Uporaba računalniško podprte procesne tehnike za integracijo industrijskih procesov : doktorska disertacija

slovenski

doktorska dela

2009

Disertacije   električna energija   Industrijski procesi   Integracija   kontinuirni procesi   poligeneracija   retrofit   šaržni procesi   toplota   vodni sistemi

Univerza v Mariboru, Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

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 selahko 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 vodnihsistemov 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 modelMILP 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 sprotitlačno 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 %.

07.08.2023