Folyamatok tervezése és irányítása (javított verzió, 01 PDF

Preview

Summary

Folyamatok tervezése és irányítása Az olvasóhoz Ez a jegyzet a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Folyamatok tervezése és irányítása (BMEVEKFM101) tárgyhoz készült Mizsey Péter 2014/2015/2 félévben tartott előadásai alapján. A jegyzet készítésekor felhasználtam számos forrást, kiemelve a...

Description

Folyamatok tervezése és irányítása Az olvasóhoz Ez a jegyzet a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Folyamatok tervezése és irányítása (BMEVEKFM101) tárgyhoz készült Mizsey Péter 2014/2015/2 félévben tartott előadásai alapján. A jegyzet készítésekor felhasználtam számos forrást, kiemelve a következő könyveket: Mizsey P.: Folyamatirányítási rendszerek, Typotex kiadó, 2011 Fonyó Zs., Deák A., Sawinsky J.: Vegyipari félüzemi praktikum, Műegyetemi Kiadó, 2000 Fonyó Zs., Fábry Gy.: Vegyipari művelettani alapismeretek, Nemzeti Tankönyvkiadó, 2004 Rév E: Folyamattan II – Folyamatszintézis, BME-VEBMK-KKFT, 2004 valamint Fonyó Zs: A vegyipari folyamattervezés koncepcionális kihívásai c., 2004. november 16-án tartott előadását.A fentieken kívül számos internetes forrást is felhasználtam. A jegyzet a fenti könyvekből és egyéb, internetes forrásokból szó szerint átvett részleteket és módosítás nélkül átvett ábrákat is tartalmazhat. A jegyzet a tárgyból történő felkészülést segíti, elkészítésével nem célom a fenti szerzők szellemi tulajdonának kisajátítása és saját nevemmel történő közlése.

Tartalom 1. Bevezetés ................................................................................................................................ 2 2. A folyamattervezés szintjei, történelme ................................................................................. 2 3. Folyamattervezés .................................................................................................................... 3 4. Szakaszos és folyamatos folyamatok közötti döntés, alapfogalmak ...................................... 5 5. Szakaszos technológiák jellemzése, ütemezése ..................................................................... 6 6. Inputok és outputok meghatározása, optimális konverzió ................................................... 10 7. Recirkulációs és szeparációs struktúra tervezése: bevezetés, gázok és gőzök elválasztása . 12 8. Szeparációs struktúra tervezése: folyadékszeparációs alrendszer ........................................ 14 9. Szeparációs struktúra tervezése: kristályosítás, szárítás ...................................................... 22 10. Hőcserélőrendszer tervezése .............................................................................................. 28 11. A rektifikálás termodinamikai hatásfoka, exergia.............................................................. 31 12. Folyamatok irányítása ........................................................................................................ 32

1. Bevezetés A termelő folyamat nyersanyagokból termékeket és hulladékokat állít elő energiafelhasználás közben. A hulladék lehet anyaghulladék, vagy energiahulladék, utóbbi az energiatermeléssel együtt járó hulladékot (pl. szén -dioxid) jelenti, és nem azonos a hulladék energiával. Az anyaghulladékok mennyiségét minimalizálni kell. Dalton szerint az egyszer előállított hulladék már nem semmisíthető meg, vagyis az anyag - és energiamegmaradás hulladékra is érvényes.

A GDP növekedése összefügg az energiafelhasználás növekedésével. 1% GDP növekedéshez az 1800-as években az Egyesült Királyságban 1,5% energiafelhasználás növekedés tartozott. napjainkban +1% GDP növekedéshez +0,5% energia kell a fejlett országokban – fejlődő országokban ez utóbbi érték napjainkban is elérheti a +1,5% -ot. A következő táblázat az USA és India adatai szemlélteti az 1990 -es évekre vonatkozóan: Részesedés a világ lakosságából Részesedés a világ GDPjéből Részesedés a világ energiafogyasztásából Részesedés a világ CO2 emissziójából

USA

India

5%

16%

25%

1%

25%

3%

22%

3%

Az USA fajlagos fogyasztása nagy, ezt az egész világra extrapolálva hamar kimerülnének a nyersanyagkészletek. Az USA CO2 emissziója is nagyobb, mint a fejlődő országok 1 főre jutó emissziója. A fentiekből következik, hogy a ma ismert legjobb technológiákat nem lehetséges a Föld teljes lakosságára kiterjeszteni.

