WYKŁAD cz.III

WYKŁAD cz.III

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW 

PROCESOWYCH – PODSTAWY

PROCESOWYCH – PODSTAWY

 

 



Jacek Jeżowski



Alina Jeżowska

Alina Jeżowska

PLAN WYKŁADU

1.

1.

Wstęp (zakres projektu 

Wstęp (zakres projektu 

wstępnego)

wstępnego) 

2.

2.

O

O

rganizacja procesu 

rganizacja procesu 

projektowania

projektowania

 

 

3.

3.

Kryteria oceny systemu 

Kryteria oceny systemu 

technologicznego 

technologicznego 

4.

4.

Podstawowe strategie 

Podstawowe strategie 

projektowania systemów

projektowania systemów

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

PLAN WYKŁADU

1.

Wstęp (zakres projektu 
wstępnego)

 

2.

2.

O

O

rganizacja procesu 

rganizacja procesu 

projektowania

projektowania

 

 

3.

3.

Kryteria oceny systemu 

Kryteria oceny systemu 

technologicznego 

technologicznego 

4.

4.

Podstawowe strategie 

Podstawowe strategie 

projektowania systemów

projektowania systemów

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

PLAN WYKŁADU

1.

Wstęp (zakres projektu 
wstępnego)

 

2.

2.

O

O

rganizacja procesu 

rganizacja procesu 

projektowania

projektowania

 

 

3.

3.

Kryteria oceny systemu 

Kryteria oceny systemu 

technologicznego

technologicznego

 

 

4.

4.

Podstawowe strategie 

Podstawowe strategie 

projektowania systemów

projektowania systemów

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

PLAN WYKŁADU

1.

Wstęp (zakres projektu 
wstępnego)

 

2.

2.

O

O

rganizacja procesu 

rganizacja procesu 

projektowania

projektowania

 

 

3.

3.

Kryteria oceny systemu 

Kryteria oceny systemu 

technologicznego 

technologicznego 

4.

4.

Podstawowe strategie 

Podstawowe strategie 

projektowania systemów

projektowania systemów

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

1. 

1. 

Wstęp (zakres projektu 

Wstęp (zakres projektu 

wstępnego)

wstępnego)

 

 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Faza  „koncepcyjna”  projektu

Faza  „koncepcyjna”  projektu

  :  „wizja” 

instalacji  w  sensie  jej  struktury, 
rodzajów  aparatów  i  podstawowych 
parametrów prowadzenia procesów. 

Informacje  dostępne

Informacje  dostępne

:  co  i  w  jakich 

ilościach  ma  być  produkowane  w 
projektowanym systemie. 

Wynik 

końcowy

Wynik 

końcowy

: 

schemat 

systemu 

technologicznego taki, który zawiera: 



surowce chemiczne i energetyczne, 



kolejne operacje przetwarzające surowce 
i produkty pośrednie w żądane produkty,



  aparaty,  w  których  te  operacje  są 
realizowane,



powiązania  pomiędzy  aparatami,  tj. 
strumienie  masy  i  energii  +  parametry 
charakteryzujące 

jednoznacznie 

strumienie  masy  i  energii,  tj.  m.in.  ich 
natężenie 

przepływu, 

temperaturę, 

ciśnienie, skład, wartości energii cieplnej 
i mechanicznej.

 

Wszystkie  aparaty  zastosowane  w 

Wszystkie  aparaty  zastosowane  w 

systemie  muszą  być  jednoznacznie 

systemie  muszą  być  jednoznacznie 

zdefiniowane  co  do  typu,  parametrów 

zdefiniowane  co  do  typu,  parametrów 

pracy  i  wymiarów  (przynajmniej  tych 

pracy  i  wymiarów  (przynajmniej  tych 

podstawowych). 

podstawowych). 

Przykłady:

Przykłady:



Instalacja 

do 

produkcji 

alkoholu 

Instalacja 

do 

produkcji 

alkoholu 

etylowego

etylowego

Koncern 

chemiczny 

dysponuje 

Koncern 

chemiczny 

dysponuje 

nadmiarową ilością 

nadmiarową ilością 

77

77





10

10

6

6

 kg/rok etylenu 

 kg/rok etylenu 

przemysłowego 

produkowanego 

w 

przemysłowego 

produkowanego 

w 

jednym  z  jego  zakładów.  Rozważana  jest 

jednym  z  jego  zakładów.  Rozważana  jest 

możliwość wykorzystania go do produkcji 

możliwość wykorzystania go do produkcji 

alkoholu etylowego. Według badań rynku 

alkoholu etylowego. Według badań rynku 

istnieje możliwość sprzedaży ok. 

istnieje możliwość sprzedaży ok. 

150

150





10

10

3

3

 

 

m

m

3

3

/rok  alkoholu  o  stężeniu 

/rok  alkoholu  o  stężeniu 

85,44  %

85,44  %

 

 

molowych. 

molowych. 

Konieczna  jest  ocena  ekonomiczna 

Konieczna  jest  ocena  ekonomiczna 

celowości  budowy  takiej  instalacji. 

celowości  budowy  takiej  instalacji. 

