Desztill ációs rendszerek komplex vizsgálata : energia, exergia, szabályozás, környezet

1. Desztillációs rendszerek komplex vizsgálata: energia, exergia, szabályozás, környezet Mizsey Péter Kencse Hajnalka Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Magyar Ipari Ökológiai Társaság 2009. május 29.

2. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 4. Következt. 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások Előadásvázlat • Tanulmányozott desztillációs struktúrák bemutatása • A vizsgált ideális szénhidrogén elegyek és tulajdonságaik • A desztillációs rendszerek komplex vizsgálata: 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaságossági vizsgálat 3.3. Szabályozhatóság és dinamikus viselkedés 3.4. Környezeti hatások felmérése • Következtetések

3. Hagyományosan csatolt rendszer – egyenes sorrend Visszacsatolt hőintegrált desztillációs rendszer (DQB) Termikusan csatolt kolonna, Petlyuk kolonna (FTCDC) Előpárlásos hőintegrált desztillációs rendszer (SQF) 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. 1. Tanulmányozott desztillációs rendszerek bemutatása AB BC

4. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. 2. Vizsgált elegyek - Szeparációs index: - Előpárlók és belső recirkulációs áramok becslésére, nem-éles elválasztás esetén:

5. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. Energetikai hatásfok • Az energia hasznosítást lehet a termodinamikai I. főtétele alapján számolni: ebben az esetben a folyamat hatásfoka egyenlő az itt hasznosított energia és az összes belépő energia hányadosával. • A termodinamika I. főtételén alapuló szemlélet nem veszi figyelembe azt a tapasztalati tényt, hogy az energia nem minden formája alakítható át kölcsönösen egymásba teljességgel. • Új szemlélet: az energiahasznosítás mérése a termodinamika I. és II. főtételére alapozva.

6. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. Munka Hőátadás Qbe Wbe Anyagáram Anyagáram Folyamat n, xi, T, p, H, S Qki Wki • Termodinamikai I. főtétele (energia-megmaradási törvény): ( Anyagáram belső energiája + Hőáram + Munka )be – ( Anyagáram belső energiája + Hőáram + Munka )ki= 0 • Termodinamika II. főtétele: A természetben nincs és egyetlen géppel – ún. Kelvin-géppel – sem hozható létre olyan folyamat, amelynek során egy test hőt veszít és ez a hő egyéb változások nélkül teljes egészében, 100%-os hatásfokkal munkává alakulna át. A Kelvin-gépet másodfajú perpetuum-mobilének nevezzük, tehát az állítás szerint nem létezik másodfajú perpetuum-mobile. ( Anyagáram entrópiája + Hőáram entrópiája )be – ( Anyagáram entrópiája + Hőáram entrópiája )ki= 0

7. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. Exergia • Ha egy közegentalpiája az adott körülmények között Hés a közeg entalpiája a környezettel való tökéletes termodinamikai egyensúly elérése után H0, akkor a közegnek a környezethez viszonyított energiatöbblete: H – H0 • Azonban a környezettel egyensúlyra vezető hipotetikus folyamatban nyerhető potenciális munka nem (H – H0 ),hanem annál kevesebb. • A T hőmérsékleten energiát felvevő és azt T0 hőmérsékletre szállító munkagép hatásfokának elméleti maximuma a Carnot hatásfok: - amimeghatározza a maximálisan visszanyerhető munkát • Exergiafüggvény általános definiciója: Ex = (H – H0) – T0 (S - S0)

8. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. Az exergia definicíója: Az a maximális munka, amely abból a hipotetikus átalakulásból lenne elérhető, amikor a rendszerben áramló közegek adott állapotukból a rendszer környezetével tökéletes termodinamikai egyensúlyba jutnak. • Az exergia analízis segítségével energetikailag hatékonyabb rendszerek tervezhetőek • Hasznos eszköz a feleslegesen felemésztett vagy megtakarítható energia kiszámolására

9. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. Példa: Exergia [kJ] 252,8 818,8

10. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. Az exergia analízis egyenletei ahol Ex – exergia H – entalpia, S – entrópia, Exloss – exergia veszteség, WSEP – szeparációs munka,  - termodinamikai hatásfok, [%] T0 – környezeti hőmérséklet, [K]

11. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. A desztillációs rendszerek exergia mérlege

12. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. 3.2. Gazdaságossági vizsgálat Éves összköltség = Beruházási költségek + Üzemeltetési költségek Beruházási költség számítás: Douglas, J. M., Conceptual design of chemical processes, McGraw-Hill Book Company - Marshall & Swift index: 1164,3 (Chemical Engineering, vol. 111) - 10 éves amortizáció - kolonnák paramétereinek becslése: ASPEN folyamatszimulátor segítségével Üzemeltetési költség: - hűtővíz és fűtőgőz

13. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. A gazdaságossági vizsgálat eredményei

14. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. Szabályozhatósági vizsgálat • célja, hogy megtaláljuk a legmegfelelőbb szabályozási struktúrát a különböző desztillációs rendszerekre Átviteli mátrix (G) számítása: x’(t) = A x(t) + B u(t) y(t) = C x(t) + D u(t) G(s) = C (s I - A)-1 B + D Szinguláris értékek szerinti felbontás: G = UΣVH Alkalmazott szabályozhatósági mutatók: - Kondíciós szám (CN) - Morari féle belső szabályozhatósági index (MRI) - RGA-szám

15. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. A desztillációs rendszerek szabályozott és módosított jellemzői • Szabályozott jellemzők: • XA • XB • XC • Módosított jellemzők: • D – Desztillátum tömegáram • L – Reflux tömegáram • R – Reflux arány • B – Fenéktermék tömegáram • Q – Üstfűtés • S – Oldaltermék tömegáram

16. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. 3.4. Környezeti hatások felmérése • A desztillációs rendszerek környezetre gyakorolt hatása arányos az energiaigényükkel • A kibocsátott gázok okozta üvegházhatás mértékét CO2ekvivalensben (CO2 e)fejeztem ki • A feltételezett fosszilis tüzelőanyagok: földgáz, fűtőolaj, kőszén, barnaszén

17. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. Földgáz Hagyományos csat. Környezeti hatások felmérésének eredményei

18. 1. Desztillációs rendszerek 3.3. Dinamikus viselkedés 2. Vizsgált elegyek 3.1. Exergia analízis 3.2. Gazdaság. vizsgálat 3.4. Környezeti hatások 4. Következt. 4. Következtetések • Az exergia analízis előrejelzi, hogy az energia-integrált desztillációs struktúrák közül a visszacsatolt hőintegrált struktúra (DQB) a leghatékonyabb, energia megtakarítás szempontból • Gazdaságossági vizsgálat alapján is a visszacsatolt hőintegrált desztillációs struktúra bizonyult a legkedvezőbbnek; • Szabályozhatósági mutatók alapján kiválasztható a megfelelő szabályozási struktúra a vizsgált desztillációs rendszerekre; • Dinamikus viselkedés vizsgálata azt mutatja, hogy a legjobban szabályozható desztillációs struktúra a visszacsatolt hőintegrált struktúra • A visszacsatolt hőintegrált desztillációs rendszernek legkisebb a környezetre gyakorolt hatása • A tanulmányozott energia-integrált desztillációs rendszerek közül a visszacsatolt hőintegrált struktúra (DQB) adta a legjobb eredményt minden vizsgált szempontból

19. Köszönetnyilvánítás • OTKA 49849 and OTKA 46218 projektek támogatásáért

20. Köszönöm a figyelmet!