بهینه‌سازی انرژی در سیستم‌های فرآیندی 9261 ۲۰۰۹
Energy Optimization in Process Systems 2009

با وجود تحقیقات گسترده در زمینه بهینه‌سازی انرژی و یکپارچه‌سازی فرایندها، تاکنون هیچ ترکیبی که این دو را به هم پیوند دهد، ارائه نشده است. این کتاب این شکاف را پر می‌کند و بهینه‌سازی و یکپارچه‌سازی را در مهندسی انرژی و فرایند ارائه می‌دهد. محتوای کتاب بر اساس مقالات و پژوهش‌های روز است و شامل رویکردهای نوینی است که توسط نویسندگان توسعه یافته است.

سیستم‌های مختلف حرارتی و شیمیایی (مبدل‌های حرارتی و جرمی، شبکه‌های حرارتی و آبی، مبدل‌های انرژی، واحدهای بازیافت، کلکتورهای خورشیدی و جداکننده‌ها) مورد بررسی قرار می‌گیرند. ترمودینامیک، سینتیک و اقتصاد برای فرمول‌بندی و حل مسائل با محدودیت‌هایی در مورد نرخ‌های فرایند، اندازه تجهیزات، پارامترهای زیست‌محیطی و هزینه‌ها استفاده می‌شوند.

پوشش جامعی از بهینه‌سازی دینامیکی سیستم‌های تبدیل انرژی و واحدهای جداسازی به همراه الگوریتم‌های محاسباتی مناسب برای رویکردهای بهینه‌سازی قطعی و تصادفی بر اساس موارد زیر ارائه شده است: برنامه‌ریزی غیرخطی، برنامه‌ریزی دینامیکی، حساب تغییرات، نظریه همیلتون-ژاکوبی-بلمان، اصول ماکزیمم پونتریاگین و روش‌های ویژه یکپارچه‌سازی فرایند.

نشان داده شده است که یکپارچه‌سازی انرژی حرارتی و آب فرایند در کل سایت، عامل مهمی در کاهش هزینه‌های تولید، به‌ویژه هزینه‌های خدمات رفاهی برای صنایع شیمیایی است. این یکپارچه‌سازی شامل طراحی سیستماتیک و بهینه‌سازی مبدل‌های حرارتی و شبکه‌های آب (HEN و WN) است. پس از ارائه فناوری پینچ اساسی و مبتنی بر بینش، رویکردهای ترتیبی و همزمان مبتنی بر بهینه‌سازی سیستماتیک برای طراحی HEN و WN شرح داده می‌شوند. توجه ویژه‌ای به مسئله طراحی HEN در مرحله هدف‌گذاری، با توجه به اهمیت آن در سطوح مختلف طراحی سیستم، داده می‌شود. روش‌های پیشرفته منتخب برای سنتز و نوسازی HEN ارائه شده است. برای طراحی WN، یک رویکرد نوین بر اساس بهینه‌سازی تصادفی توصیف شده است که سناریوهای طراحی grassroot و revamp را در نظر می‌گیرد.

• ارائه یک ترکیب منحصربه‌فرد از بهینه‌سازی انرژی و یکپارچه‌سازی فرآیند که اطلاعات علمی از ترمودینامیک، سینتیک و نظریه سیستم‌ها را به کار می‌گیرد
• بحث در مورد کاربردهای مهندسی از جمله تولید برق، ارتقاء منابع، تبدیل تابش و تبدیل شیمیایی، در سیستم‌های استاتیک و دینامیک
• توضیح اینکه چگونه محدودیت‌های حرارتی و شیمیایی را شناسایی کرده و در مدل‌ها و راه حل‌های بهینه‌سازی بگنجانیم

• ارائه یک ترکیب منحصربه‌فرد از بهینه‌سازی انرژی و یکپارچه‌سازی فرآیند که اطلاعات علمی از ترمودینامیک، سینتیک و نظریه سیستم‌ها را به کار می‌گیرد
• بحث در مورد کاربردهای مهندسی از جمله تولید برق، ارتقاء منابع، تبدیل تابش و تبدیل شیمیایی، در سیستم‌های استاتیک و دینامیک
• توضیح اینکه چگونه محدودیت‌های حرارتی و شیمیایی را شناسایی کرده و در مدل‌ها و راه حل‌های بهینه‌سازی بگنجانیم

Despite the vast research on energy optimization and process integration, there has to date been no synthesis linking these together. This book fills the gap, presenting optimization and integration in energy and process engineering. The content is based on the current literature and includes novel approaches developed by the authors.

Various thermal and chemical systems (heat and mass exchangers, thermal and water networks, energy converters, recovery units, solar collectors, and separators) are considered. Thermodynamics, kinetics and economics are used to formulate and solve problems with constraints on process rates, equipment size, environmental parameters, and costs.

Comprehensive coverage of dynamic optimization of energy conversion systems and separation units is provided along with suitable computational algorithms for deterministic and stochastic optimization approaches based on: nonlinear programming, dynamic programming, variational calculus, Hamilton-Jacobi-Bellman theory, Pontryagin’s maximum principles, and special methods of process integration.

Integration of heat energy and process water within a total site is shown to be a significant factor reducing production costs, in particular costs of utilities for the chemical industry. This integration involves systematic design and optimization of heat exchangers and water networks (HEN and WN). After presenting basic, insight-based Pinch Technology, systematic, optimization-based sequential and simultaneous approaches to design HEN and WN are described. Special consideration is given to the HEN design problem targeting stage, in view of its importance at various levels of system design. Selected, advanced methods for HEN synthesis and retrofit are presented. For WN design a novel approach based on stochastic optimization is described that accounts for both grassroot and revamp design scenarios.

• Presents a unique synthesis of energy optimization and process integration that applies scientific information from thermodynamics, kinetics, and systems theory
• Discusses engineering applications including power generation, resource upgrading, radiation conversion and chemical transformation, in static and dynamic systems
• Clarifies how to identify thermal and chemical constraints and incorporate them into optimization models and solutions

• Presents a unique synthesis of energy optimization and process integration that applies scientific information from thermodynamics, kinetics, and systems theory
• Discusses engineering applications including power generation, resource upgrading, radiation conversion and chemical transformation, in static and dynamic systems
• Clarifies how to identify thermal and chemical constraints and incorporate them into optimization models and solutions