2. Szakirodalom áttekintése
2.2.2. Energiaintegrált SNS hálózatok
A szétválasztási hálózatok költségének jelentős része a felhasznált energia költségéből adódik. Amíg az energia világpiaci ára nem volt jelentős, addig az energiaintegráció másodlagos kérdés volt. Mivel ez már nem igaz, egyre fontosabbá válik, hogy egy folyamat tervezésekor az energia igényeket is figyelembe vegyük. Rathore és munkatársai (1974a) elsőként vizsgálták az energiaintegrált szétválasztási hálózatok szintézisét. Egy dinamikus programozás alapú algoritmust fejlesztettek ki az optimális
hálózat megtalálására. Kezdetben nem vették figyelembe a különböző nyomású lepárlók által nyújtott lehetőséget, amit azonban később orvosoltak, lásd Rathore és munkatársai (1974b).
Aggarwal és Floudas (1992) algoritmikus módszert adtak a nem-éles szétválasztókat tartalmazó hő-integrált szétválasztási hálózatok szintézisére. Módszerük Aggarwal és Floudas (1990) közvetlen folytatásaként tekinthető. Részletes költség analízissel határozták meg a desztilláció oszlopok költségfüggvényeit és megadták a lehetséges hiba nagyságát is (10%). Ugyanazt a szuperstruktúrát használták, mint a korábbi cikkükben és ezen a struktúrán határozták meg a lehetséges hőcseréket. Úgy tekintették, hogy a kiforralók, kondenzátorok és a hőforrások között lehetséges hőcsere, hideg és meleg folyamok létének lehetőségét nem vették figyelembe. A felírt MINLP matematikai modellt egy általuk kifejlesztett dekompozíciós eljárással oldották meg. Finn (1996) megmutatta, hogy a hagyományos Fenske - Underwood - Gilliland módszer alkalmazható csatolt desztilláló oszlopok esetén is és számos összehasonlítást végzett hagyományos és hő-integrált oszlopok között.
Wang és szerzőtársai (1998) genetikus algoritmussal oldották meg a tiszta termékes, energiaintegrált SNS feladatot. Módszerükben desztilláló oszlopok használatát feltételezték és az oszlopok nyomását optimalizálási változóként kezelték. Bemutatták az egyedek kódolási módját, az indulási populáció meghatározását és az új egyedek generálásának mikéntjét. Cisternas és munkatársai (2001) a kristályosításon alapuló szétválasztókat tartalmazó, energiaintegrált SNS feladat megoldását tűzték ki. A módszer alapját három különböző hálózat teszi ki, úgymint a termodinamikai állapot hálózat, a feladat hálózat és a hőcserélő hálózat. Az egyes hálózatok modelljeinek összegzése egy diszjunktív programozási modell, amelyet egy MILP feladattá transzformáltak. A feladat energiaintegrációs részét egyszerű szállítási mollként fogalmazták meg. Sobocan és Glavic (2002) tiszta termékes, hő-integrált SNS hálózatok tervezésével foglalkoztak. Két feltételt mutattak be a kedvezőtlen hálózatok kiszűrésére és megállapították, hogy az úgynevezett minimum feltétel a hatékonyabb. Tervezési stratégiájuk a következő: első lépésben generálják az összes lehetséges struktúrát. Tiszta termékes feladatnál, tíz komponensre ez 4862 hálózat, ami még kezelhető mennyiség. Ezután egyszerűsített modellt használva alkalmazták a minimum kritériumot. Kiválasztották a legjobb megoldásokat, ezeket már részletesen modellezték és ismételten alkalmazták rájuk a minimum feltételt. Fraga és Zilinskas (2003) egy hibrid optimalizálási módszert fejlesztett ki, amely képes kezelni nem-lineáris, nem-konvex és nem differenciálható célfüggvényeket. A hibrid módszer két szintből áll, a felső szinten egy lokális kereső határoz meg egy lehetséges szétválasztási hálózatot, az alsó szinten pedig egy genetikus algoritmus keresi meg a hozzá illeszkedő optimális hőcserélő hálózatot. A módszer előnye, hogy részletes vizsgálatok után az alsó és felső részre is olyan módszert választott, amely az adott feladathoz jól illeszkedik. Kim és munkatársai (2003)
demonstrálták, hogy akár egy négykomponenses betáplálás is elvégezhető egy darab komplex szétválasztó segítségével. A tervezett szétválasztó egy-egy kiforralóval, kondenzátorral és fő oszloppal valamint két segéd oszloppal rendelkezett. Habár a tervezett oszlop energia igénye 9,7%-al kevesebb, mint a hagyományos három szétválasztóból álló rendszeré, de szétválasztó bonyolultsága miatt irányítási nehézségekre lehet számítani, valamint a kiforraló és a kondenzátor hőmérséklete olyan, hogy az kizárja a további energiaintegráció lehetőségét.