Powołano  zespół  projektowy,  który 

Powołano  zespół  projektowy,  który 

ma 

zaprojektować 

instalację 

ma 

zaprojektować 

instalację 

przyjmując:

przyjmując:

a)

a)

dostępność  surowego  etylenu 

dostępność  surowego  etylenu 

w ilości 77

w ilości 77





10

10

6

6

 kg/rok i składzie 

 kg/rok i składzie 

96%  mol.  etylenu,  3%  mol. 

96%  mol.  etylenu,  3%  mol. 

propylenu i 1% mol. metanu, 

propylenu i 1% mol. metanu, 

b)

b)

wymagania  co  do  produktu: 

wymagania  co  do  produktu: 

150

150





10

10

3

3

 

m

 

m

3

3

/rok 

alkoholu 

/rok 

alkoholu 

etylowego  o  stężeniu  85,44  % 

etylowego  o  stężeniu  85,44  % 

molowych.

molowych.

 

 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH



Instalacja  do  produkcji  benzenu  z 

Instalacja  do  produkcji  benzenu  z 

toluenu 

toluenu 

Należy 

zaprojektować 

instalację 

do 

Należy 

zaprojektować 

instalację 

do 

produkcji 

benzenu 

z 

toluenu, 

produkcji 

benzenu 

z 

toluenu, 

zakładając, że:

zakładając, że:

a)

a)

natężenie  przepływu  surowca  wynosi 

natężenie  przepływu  surowca  wynosi 

274,2 kmol/h,

274,2 kmol/h,

b)

b)

podstawową reakcją ma być:

podstawową reakcją ma być:

C

C

7

7

H

H

8

8

 + H

 + H

2

2

 

 





 C

 C

6

6

H

H

6

6

 + CH

 + CH

4

4

 

 

2. 

2. 

Organizacja Procesu Projektowania 

Organizacja Procesu Projektowania 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Etap  I

Etap  I

.  Synteza  wariantów  generalnej 

struktury systemu

 

Etap  II.

Etap  II.

  Analiza  wariantów  z  etapu  I 

(obliczenia symulacyjne). 

Etap  III.

Etap  III.

  Optymalizacja  jednego  lub  kilku 

wybranych schematów technologicznych. 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Uwagi:

Uwagi:


Podział taki nie jest ostry a wymienione 

Podział taki nie jest ostry a wymienione 

etapy projektowania realizowane są nie 

etapy projektowania realizowane są nie 

tylko  sekwencyjnie  –  od  etapu  I  do  III  – 

tylko  sekwencyjnie  –  od  etapu  I  do  III  – 

ale  też  w  sposób  iteracyjny,  tj.  na 

ale  też  w  sposób  iteracyjny,  tj.  na 

podstawie 

analizy 

wyników 

etapu 

podstawie 

analizy 

wyników 

etapu 

niższego  koryguje  się  założenia  i 

niższego  koryguje  się  założenia  i 

koncepcje przyjęte na etapie wyższym. 

koncepcje przyjęte na etapie wyższym. 



Istnieje 

równoczesna 

metoda 

Istnieje 

równoczesna 

metoda 

projektowania (niesekwencyjna). 

projektowania (niesekwencyjna). 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Ad. Etap I - Synteza

Ad. Etap I - Synteza

Wynik: 

Wynik: 

(możliwie) 

niewielki 

zbiór 

wariantów  systemu  technologicznego. 
Punkt  ciężkości  przy  tworzeniu  tych 
wariantów 

kładziony 

jest 

przede 

wszystkim  na  „strukturę”  (topologię) 
systemu,  rodzaj  i  kolejność  procesów 
(aparatów),  oraz  powiązania  pomiędzy 
nimi.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Ad. Etap II – Analiza

Ad. Etap II – Analiza

Cel:

Cel:

  dokonanie  oceny  utworzonych 

  dokonanie  oceny  utworzonych 

wariantów  ze  względu  na  przyjęte 

wariantów  ze  względu  na  przyjęte 

kryteria jakości. 

kryteria jakości. 

Wyznaczyć 

wartości 

podstawowych 

Wyznaczyć 

wartości 

podstawowych 

parametrów 

tych 

aparatów 

jak 

i 

parametrów 

tych 

aparatów 

jak 

i 

wartości energii niezbędnej do realizacji 

wartości energii niezbędnej do realizacji 

procesów  -  obliczenia  symulacyjne  lub 

procesów  -  obliczenia  symulacyjne  lub 

projektowo-symulacyjne 

(programy 

projektowo-symulacyjne 

(programy 

symulacyjne lub flowsheetingowe).

symulacyjne lub flowsheetingowe).

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Ad. Etap III - Optymalizacja

Ad. Etap III - Optymalizacja

Zakres:

Zakres:

 

optymalizacja 

parametrów 

strumieni  i  aparatów-  optymalizacją 
parametryczna  (struktura  ustalona!). 

[też do tego służy analiza wrażliwości] 

[też do tego służy analiza wrażliwości] 

Ostateczny  wynik  etapu  III  -  jeden  lub 

najwyżej 

kilka 

„optymalnych” 

wariantów projektu.

3. 

3. 

Kryteria oceny systemu 

Kryteria oceny systemu 

technologicznego

technologicznego

 

 

•

Kryteria ekonomiczne 

Kryteria ekonomiczne 

 

W  praktyce  stosuje  się  kilka  różnych 
kryteriów  ekonomicznych  w  zależności  od 
stopnia  zaawansowania  projektu  jak  i 
dostępności  danych.   

