Ενότητα Ι Βασικά Στοιχεία Σχεδιασμού
Διάλεξη 1 Εισαγωγικά
Τροφοδοσία Σύνθεση Διεργασιών? Διεργασία Προϊόντα Αλλαγές φάσης Διαχωρισμοί Αντίδραση Ανάμιξη Ψύξη Θέρμανση Σύνθεση Επιλογή χημικών αντιδράσεων, διεργασιών, και στοιχείων ολοκλήρωσης που οδηγούν σε κάποια επιθυμητά προϊόντα
Σύνθεση και σχεδιασμός? Τροφοδοσίες Διεργασία Προϊόντα Επιλογή αντιδράσεων Σύνθεση & επιλογή διεργασιών Σύνταξη ροοδιαγράμματος Χρήση τεχνικών (θερμοδυναμικών και υπολογιστικών) Χρήση λογισμικού Προσομοίωση διεργασίας Χρήση μαθηματικών μοντέλων
Προσομοίωση (process simulation) Προσομοιωτές - μαθηματικά μοντέλα αναπαράστασης της διεργασίας Είσοδοι Παράμετροι διεργασίας? Έξοδοι Τροφοδοσίες Διεργασία Προϊόντα Ροές Συγκεντρώσεις Θερμοκρασίες Πιέσεις Διαστασιολόγηση Ενεργειακή απόδοση Η προσομοίωση μπορεί να βοηθήσει και να συνεπικουρήσει στην ανάλυση του σχεδιασμού Ροές Συγκεντρώσεις Θερμοκρασίες Πιέσεις
Αποτίμηση της διεργασίας Αναλυτική σκέψη συνδυασμένη με την αντίληψη που απαιτείται από ένα μηχανικό Οικονομικά κριτήρια Προφανή κριτήρια (κόστος, κέρδος κλπ) Περιβαλλοντικά κριτήρια Ο σχεδιασμός πρέπει να πληρεί όρους αειφορικής λειτουργίας (εκπομπές στο περιβάλλον, χωροταξικές προδιαγραφές κ.α) Ελαχιστοποίηση αποβλήτων Ενεργειακή απόδοση Εκτός από τα βασικά...
Ανάλυση διεργασίας Υγεία και ασφάλεια Διεργασία πρέπει να καλύπτει προδιαγραφές ασφαλούς λειτουργίας Λειτουργικότητα, έλεγχος, ανθεκτικότητα (resiliency) Δυναμική συμπεριφορά σε αλλαγές, συστήματα ελέγχου Ευελιξία (flexibility) Δυνατότητα να ανταποκρίνεται σε αλλαγές στις αρχικές προδιαγραφές Εφικτότητα, αξιοπιστία (feasibility, reliability) Εφικτοί όροι λειτουργικότητας
Ιεράρχηση επιλογών Όλα αυτά τα στοιχεία είναι σημαντικά αλλά από που αρχίζει κανείς τη σχεδιαστική διαδικασία; - ακολουθώντας τη ροή της πρώτης ύλης; - ξεκινώντας απο την πιο δύσκολη διεργασία; - ακολουθώντας την πατέντα που αγοράσαμε; - ακολουθώντας τη βιβλιογραφία;
Το μοντέλο-κρεμμύδι (onion model) Separation and Recycle System Heat Exchanger Network Utility system Αντιδραστήρας: κεντρική διεργασία προβλήματα σύνθεσης Αντίδρασηδιαχωρισμός: Ορίζουν ενεργειακές ανάγκες Αντίδρασηδιαχωρισμός-ΔΕΘ: Ορίζουν ανάγκες παροχών
Ιεράρχηση αποφάσεων Για δεδομένη αντίδραση και αντιδραστήρα... FEED FEED PRODUCT BYPRODUCT Cooling water... μπορούμε να καθορίσουμε ακολουθίες διαχωρισμού για να απομονώσουμε τα χρήσιμα προϊόντα, ανακυκλώνοντας πρώτη ύλη και διαχωρίζοντας παραπροϊόντα Recycle FEED CW FEED FEED PRODUCT BYPRODUCT CW PRODUCT BYPRODUCT
Η αντίδραση βρίσκεται στο κέντρο των αποφάσεων, μετά έρχονται οι διαχωρισμοί... Για κάθε διαφορετικό αντιδραστήρα - πίεση - θερμοκρασία - απόδοση FEED - καταλύτης κλπ μπορεί να απαιτείται και ένα διαφορετικό σύστημα διαχωρισμού - είδος διαχωρισμού - διάταξη - λειτουργικές συνθήκες - ενεργειακά φορτία Cooling water FEED PRODUCT BYPRODUCT Recycle FEED FEED PRODUCT BYPRODUCT
... μετά έρχεται η ενεργειακή ολοκλήρωση Για κάθε συνδυασμό αντίδρασης-διαχωρισμού υπάρχουν πλήθος απο ενεργειακά ολοκληρωμένες διατάξεις σχεδιασμού CW FEED CW FEED CW PRODUCT CW FEED FEED BYPRODUCT BYPRODUCT
Σχεδιαστικές Μελέτες: ομάδες ΣΧΒ Η ιεράρχηση στο μοντέλο-κρεμύδι συνήθως παρακάμπτεται αφού ένα συντριπτικό ποσοστό ακολουθεί τη φυσική ροή της πρώτης ύλης πχ. Ψύξη-θέρμανση τροφοδοσίας Αντίδραση Ψύξη θέρμανση προϊόντος Διαχωρισμός Ψύξη-Θέρμανση κλπ Για λόγους που αναφέρθηκαν και άλλους που θα αναπτυχθούν στη συνέχεια Ο σχεδιασμός με τον τρόπο αυτό αποκλίνει από βασικές αρχές καλής πρακτικής Καταλήγει σε σχεδιαστικά σχήματα με σημαντικά περιθώρια βελτίωσης Ιεράρχηση βημάτων στο σχεδιασμό λοιπόν..
