrojů);
- techniky integrace, optimalizace a detailního návrhu významných zařízení výrobní linky;
- způsoby užití optimalizace v běžných inženýrských činnostech (optimalizace potrubních rozvodů, izolací, apod.).

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

doc. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav procesního inženýrství (ÚPI)

Výsledky učení předmětu

Studenti budou schopni aplikovat nabyté znalosti termodynamických, fyzikálních a chemických zákonitostí na řešení procesních a energetických linek, provozů a jejich subsystémů a kvalifikovaně rozhodovat v případě možností variantních řešení. Budou disponovat základní orientací ve složitosti požadavků výroby a ochrany životního prostředí. Zdokonalí si pracovní dovednosti s profesionálními simulačními softwary a programovými implementacemi (ChemCAD, Maple, VBA, atd.).

Prerekvizity

Znalosti nabyté jednak v základních kurzech specializace, tj. zejména znalost tepelných, hydraulických a difúzních pochodů, spolu se znalostmi nabytými v navazujících předmětech studia týkající se zejména problematiky energie a emisí, projektování a řízení procesů a navrhování procesních a energetických systémů.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.

Způsob a kritéria hodnocení

Podmínky k udělení zápočtu:
Podmínkou k udělení zápočtu je aktivní absolvování cvičení, vypracování průběžně zadávaných úkolů a získání celkem alespoň 10 bodů.
Zkouška:
Při zkoušce posluchač prokáže teoretické znalosti odpřednášené látky, zodpovězením dvou teoretických otázek a praktické schopnosti, výpočtovým vyřešením zadané písemné úlohy.
Každá část zkoušky je individuálně bodována. Hodnocení je podle zisku celkového počtu bodů následující:
A - 90 až 100 bodů,
B - 80 až 89 bodů,
C - 70 až 79 bodů,
D - 60 až 69 bodů,
E - 50 až 59 bodů,
F (nevyhověl) - méně než 50 bodů.

Učební cíle

Cíle kurzu jsou následující:
- seznámit posluchače s metodikami systémového řešení a optimalizací koncepce a skladby procesních a energetických linek i jejích nejdůležitějších subsystémů a individuálních zařízení;
- rozvinout u studentů schopnost aplikovat dříve nabyté znalosti termodynamických, fyzikálních a chemických zákonitostí na danou koncepci výrobní linky a její zařízení a rozhodovat v případě možností variantních řešení;
- podat základní orientaci ve složitosti technicko-ekonomických požadavků výroby a ochrany životního prostředí;
- umožnit studentům zdokonalení práce s profesionálními softwary (Maple, ChemCAD, VBA, atd.).

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Výuka je prováděna v počítačové laboratoři.
Účast na přednáškách je doporučená. Účast na cvičeních je povinná a kontrolovaná.

Prerekvizity a korekvizity

Základní literatura

Biegler, L.T, Grossmann, I.E. and Westerberg, A.W.: Systematic Methods of Chemical Process Design, Prentice-Hall, Upper Saddle River, New Jersey (1997). (EN)
F. Carl Knopf: Modeling, Analysis and Optimization of Process and Energy Systems,John Wiley & Sons, Inc., hoboken, New Jersey (2012) (EN)
Renaud Gicquel: Energy Systems. A new approach to engineering thermodynamics, Taylor & Francis Group, London, UK (2012). (EN)
Seider W.D., Seader J.D., Lewin D.R.: Products & Process Design Principles. Synthesis, Analysis and Evaluation. Fourth edition, John Wiley and Sons, USA (2017). (EN)

Doporučená literatura

Stehlík, P.: Integrace procesů a její význam pro redukci spotřeby energie a škodlivých emisí -základní principy, Nakladatelství “Procesní inženýrství“, edice MAPRINT, Praha (1995). (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program M2I-P magisterský navazující

    obor M-PRI , 2 ročník, letní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D.

Osnova

1. Úvod do systémového (integrovaného) řešení provozu, části a fáze integrovaného řešení. Techniky pro úvodní část řešení - optimalizace podmínek klíčového zařízení, souvisejících proudů a výchozího schématu (flowsheeting).

2. Úvod do optimalizace, matematické modely a metody, nejčastěji se vyskytující typy úloh a metody řešení (LP/MILP, NLP/MINLP). Dostupné softwary.

3. Zásady extrakce dat z flowsheetu. Výchozí technicko-ekonomická rozvaha optimální úrovně systému využití tepla a utilit (targeting, supertargeting).

4. Metody optimálního osazení (tzv. syntézy) sítě výměny tepla v případě nového návrhu procesu (grassroot design).

5. Metody optimálních úprav osazení sítě výměny tepla v případě rekonstrukce stávajícího procesu (retrofit design).

6. Úvod do optimálního začlenění (integrace) externích energetických zdrojů. Techniky výchozího technicko-ekonomického posouzení konkurenčních variant provedení nejnáročnějších „hot utilities“ a výběr nejvhodnějšího řešení.

7. Techniky pro optimální začlenění (integraci) externích energetických zdrojů. Metody a techniky pro integraci vybraného nejvhodnějšího řešení nejnáročnějších „hot utilities“.

8. Optimalizace provedení externích energetických zdrojů. Postupy pro „hot utilities“ v případě nového návrhu a rekonstrukce.

9. Optimalizace výrobních a provozních podmínek procesních a energetických linek a jejich klíčových zařízení.

10. Techniky optimalizace individuálních zařízení na výměnu tepla pro různé účely (technické, ekonomické, provozní).

11. Metody optimálního návrhu soustavy energeticky náročných zařízení přenosu tepla a hmoty.

12. Postupy optimálního návrhu potrubí, potrubních sítí a izolací.

13. Základy modelování a optimalizace v oblasti provozní dynamiky a neustálených stavů.

Cvičení s počítačovou podporou

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Dominika Babička Fialová, Ph.D.

Osnova

1. Bilance složitého procesu s recyklem – srovnání vlastností sekvenční a numerické (globální) metody řešení pro optimalizaci podmínek klíčového zařízení.

2. Příklady optimalizačních modelů – aspekty typických LP/MILP a NLP/MINLP úloh.

3. Příklad technicko-ekonomické rozvahy optimální úrovně systému využití tepla (targeting).

4. Praktická aplikace moderních metod LP a NLP při novém návrhu výměníkové sítě.

5. Praktická aplikace moderních metod LP a NLP při rekonstrukci výměníkové sítě.

6. Úvod do integrace pecí/kotlů jako energeticky nejnáročnějších externích energetických zdrojů. Výchozí technicko-ekonomická analýza konkurenčních variant.

7. Integrace pecí/kotlů jako energeticky nejnáročnějších externích energetických zdrojů. Aspekty integrace nového řešení a omezení v případě rekonstrukce.

8. Optimalizační postupy pro pece/kotle v případě nového návrhu a v případě rekonstrukce.

9. Aplikace metod LP – optimalizace výrobních kapacit výrobních linek, minimalizace výrobních nákladů, variabilita produkce

10. Výpočtové aplikace optimalizačních postupů pro různé účely optimalizace deskových a trubkových výměníků tepla.

11. Optimalizace uspořádání vícestupňové odpařovací stanice. Optimalizace absorberu – problematika technicko/ekonomicko/ekologického řešení.

12. Optimalizace potrubí a izolace potrubí pro dané provozní podmínky.

13. Výpočet doby najíždění kotle a optimální provozní periody předehřívací linky.