Popularnym  kryterium  jest 

koszt  całkowity  w  skali  roku  (suma  nakładów 
inwestycyjnych  na  aparaty  +  koszt  eksploatacji  –  wada: 
nie uwzględnia wartości pieniądza w czasie)



Kryteria ochrony środowiska

Kryteria ochrony środowiska



Kryteria bezpieczeństwa pracy

Kryteria bezpieczeństwa pracy



Kryteria elastyczności i sterowalności

Kryteria elastyczności i sterowalności

 

 

System  technologii  chemicznej  ocenia  się  na 
podstawie kilku wskaźników (kryteriów): 

„

„

elastyczność”

elastyczność”

  -  zapewnienie  właściwej 

pracy  przy  zmianach  długoterminowych  i  o 
znacznych  wartościach,  tj.  na  tyle  dużych, 
że  ich  skutki  nie  są  eliminowane  przez 
układ  kontrolno-sterujący 

(woda  chłodząca, 

zmiana parametrów rop lub innych surowców).

„

„

sterowalność”

sterowalność”

  –  zapewnienie  właściwej  pracy 

przy 

zakłóceniach 

krótkookresowych, 

o 

stosunkowo 

małych 

wartościach. 

Takie 

zakłócenia  powinny  być  eliminowane  przez 
układ sterujący. System musi być sterowalny w 
tym  sensie,  że  projekt  procesów  i  aparatów 
powinien 

zapewniać 

możliwość 

łatwego 

sterowania. 

Komentarz

Komentarz

Zasadnicza  różnica  pomiędzy  elastycznością 
a  sterowalnością  polega  na  tym,  że  ta 
pierwsza  odnosi  się  do  stanu  ustalonego, 
gdy  druga  do  stanu  nieustalonego  (czyli 
musi 

uwzględniać 

dynamikę 

systemu). 

Typowym  przykładem  stanów  nieustalonych 
systemu  technologicznego  pracującego  w 
sposób 

ciągły 

są 

okresy 

rozruchu 

i 

zatrzymywania instalacji.

W sumie:

W sumie:

 optymalizacja wielokryterialna 

(kompromisowa).

Kłopoty 

z 

optymalizacją 

kompromisową 

powodują, że:

Przyjmuje  się  kryterium  ekonomiczne  jako 

Przyjmuje  się  kryterium  ekonomiczne  jako 

podstawowe 

i 

traktuje 

pozostałe 

jako 

podstawowe 

i 

traktuje 

pozostałe 

jako 

ograniczenia. 

ograniczenia. 

4. 

4. 

Podstawowe strategie projektowania 

Podstawowe strategie projektowania 

systemów

systemów

 

 

Hierarchiczne

Hierarchiczne

 

polegają 

na 

podziale 

(dekompozycji) 

całego 

problemu 

na 

prostsze, 

łatwiejsze 

do 

rozwiązania 

podproblemy,  zależne  od  siebie  w  sposób 
hierarchiczny:

•

równoczesne

•

hierarchiczne

najpierw  należy  rozwiązać  podproblem  na 

najpierw  należy  rozwiązać  podproblem  na 

wyższym  stopniu  hierarchii  a  dopiero  potem 

wyższym  stopniu  hierarchii  a  dopiero  potem 

podproblem  z  następnego  stopnia  hierarchii, 

podproblem  z  następnego  stopnia  hierarchii, 

wykorzystując  przy  tym  wyniki  rozwiązań  z 

wykorzystując  przy  tym  wyniki  rozwiązań  z 

poprzednich szczebli 

poprzednich szczebli 

czyli:

czyli:

 

 

1)

Dobór  reakcji  chemicznych  i  projekt 

układu  reaktorów,  wraz  z  zawrotami 
strumieni (recyklami).

2)

Projekt  układu  rozdziału  mieszanin 

wieloskładnikowych.

3)

Projekt układu wymiany ciepła.

4)

Projekt podsystemu energetycznego

sekwencyjne rozwiązywanie kolejnych 

podproblemów (i to często w sposób 
iteracyjny). 

Wykres  cebulowy    (onion  diagram)

 

Komentarz:

Komentarz:

Ponieważ dekompozycja jest hierarchiczna, to 

podproblemy  muszą  być  rozwiązywane 
sekwencyjnie  w  kolejności  ich  pozycji  w 
hierarchii.  Wobec  tego  projektant  musi 
wybrać  reakcje  chemiczne  jako  pierwsze, 
nie  mając  pełnego  obrazu  wpływu  tego 
wyboru  na  procesy  rozdziału  i  wymiany 
ciepła. 

Innymi 

słowy, 

system 

technologiczny 

projektowany 

jest 

w 

metodzie  hierarchicznej  „częściami”,  przy 
ograniczonej  możliwości  uwzględniania 
powiązań projektowanej „części” z innymi. 

Można

Można

  optymalizować  projektowaną 

aktualnie 

„część” 

np. 

układ 

reaktorów, 

ale 

będzie 

to 

optymalizacja 

lokalna

optymalizacja 

lokalna

, 

gdyż 

kryterium 

optymalności 

będzie 

dotyczyło  tylko  układu  reaktorów  a 
nie całego systemu.

