1. Sinteza fleksibilnih in trajnostnih (bio)kemijskih procesov in mrež v pogojih negotovosti : doktorska disertacijaKlavdija Zirngast, 2021, doctoral dissertation Abstract: V doktorski disertaciji je prikazan razvoj robustnih računalniških metod za načrtovanje in sintezo fleksibilnih procesov in mrež z velikim številom negotovih parametrov. Uporaba natančnejših metod, kot je npr. Gaussova integracijska metoda, vodi do eksponentne rasti matematičnega problema glede na število negotovih parametrov. Glavni dosežek disertacije je metodologija, s katero se izognemo eksponentni rasti. Metodologija temelji na dvostopenjski stohastični formulaciji z rekurzom in razstavi reševanje na več korakov, v katerih ločeno določimo prvostopenjske spremenljivke, tj. topologijo in velikost oz. kapaciteto procesa, ter drugostopenjske spremenljivke, tj. obratovalne in regulacijske spremenljivke. Pri tem praviloma rešujemo matematični problem le v eni točki (scenariju), v posameznih variantah metode pa hkrati v manjšem številu scenarijev, npr. do deset.
Osnovna ideja metodologije je naslednja: začetno optimalno, a praktično nefleksibilno procesno shemo generiramo pri nominalnih vrednostih negotovih parametrov. To shemo nato zaporedoma optimiramo pri različnih skrajnih vrednostih negotovih parametrov, tako da za procesne enote, ki so že v shemi, določimo potrebno povečanje velikosti, nove enote pa dodajamo le, če je to potrebno za doseganje dopustne rešitve. Na ta način določimo izbor procesnih enot in njihove velikosti za fleksibilno obratovanje. Ko se ti ne spreminjajo več, izračunamo indeks fleksibilnosti za dobljeno rešitev in izvedemo stohastično optimizacijo Monte Carlo za določitev optimalnih drugostopenjskih spremenljivk. Obenem izračunamo pričakovano vrednost optimizacijskega kriterija z določeno stopnjo zaupanja. Za vzpostavitev toka informacij med ločenima korakoma določanja prvo- in drugostopenjskih spremenljivk smo izdelali modificirano metodo, v kateri izračunavamo korekcijske faktorje, s katerimi izboljšamo vzpostavljanje kompromisov med obema vrstama spremenljivk in iterativno izboljšujemo končni rezultat.
Za povečanje učinkovitosti optimizacije Monte Carlo v zgoraj opisani metodologiji smo razvili indikator, s katerim določimo minimalno potrebno število scenarijev, da so rezultati dovolj točni za praktično uporabo. Na ta način skrajšamo čas reševanja. Vpeljali smo tudi relativni indeks optimalnosti, s katerim primerjamo približne pristope, ki smo jih razvili, z bolj točnimi.
S predlagano metodologijo smo izvedli sinteze fleksibilnih omrežij toplotnih prenosnikov in dobavnega omrežja za proizvodnjo električne energije iz bioplina, ki smo jo nadgradili s predelavo digestata v kvalitetnejša gnojila. Dokazali smo, da lahko s to metodologijo generiramo fleksibilne rešitve za velike procesne sheme z več deset negotovimi parametri v zmernem času z obvladljivim računalniškim naporom.
V zadnjem delu disertacije smo oblikovali pristope za vključevanje negotove vrednosti davka na emisije CO2 v sintezo fleksibilnih procesov v celotnem življenjskem ciklu. Razvili smo enoperiodni in večperiodni stohastični pristop. Primerjava rezultatov z determinističnim pristopom je potrdila prednost stohastičnega pristopa.
Razvita metodologija predstavlja orodje za sprejemanje trajnostnih investicijskih odločitev v pogojih negotovosti in prispeva k dolgoročnemu povečanju učinkovitosti in konkurenčnosti v procesni industriji. Njena glavna prednost je, da je uporabna za reševanje primerov z velikim številom negotovih parametrov. V nekaterih študijskih primerih smo uporabili trajnostno namensko funkcijo in tako sintezo fleksibilnih procesov povezali s trajnostnim razvojem, pri čemer se vzpostavljajo dolgoročni optimalni kompromisi med fleksibilnostjo obratovanja ter ekonomskimi, okoljskimi in socialnimi vidiki. S predelavo odpadka iz bioplinarne v koristne produkte smo v sintezo fleksibilnih procesov in mrež uvedli zapiranje zank in krožno gospodarstvo.
Keywords: matematično programiranje, negotovost, fleksibilnost, stohastično optimiranje, sinteza procesov, dobavno omrežje, emisije CO2, trajnostni razvoj
Published in DKUM: 03.09.2021; Views: 1219; Downloads: 105
 Full text (3,26 MB) |
2. Sinteza sistemov z maksimiranjem trajnostne neto sedanje vrednostiDavid Širovnik, 2016, master's thesis Abstract: Magistrsko delo obravnava uporabo koncepta trajnostne neto sedanje vrednosti kot novega merila in kriterija za merjenje trajnosti ob upoštevanju ekonomskega, okoljskega in socialnega vidika (Širovnik in drugi, 2016). Namreč, pri sintezi trajnostnih sistemov, kjer je veliko število alternativ, so potrebni takšni kriteriji, ki omogočajo dobiti najboljšo rešitev z enokriterijskim optimiranjem.
V prvem delu z ustreznim sestavljanjem različnih kriterijev predstavljamo pretvorbo večkriterijskega problema v enokriterijski s konceptom trajnostne neto sedanje vrednosti. Z maksimiranjem trajnostne neto sedanje vrednosti je mogoče dosegati optimalno ravnovesje med ekonomskimi, okoljskimi in socialnimi kriteriji.
V drugem delu je predstavljena uporaba koncepta trajnostne neto sedanje vrednosti iz mikro in makroekonomskih vidikov na primerih dobavnih omrežij: i) oskrbovalno omrežje bioplina iz živalskih odpadkov na nivoju podjetja in ii) regionalno dobavno omrežje za proizvodnjo biogoriv na nivoju večje regije (na primeru Srednje Evrope).
Rezultati kažejo, da so dobavna omrežja za proizvodnjo bioplina in biogoriv na regionalnem nivoju trajnostne tako z mikroekonomskega kot tudi iz makroekonomskega vidika.
Keywords: sinteza procesov, trajnostni vidik, trajnostna neto sedanja vrednost, večkriterijsko optimiranje, dobavno omrežje, dobavno omrežje proizvodnje bioplina, regionalno dobavno omrežje proizvodnje biogoriv
Published in DKUM: 18.10.2016; Views: 1829; Downloads: 218
Full text (10,71 MB) |
3. |
4. |
5. 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: 323
Full text (4,74 MB) |
6. 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: 367
Full text (15,93 MB) |
7. |
