1 / 48

Oppsummering

Oppsummering. TEP 4230 Energi og Prosessteknikk. Produksjonssystemer. Definisjon av en industriell prosess Typiske elementer i en prosess Reaksjon, Separasjon, Miksing (blanding) Varmeoverføring, Kompresjon, Ekspansjon Energibruk i industrien Statistikk Forbruk og kvalitet Energiformer

aleda
Download Presentation

Oppsummering

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Oppsummering TEP 4230 Energi og Prosessteknikk

  2. Produksjonssystemer • Definisjon av en industriell prosess • Typiske elementer i en prosess • Reaksjon, Separasjon, Miksing (blanding) • Varmeoverføring, Kompresjon, Ekspansjon • Energibruk i industrien • Statistikk • Forbruk og kvalitet • Energiformer • Kjemisk energi • Faktorer som påvirker spesifikt energiforbruk • Hvor / hvorfor / hvordan brukes energi? • Modeller for energiregnskap • Detaljert gjennomgang av noen utvalgte produksjonskjeder • Fra naturgass til mineralgjødsel • Fra bauxitt til aluminium • Fra skogen til frokostbordet • Fra råolje til bensin

  3. Prosess som omformer Mekanisk Energi E K Damp HP MP LP Kulde Damp HP MP LP Kulde Energi Material Råvare(r) Produkt(er) Biprodukt(er)

  4. Faktorer som påvirker spesifikt energiforbruk (I) • Valg av ”kjemi” (prosess-syntese) • Alternative råvarer og produkter • Alternative mellomprodukter (såkalte reaksjonsveier) • Dannelsesvarme teoretisk minimum • Valg / Utvikling av ny teknologi • Membraner eller absorpsjon • Nye katalysatorer • Søderberg eller ”Prebaked”-anoder? • Damp-reformering innen ammoniakk

  5. Faktorer som påvirker spesifikt energiforbruk (II) • Lokalisering • Infrastruktur som gir synergier • Klima (luft og kjølevann) • Transportavstander • Prosessdesign • Parametre for hvert prosesstrinn • Sammenkobling av prosesstrinnene • Varmeintegrasjon mellom trinnene • Varme- / Kraftsystemer

  6. Faktorer som påvirker spesifikt energiforbruk (III) • Drift av anleggene • Gode reguleringssystemer • On-line optimalisering • Vedlikehold • Rengjøring av varmevekslere • Generelle preventive tiltak • Prismekanismer • Priser på utstyr / energi • Statlige avgifter (f.eks. CO2-avgiften)

  7. Termodynamisk grunnlag for likevekt • Multikomponent og multifase systemer • Kjemisk potensial • Gibbs faseregel • Fugasitet • Tilstandsligninger • Ideell gasslov • Van der Waals ligning • Redlich-Kwong • Formalisering av kjemiske reaksjoner • Matriser! Fysikalsk og kjemisk likevekt

  8. Kombinasjonen av 1. og 2. • Gir den fundamentale egenskapsrelasjonen: • Består kun av variable som er uavhengig av veien fra punkt 1 til 2. • Uavhengig av reversibilitet! Termodynamisk grunnlag for likevekt (IV)

  9. Ved likevekt vil tilstandsvariable og tilstandsfunksjoner være konstante • dS = 0 • Innsatt i den fundamentale egenskapsrelasjonen: Likevekt

  10. En sylinder med to kamre. • Godt isolert, sylinderen glir tilnærmet friksjonsfritt • Hva er situasjonen ved likevekt? Eksempel (I)

  11. Frihetsgrader • Antallet ubestemte variable • Mulighet til å regulere systemet • Ingen frihetsgrader, låst trykk og temperatur • Differansen mellom antallet uavhengige variable og antallet ligninger. • Uavhengige variable: • Molfraksjoner i hver fase: (nc – 1) • For alle p faser: p(nc – 1) • Trykk og temperatur • Totalt antal uavhengige variable: 2 + p(nc – 1) Gibbs Faseregel (I)