Skutki

Skutki

  takiej  optymalizacji  lokalnej  nie 

muszą  wcale  być  dobre  dla  całego 
systemu. 

Skutek: metoda hierarchiczna nie 

Skutek: metoda hierarchiczna nie 

może zapewnić uzyskania 

może zapewnić uzyskania 

rozwiązania globalnie optymalnego, 

rozwiązania globalnie optymalnego, 

przy rozsądnym nakładzie obliczeń. 

przy rozsądnym nakładzie obliczeń. 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Metoda  Równoczesna 

Metoda  Równoczesna 

(simultaneous) 

nie 

wymaga 

hierarchizacji 

i 

sekwencyjności 

obliczeń, 

umożliwia 

(przynajmniej  na  poziomie  koncepcji) 
uwzględnienie  wszystkich  powiązań  w 
systemie. 

Zasada:

Zasada:

Zbudować 

Zbudować 

nadstrukturę

nadstrukturę

 

zawierającą 

 

zawierającą 

wszystkie 

możliwe 

struktury 

wszystkie 

możliwe 

struktury 

projektowanego 

systemu 

projektowanego 

systemu 

technologicznego. Następnie 

technologicznego. Następnie 

wyodrębnić

wyodrębnić

 z 

 z 

niej 

niej 

strukturę  optymalną

strukturę  optymalną

  ze  względu  na 

  ze  względu  na 

przyjęte kryteria jakości.

przyjęte kryteria jakości.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Dwa kluczowe zagadnienia:

Dwa kluczowe zagadnienia:

1)

stworzenie nadstruktury,

2)

znalezienie rozwiązania optymalnego 

Ad.1)

Ad.1)

 

 

:

:

Nadstruktura 

systemu 

Nadstruktura 

systemu 

technologicznego.

technologicznego.

Nadstruktura  -  graf  planarny  (płaski), 

Nadstruktura  -  graf  planarny  (płaski), 

skierowany, 

zawierający 

węzły 

i 

skierowany, 

zawierający 

węzły 

i 

krawędzie. 

krawędzie. 

Reaktor z reakcją: 

Reaktor z reakcją: 

A + B 

A + B 





 C

 C

.

.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Symboliczna  reprezentacja  reaktora  dla 

Symboliczna  reprezentacja  reaktora  dla 

reakcji

reakcji

 

 

A + B 

A + B 





 C 

 C 

  

Reaktor z reakcją: A + B 

Reaktor z reakcją: A + B 





 C

 C

 

 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Reprezentacja reaktora dla reakcji A + 

Reprezentacja reaktora dla reakcji A + 

B 

B 





 C przy pomocy grafu

 C przy pomocy grafu

strumienie 

strumienie 

A,  B,  C

A,  B,  C

  -

  -

 

 

krawędzie 

krawędzie 

(cięciwy) 

(cięciwy) 

reaktor – węzeł (wierzchołek) 

reaktor – węzeł (wierzchołek) 

Graf skierowany

Graf skierowany

 

 

 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

W  grafie  nadstruktury  wygodnie  jest 

W  grafie  nadstruktury  wygodnie  jest 

wyróżnić dwa rodzaje węzłów:

wyróżnić dwa rodzaje węzłów:



wejścia  (wloty)  i  wyjścia  (wyloty)  -  nie 

wejścia  (wloty)  i  wyjścia  (wyloty)  -  nie 

powodują 

powodują 

     

     

zmiany  parametrów 

zmiany  parametrów 

strumienia

strumienia



aparaty lub procesy – powodują

aparaty lub procesy – powodują

 

 

zmiany 

zmiany 

parametrów strumienia.

parametrów strumienia.

Cięciwami  grafu

Cięciwami  grafu

  są  połączenia  między 

  są  połączenia  między 

węzłami-reprezentują  strumienie  masy  i 

węzłami-reprezentują  strumienie  masy  i 

energii

energii

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Przykład  grafu  dla  nadstruktury  w  metodzie 

Przykład  grafu  dla  nadstruktury  w  metodzie 

równoczesnej

równoczesnej

 

 

  

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Ad.

Ad.

2

2

)

)

 

 

:

:

Znajdowanie  optymalnego  rozwiązania 

Znajdowanie  optymalnego  rozwiązania 

.

.

Optymalizacja matematyczna. 

Optymalizacja matematyczna. 

Kryterium 

ekonomiczne 

np. 

koszt 

Kryterium 

ekonomiczne 

np. 

koszt 

całkowity w skali rocznej 

całkowity w skali rocznej 

+

+

model 

matematyczny 

nadstruktury 

model 

matematyczny 

nadstruktury 

składający  się  z  równań  bilansowych, 

składający  się  z  równań  bilansowych, 

projektowych, 

zależności 

projektowych, 

zależności 

termodynamicznych 

i 

równań 

termodynamicznych 

i 

równań 

definiujących 

połączenia 

pomiędzy 

definiujących 

połączenia 

pomiędzy 

aparatami. 

aparatami. 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Uwaga:

Uwaga:

W 

celu 

wyodrębnienia 

struktury 

W 

celu 

wyodrębnienia 

struktury 

optymalnej  z  nadstruktury  konieczne 

optymalnej  z  nadstruktury  konieczne 

jest 

zastosowanie 

zmiennych 

jest 

zastosowanie 

zmiennych 

binarnych, takich że: 

binarnych, takich że: 

Celem 

optymalizacji 

jest 

m.in. 