F F + P Ο σχεδιασμός ξεκινάει από τις διεργασίες αντίδρασης Η αντιδραση θεωρείται δεδομένη αν και στις περισσότερες περιπτώσεις παραμένει κρυφός βαθμος ελευθερίας
F F + P P Αφού καθορίσουμε την αντίδραση, επιλέγουμε μεθόδους διαχωρισμού Επιλογές ποικίλουν αλλά χρειάζεται να καταλήξουμε κάπου
Flow F F + P Pressure Conversion P Στο στάδιο αντίδρασης-διαχωρισμού υπάρχει πάντα περιθώριο βελτιώσεων και ανάλυσης Ας υποθέσουμε ότι και το στάδιο αυτό ολοκληρώνεται
C F F + P H Τώρα οι σκέψεις εστιάζονται στην εξοικονόμηση ενέργειας Δίκτυα Εναλλαγής Θερμότητας (ΔΕΘ) P Οι επόμενες διαλέξεις θα παρουσιάσουν διεξοδικά διαθέσιμες μεθόδους ανάλυσης
F F + P P Μετά την ενεργειακή ολοκλήρωση Ενεργειακές παροχές Οι επόμενες διαλέξεις θα παρουσιάσουν διεξοδικά διαθέσιμες μεθόδους ανάλυσης
Η συζήτηση ακολουθεί το μοντέλο-κρεμμύδι (onion diagram)
Οικοδόμηση και αποικοδόμηση μέσω στόχευσης 70 Recycle 1 1652 3 2 Feed Cooling Water 654 Product
Σχεδιασμός καθοδηγούμενος από στόχους Recycle Recycle Feed Base Case Product Feed Product Better Process Integration H = - 38% C = - 100% Αρ. Εναλ. (U) = -33% Επ. Εναλ (Α) = - 15%
Σχεδιασμός και επανασχεδιασμός (retrofit) Δίκτυο Εναλλαγής Θερμότητας (ΔΕΘ) Recycle Feed and Recycles Recycle 20 psi 1 2 3 4 5 70 psi Flash Stripper Preheater Βάση Q H = 100%
Feed and Recycles 15 psi 1 2 3 4 5 60 psi Flash Stripper Αλλαγές στο ΔΕΘ Αλλαγές σε λειτουργικά στοιχεία διαχωρισμού (απόσταξης) Ενεργειακές ανάγκες - Q H = 73% Χρόνος αποπληρωμής = 6 μήνες
Ολοκληρωμένος σχεδιασμός Καλύτερος σχεδιασμός (πάντα) Μειωμένες ενεργειακές παροχές, βελτιωμένες εκπομπές αερίων θερμοκηπίου Μείωση κόστους, καλύτερη χρήση επένδυσης Ενίσχυση δυναμικότητας (capacity) της παραγωγικής μονάδας
Εξαιρετικά εφαρμοσμένο πεδίο γνώσης Πρακτική γνώση Εξοικονόμηση ενέργειας Περιορισμός εκπομπών Εξοικονόμηση επένδυσης Εφαρμογές σε καινούριες και υπάρχουσες διεργασίες Εφαρμογές σε όλες τις βιομηχανίες Τεράστιες προοπτικές σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
Αξιοποίηση στόχων ακόμη και χωρίς σχεδιασμό Στόχοι 1652 1 70 Recycle Παροχές Επιφάνεια εναλλ. Εναλλάκτες 62% 85% 67% 3 2 654 Feed Cooling Water Product
Συμπεράσματα Ιεράρχηση επιλογών και σχεδιασμός Στόχοι εξασφαλίζουν Κίνητρα για τη διαμόρφωση καλύτερων λύσεων Εμπιστοσύνη στις συνθήκες λειτουργίας Μεγάλο φάσμα εφαρμογών