2. A folyamattervezés szintjei, történelme Az 1920-as évekig a leíró technika/technológia volt a domináns: az egyes eljárásokat elejétől a végéig leírták, minden folyamatra egyedileg. Az 1920-1950-es években kialakult a vegyipari művelettan. A vegyészmérnökök felismerték, hogy a különböző technológiákban azonos műveletek hasonlóan viselkednek (pl. szűrés). A vegyipari technológiák alapelemei a vegyipari műveletek. Az 1950-1970-es években a vegyipari művelettan két ága alakult ki: a transzportfolyamatok és a folyamatanalízis (flowsheeting). A transzportfolyamatok témakörében dimenzióanalízissel egyenleteket fejlesztettek ki a hő -, impluzus- és anyagtranszportra 2

vonatkozóan (hasonlóságelmélet). A folyamatanalízis során ismert bemenetre egy adott folyamat által biztosított kimenetet keressük. Az 1970-es években kialakult a transzportfolyamatok elméletének molekuláris megalapozása, valamint a folyamatanalízisből kialakult a folyamatszintézis (folyamattervezés). Folyamattervezés során nem egy ismert folyamatot elemzünk, hanem egy ismert kimenet előállítására képes folyamatot keresünk adott bemenő anyagok és adott energiafelhasználás mellett.

A 2000-es években az eddigiek kiegészültek a környezetközpontú folyamattervezéssel: egyre nagyobb szerepet kap a környezeti terhelés és az energiafelhasználás minimalizálása.

3. Folyamattervezés A folyamattervezés kreatív mérnöki tevékenység, alkalmazása a következő esetekben szükséges: - új termék előállítása (új technológia tervezése) - régi termék előállítása új technológiával - új berendezés tervezése - hulladékok hasznosítása (ipari ökológia) A vegyipari termékek több mint felének a gyártástechnológiáját az elmúlt 10-20 évben találtak ki. A folyamattervezés sikeressége függ a megvalósítás szakaszától. Korai fázisban a tervek kevesebb, mint 1%-a valósul meg, egy probléma megoldására 10 4-109 lehetőség merülhet fel. A részletek kidolgozása után a laboratóriumi fázisba jutó kísérletek 10-25%-a lesz sikeres. A laboratóriumi kísérleteket félüzemi, majd üzemi tesztelés követi.

3

A folyamattervezés során definiálnunk kell a célokat: az előállítandó mennyiséget és a termék minőségét. Az optimalizálandó célfüggvény általában a profit, ezt kell maximalizálni. A profit a termék eladásából nyert bevétel és a teljes éves költség különbsége (TAC: Total Annual Cost) profit = bevétel – TAC A TAC a beruházási költségek (CAPEX) egy évre jutó részének és az éves üzemeltetési költségeknek (OPEX) az összege. A beruházási költségek költségfüggvényekkel becsülhetők, erre példa a Douglas-féle költségfüggvények alkalmazása, mely az inflációt a M&S cost indexen keresztül veszi figyelembe. Az üzemeltetési költségek a nyersanyagok költségéből és a berendezések energiaigényeinek költségéből állnak. A folyamattervezés megoldható algoritmikusan vagy hierarchikusan. Az algoritmikus megoldás során szuperstruktúrát készítünk, mely tartalmazza az összes lehetséges megoldást. Ezt MINLP (vegyes egészértékű nemlineáris programozás) módszerrel oldjuk meg. Algoritmikus folyamattervezéssel csak homogén technológiák tervezhetők, melyek egyféle berendezést tartalmaznak (pl. hőcserélő hálózat). A hierarchikus folyamattervezésre példa a Douglas-féle folyamattervezési stratégia. Ennek lépései: Szakaszos vagy folyamatos üzem közötti döntés Inputok és outuptok (anyagáramok) ismerete, reaktor tervezése Recirkulációs struktúra tervezése Szeparációs struktúra tervezése - gáz/gőz elválasztás - folyadék elválasztás - szilárd elválasztás 5. Hőcserélő rendszer tervezése 6. Környezeti hatások figyelembevétele 7. Irányítástechnikai szempontok figyelembevétele 1. 2. 3. 4.