Celem 

optymalizacji 

jest 

m.in. 

znalezienie  wartości 

znalezienie  wartości 

y

y

i

i

  oraz  wartości 

  oraz  wartości 

optymalnych  parametrów  aparatów  i 

optymalnych  parametrów  aparatów  i 

strumieni  (zmienne binarnych + ciągłe).

strumieni  (zmienne binarnych + ciągłe).

 

 









razie

przeciwnym

w

strukturze

w

jest

"

aparat

gdy

y

i

0

optymalnej

i"

1

(1)

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Problem optymalizacji matematycznej:

Problem optymalizacji matematycznej:

min  F (X, Y)

min  F (X, Y)

      (

      (

2

2

)

)

przy:

przy:

h

h

i

i

 (X, Y) = 0;

 (X, Y) = 0;

  i 

  i 





 I

 I

      

      

(

(

3

3

)

)

g

g

j

j

 (X, Y) 

 (X, Y) 





 0;

 0;

  j  

  j  





 J

 J

      (

      (

4

4

)

)

gdzie:

gdzie:

X

X

  - 

  - 

wektor  zmiennych  ciągłych  takich  jak: 

wektor  zmiennych  ciągłych  takich  jak: 

ciśnienie,  temperatura,  natężenie  przepływu, 

ciśnienie,  temperatura,  natężenie  przepływu, 

wymiary aparatów itp.

wymiary aparatów itp.

Y

Y

 

– 

wektor 

zmiennych 

binarnych 

y

 

– 

wektor 

zmiennych 

binarnych 

y

i

i

 

 

zdefiniowanych wzorem (1)

zdefiniowanych wzorem (1)

F

F

  –  kryterium  optymalności  (np.  koszt  całkowity 

  –  kryterium  optymalności  (np.  koszt  całkowity 

instalacji)

instalacji)

h

h

i

i

  –  równania  bilansowe,  termodynamiczne, 

  –  równania  bilansowe,  termodynamiczne, 

projektowe oraz powiązań między aparatami

projektowe oraz powiązań między aparatami

g

g

i

i

  - 

  - 

nierówności  odpowiadające  żądaniom  i 

nierówności  odpowiadające  żądaniom  i 

ograniczeniom  technologicznym,  projektowym 

ograniczeniom  technologicznym,  projektowym 

oraz warunki logiczne

oraz warunki logiczne

Kłopoty: 

Kłopoty: 

1)

1)

Trudności z utworzeniem nadstruktury

Trudności z utworzeniem nadstruktury



Musi  zawierać  wszystkie  możliwe 

Musi  zawierać  wszystkie  możliwe 

struktury 

struktury 





 olbrzymia i bardzo złożona

 olbrzymia i bardzo złożona

2)

2)

Trudności  z  rozwiązaniem  problemu 

Trudności  z  rozwiązaniem  problemu 

optymalizacji matematycznej. 

optymalizacji matematycznej. 



Są 

to 

najczęściej 

problemy 

Są 

to 

najczęściej 

problemy 

optymalizacji nieliniowej ze zmiennymi 

optymalizacji nieliniowej ze zmiennymi 

ciągłymi  i  binarnymi  - 

ciągłymi  i  binarnymi  - 

MINLP

MINLP

  „

  „

M

M

ixed-

ixed-

I

I

nteger 

nteger 

N

N

on

on

L

L

inear 

inear 

P

P

rogramming”.

rogramming”.

 

 

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH

Dostępne metody równoczesne:

Dostępne metody równoczesne:

 

 



układy kolumn rektyfikacyjnych,

układy kolumn rektyfikacyjnych,



sieci wymienników ciepła,

sieci wymienników ciepła,



układy reaktorów chemicznych,

układy reaktorów chemicznych,



obiegi chłodnicze,

obiegi chłodnicze,



układy  wymienników  masy  takich  jak 

układy  wymienników  masy  takich  jak 

absorbery, ekstraktory i adsorbery 

absorbery, ekstraktory i adsorbery 

( w 

( w 

tym sieci wody procesowej)

tym sieci wody procesowej)

Zastosowanie  metody  hierarchicznej 

Zastosowanie  metody  hierarchicznej 

do projektu instalacji produkcji chlorku 

do projektu instalacji produkcji chlorku 

winylu

winylu

Sformułowanie problemu i wstępna analiza.

Sformułowanie problemu i wstępna analiza.

Należy zaprojektować instalację do produkcji 
3,628810 

5 

t/rok ( 45360 kg/h) chlorku winylu.

Podstawowa baza danych

związek

masa 

cząsteczkowa

koszt 

jednostkowy 

[j.pien./kg]

C

2

H

2

26,04

110,00

Cl

2

70,91

24,25

C

2

H

2

Cl

2

96,95

-

C

2

H

4

28,05

39,68

HCl

36,46

39,68

C

2

H

3

Cl

62,50

48,50

Wybór rodzaju procesu (proces okresowy czy 

Wybór rodzaju procesu (proces okresowy czy 

ciągły)

ciągły)

Etap I. Dobór reakcji chemicznych

Etap I. Dobór reakcji chemicznych

 (operator: 

 (operator: 

eliminacja różnic w budowie cząsteczek 

eliminacja różnic w budowie cząsteczek 

produktu i surowców)

produktu i surowców)

1.