Cabalerro és Grossmann (2001) a tiszta termékes SNS feladatot tekintették csatolt desztilláló oszlopok segítségével. Az általuk javasolt szuperstruktúra az állapot-feladat hálózat formalizmuson alapult, ahol a feladatok definiáltak, de az eszközök nem. A modellezés eredménye egy általánosított diszjunktív programozási feladat, amelynek közvetlen átalakítása MINLP feladattá lehetséges, de nem praktikus. Ennek az oka az, hogy egy így alkotott modell megoldása valószínűleg igen nehéz. Elképzelhető, hogy még megengedett megoldást sem lehet találni, ha pedig igen, akkor is valószínű, hogy a megoldó algoritmus lassan konvergál vagy egy rossz, lokális optimumot ad vissza. Éppen ezért a szerzők egy általuk készített egyedi megoldó alkalmazásához fordultak, lásd Yeomans, Grossmann (1999). Később munkájukat folytatva Cabalerro és Grossmann (2003) módszert adtak arra, hogyan lehet meghatározni adott szétválasztási hálózat esetén az összes termodinamikailag ekvivalens hálózatot. Kezdve a teljes integrációtól, összesen egy kiforraló és egy kondenzátor, a hagyományos elrendezésig, egy kiforraló és egy kondenzátor minden oszlophoz, minden lehetőséget figyelembe vettek. Megfogalmaztak olyan feltételeket, amelyek lehetőséget adtak a nehezen irányítható hálózatok kiszűrésére.
Iwakabe és szerzőtársai (2006) termikusan csatolt desztilláló oszlopot mutatták be és konkrét példákon keresztül demonstrálták annak hatékonyságát. Egy hagyományos desztilláló oszlop a következő részekből áll: kiforraló, szegényítő rész, dúsító rész, kondenzátor. A hőenergiát a kiforraló viszi be a toronyba és a kondenzátor távolítja el.
Ennek megfelelően a hőmérséklet a torony aljától felfelé fokozatosan csökken, ami kizárja a tornyon belüli energiaintegrációt. A javasolt új elrendezésben a kiforraló és a szegényítő rész elkülönül a dúsító résztől és kondenzátortól. A nyomás növelésével elérhető, hogy a dúsító rész hőmérséklete nagyobb legyen, mint a szegényítő részé, így a két elem között megvalósítható a hőcsere. A javasolt elrendezés 30%-al tudta csökkenteni a torony energia igényét, ugyanakkor csökkenti a hagyományosan tornyok között megvalósuló energiaintegráció lehetőségét. Gadalla és szerzőtársai (2006) szintúgy termikusan csatolt desztilláló oszlopot vizsgálták a propilén-propán szétválasztás példáján keresztül, a CO2 kibocsátás szempontjából. Azt találták, hogy ideális esetben, amikor a kiforraló teljes egészében elhagyható, a hagyományos oszlophoz képest 83%-al csökken a CO2 kibocsátás, ami az eddigi legkorszerűbb hőszivattyús alternatívához képest is 36%-os a csökkenést jelent. Proios és szerzőtársai (2005) egy három lépcsős módszert dolgoztak ki hő-integrált desztilláló oszlopok tervezésére. A módszer átmenetet
képez az egyszerűsített és modellezési módszerek között. Az eljárás hatásosságát példákkal illusztrálták, amelyeknél jelentős energia megtakarítást értek el.
Douglas és szerzőtársai (1985) a termelő hálózat és a szétválasztó hálózat közötti kapcsolatot vizsgálták. Megállapították, hogy a kettő szorosan összefügg, mert a termelő hálózat optimalizálásakor egyaránt mérlegelni kell az alapanyag és a recirkuláció költségét, a recirkuláció viszont általában szétválasztást igényel. Azt javasolták, hogy egyszerűsített modell segítségével határozzák meg az összevont feladat optimum közeli megoldását illetve zárjanak ki kedvezőtlen lehetőségeket. Bemutattak különböző egyszerűsített modelleket és heurisztikus tervezési elveket. Douglas (1988) a termelő hálózatok tervezését gyakorlati szempontból vizsgálta. Számos esettanulmányt vizsgált meg és ezeken keresztül magyarázta el a fontos tervezési elveket. Az alkalmazott egyszerűsített modellek lehetővé tették, hogy gyorsan legyen meghatározható egy viszonylag jó megoldás.