Detail předmětu

Systémové inženýrství III

FSI-KS3Ak. rok: 2013/2014

Pod zastřešující pojem "Systémové (procesní) inženýrství (III)–integrace a optimalizace" spadá celá řada činností jejichž úkolem je systematickým způsobem zajistit co nejlepší řešení dané procesní výrobny, resp. 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 průmyslových aplikací zejména s následujícími činnostmi:
- výchozí hodnocení (kalkulace) výroby a ceny produktu na základě výsledků látkové a energetické bilance;
- volba charakteru provozování výrobní linky (vsádková vs. kontinuální) a její aparátové skladby (osazení, tzv. flowsheeting);
- optimalizace provozních podmínek klíčového zařízení a jeho provedení (jedno vs.vícestupňové) pro vybranou aparátovou skladbu výrobní linky;
- koncepční optimalizace vybrané skladby výrobní linky pro optimální provozní podmínky – tzv. integrace (syntéza) procesu resp.integrace subsystémů výrobní linky (subsystémy výměny tepla a externích energetických zdrojů);
- integrace, optimalizace a detailní návrh významných zařízení výrobní linky;
- užití optimalizace v běžných inženýrských činnostech (optimalizace potrubních rozvodů, izolací, výběr vhodných typů ostatních zařízení 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 výrobní linky jejich sybsytémů 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 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
výrobních 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 orientace 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 je kontrolována.

Prerekvizity a korekvizity

Základní literatura

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)
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)

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 optimalizace a integrace v procesním systémovém inženýrství – objasnění pojmů a
konkrétních činností při řešení výrobní linky. Význam různých výpočtových způsobů
bilancování procesů. Ukázky různých forem optimalizace a hodnocení v úvodní fázi návrhu
výrobní linky.
2. Přehled výpočtových metod a postupů, aspekty tvorby matemat. modelů a účelových funkcí.
Klasifikace optimalizačních úloh, obecný model, přehled optimalizačních metod.
3. Matematické metody pro optimalizaci tj. hledání extrému funkce jedné a více proměnných.
Nejčastěji se vyskytující typy úloh a metody řešení (LP, NLP). Dostupné softwary.
4. Optimalizace výrobních a provozních podmínek výrobních linek a klíčových zařízení.
Zohlednění termofyzikálních vlastností pracovních látek v optimalizačních úlohách.
5. Cenové modely pro postupy integrace a optimalizace. Principy integrace a optimalizace
zařízení na výměnu tepla se změnou fází pracovních látek.
6. Principy syntézy vícestupňových systémů klíčových zařízení přenosu hmoty.
Principy systémového řízení a managementu provozu výrobních linek.
7. Integrace a optimalizace zařízení na výměnu tepla bez změny fáze pracovních látek.
Rozdělení a vlastnosti používaných metod syntézy resp.integrace sítí výměny tepla
(heat exchanger network - HEN).
8. Nejpoužívanější metody syntézy resp. integrace sítí výměny tepla v případě nového návrhu
procesu (grassroot design).
9. Nejpoužívanější metody syntézy resp. integrace sítí výměny tepla v případě rekonstrukce
stávajícího procesu (retrofit design).
10. Integrace externích energetických zdrojů. Metody a techniky pro integraci nejnáročnějších
„hot utilities“.
11. Optimalizace externích energetických zdrojů. Postupy pro „hot utilities“ v případě nového
návrhu a rekonstrukce.
12. Postupy optimálního návrhu potrubí, potrubních sítí a izolací.
13. Využití principů optimalizace v běžných činnostech procesního inženýra (výběrové
algoritmy, databáze, simulační programy).

Cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D.

Osnova

1. Bilance složitého procesu s recyklem a chemickou reakcí – srovnání vlastností sekvenční a
numerické (globální) metody řešení.
2. Optimalizace klíčového zařízení na výměnu hmoty (náplňový absorber) – problematika
technicko/ekonomicko/ekologického řešení.
3. Optimalizace klíčového zařízení na výměnu tepla (vícestupňová odpařovací stanice) –
optimalizace uspořádání, velikosti jednotlivých stupňů a jejich pracovních podmínek.
4. Aplikace metod LP – optimalizace výrobních kapacit výrobních linek, minimalizace výrobních
nákladů, variabilita produkce.
5. Využití metod LP – srovnání „transportation model LP- HEN“ vs. výsledky „Pinch analysis“.
Praktické důsledky řešení výsledného návrhu „HEN/utility systems“ s ohledem na regulaci
linky a technicko-ekonomické provedení externích energetických zdrojů.
6. Aplikace moderních matematických metod LP (transportation/transhipment model),
MILP a NLP při novém návrhu HEN.
7. Vícestupňová integrace výměníkové sítě při rekonstrukci:
- diagnostický LP model pro určení kritického místa výměníkové sítě (tzv.„network pinch“)
- optimalizační NLP model pro řešení rekonstrukce.
8. Integrace ohřevných trubkových pecí jako energeticky nejnáročnějších externích
energetických zdrojů. Aspekty integrace nového řešení a omezení v případě rekonstrukce.
9. Optimalizační postupy pro ohřevné trubkové pece v případě nového návrhu a v případě
rekonstrukce.
10. Technicko-ekonomická optimalizace provedení trubkového hadu reakční pece.
11. Výpočtové aplikace optimalizačních postupů pro různé účely optimalizace deskových a
trubkových výměníků tepla.
12. Optimalizace potrubí a potrubních sítí. Optimální provedení izolace potrubí a aparátů
procesního průmyslu pro dané podmínky.
13. Příklady databází pro optimální výběr zařízení a mechanismy výběrových algoritmů. Zápočet.