1.

 

 

Bezpośrednie chlorowanie etylenu:

Bezpośrednie chlorowanie etylenu:

C

C

2

2

H

H

4

4

 + Cl

 + Cl

2

2

 

 





 C

 C

2

2

H

H

3

3

Cl + HCl

Cl + HCl

Uwagi:

Uwagi:

 reakcja zachodzi w temperaturze 

 reakcja zachodzi w temperaturze 

kilkuset stopni Celsjusza. W reakcji 

kilkuset stopni Celsjusza. W reakcji 

zużywana jest jedna cząsteczka drogiego 

zużywana jest jedna cząsteczka drogiego 

chloru na jeden mol etylenu. Powstaje 

chloru na jeden mol etylenu. Powstaje 

jeden mol produktu ubocznego (HCl), który 

jeden mol produktu ubocznego (HCl), który 

jest trudny do sprzedania. Przy wyższym 

jest trudny do sprzedania. Przy wyższym 

stopniu przereagowania zachodzą również 

stopniu przereagowania zachodzą również 

reakcje podstawiania dające wiele 

reakcje podstawiania dające wiele 

produktów ubocznych.

produktów ubocznych.

 

 

2. Chlorowodorowanie acetylenu

2. Chlorowodorowanie acetylenu

C

C

2

2

H

H

2

2

 + HCl 

 + HCl 





 C

 C

2

2

H

H

3

3

Cl 

Cl 

Uwagi:

Uwagi:

 jest to reakcja 

 jest to reakcja 

egzotermiczna, zachodzi z 

egzotermiczna, zachodzi z 

dużym stopniem 

dużym stopniem 

przereagowania 

przereagowania 

przekraczającym 98% w 

przekraczającym 98% w 

temperaturze 150 

temperaturze 150 

0

0

C na 

C na 

katalizatorze HgCl

katalizatorze HgCl

2

2

 

 

(toksycznym). Surowcem jest 

(toksycznym). Surowcem jest 

silnie wybuchowy i drogi 

silnie wybuchowy i drogi 

acetylen.

acetylen.

 

 

3. reakcja 2-etapowa chlorowania 

3. reakcja 2-etapowa chlorowania 

etylenu

etylenu

3a)  C

3a)  C

2

2

H

H

4

4

 + Cl

 + Cl

2

2

 

 





 C

 C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

3b)  C

3b)  C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

  

  





 C

 C

2

2

H

H

3

3

Cl + HCl

Cl + HCl

Uwagi:

Uwagi:

 reakcja (3a) jest egzotermiczna, 

 reakcja (3a) jest egzotermiczna, 

katalityczna, przebiega z dużym 

katalityczna, przebiega z dużym 

stopniem przereagowania 

stopniem przereagowania 

przekraczającym 98% w temperaturze 

przekraczającym 98% w temperaturze 

90 

90 

0

0

C (nie wyższej niż 120 

C (nie wyższej niż 120 

0

0

C) i pod 

C) i pod 

ciśnieniem atmosferycznym. Reakcja 

ciśnieniem atmosferycznym. Reakcja 

(3b) jest endotermiczna, przebiega 

(3b) jest endotermiczna, przebiega 

samorzutnie w temperaturze ok. 500 

samorzutnie w temperaturze ok. 500 

0

0

C, stopień przereagowania wynosi ok. 

C, stopień przereagowania wynosi ok. 

65%

65%

4. reakcja 2-etapowa 

4. reakcja 2-etapowa 

oksychlorowania etylenu

oksychlorowania etylenu

4a)  C

4a)  C

2

2

H

H

4

4

 + 2HCl + ½ O

 + 2HCl + ½ O

2

2

 

 





  C

  C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

 + 

 + 

H

H

2

2

O

O

4b)  C

4b)  C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

  

  





 C

 C

2

2

H

H

3

3

Cl + HCl 

Cl + HCl 

sumarycznie: C

sumarycznie: C

2

2

H

H

4

4

 + HCl + ½ O

 + HCl + ½ O

2

2

 

 





  C

  C

2

2

H

H

3

3

Cl 

Cl 

+ H

+ H

2

2

O

O

Uwagi:

Uwagi:

 reakcja (4a) jest silnie 

 reakcja (4a) jest silnie 

egzotermiczna, katalityczna (katalizator 

egzotermiczna, katalityczna (katalizator 

CuCl

CuCl

2

2

), przebiega z dużym stopniem 

), przebiega z dużym stopniem 

przereagowania rzędu 95% w 

przereagowania rzędu 95% w 

temperaturze 250 

temperaturze 250 

0

0

C. Reakcja (4b) 

C. Reakcja (4b) 

identycznie do reakcji 3b. (

identycznie do reakcji 3b. (

jest 

jest 

endotermiczna, przebiega samorzutnie w temperaturze 

endotermiczna, przebiega samorzutnie w temperaturze 

ok. 500 0C, stopień przereagowania wynosi ok. 65%)

ok. 500 0C, stopień przereagowania wynosi ok. 65%)

