Detail předmětu

Systémové přístupy pro procesy a energetiku

FSI-KS3 Ak. rok: 2027/2028 Letní semestr

Předmět prezentuje postupy, techniky a činnosti, jejichž úkolem je systematickým způsobem zajistit co nejlepší řešení procesní či energetické výrobní linky, jejího subsystému i dílčího zařízení, a to jak při novém návrhu, tak při rekonstrukci stávajícího provedení pro nové účely. Těžištěm předmětu je integrované řešení procesu metodou Pinch Analysis: extrakce dat z flowsheetu, stanovení energetické koncepce procesu (targeting, supertargeting, utility selection), tepelná integrace procesů ve výrobním komplexu (Total Site Analysis), syntéza výměníkové sítě při novém návrhu (grassroot design) a její úpravy při rekonstrukci (retrofit design) včetně intenzifikace výměníků tepla. Dále se probírá výběr, technická koncepce a úvodní dimenzování nejnáročnějších „hot utilities“, návrh multifunkčních integrovaných procesních zařízení, integrace energie z lokálních obnovitelných zdrojů a optimální návrh potrubí a izolací. Cvičení probíhají v počítačové laboratoři a řeší se na nich průmyslové a modelové příklady.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

6

Garant předmětu

prof. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D.

Zajišťuje ústav

Ústav procesního inženýrství

Vstupní znalosti

Student musí umět:

  • sestavit hmotnostní a energetickou bilanci procesu a vypočítat tepelný výkon procesního proudu,
  • vypočítat teplosměnnou plochu výměníku tepla (střední logaritmický teplotní spád, součinitel prostupu tepla) a popsat konstrukci trubkových a deskových výměníků tepla,
  • vypočítat tlakovou ztrátu potrubí a tepelnou ztrátu izolovaného potrubí,
  • vypočítat spalování paliva a sestavit tepelnou bilanci pece nebo kotle,
  • odhadnout investiční a provozní náklady zařízení a vypočítat prostou dobu návratnosti investice.

Tyto znalosti studenti získají zejména v předmětech Tepelné pochody, Hydraulické pochody, Energie a emise a Navrhování procesních a energetických systémů.

Způsob zakončení předmětu a pravidla hodnocení studentů

Předmět je ukončen zkouškou (klasifikace stupnicí ECTS). Součástí hodnocení je zápočet ze cvičení. Udělení zápočtu je podmínkou pro vykonání zkoušky.

Přednášky: účast je nepovinná (doporučená).

Cvičení: účast je povinná a kontrolovaná vyučujícím na každém cvičení. Povolené jsou dvě absence bez náhrady. Každá další absence musí být řádně zdůvodněna a student vypracuje úlohy, které zameškal. Zameškanou zápočtovou písemku student napíše v náhradním termínu.

Zápočet (podmínky udělení):

  1. pravidelná a aktivní účast na cvičeních,
  2. úspěšné napsání dvou zápočtových písemek v 6. a 13. týdnu. 1. písemka ověřuje výpočet zadaného problému z učebních cílů 2 a 3, 2. písemka z učebních cílů 4 až 6. Každá písemka je hodnocena maximálně 20 body a je úspěšná při zisku alespoň 10 bodů. Neúspěšnou písemku lze jednou opravit, nejpozději do konce zkouškového období.

Zkouška má dvě části:

  1. Písemná část: ověřuje teoretické znalosti z přednášek (zejména učební cíl 1 a teoretické základy cílů 2 až 6), maximálně 30 bodů.
  2. Ústní část: dvě teoretické otázky z přednášek, maximálně 2 × 10 bodů.

Z každé části zkoušky je nutné získat alespoň 50 % bodů. Výsledná klasifikace: součet bodů z obou částí zkoušky, maximálně 50 bodů. A: 45–50, B: 40–44, C: 35–39, D: 30–34, E: 25–29, F: 0–24.

Učební cíle

Student po absolvování předmětu umí:

  1. vysvětlit fáze integrovaného řešení procesu, principy metod Pinch Analysis a Total Site Analysis, typy optimalizačních úloh (LP/MILP, NLP/MINLP) a možnosti integrace energie z lokálních obnovitelných zdrojů do procesu,
  2. extrahovat data z flowsheetu, provést targeting procesu (energy, capital a total targeting), stanovit optimální minimální teplotní rozdíl (supertargeting), zvolit skladbu externích utilit (utility selection) a pro modelový výrobní komplex určit potenciál vzájemné tepelné integrace procesů,
  3. navrhnout výměníkovou síť pro nový proces (grassroot design) a optimální úpravy existující výměníkové sítě při rekonstrukci procesu (retrofit design),
  4. vyčíslit intenzifikační efekt technických prvků a navrhnout intenzifikační rekonstrukci výměníku tepla s nejvhodnějším prvkem,
  5. vybrat technicko-ekonomicky nejvhodnější řešení „hot utility“ pro zadaný proces, stanovit jeho technickou koncepci a předběžně dimenzovat jeho hlavní části,
  6. navrhnout hlavní část multifunkčního integrovaného procesního zařízení a optimální průměr potrubí a tloušťku jeho izolace pro zadané provozní podmínky.

