Bilancování procesních a energetických systémů (FSI-KBP)

Po absolvování předmětu  student:

• Získá přehled o typech bilancovaných úloh, jejich složitosti a způsobech sestavení hmotnostní bilance

• Naučí se, že bilancování je obecná metoda práce se zákony zachování hmoty, energie či látky.
• Bude umět analyzovat bilanční úlohy z pohledu počtu známých a neznámých proměnných a bude umět sestavit bilanční rovnice pro případy, kdy dochází ke směšování a dělení a separaci většího množství proudů látek, bez nebo s jednoduššími chemickými reakcemi se zadaným stupněm konverze
• Porozumí různým formám zápisu energetických bilancí pro různé typy systémů.
• Jednodušší problémy bude schopen vypočítat bez použití výpočtových nástrojů a PC. Vybrané případy bude schopen vypočítat s podporou MS Excel.
• Získá informaci, jak bilancování souvisí s dalšími metodami hodnocení projektů z pohledu udržitelnosti
• Porozumí tomu, jak EU Taxonomie ovlivní návrh výrobních technologií a procesů
• Bude schopen využit znalosti bilancování pro přípravu dat v rámci nefinančního reportingu
• Bude umět pro jednodušší případy zpracovat tzv. Sankeyovi digramy, které jsou vizualizací materiálových a energetických toků.
• Bude seznámen s principy vykazování emisí skleníkových plynů a bude rozumět důležitým pojmům v anglickém i českém jazyce. 
• Orientuje se v problematice mapování hmotnostních toků a budou schopni toky v rámci základních systémů vizualizovat a inventarizovat. 
• Prohloubí a upevní schopnost sestavit hmotnostní a energetickou bilanci pro základní procesy vč. procesů, které produkují nebo využívají druhotné suroviny jako náhradu surovin primárních.
• Dokáže rozlišit různé kategorie dopadů činností s ohledem na různé složky životního prostředí a identifikovat toky, které k nim potenciálně přispívají.

Vybrané znalosti z předmětu je možné si ověřit v e-learningovém modulu, který je v českém jazyce. 

Předpokládají se znalosti z bakalářského studia matematiky, fyziky a termomechaniky. Studenti využijí znalosti řešení soustav lineárních rovnic, numerických postupů hledání kořene nelineárních funkcí. Pro Problematika bilancování neustálených stavů souvisí také se sestavením diferenciálních rovnic a jejich řešením.

Cílem předmětu je příprava studentů pro efektivní používání bilancí jako základního nástroje procesního inženýra (popř. také energetického specialisty, odpadového hospodáře, zpracovatele zprávy o udržitelnosti organizace a dalších) a seznámení se s typickými případy, kde se lze s bilancemi setkat. Uvnitř procesů se vstupní materiály a suroviny přeměňují na výsledné produkty a suroviny. K tomu je potřeba energie, kterou je snaha maximálně využít. Přesto se část energie bez užitku zmaří nebo transformuje do obtížně využitelného odpadního tepla. Výstupními proudy jsou ale také odpady v různém skupenství (tuhé odpady, kapalné odpady a odpadní vody, plynné emise). A právě bilance umí popsat a následně vyčíslit, jak se vstupní proudy přeměňují na výstupní.  Výpočet bilance znamená získání informace o průtocích, složení, popř. teplotách všech proudů v každém místě procesu. Studenti se seznámí se základy bilance hmoty a energie. Na znalostech bilancování staví další odborné předměty oboru, které navazují v dalších semestrech. Tyto odborné předměty pak budou schopnost výpočtů bilancí dále rozvíjet, procvičovat a využívat při použití specializovaných (komerčních) výpočtových nástrojů. 

ZÁPOČET:

Pro udělení zápočtu je nutná pravidelná a aktivní účast ve cvičeních (to znamená maximálně 2 předem omluvené neúčasti ve cvičení), dodání všech zadaných úkolů, úspěšné zvládnutí písemných testů a zpracování semestrální práce, která je řešena v malých skupinkách studentů. Práce je zaměřena na zpracování vybraného příkladu, čímž si student ověří pochopení teorie bilancování a prověří si, že lze získané poznatky uplatnit při řešení složitějších úloh. Kritériem úspěšného získání zápočtu je nadpoloviční počet bodů z průběžných písemných testů.

Účast na přednáškách není kontrolovaná, nicméně splnění úkolů ve cvičeních vyžaduje znalosti z přednášek.

ZKOUŠKA:

Zkouška má tři části – písemný test, výpočetní příklady a ústní část.

• Písemný test je zaměřený na prověření znalosti látky probírané v přednáškách i cvičeních. Test obsahuje sadu 15 až 20 otázek (počet se může lišit pro konkrétní zadání), na které student odpovídá ve formě výběru odpovědi A, B, C, jednoduchého výpočtu nebo vysvětlení konkrétního problému (náčrt, popis, rovnice).
• Výpočetní příklady – 2 až 3 výpočtové příklady, které mohou zahrnovat analýzy řešitelnosti, kontrolu pochopení problému, zápis bilančních rovnic, popř. jejich vyřešení.
• Ústní část - vysvětlení konkrétních snímků z prezentací přednášených v průběhu semestru.

Každá část se hodnotí samostatně A až F, každá část má stejnou váhu. Z každé části musí být student klasifikován nejhůře E.  Přičemž F student obdrží, pokud jeho znalosti odpovídají méně než polovině požadovaných znalostí (např. méně než polovina bodů z písemné části, žádný nebo jeden vyřešený příklad apod.). Pokud je výsledek v některé z částí F, pak musí student opakovat celou zkoušku. V ostatních případech výsledná známka zohledňuje jednotlivé části.

1. týden: Klasifikace bilancí a základní pojmy
2. týden: Hmotnostní bilance systému v ustáleném stavu (bez chemické reakce a s chemickou reakcí)
3. týden: Energetická bilance ustáleného systému, postupy výpočtu toku energie vybraných procesních proudů
4. týden Úvod do bilance potrubních sítí, bilance úloh s recyklem či obtokem, počítačová implementace algoritmů pro řešení bilance
5. týden: Úvod do ekonomického hodnocení projektů v předinvestiční fázi
6. týden: Bilancování na základě provozních dat (přeurčený systém)
7. týden: Bilance pro hodnocení dopadů na životní prostředí
8. týden: Přístupy k bilancování šíření emisí do okolního prostředí, emise a imise
9. týden: Bilance procesu závislého na čase, akumulace hmoty
10. týden: Bilancování procesů se změnou fáze (pára-kapalina, jedno a více složkové systémy)
11. týden: Bilancování procesů se změnou fáze (kapalina - pevná látka) a aplikace pro akumulaci energie
12. týden: Základy bilancování nízkouhlíkových technologií výroby energie
13. týden: Přehled SW pro bilancování procesů

D. W. Green, M. Z. Southard(eds.): Perry´s Chemical Engineers´Handbook, 9th ed. New York: McGraw-Hill Education 2019