5. Reakcja 3-etapowa chlorowania i 

5. Reakcja 3-etapowa chlorowania i 

oksychlorowania etylenu

oksychlorowania etylenu

5a)  C

5a)  C

2

2

H

H

4

4

 + Cl

 + Cl

2

2

 

 





 C

 C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

5b)  C

5b)  C

2

2

H

H

4

4

 + HCl + ½ O

 + HCl + ½ O

2

2

 

 





  C

  C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

 + 

 + 

H

H

2

2

O 

O 

5c)  2 C

5c)  2 C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

  

  





 2 C

 2 C

2

2

H

H

3

3

Cl + 2 HCl 

Cl + 2 HCl 

Jest to praktycznie połączenie reakcji 3 i 

Jest to praktycznie połączenie reakcji 3 i 

reakcji 4.

reakcji 4.

odrzucenie zdecydowanie „złych” 

odrzucenie zdecydowanie „złych” 

wariantów, do oceny należy stosować:

wariantów, do oceny należy stosować:



zysk brutto,

zysk brutto,



ilość i rodzaj produktów ubocznych 

ilość i rodzaj produktów ubocznych 

(selektywność reakcji): ich uciążliwość 

(selektywność reakcji): ich uciążliwość 

dla środowiska, wpływ na 

dla środowiska, wpływ na 

bezpieczeństwo pracy,

bezpieczeństwo pracy,



ilość nieprzereagowanych surowców 

ilość nieprzereagowanych surowców 

(ich uciążliwość dla środowiska, wpływ 

(ich uciążliwość dla środowiska, wpływ 

na bezpieczeństwo pracy) czyli stopień 

na bezpieczeństwo pracy) czyli stopień 

przereagowania,

przereagowania,



warunki w jakich przebiega reakcja i 

warunki w jakich przebiega reakcja i 

cenę katalizatora (koszt reaktora).

cenę katalizatora (koszt reaktora).

1. 

1. 

C

C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl + 

Cl + 

HCl

HCl

2.

3.

4.

5.

C

C

2

2

H

H

2

2

+ 

+ 

HCl

HCl





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl 

Cl 

3a)  C

3a)  C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

3b)  C

3b)  C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl + 

Cl + 

HCl

HCl

4a)  C

4a)  C

2

2

H

H

4

4

+ 2HCl + ½ O

+ 2HCl + ½ O

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

+ H

+ H

2

2

O

O

4b)  C

4b)  C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl + 

Cl + 

HCl

HCl

5a)  C

5a)  C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

5b)  C

5b)  C

2

2

H

H

4

4

+ 

+ 

HCl

HCl

+ ½ O

+ ½ O

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

+ H

+ H

2

2

O 

O 

5c)  2 C

5c)  2 C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





2 C

2 C

2

2

H

H

3

3

Cl + 2 

Cl + 2 

HCl

HCl

Reakcja (1) -  niska selektywność, 

Reakcja (1) -  niska selektywność, 

wytwarza dużo produktów ubocznych

wytwarza dużo produktów ubocznych

W reakcji (2) reagentem jest silnie 

W reakcji (2) reagentem jest silnie 

wybuchowy acetylen

wybuchowy acetylen

Obliczymy zysk brutto (różnica pomiędzy 

Obliczymy zysk brutto (różnica pomiędzy 

kosztem zakupu surowców, a ceną zbytu 

kosztem zakupu surowców, a ceną zbytu 

produktów, przy czym przez produkty 

produktów, przy czym przez produkty 

rozumiemy wszystkie związki powstałe 

rozumiemy wszystkie związki powstałe 

w reakcji, które można sprzedać,  tu 

w reakcji, które można sprzedać,  tu 

chlorek winylu i chlorowodór) 

chlorek winylu i chlorowodór) 

Największą wartość zysku brutto ma 

Największą wartość zysku brutto ma 

reakcja (3) 

reakcja (3) 

(należy być ostrożnym z 

(należy być ostrożnym z 

definitywnym odrzuceniem reakcji (5). 

definitywnym odrzuceniem reakcji (5). 

Zysk 

Zysk 

brutto jest bardzo zgrubnym kryterium.)

brutto jest bardzo zgrubnym kryterium.)

Etap II. Dobór strumieni recykli 

Etap II. Dobór strumieni recykli 

(operator: redystrybucja przestrzenna 

(operator: redystrybucja przestrzenna 

substancji)

substancji)

Na tym etapie projektu dobiera się 

Na tym etapie projektu dobiera się 

zawroty strumieni (recykle) na 

zawroty strumieni (recykle) na 

podstawie analizy wybranych reakcji 

podstawie analizy wybranych reakcji 

chemicznych. Zawroty takie wynikają z 

chemicznych. Zawroty takie wynikają z 

potrzeby odzysku nieprzereagowanych 

potrzeby odzysku nieprzereagowanych 

surowców. 

surowców. 

W reakcji (3b) pirolizy dwuchloroetanu 

W reakcji (3b) pirolizy dwuchloroetanu 

przewidywany stopień przereagowania 

przewidywany stopień przereagowania 

wynosi ok. 

wynosi ok. 

65%.

65%.

 

 

W reakcji (3a) stopień przereagowania 

W reakcji (3a) stopień przereagowania 

wynosi 98%, stosuje się niewielki 

wynosi 98%, stosuje się niewielki 

nadmiar C

nadmiar C

2

2

H

H

4

4

 w stosunku do Cl

 w stosunku do Cl

2

2

.  

