1. Sinteza omrežij toplotnih prenosnikov s simultanim upoštevanjem varnostiAnita Sovič, 2019, master's thesis Abstract: Varnost v kemijskih procesih postaja vse bolj pomemben vidik že v fazi načrtovanja procesa. V tem magistrskem delu smo upoštevali vidik varnosti v fazi načrtovanja omrežja toplotnih prenosnikov (OTP). Pri tem smo ocenili inherentno varnost s pomočjo mešano celoštevilskega nelinearnega programirnega (MINLP) modela najprej z osnovnim modelom. Nato smo izvedli občutljivostno analizo z različnimi tipi toplotnih prenosnikov, pri čemer smo primerjali ploščine toplotnega prenosa, mase prisotnih snovi, tlačne padce ter razmerja med volumnom in ploščino v toplotnih prenosnikih. Za vsak prenos smo dimenzionirali primeren prenosnik toplote. Izračunane podatke smo nato vstavili v posodobljen model za celotno OTP. Tako dobljene vrednosti ploščin in indikatorjev tveganja smo primerjali z začetnimi vrednostmi. Ugotovili smo, da so bile začetne ploščine vseh toplotnih izmenjevalcev precenjene. Posledično so bili napačno ocenjeni tudi stroški investicije in indikatorji tveganja. Nato smo za izbrane dimenzije toplotnih prenosnikov primerjali indikatorje tveganja za toksičnost, vnetljivost in eksplozivnost med rezultatoma, ko nismo upoštevali natančnih mer toplotnih prenosnikov ter pri upoštevanju natančnih dimenzij toplotnih prenosnikov. Rezultati kažejo, da ima natančno dimenzioniranje prenosnika za posamezne prenose toplote velik vpliv na oceno varnosti v OTP. Z dodatkom natančnega dimenzioniranja prenosnikov toplote smo omogočili natančnejše načrtovanje OTP in realnejše ocenjevanje njihove varnosti.
Keywords: inherentna varnost, omrežje toplotnih prenosnikov, simultana sinteza
Published in DKUM: 10.10.2019; Views: 1236; Downloads: 120
 Full text (1,44 MB) |
2. ANALIZA OBČUTLJIVOSTI V MODELIH KEMIJSKIH PROCESOVŠpela Zdolšek, 2014, undergraduate thesis Abstract: V diplomskem delu smo izvedli načrtovanje procesov z negotovimi parametri. Za študijski primer smo uporabili omrežje toplotnih prenosnikov. Osnovni cilj je bil načrtovati optimalno in fleksibilno omrežje, ki lahko dopustno obratuje ob določenih spremembah vhodnih podatkov. Z analizo občutljivosti smo ugotavljali, kateri parametri vplivajo na namensko funkcijo in velikosti oz. ploščine toplotnih prenosnikov. Vplive smo razdelili na monotono naraščajoče ali padajoče, mešane in ničelne. Vplivnost parametrov in njihove interakcije smo kvantitativno preverjali s statističnimi metodami. Z vplivnimi parametri smo določili kritična oglišča, ki so potrebna za doseganje fleksibilnosti. Načrtovanje omrežja smo izvedli v nominalni točki in vseh ogliščih ter v nominalni točki skupaj s kritičnimi oglišči. S testom fleksibilnosti smo preverjali, ali so dobljena omrežja fleksibilna ali ne. Ugotovili smo, da so skupni stroški fleksibilnega omreža višji od nefleksibilnega. S pravilno določenimi kritičnimi oglišči smo dobili enak rezultat kot z uporabo vseh oglišč, kar predstavlja bistveno zmanjšanje optimizacijskega problema in omogoča reševanje primerov z večjim številom negotovih parametrov.
Keywords: omrežje toplotnih prenosnikov, analiza občutljivosti, vplivnost parametrov, test fleksibilnosti, kritična oglišča
Published in DKUM: 26.09.2014; Views: 1605; Downloads: 110
Full text (2,33 MB) |
3. VEČKRITERIJSKO NAČRTOVANJE PROCESOV Z RAZLIČNIMI EKONOMSKIMI IN OKOLJSKIMI KRITERIJIKlara Sarjaš, 2012, undergraduate thesis Abstract: V diplomski nalogi smo izvedli večkriterijsko optimiranje procesnih sistemov z uporabo različnih ekonomskih in okoljskih kriterijev. Uporabili smo ekonomske kriterije neto sedanjo vrednost, interno stopnjo donosnosti oz. dobo vračanja in dobiček oz. skupne letne stroške. Za ocenjevanje okoljskega vpliva smo uporabili potencial globalnega segrevanja, strupenost in indeks potencialnega okoljskega vpliva. Uporabili smo dve metodi večkriterijskega optimiranja, to sta metodi utežne vsote in -pogoja. Optimiranje smo izvajali s programom GAMS in procesnim sintetizerjem MIPSYN.