A Douglas-féle folyamattervezési stratégiát „hagymadiagramon” szokták ábrázolni:

4

4. Szakaszos és folyamatos folyamatok közötti döntés, alapfogalmak A szakaszos és folyamatos folyamatok közötti döntés elsődleges szempontja az előállított termékmennyiség: 500 t/év előállított termék alatt mindenképpen szakaszos, 5000 t/év előállított termék fölött mindenképpen folyamatos technológiát célszerű alkalmazni. 500 és 5000 t/év között szakaszos és folyamatos technológia is választható. A döntésbél egyéb szempontok is szerepet játszhatnak, a gyógyszergyártás például hagyományosan szakaszos technológia. Különbségek szakaszos és folyamatos technológiák között: - előállított termékmennyiség - berendezések jellege (pl. a keretes szűrőprés szakaszos berendezés) - szakaszos folyamatok tervezése összetettebb, mert az idővel is számolni kell (differenciálegyenletek). Megoldás: először folyamatos üzemként számolunk - a szakaszos üzemeket több termékre tervezik, egy berendezés több feladatot is elláthat - szakaszos technológiákat ütemezni kell - folyamatos technológiával egyenletesebb termékminőség érhető el Alapfogalmak: - receptúra: elkészítési utasítás, a feladatok és részfeladatok leírása - „strang”: gyártási vonal, részei: „train” - kapacitás - limitáló ciklusidő: két gyártás végpontja között eltelt idő, általában a legnagyobb időigényű művelet - félfolyamatos berendezések: pl. ha egy desztilláló oszlopnál nincs maradékelvétel, a z üstben a folyadékszint emelkedik, de a desztillátum elvétele folyamatos, akkor félfolyamatos berendezésről beszélünk - közbülső tároló: szakaszos és folyamatos berendezések összekapcsolására szolgáló eszköz (pl. puffertartály) - egytermékes üzem - többtermékes üzem: lehet multiproduct/flowshop (egyszerre egy terméket gyártó, majd utána a többit sorban) vagy multipurpose/jobshop (többcélú, egyszerre az összes terméket gyártó).

5

5. Szakaszos technológiák jellemzése, ütemezése A szakaszos technológiák ütemezését Gantt-diagramon szemléltetjük. A diagram függőleges tengelyén az egyes berendezések sorszáma látható, fentről lefelé növekvő sorrendben, a vízszintes tengelyen pedig az idő.

Limitáló berendezés/művelet meghatározása szakaszos technológiáknál: berendezésenként kiszámoljuk a sarzs faktort, mely a kérdéses műveletben feldolgozott anyag és a sarzsméret hányadosa. A szűk keresztmetszetet jellemző szám a berendezés kapacitásának és a sarzs faktornak a hányadosa. Amelyik berendezésre a legkisebb a szűk keresztmetszetre jellemző szám, az a limitáló berendezés. Példa:

S1 = 120/110 = 1,0909, V1/S1 = 130/1,0909 = 119,07 S2 = 300/110 = 2,7272, V2/S2 = 350/2,7272 = 128,34 V1/S1 < V2/S2 , tehát az első berendezés a szűk keresztmetszet.

6

Párhuzamosan üzemelő berendezések alkalmazása: Alapeset (bal oldal), majd azonos fázisban, párhuzamosan üzemelő berendezésekkel(jobb oldal):

A jobb oldali eset feltétele: a 2-es egységnek bírnia kell a dupla kapacitást. A két berendezés üzemeltetése eltolt fázisban:

Így a 2-es egységnek az alapesethez képest nem kell dupla kapacitásúnak lennie. Eltolt fázis alkalmazásával a limitáló ciklusidő az eredeti felére csökken.

7

A termelési sebesség a sarzsméret és a limitáló ciklusidő hányadosa. A három eset összehasonlítása, ha az alapesetben a sarzsméret „B”: Eset Termelési sebesség

Azonos fázis 2B/16

Alap B/16

Eltolt fázis B/8

Ha a termelt mennyiség növelése a cél, akkor azonos fázist, ha a termelési sebesség növelése a cél a mennyiség növelése nélkül, akkor eltolt fázist célszerű alkalmazni. Feladatok elválasztása:

Nagy időigényű folyamat részegységekre bontásával a limitáló ciklusidő csökkenthető. Feladatok összevonása:

Piros jelölések: kihasználatlan kapacitás. Feladatok összevonásával a limitáló ciklusidő nem változik, de a kihasználatlan kapacitás csökken, így a berendezések kevesebbet állnak üresen. 8

Nem egymás utáni berendezések összevonása: A két sarzs közti átmenetnél közbülső tároló kell.

Közbülső tároló alkalmazása:

A termelési sebesség itt nem változik, de a 2 -es egységnek elég negyedakkora kapacitásúnak lennie, mint alapesetben.

9

Folyamatos és szakaszos technológiák alkalmazása egymás után:

A 2- es egység folyamatos, a szakaszos berendezéseknél kisebb kapacitású. A 3-as egységet csak akkor lehet indítani, ha teljesen feltöltöttük.