.  

Reagent ten trzeba oddzielić i zawrócić 

Reagent ten trzeba oddzielić i zawrócić 

do reaktora.

do reaktora.

Schemat recyklu w reakcji (3b)

Schemat recyklu w reakcji (3b)

 

3b)  C

3b)  C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

3

3

Cl + 

Cl + 

HCl

HCl

Schemat prawdopodobnego recyklu w 

Schemat prawdopodobnego recyklu w 

reakcji 3a

reakcji 3a

 

3a)  C

3a)  C

2

2

H

H

4

4

+ Cl

+ Cl

2

2





C

C

2

2

H

H

4

4

Cl

Cl

2

2

Biorac pod uwagę wielkośc produkcji, 

Biorac pod uwagę wielkośc produkcji, 

stechiometrię obu reakcji oraz zakładając 

stechiometrię obu reakcji oraz zakładając 

stopień przereagowania w 3a 100% i w 3b 

stopień przereagowania w 3a 100% i w 3b 

65%, możemy policzyć strumienie masowe w 

65%, możemy policzyć strumienie masowe w 

układzie reaktorów

układzie reaktorów

 

Kolejno należy przewidzieć orientacyjne 

Kolejno należy przewidzieć orientacyjne 

parametry pracy reaktorów (potem 

parametry pracy reaktorów (potem 

można je optymalizować) – pomoc 

można je optymalizować) – pomoc 

technologa.

technologa.

R 3a – t=90

R 3a – t=90

o

o

C, p=1 bar

C, p=1 bar

R 3b – t=500

R 3b – t=500

o

o

C, p=26 bar (

C, p=26 bar (

niezbyt 

niezbyt 

trudne do realizacji

trudne do realizacji

)

)

Teraz można policzyć efekt cieplny 

Teraz można policzyć efekt cieplny 

reakcji

reakcji

Określić sposób realizacji procesów rozdzielania



Czy można stosować rektyfikację? (sekwencja 
kolumn)



Czy łatwo skroplić pary z reaktora i w 
skraplaczu kolumny?



Jakie powinno być ciśnienie w kolumnach (czy 
można stosować wodę chłodzącą?)?



Jaki stan cieplny surowca?

Etap III. Dobór procesów rozdziału 

Etap III. Dobór procesów rozdziału 

(operator: eliminacja różnic składów)

(operator: eliminacja różnic składów)

temperatura wrzenia [

0

C] 

 

związek  p=1,013 bar  p=4,864 bar  p=12,159ba

r 

p=26,344 bar 

 

t

k

[

0

C] 

 

p

k

[bar] 

HCl 

-84,8 

-51,7 

-26,2 

0,0 

51,4 

83,188 

C

2

H

3

Cl 

-13,8 

33,1 

70,5 

110,9 

169 

56,742 

C

2

H

4

Cl

2

 

83,7 

146,0 

193,0 

242,0 

250 

50,662 

 

Układ kolumn rektyfikacyjnych do rozdziału 

Układ kolumn rektyfikacyjnych do rozdziału 

roztworu C2H3Cl, C2H4Cl2, HCl

roztworu C2H3Cl, C2H4Cl2, HCl

 

HCl

(recykl)

C H Cl

2 3

C H Cl

2 4

2

po reaktorze

3b

Kol.1

Kol.2

Układ kolumn rektyfikacyjnych do rozdziału 

Układ kolumn rektyfikacyjnych do rozdziału 

roztworu C2H3Cl, C2H4Cl2, HCl

roztworu C2H3Cl, C2H4Cl2, HCl

 

 

Etap IV Dopasowanie stanów fazowych, 

temperatury i ciśnienia strumieni

 
surowce 

do/po reakcji (3a) 

ciecz 

t = 112 

0

C 

p = 1,5 at 

 
 

do/po reakcji (3b) 

faza gazowa 

t = 500 

0

C 

p = 26 at 

 

do kolumny 1 

ciecz wrząca 

t = 6 

0

C 

p = 12 at 

 

 

Schemat części instalacji chlorku winylu po 
uzgodnieniu parametrów strumieni

Etap V Dobór aparatów (w metodyce 

środki-cele: integracja aparatów)

p = 2 6 a t

p a r a

g r z e w c z a

s p a l in y

c ie c z

r e a k c ja

( 3 a )

r e a k c ja

( 3 b )

o d p a r o w a n i e

s k r a p l a n i e

t = 5 0 0 C

p = 2 6 a t

p a r a

0

t = 9 0 C

p = 1 , 5 a t

0

t = 1 1 2   C

p = 1 , 5 a t

0

t = 2 4 2 C

p a r a

0

P = 1 2 a t

t = 6 C

c i e c z

0

t = - 2 6 C

0

t = 9 3 C

0

t = 1 4 6 , 1 C

0

t = 3 3 , 1 C

0

p a r a   w   p .   r o s y

t = 1 7 0 C

p = 2 6 a t

0

p i e c

K o l . 1

p = 1 2 a t

K o l . 2

p = 4 , 8 a t

c h

c h

H C l

C H C l

2

4

2

C H C l

2

3

C H C l

2

4

2

C l

2

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW

 

 

PROCESOWYCH

PROCESOWYCH