  12. Ligninger (likevektsligningene) • Antallet ligninger: nc(p - 1) • Antallet frihetsgrader: Gibbs Faseregel (II)

  13. Hva prøver ligningene å beskrive? • Hva skjer når... • Gass komprimeres ved konstant temperatur • Til duggpunktet • Gjennom tofaseområdet • Ut i væskeområdet Tilstandsligninger generelt (II)

  14. Begrenset gyldighetsområde • PR < 0,05 • TR > 15 • Enkel ligning • Uavhengig av stoff • OBS! Benevning! Ideell gasslov

  15. Den første kubiske tilstandsligningen som kom • Mye bedre enn ideell gasslov, men likevel ikke helt god. • Illustrert ved at kompressibiliteten i kritisk punkt er konstant, uavhengig av stoff. • Populær fordi den er relativt enkel Van der Waals ligning (I)

  16. Stort gjennombrudd! • Kan nemlig beskrive tilstanden ved høye trykk • Temperaturen er inne i a (som ikke lenger er konstant) Soave-Redlich-Kwong (I)

  17. Grunnlag for kjemisk likevekt • System bestående av vektorer og matriser • Egner seg spesielt for systemer med flere reaksjoner • Skal i stor grad se på et konkret eksempel • Dampreformering av naturgass Kjemiske reaksjoner på matriseform (I)

  18. Definerer komponentvektor: • Definerer en matrise av støkiometriske koeffisienter: Kjemiske reaksjoner på matriseform (III)

  19. Termodynamisk grunnlag for sykliske prosesser • pvt-flate • Andre diagrammer • Prosessveier • Termodynamisk gjennomsnittstemperatur • Prosess-sykluser • Termisk kraftproduksjon • Gass • Damp • Varmepumpende prosesser • CO2 • LNG Industrielle termiske prosesser

  20. p T v fast + væske væske fast Termodynamisk grunnlag pv C = k T V = k gass+ væske gass TL fast + gass

  21. Termodynamiske sykluser

  22. Carnot syklus varmekraft

  23. 1-2: Luft suges inn i kompressoren og komprimeres til høyere trykk.Isentropisk kompresjon ville ført til punkt 2’, men tap i kompresjonsprosessen fører til at utløpet bli i punkt 2. 2-3: Brensel tillføres og brennes i brennkammeret. Temperaturen øker. 3-4: Luften ekspanderer over turbinen, og arbeid taes ut ved at en aksling roterer. Igjen er ikke prosessen isentropisk på grunn av tap. Deler av effekten fra turbinen brukes til å drive kompressoren. Gassturbin (Brayton)

  24. Dampkraft

  25. Kuldeanlegg Varmepumpende prosesser

  26. 2-trinnsanlegg

  27. TS-diagram for superkritisk prosess CO2

  28. 45 bar 1.4 bar 19 bar 1.4 bar 7 bar 1.4 bar -96 °C -32 °C 12 °C -155 °C LNG NG LNG Snøhvit • Flytendegjøring av naturgass Methane Ethylene Propane

  29. Bruksområder • Prosessfaktorer • Forskjellige fordampere • Ett til flere trinn • Varmeovergang og varmeballanser • Trykk og temperatur • Kokepunktsforhøyelse • Entalpi – Konsentrasjon • Beregningseksempel Separasjon

  30. Inndampere • Fjerner damp fra en væske slik at konsentrasjonen øker • Sukker • Salt • Glyserol • Lim • Melk • Appelsinjuice • Kan også være vanndampen som er interessant • Avsalting av sjøvann Bruksområder

  31. Horisontale rør, naturlig sirkulasjon Forskjellige fordampere

  32. Total materialballanse:F = V + L • Material ballanse for fast stoff:FxF = LxL Varme og masseballanse

  33. Varmeballanse:Varme inn = varme utFhF + SHS = LhL + VHV + SHS • Setter inn fordampingsvarmen:FhF + Sl = LhL + VHV Varme og masseballanse