Ugotovili smo, da so nekateri ekonomski kriteriji v določenih primerih konfliktni z okoljskim kriterijem in dajejo množico Pareto optimalnih rešitev, medtem ko drugi ekonomski kriteriji niso v konfliktu z okoljskim in vodijo do ene same optimalne rešitve. Z analizo odvisnosti ekonomskega in okoljskega kriterija od investicije smo ugotovili, da se konfliktnost med kriterijema pojavi, če se eden od kriterijev izboljšuje in drugi poslabšuje z naraščanjem investicije. To je odvisno od vpliva investicije na denarni tok in okoljski kriterij. Če se denarni tok z naraščanjem investicije dovolj poveča, da preseže negativni prispevek investicije, se ekonomski kriterij z investicijo izboljša, v nasprotnem primeru se poslabša. Na to vpliva razmerje med investicijo in cenami, ki določajo prihodke in obratovalne stroške procesa. Spreminjanje okoljskega vpliva je odvisno od njegove definicije, npr. v primeru omrežja toplotnih prenosnikov se s povečanjem investicije poveča stopnja toplotne integracije in zniža poraba pogonskih sredstev, kar zniža okoljski kriterij globalnega segrevanja. V drugih primerih lahko okoljski kriterij z investicijo narašča, npr. strupenost kemikalije ob povečani proizvodnji.
S primeri smo ugotovili, da z različnimi ekonomskimi kriteriji običajno ne dosežemo istega območja vrednosti okoljskega kriterija. Največkrat so kriteriji neto sedanja vrednost, dobiček in stroški dali podobne rezultate in isto najnižjo vrednost okoljskega vpliva, medtem ko v nekaterih primerih s kriterijem interne stopnje donosnosti ni bilo mogoče doseči tako nizkega okoljskega vpliva.
Keywords: večkriterijsko optimiranje, okoljski vpliv, ekonomski kriterij, Pareto krivulje, omrežje toplotnih prenosnikov
Published in DKUM: 04.10.2012; Views: 2097; Downloads: 187
Full text (1,92 MB) |
4. OPTIMIRANJE PROCESOV PROIZVODNJE BIOPLINA IZ ŽIVALSKIH IN DRUGIH ORGANSKIH ODPADKOV Z UPORABO RAČUNALNIŠKO PODPRTE PROCESNE TEHNIKERozalija Drobež, 2011, dissertation Abstract: Eden glavnih okoljevarstvenih problemov živilskopredelovalne industrije je nenehno naraščajoča proizvodnja odpadkov različnega izvora. Proizvodnja bioplina iz organskih in živalskih odpadkov z anaerobno fermentacijo je primeren način za predelavo teh odpadkov. Predelava prinaša mnoge okoljske, ekonomske in družbene koristi.
Po drugi strani procesna sistemska tehnika s svojimi vrhunskimi orodji, ki temeljijo na matematičnem programiranju oz. optimizaciji, omogoča generiranje optimalnih in dopustnih rešitev za doseganje višjega nivoja konkurenčnosti proizvodnih podjetij.
V doktorski disertaciji obravnavamo uporabo algoritemskih metod procesne integracije v industrijskem merilu in sicer na primeru velikega živilskopredelovalnega podjetja za doseganje okoljsko sprejemljivih rešitev pri ravnanju in predelavi živalskih substratov in organskih odpadkov. Na osnovi iniciative živilskopredelovalne industrije smo za sintezo procesov proizvodnje bioplina razvili matematični model, ki omogoča selekcijo optimalnega procesa proizvodnje bioplina in sestave vhodnega substrata ter simultano optimizacijo snovnih tokov, investicijskih sredstev in obratovalnih stroškov procesa. Z matematičnim programiranjem smo postopoma najprej izvedli sintezo procesa za proizvodnjo bioplina, nato simultano sintezo s toplotno integracijo in nazadnje še sintezo procesa s simultano sintezo omrežja toplotnih prenosnikov.
