Iskanje po katalogu digitalne knjižnice

Opis: Magistrsko delo prikazuje analizo procesa mešanja v podjetju, ki se ukvarja s proizvodnjo pralnih sredstev in drugih kemičnih proizvodov za čiščenje. Tehnološki proces je sestavljen iz več korakov, vse od skladiščenja in kontrole prispelih surovin do pakiranja in kontrole končnih izdelkov ter njihove odpreme. Osrednji proces poteka v mešalnih posodah, kjer se preko kače v plašču vsebina v mešalcu greje oz. hladi. Pri mešanju lahko pride bodisi do sproščanja toplote in je potrebno hlajenje ali pa je za pripravo surovin potrebno dodatno gretje. V proizvodnem procesu podjetja skupno poteka proizvodnja po približno 220 recepturah, ki se izvajajo po določenem urniku. Glavni cilj magistrske naloge je bil za določeno obdobje oceniti, koliko energije je potrebno za gretje oz. hlajenje pri procesu mešanja. Iz ocene porabe energije za določeno obdobje se je izkazalo, da so potrebe po hlajenju veliko večje kot po gretju. Glede na specifiko obravnavanega šaržnega procesa se je vpeljava toplotne integracije procesa izkazala za manj možno. V nadaljevanju smo se zato osredotočili na iskanje možnosti za izkoriščanje odpadne toplote, ki jo odvede hladivo ter raziskali priložnosti za izboljšanje učinkovitosti hlajenja in posledično tudi zmanjšanja stroškov. Na podlagi pridobljenih podatkov, ocen energetskih bilanc ter z uporabo literature smo predlagali nekaj potencialnih rešitev in smernic za izboljšave procesa oz. nadaljnje korake optimizacije proizvodnje. Možnosti uvedbe novosti smo tudi preučili in ovrednotili njihovo uporabnost za proces. Pridobljeni podatki so za podjetje zelo koristni, saj so med analizo pridobili natančnejše podatke, ki dodatno koristijo pri poznavanju in razumevanju procesa.
Ključne besede: šaržni procesi, toplotna integracija, izkoriščanje odpadne toplote, hlajenje, gretje
Objavljeno v DKUM: 27.06.2022; Ogledov: 820; Prenosov: 64
Celotno besedilo (2,09 MB)

Opis: Diplomsko delo se osredotoča na analizo procesnih tokov železarske in jeklarske industrije, rafinerij, proizvodnje amonijaka in proizvodnje cementa ter apna, v Združenih državah Amerike. Ti predstavljajo podsektorje, ki imajo znatno porabo in višek primarnih virov energije. Cilj diplomskega dela je bil, da določimo kje prihaja do največjih energijskih izgub ter raziskava vpliva uvedbe toplotne integracije znotraj posameznega sektorja in tudi integracije med sektorjiali kombinaciji dveh. Najprej smo izvedli analizo zgodovinskih porab energij v posameznih sektorjih. S preučevanjem primarnih virov energije ter njihovih tokov doprinesemo k razumevanju sistema rabe energije ter nastajanja izgub po posameznih sektorjih. Potencial uvedbe toplotne integracije smo določili na podlagi najbolj pogosteje uporabljene tehnologijo znotraj posameznega podsektorja in njihovih procesnih tokov. Potencial toplotne integracije smo ocenili z uporabo tehnologije uščipa, ki smo ga izvedli ter rezultate grafično predstavili s pomočjo programa Microsoft Excel in postavljenih izračunov za uščipno tehnologijo. Ugotovili smo, da z uvedbo toplotne integracije, v posameznih podsektorjih oziroma v povezavi dveh, pridemo do velikih prihrankov energije. Nadalje smo s pomočjo sestave energijskega miksa ocenili izpuste CO2eq v že omenjenih podsektorjih.
Ključne besede: industrijski sektorji, toplotna integracija, uščipna tehnologija, energijski sistem, CO2 emisije
Objavljeno v DKUM: 15.10.2021; Ogledov: 990; Prenosov: 57
Celotno besedilo (2,16 MB)

Opis: V magistrskem delu smo analizirali in s supertrukturnim pristopom poiskali predloge za rekonstrukcijo omrežij toplotnih prenosnikov za posamezne obrate in več obratov oz. celotna območja ob upoštevanju spremenljivih obratovalnih pogojev. Za posamezne obrate in celotna območja smo z namenom znižanja porabe energije ob upoštevanju nedoločenih obratovalnih pogojev temperature, pretokov in sestav vhodnih surovin najprej s programom TransGen ugotavljali potencial za zmanjšanje energije. Nato smo s postopkom matematičnega programiranja s programom TransGen predlagali modifikacije za zmanjšano porabo energije v posameznih obratih in celotnih območjih. Z uporabo multiperiodnega modela smo za dane scenarije za modifikacije pridobili fleksibilne rešitve. Z metodo Monte Carlo smo za podatke ob spremenljivih obratovalnih pogojih procesov in celotnih območij procesov pridobili pričakovane in nominalne vrednosti spremenljivk in njihove frekvenčne in kumulativne porazdelitve. Na štirih primerih smo analizirali potencial zmanjšanja porabe pogonskih sredstev v odvisnosti od števila modifikacij in izračunali ekonomsko upravičenost. V vseh primerih smo ugotovili precejšen potencial za zmanjšanje energije: v prvem primeru 21 %, v drugem 17,4 %, v tretjem 75,9 % in v četrtem primeru 72,4 %. Poraba pogonskih sredstev se skoraj linearno zmanjšuje v odvisnosti od števila modifikacij, dobiček pa se s številom modifikacij povečuje. Doba vračanja je v vseh primerih manjša od enega leta: v prvem primeru znaša 2,4 mesece, v drugem 3 mesece, v tretjem 3,6 mesecev in v četrtem 7,8 mesecev.
Ključne besede: : matematično programiranje, TransGen, toplotna integracija, integracija celotnega območja, fleksibilnost, rekonstrukcija obratov
Objavljeno v DKUM: 19.11.2015; Ogledov: 1592; Prenosov: 152
Celotno besedilo (5,78 MB)

