Detail předmětu

Systémové přístupy pro procesy a energetiku

FSI-KS3Ak. rok: 2023/2024

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)

Vstupní znalosti

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.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

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

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.).

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 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)
J. J. Klemeš, P. S. Varbanov, S. R. Wan Alwi, Z. A. Manan: Sustainable Process Integration and Intenzification, 2nd. edition, De Gruyter, Berlin (2018) (EN)
M. Kleiber: Process Engineering, De Gruyter, Berlin (2016) (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

J. J. Klemeš, P. S. Varbanov, S. R. Wan Alwi, Z. A. Manan: Sustainable Process Integration and Intenzification, 2nd. edition, De Gruyter, Berlin (2018) (EN)
M. Kleiber: Process Engineering, De Gruyter, Berlin (2016) (EN)
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 N-PRI-P magisterský navazující 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

doc. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D.
Ing. Dominika Babička Fialová, Ph.D.
Ing. Jan Zabloudil
Ing. Ján Daxner

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.