6. Inputok és outputok meghatározása, optimális konverzió Az inputok és outputok meghatározásához ismerni kell a lejátszódó reakciókat, a termelendő mennyiséget és az előírt tisztaságot. Fontos tényező a nyersanyagok tisztasága: minél tisztább egy nyersanyag, annál kevesebb szennyeződést visz be a rendszerbe, viszont a tisztaság növekedésével a nyersanyag ára is jelentősen nő. Ismerni kell az alkalmazott anyagokra és technológiákra jellemző korlátokat (pl. hőérzékeny anyagok feldolgozása), valamint a környezetvédelmi előírásokat. A reakciórendszer ismeretében felírhatjuk a termékeloszlást a konverzió függvényében. konszekutív, elsőrendű reakciók esetén a termékleoszlás a konverzió függvényében:

A reakciók: A → B → C 10

Vegyipari műveleteknél nem cél a 100% konverzió. Az optimális konverzió meghatározásakor konszekutív reakciónál a legfontosabb kérdés, hogy B vagy C a céltermék. Ha C a céltermék, a reakciót magas konverzióval érdemes végezni, ha azonban C ára jóval alacsonyabb, mint B ára, akkor nem érdemes a reakciót magas konverzióval végezni. A fenti reakciótípusra példa az etilbenzol előállítása: a kiindulási anyag benzol, a terméke etilbenzol, a konverzió növekedésével azonban megjelenik a dietil- és trietilbenzol is, melyek előállítása nem cél. Másik példa az akrolein előállítása propilén katalitikus oxidációjával. A céltermék az akrolein, mely koncentrációjának a fenti esethez hasonlóan nem 100% konverziónál van a maximuma. A konverzió növekedésével itt is a melléktermékek képződése kerül előtérbe (aldehid, CO2). Konverzió: megmutatja, hogy a kiindulási anyag milyen arányban alakult át, a limitáló komponensre kell felírni. Számítása: elreagált anyag/kiindulási anyag, jele: X Szelektivitás: megmutatja, hogy az elreagált kiindulási anyagból milyen arányban keletkezett a céltermék. Számítása: keletkezett céltermék/elreagált kiindulási anyag, jele: S Pl. A → B → C reakciónál, ha B a céltermék:

Optimális konverzió: ahol a profitgörbének maximuma van

Az eladott termékek ára és a nyersanyagköltség különbsége azért csökken, mert a konverzió növekedésével egyre több értéktelen melléktermék képződik. Minél alacsonyabb a konverzió, annál nagyobban a recirkulációs ér szeparációs költségek. A legdrágább eljárás általában a gázok mozgatása. Recirkulációkor ppm nagyságú szennyezők is feldúsulhatnak, ezért lefúvatás (purge) szükséges. A reaktor költsége az előbbiekhez képest általában elhanyagolható. Ha a nyersanyag költsége a legnagyobb tétel, akkor célszerű kis konverzióval dolgozni. 11

7. Recirkulációs és szeparációs struktúra tervezése: bevezetés, gázok és gőzök elválasztása Azért van szükség recirkulációra, mert a konverzió és a szelektivitás általában nem 100 %. Példa: etanol előállítása etilén vízaddíciójával: C2H4 + H2O ↔ C2H5OH Mellékreakció: 2 C2H5OH ↔ C2H5O- C2H5 + H2O A kiindulási anyag (etilén) általában metánnal szennyezett, ezért lefúvatás szükséges. A recirkulációs rendszer:

Szeparációs rendszerek tervezésekor tudni kell, hogy milyen halmazállapotú anyag jön ki a reaktorból: folyadék, gáz/gőz, vegyes fázisú anyag vagy szilárd anyag. Ha az anyag csak folyadék:

Ha az anyag teljesen kondenzálható gőz, ugyanígy kell eljárni, az egyetlen különbség, hogy a reaktor után kondenzátor kell. Ha az anyag csak gáz:

12

Ha folyadék és gáz vegyesen:

Flash: egy adott összetételű folyadékelegyet melegítünk, majd egy adott nyomásra expandáltatjuk, a keletkező folyadék- és gőzfázist elválasztjuk. Az így keletkező folyadék- és gőzfázisok egymással egyensúlyban vannak. Műveleti háttér: Anyag- és komponensmérleg:

Ebből a gőzfázis összetétele:

Az L/V meredekségű egyenes és az egyensúlyi görbe metszéspontja adja meg az áramok összetételét. L/V értéke 0 és 1 között változhat (a két határeset: semmi nem párolog el, vagy az egész anyag elpárolog). Egyensúlyi diagramon: Az egyenes meredeksége: 𝑡𝑔𝛼 =

𝑦 ∗ − 𝑥𝐹 𝑥𝐹 − 𝑥 ∗

A *-al jelölt áramok az egységet elhagyó, egyensúlyi áramok moltörtjei.