Opis: 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.
Ključne besede: sinteza procesov, bioplin, anaerobna fermentacija, živalski odpadki, optimiranje, toplotna integracija, mešano celoštevilsko nelinearno programiranje, metoda odsekovne linearizacije, omrežje toplotnih prenosnikov, industrijska aplikacija
Objavljeno v DKUM: 23.02.2012; Ogledov: 4024; Prenosov: 322
Celotno besedilo (4,74 MB)

Opis: Procesna integracija je učinkovito orodje, ki omogoča podjetjem, da obstoječo proizvodnjo prilagodijo načelom trajnostnega razvoja, saj lahko z integracijo znižajo porabo sveže vode, toplote, električne energije in drugih virov ter zmanjšajo okoljske obremenitve. Orodja računalniško podprte procesne tehnike, ki temeljijo na matematičnem programiranju, omogočajo sistematično in simultano obravnavanje procesnih problemov. Uporaba v realnih industrijskih primerih pogosto zahteva različne modifikacije modelov, da bi jih prilagodili dejanskem stanju v proizvodnji in dobili uporabne rezultate za podjetje. V doktorski disertaciji smo se osredotočili na znižanje porabe treh najpomembnejših virov, tj. vode, toplote in električne energije, ter na kvantitativno oceno trajnostnih kazalcev. V primeru integracije vodnega sistema smo izhajali iz mešanega celoštevilskega nelinearnega problema (MINLP), ki sta ga razvila Kim in Smith (2004) za načrtovanje šaržnih vodnih sistemov. Njuno matematično formulacijo smo nadgradili za potrebe študijskega primera z možnostmi za: a) ponovno uporabo vode med kontinuirnimi in šaržnimi pocesi, b) namestitev zbiralnika za neizkoriščen odpadni koninuirni tok, ki se lahko ponovno uporabi v časovnih intervalih, ko kontinuirni proces ne obratuje in c) namestitev lokalnih čistilnih naprav na mestu nastajanja odpadne vode. Model omogoča izbiro med šaržnimi in kontinuirnimi čistilnimi napravami ter simultano določi časovni načrt obratovanja šaržnih čistilnih naprav glede na nespremenljiv časovni načrt proizvodnje. Za integracijo vodnih sistemov več obratov smo v doktorski disertaciji predlagali večnivojski pristop, ki temelji na uporabi razvitih modelov. Pristop smo preizkusili pri integraciji vodnih porabnikov proizvodnega in polnilnega sektorja na realnem industrijskem primeru pivovarne. V primeru toplotne integracije šaržnih procesov smo izhajali iz mešanega celoštevilskega linearnega problema (MILP), ki sta ga razvila Lee in Reklaitis (1995) za integracijo cikličnih šaržnih procesov. Privzeti model iz literature smo spremenili v treh korakih z namenom, da ga prilagodimo dejanskem stanju v proizvodnji: a) v časovni načrt smo poleg toplih in hladnih tokov vključili tudi procese brez temperaturnih sprememb, b) omogočili smo cepljenje tokov oz. večkratne stike in c) definirali ekonomsko namensko funkcijo namesto relativnega prihranka kot v osnovni formulaciji. Razširjeni problem MILP smo preizkusili na primeru varilnice v pivovarni. Poligeneracijski sistemi omogočajo hkratno pridobivanje električne in/ali mehanske energije ter toplote in hladu iz istega goriva. Za primer pivovarne smo razvili poenostavljen matematični model MILP za študijo možnosti različnih poligeneracijskih sistemov in izbor optimalnega. V superstrukturo smo vključili kogeneracijske in trigeneracijske sisteme s protitlačno parno turbino in kogeneracijski sistem s plinsko turbino. Podjetja nadzirajo svoj napredek k trajnostni proizvodnji in celotnemu poslovanju s spremljanjem okoljskih, družbenih in ekonomskih kazalcev ter sestavljenega kazalca trajnostnega razvoja. Zato smo poleg ekonomskih učinkov rezultatov procesne integracije analizirali tudi njihov vpliv na trajnostne indikatorje. V študijskem primeru obrata pivovarne bi s predlaganimi integracijskimi ukrepi znižali specifično porabo vode za 25 % in specifično porabo toplote za 3,2 %. Z namestitivijo kogeneracijskega sistema s protitlačno parno turbino bi znižali strošek nakupa električne energije za 42 % in emisijo CO2 za 45 %. Ekonomska upravičenost vseh projektov je pozitivna. Izboljšal bi se tudi indeks trajnostnega razvoja in sicer za 2 %.
Ključne besede: integracija vodnih sistemov, toplotna integracija, poligeneracija, šaržni procesi, kontinuirni procesi, retrofit, industrijska aplikacija
Objavljeno v DKUM: 22.12.2009; Ogledov: 4423; Prenosov: 224
Celotno besedilo (2,32 MB)