Studijní opory

Prezentace z přednášek, zadání úloh a podklady ke cvičením poskytuje vyučující studentům průběžně během semestru na dohodnutém úložišti, ke kterému mají zapsaní studenti přístup (lze dohodnout Moodle, sdílený disk nebo MS Teams).

Použití předmětu ve studijních plánech

Program N-PRI-P: Procesní inženýrství, magisterský navazující, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Osnova


  1. Úvod do systémových přístupů pro integrované řešení procesu metodou Pinch Analysis, představení částí a fází integrovaného řešení a nejčastějších typů optimalizačních úloh, resp. metod řešení (LP/MILP, NLP/MINLP). Představení technik pro úvodní část řešení (optimalizace podmínek klíčového zařízení a vytvoření výchozího schématu (flowsheetu) klíčového zařízení a souvisejících procesních proudů).

  2. Zásady extrakce dat z flowsheetu pro potřeby integrovaného řešení procesu metodou Pinch Analysis. Zpracování získaných dat do výchozí podoby potřebné pro řešení energetické koncepce procesu (targeting).

  3. Technicko-ekonomická rozvaha o optimálním provedení energetické koncepce navrhovaného procesu, tj. optimální úrovně procesní výměny tepla a externích utilit (supertargeting), a výběr optimální skladby externích energetických zdrojů procesu (utility selection).

  4. Specifický systémový přístup pro identifikaci optimální úrovně vzájemné tepelné integrace provozovaných procesů v rámci výrobního komplexu (Total Site Analysis).

  5. Metody optimálního osazení (tzv. syntézy) výměníkové sítě pro procesní výměnu tepla v případě nového návrhu procesu (grassroot design).

  6. Metody optimálních úprav osazení existující výměníkové sítě pro procesní výměnu tepla v případě integrované rekonstrukce procesu (retrofit design).

  7. Úvod do intenzifikačního řešení rekonstrukce výměníkové sítě a představení technických prvků používaných při intenzifikační rekonstrukci.

  8. Systémové přístupy pro intenzifikační řešení rekonstrukce výměníkové sítě optimálním využitím nejvhodnějších technických prvků.

  9. Techniky pro výchozí technicko-ekonomické posouzení konkurenčních variant provedení nejnáročnějších „hot utilities“ a výběr nejvhodnějšího řešení „hot utility“ procesu.

  10. Metody pro stanovení optimálního technického uspořádání (tj. technické koncepce) vybraného nejvhodnějšího řešení „hot utility“ procesu.

  11. Metody pro úvodní optimální rozměrové dimenzování hlavních částí technické koncepce vybraného nejvhodnějšího řešení „hot utility“ procesu.

  12. Techniky pro optimální návrh a rekonstrukci multifunkčních integrovaných procesních zařízení.

  13. Systémové přístupy pro dokončení návrhu procesu (technika integrace energie získávané z dostupných lokálních obnovitelných zdrojů do procesu, optimální návrh potrubí a izolací).

Cvičení s počítačovou podporou

26 hod., povinná

Osnova


  1. Výpočty vybraných příkladů optimalizace podmínek klíčového zařízení a vytvoření výchozího schématu (flowsheetu) klíčového zařízení a souvisejících procesních proudů.

  2. Řešení vybraného průmyslového příkladu na targeting procesu (provedení technik energy targeting, capital targeting a total targeting).

  3. Praktická aplikace techniky supertargeting a techniky utility selection při řešení úvodní fáze systémového návrhu nového procesu.

  4. Základní aplikace systémového přístupu Total Site Analysis pro zadaný modelový případ výrobního komplexu.

  5. Aplikace metody pro určení optimálního osazení výměníkové sítě na vybraném případu návrhu nového procesu (grassroot design).

  6. Aplikace metody pro určení optimálních úprav osazení existující výměníkové sítě na vybraném případu integrované rekonstrukce procesu (retrofit design). 1. zápočtová písemka.

  7. Aplikace výpočtových metod pro určování intenzifikačních efektů pro konkrétní vybrané případy technických prvků používaných pro intenzifikační rekonstrukci.

  8. Praktická aplikace systémového přístupu pro intenzifikační řešení rekonstrukce konkrétního výměníku pomocí optimálního provedení nejvhodnějšího technického intenzifikačního prvku.

  9. Aplikace vybrané numerické techniky pro výběr nejvhodnějšího řešení „hot utility“ pro zadaný proces.

  10. Aplikace vybraných výpočtových metod pro stanovení optimální technické koncepce vybraného nejvhodnějšího řešení „hot utility“ pro zadaný proces (návaznost na cvičení 9).

  11. Aplikace metod pro úvodní optimální rozměrové dimenzování hlavních částí technické koncepce vybraného nejvhodnějšího řešení „hot utility“ pro zadaný proces (návaznost na cvičení 10).

  12. Aplikace vybrané techniky pro optimální návrh hlavní části multifunkčního integrovaného procesního zařízení.

  13. Aplikace metody optimálního návrhu potrubí a jeho izolace pro zadané procesní podmínky. 2. zápočtová písemka. Zápočet.