13

Gázok/gőzök elválasztására szolgáló egyéb műveletek: -

-

kondenzáció: teljes vagy parciális. Deflegmátor: parciális kondenzátor, +1 elméleti fokozat nyerhető az alkalmazásával. A többkomponensű pára egyes komponenseit kondenzálja. abszorpció: fizikai vagy kemiszorpció. Lehet reverzibilis vagy irreverzibilis. Revezibilis abszorpciónál az abszorbens regenerálása a deszorberben történik hőközléssel vagy a nyomás csökkentésével. adszorpció: szilárd anyag (pl. aktív szén) felületén kötjük meg a gáz egyes komponenseit. Az adszorbens is lehet regenerálható (pl. inert gázzal vagy nyomáscsökkentéssel). Az adszorpció szakaszos művelet, folyamatos üzemhez ezért legalább 2 adszorber kell. Speciális eset: molekulaszita etanol abszolutizálására (szabályos belső szerkezetű zeolitok). membránműveletek (gázszeparáció): a költségek kb 80% -a beruházási, 20%-a üzemeltetési költség (hagyományos elválasztó műveleteknél ez a fordítottja). A membránok szelektivitása nem 100%. Felhasználás: urándúsítás, szerves gőzök és egyéb gázok elválasztása, CO2 leválasztása. A membránok szennyezőkre érzékenyek. Az elválasztás mechanizmusa: oldódás-diffúzió. Az egyik komponens szelektíven oldódik a membránban, diffúzióval áthalad a membránon majd deszorbeálódik.

8. Szeparációs struktúra tervezése: folyadékszeparációs alrendszer Folyadékok elválasztására általában desztillációt használunk. A művelet energiaigényes, ennek ellenére majdnem mindig olcsóbb, mint az alternatív műveletek. Egy háromkomponensű elegyet desztillációval kétféleképpen lehet elválasztani, ha a komponensek nem képeznek azeotrópot. A három komponens illékonysági sorrendje A > B > C. Direkt elválasztásról beszélünk, ha a háromkomponensű elegyből először a legillékonyabb A komponenst távolítjuk el fejtermékként, majd a fenéktermékként elvett BC elegyet a következő oszlopban választjuk szét tiszta B és tiszta C komponensekre. Indirekt elválasztásnál az első oszlopban a legkevésbé illékony C komponenst vesszük el fenéktermékként, majd a fejtermékként távozó AB elegyet a következő kolonnában szétválasztjuk. Három komponens esetén tehát kétféle eljárás lehetséges. A komponensek számának növekedésével a lehetséges kapcsolások száma exponenciálisan nő: 6 komponensnél már 42 kapcsolás lehetséges, és itt még nem vettük figyelembe az oldaltermékes és egyéb megoldásokat. Az összes lehetséges kapcsolás végigszámolása időigényes, ezért a lehetőségek szűkítésére heurisztikus szabályokat alkalmazunk. Heurisztikus szabályok többkomponensű elegyek rektifikálásakor: - a legillékonyabb terméket távolítsuk el elsőnek - korrozív, veszélyes anyagokat elsőként távolítsuk el - a reagáló vagy bomló anyagokat az elején távolítsuk el 14

- a legnagyobb mennyiségben jelen lévő anyagot távolítsuk el elsőnek - nagy relatív illékonyságú elválasztást az elején végezzünk - nehéz elválasztást hagyjuk a végére - a vágások lehetőleg ekvimolárisak legyenek A fentiekből következik, hogy háromkomponensű elegynél indirekt elválasztást csak akkor érdemes végezni, ha a C komponens nagy mennyiségben van jelen. A rektifikálás régóta ismert, jól tervezhető művelet. Két számítási módszer ismert: a közelítő eredményt adó shortcut módszer, valamint a precíz számítás. Shortcut módszerrel a Fenske-Underwood-Gilliland egyenleteket oldjuk meg, az oszlop belső anyagáramait elhanyagoljuk. Precíz számítás esetén a desztilláló oszlop összes tányérjára megoldjuk a MESH-egyenleteket. Az utóbbi módszer alkalmazásakor jóval többet kell számolni, ezt ma már kizárólag számítógéppel végzik. A MESH egyenletek alkalmazásakor az oszlopot egyensúlyi fokozatok (elméleti tányérok) sokaságaként képzeljük el. A tányérokat felülről lefelé számozzuk. Feltételezzük az állandó moláris párolgás/túlfolyás tételét. Ha a tányéron csak két fázis tart egyensúlyt:

MESH-egyenletek: -

M: a tány...