Tako smo najprej razvili mešano celoštevilski nelinearni (MINLP) model za sintezo procesov proizvodnje bioplina. V primeru simultane toplotne integracije in sinteze procesa smo ga nadgradili z modelom za simultano toplotno integracijo (Duran in Grossmann, 1986), ki smo ga za potrebe industrijskega problema prilagodili za konstantne temperature in izotermno mešanje procesnih tokov. Model omogoča določitev optimalne procesne sheme in minimalne porabe pogonskih sredstev za množico alternativnih toplih in hladnih tokov procesa proizvodnje bioplina. Z omenjeno modifikacijo simultanega modela toplotne integracije in s konveksifikacijo konkavnih investicijskih členov v namenski funkciji z odsekovno linearizacijo smo razvili mešano celoštevilski linearni model (MILP), ki omogoča reševanje industrijskega problema do globalnih rešitev.
Ker pri reševanju sinteznih problemov praviloma dobimo boljše rešitve, če obravnavamo snovne in energetske bilance ter investicijska sredstva in obratovalne stroške hkrati, smo se v končni fazi sinteze procesa odločili, da tudi omrežje toplotnih prenosnikov (OTP) pri proizvodnji bioplina sintetiziramo simultano s procesom. Tako smo celotni sintezni problem zapisali na osnovi dveh med seboj povezanih superstruktur v obliki mešano celoštevilskega nelinearnega problema. Pri tem smo predlagali novo superstrukturo procesnih tokov, kjer se lahko procesni tokovi ne-izotermno mešajo in kombinirajo. Predhodno razviti model MINLP za sintezo procesa proizvodnje bioplina smo nadgradili z večstopenjskim modelom za simultano sintezo omrežja toplotnih prenosnikov (Yee in Grossmann, 1990), ki smo ga modificirali za potrebe simultanega pristopa in nove superstrukture procesnih tokov. Tako dodelan model omogoča simultano določitev optimalne procesne sheme z optimalnim omrežjem toplotnih prenosnikov pri optimalni sestavi in porabi vhodnih surovin, optimalnih obratovalnih stroških in investicijskih sredstvih.
Keywords: sinteza procesov, bioplin, anaerobna fermentacija, živalski odpadki, optimiranje, toplotna integracija, mešano celoštevilsko nelinearno programiranje, metoda odsekovne linearizacije, omrežje toplotnih prenosnikov, industrijska aplikacija
Published in DKUM: 23.02.2012; Views: 4024; Downloads: 326
Full text (4,74 MB) |
5. MINLP SINTEZA VODNIH OMREŽIJ IN OMREŽIJ TOPLOTNIH PRENOSNIKOVMiloš Bogataj, 2010, dissertation Abstract: V doktorski disertaciji obravnavamo dve tematiki s področja sinteze procesov. Prva je sinteza toplotno integriranih vodnih omrežij. Vodna omrežja so v takšni ali drugačni obliki integralni del praktično vseh kemijskih procesov. Zaradi relativno nizkih cen vode, nezavedanja o omejenosti vodnih virov in ohlapne okoljske zakonodaje so bila pogosto deležna premajhne pozornosti. Poleg same porabe vode in problematike, ki jo prinese njeno onesnaževanje z vrsto različnih onesnaževal, je enako problematična tudi spremljajoča poraba energije.
V preteklosti se je izkazalo, da so rešitve sinteznih problemov, kadar obravnavamo snovne in energijske bilance ter investicijska sredstva in obratovalne stroške hkrati, v večini primerov boljše od tistih, ki jih dobimo na osnovi sekvenčnega pristopa. Iz tega razloga predlagamo simultan pristop k reševanju problematike toplotno integriranih vodnih omrežij. Sintezni problem zapišemo na osnovi matematičnega zapisa dveh med seboj povezanih superstruktur v obliki mešano celoštevilskega nelinearnega problema (MINLP). Prva je superstruktura vodnega omrežja, kjer so procesne enote med seboj povezane s tokovnicami preko mešalnikov in razdelivcev tokov. Druga je nadgrajena stopenjska superstruktura omrežja toplotnih prenosnikov, v kateri je omogočeno mešanje procesnih tokov.
Predlagani pristop omogoča sintezo toplotno integriranih vodnih omrežij, v katerih je učinkovitost izrabe vode zasnovana na izkoriščanju možnosti njene ponovne uporabe in regeneracije. Energijsko učinkovitost dosegamo z izkoriščanjem posrednega prenosa toplote (v toplotnih prenosnikih) in neposrednega prenosa toplote (mešanje procesnih tokov). Strukture toplotno integriranih vodnih omrežij, ki jih dobimo z uporabo predlaganega pristopa, so topološko enostavne in ekonomsko učinkovite.