  34. Forward feed multi effect evaporator

  35. Separere komponenter i en væske • Komponentene har ulikt kokepunkt • Alle komponenter er i begge faser • I motsetning til inndamping der det kun er væske i gassfasen • Flash-separasjon • Kolonne Destillasjon

  36. Destillasjonsmetoder

  37. Beregner antall trinn • N = 6 • Føden: 3 McCabe-Thiele

  38. Målverdier for minimum energiforbruk • Kun basert på oppvarmings / avkjølingsbehov • Før design av selve varmevekslernettverket • Økonomiske “Trade-offs” • Driftskostnader (energi) vs. investeringer • Basis-konsepter innen “Pinch-analyser” • Enkle regler for “korrekt” integrasjon • Varmevekslernettverk • Destillasjonskolonner og inndampere • Varmepumper og turbiner Prosessintegrasjon

  39. Dataekstraksjon • Målsetting / “Targets” • Energi, Areal, Enheter / Skall • Totale årlige Kostnader (gir DTmin) • Prosess-modifikasjoner? • Design av Nettverk (minimum energi) • Dekomponering ved Pinch • Kvalitative og Kvantitative Verktøy • Optimalisering (gitt basis-struktur) • Løkker og Stier samt Strøm-split Faser i varmeintegrasjon

  40. T (°C) QH,min 300 QRecovery 250 Tmin 200 150 NB: Kolonnens koker/kondensator er ikke inkludert her 100 50 Pinch QC,min Q (kW) 0 2000 4000 6000 Varmeintegrasjon med samlekurver

  41. QH,min 300 + 250 200 150 100 50 + QC,min Q (kW) 0 2000 4000 6000 Trade-off: Areal vs Energi

  42. QH,min+ 300 250 Overskudd 200  150 Underskudd 100 50 QC,min+ Q (kW) 0 2000 4000 6000 Pinchpunkt og dekomponering

  43. ST 270C - - - - - - - 250C 720 kW H1 + 720 C2 230C - - - - - - - 210C 500 kW 180 kW - 520 200 kW 2000 kW 720 kW - 1200 C1 880 kW 800 kW 180C - - - - - - - 160C 360 kW 400 kW + 400 H2 440 kW 160C - - - - - - - 140C 1800 kW + 180 1980 kW 70C - - - - - - - - 50C DTmin = 20°C 220 kW + 220 CW 60C - - - - - - - - 40C 220C - - - - - - - 200C Varmekaskaden

  44. 0 T (°C) HP 250 Forbruk: HP: 400 kW MP: 600 kW CW: 600 kW Produksjon: LP: 200 kW Energi kostnad: 166,000 $/yr MP 200 Alternativt: HP: 1000 kW CW: 800 kW Energi kostnad: 216,000 $/yr 150 LP 100 Valg av hjelpesystem 50 Q (kW) CW 0 500 1500 Men: Husk Areal-kostnadene !!

  45. T (°C) QH,min QR 300 Kolonnens Data: QR = QC = 2000 kW TReb = 220°C TCon = 130°C 250 200 150 100 I Grand Composite: TReb’ = 230°C TCon’ = 120°C QC 50 QC,min Q (kW) 0 500 1000 1500 2000 Grafiske metoder for destillasjonskolonner

  46. Eulers regel: U = N – 1 • Ved dekomponering rundt pinch blir det ett nettverk over og ett under pinch. • Umin = (N – 1) over + (N – 1)under • For vårt eksempel: • Umin = (4 – 1) over + (3 – 1)under= 5 Minimum antall enheter

  47. Spørretime • Fredag 2.desember kl. 14.15 i S8 • Ellers: Hver arbeidsdag fra 08.00 til 16.00 på rom 516 i VTL • Krisetelefon: 917 28 567 • Eksamen • Lørdag 3.desember kl. 09.00 i Nidarøhallen • Hjelpemidler: Kun kalkulator • Sensur: 24.desember • Lykke til! Til slutt

More Related