Druga tematika je globalno optimiranje omrežij toplotnih prenosnikov. Ekonomsko ugodne rešitve problema sinteze omrežij toplotnih prenosnikov zagotovimo, kadar hkrati optimiramo investicijska sredstva, ki so vezana na ploščino toplotnih prenosnikov in obratovalne stroške, ki nastanejo zaradi porabe pogonskih sredstev. To zahteva formulacijo v obliki problema MINLP, ki je zaradi prisotnih nelinearnih funkcij nekonveksen. Posledično so dobljene rešitve lokalno optimalne.
Za zagotavljanje globalne optimalnosti rešitev predlagamo formulacijo modela MINLP na osnovi stopenjske superstrukture in pridružene agregirane podstrukture, ki vsebuje število toplotnih prenosnikov in je blizu teoretičnega minimuma. Stopenjska superstruktura služi zgolj kot matrica za določanje termodinamsko dopustnih toplotnih stikov. Vse nekonveksnosti so prenesene v agregirano podstrukturo, kar močno zmanjša njihovo število. Konveksifikacijo nekonveksnih izrazov izvedemo z uporabo večnivojskih odsekovnih podcenitvenih funkcij, s katerimi zamenjamo vire nekonveksnosti. Konveksni model nato uporabimo za določevanje veljavne spodnje meje originalnemu nekonveksnemu problemu. Vrzel med veljavno spodnjo mejo in zgornjo mejo zmanjšamo do zadostitve tolerančnega kriterija z uporabo v ta namen razvitega večnivojskega algoritma, s katerim rešujemo konveksni problem MINLP.
Keywords: sinteza procesov, toplotno integrirana vodna omrežja, globalno optimiranje, omrežje toplotnih prenosnikov, mešano celoštevilsko nelinearno programiranje.
Published in DKUM: 01.07.2010; Views: 4083; Downloads: 372
Full text (15,93 MB) |
6. NAČRTOVANJE FLEKSIBILNIH OMREŽIJ TOPLOTNIH PRENOSNIKOVNoles Jovanovič Slana, 2010, undergraduate thesis Abstract: V diplomskem delu je prikazan dvostopenjski poenostavljen postopek za načrtovanje fleksibilnih omrežij toplotnih prenosnikov (OTP). V prvi stopnji izvedemo sintezo omrežja pri nominalnih pogojih s superstrukturnim pristopom in mešano celoštevilskim nelinearnim programiranjem. Nato v drugi stopnji pri fiksirani optimalni strukturi izvedemo načrtovanje fleksibilnega omrežja s stohastičnimi metodami. V diplomskem delu smo se osredotočili na eno skupino negotovih parametrov, tj. vtočne temperature toplih in hladnih tokov, za katere smo predpostavili, da so slučajne spremenljivke, opisane z normalno porazdelitvijo in se spreminjajo za največ  5 K od nominalne vrednosti. Pristop smo preizkusili na štirih primerih sinteze OTP. Sintezo pri nominalnih pogojih smo izvedli s programom Synheat. Za dobljena omrežja smo izvedli teste fleksibilnosti in izračunali indekse fleksibilnosti, ki so pokazali, da takšna omrežja niso sposobna tolerirati niti manjših sprememb vtočnih temperatur. Za načrtovanje fleksibilnih omrežij smo uporabili stohastični metodi Gaussove integracije in Monte Carlo simulacije ter aproksimacijski metodi z nominalno in bazno točko. Metode smo primerjali glede na težavnost modeliranja, velikost problemov in računalniški napor za reševanje. Rezultati primerov kažejo, da so skupni stroški fleksibilnih omrežij do 18 % višji od stroškov nefleksibilnih omrežij, saj se poveča skupna ploščina prenosnikov. Aproksimacijski metodi z nominalno in bazno točko dajeta slabše rezultate od stohastičnih metod, vrednosti namenske funkcije so višje do 1,7 %. Pri večjih omrežjih je smiselno uporabiti enostavnejše aproksimacijske metode, pri manj obsežnih primerih pa natančnejšo Gaussovo metodo ali simulacijo Monte Carlo. V primeru negotovih parametrov s simetrično normalno porazdelitvijo uporaba bazne točke ne pomeni bistvene izboljšave v primerjavi z nominalno točko.
Keywords: omrežje toplotnih prenosnikov, načrotvanje, sinteza, fleksibilnost, negotovost
Published in DKUM: 29.03.2010; Views: 2192; Downloads: 214
Full text (1,69 MB) |
