Tento obor připravuje studenty na samostanou tvůrčí práci v konstrukční praxi a klade důraz na komplexní znalosti, integrování poznatků vědy, techniky a také umění v procesu projektování. Studenti , kteří se soustředí na problémy oblasti procesního inženýrství, jsou vedeni k samostatnosti při řešení vývoje, optimálního vedení, efektivního navrhování a projekce procesů v různých průmyslových oblastech.

prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc.

1. Efektivní provoz průmyslových zdrojů tepla

   Práce se věnuje snižování energetické náročnosti průmyslových procesů a energetických systémů budov. Energetických úspor je možné dosahovat na straně spotřeby i výroby. Disertační práce se zaměřuje na úspory v oblasti výroby s důrazem na efektivní využití externích energetických zdrojů, tzn. zejména kotlů nebo kogeneračních systémů. Kotle a kogenerační systémy se liší svým výkonem, palivem, teplotou a skupenstvím výstupního media apod. Jejich hlavním účelem je však výroba tepla příp. elektrické energie s co nejvyšší účinností a nejnižšími náklady. Všem kotlům a kogeneračním jednotkám je společné, že jejich účinnost je určena kvalitou spalování, teplotou výstupních spalin a přebytkem spalovacího vzduchu. Provozní náklady jsou spojeny především s cenou paliva a údržbou. Efektivní návrh i řízení průmyslových zdrojů tepla jsou podmíněny jejich důkladnou znalostí a schopností jejich integrace do procesů. Tuto snahu může výrazně usnadnit existence věrohodných matematických modelů s reálnou možností jejich aplikace. Jedním z klíčových témat práce je tedy tvorba matematických modelů kotlů a kogeneračních jednotek na základě analytické a experimentální identifikace systémů. U zařízení, která jsou dostupná na trhu, budou podpůrným materiálem projekční a katalogové informace. V případě nekonvenčních technologií budou využity především dostupné publikace a výsledky vlastního výzkumu. Dizertační práce bude obsahovat databázi matematických modelů energetických zdrojů vhodných pro integraci těchto zdrojů do průmyslových procesů. Budou řešeny následující úlohy: - úvodní rešerše: teorie účinnosti zdrojů tepla, přehled parametrů a vlastností kotlů a kogeneračních jednotek, modelování průmyslových zdrojů tepla, integrace procesů, - sběr a zpracování experimentálních dat se zaměřením na energetické zdroje, - modelování a simulace vybraných zdrojů tepla a jejich integrace do průmyslových systémů, - návrh provozního schématu nového zdroje tepla, příp. optimalizace provozu stávajícího zdroje tepla v rámci případové studie - posouzení návrhu, příp. optimalizace z hlediska úspor energie a dopadů na životní prostředí.

   Školitel: Stehlík Petr, prof. Ing., CSc., dr. h. c.

2. Experimentální výzkum odstraňování oxidů dusíku ze spalin

   Pro čištění spalin vznikajících spalováním paliv, biomasy i odpadů je používáno široké spektrum opatření a fyzikálně chemických postupů, které se navzájem odlišují svým hlavním účelem a provozní i investiční náročností. Náplň doktorského studia bude spočívat v komplexním hodnocení alternativních postupů a jejich kombinace pro snižování tvorby a účinné odstraňování oxidů dusíku pro dosažení koncentrací NOx v koncových exhalacích v souladu se stále se zpřísňující legislativou. Výzkumné práce budou zaměřeny na získání experimentálně podložených dat pro navrhování zařízení bloku odstraňování oxidů dusíku ze spalin a jejich vyhodnocování. Na experimentálním zařízení ÚPEI budou ověřovány optimální pracovní podmínky pro průběh odstraňování oxidů dusíku nekatalytickou (SNCR) či katalytickou (SCR) cestou.

   Školitel: Bébar Ladislav, doc. Ing., CSc.

3. Experimentální výzkum proudění a přenosu tepla pro petrochemii a energetiku

   Práce bude zaměřena na získávání vysoce spolehlivých a přesných dat z laboratorních experimentů při zkoušení inovativních průmyslových hořáků do 2 MW. Součástí práce bude analýza chyb měření, statistické vyhodnocování dat a zpracování dat pro validaci simulačních programů. Pozornost bude věnována také konstrukčnímu řešení experimentálních zařízení a měřících postupů, preciznímu řízení procesu a monitorování okrajových podmínek při experimentálním výzkumu hoření. Proudění v moderních hořácích s nízkými emisemi NOx má složitou strukturu s významnou tangenciální složkou rychlosti a jeho experimentální analýza má velký význam pro získání spolehlivých dat, která umožní ověření numerických modelů. Jedná se o problematiku, která je klíčová pro konstrukci plynových i kapalinových hořáků, ohřevných pecí a spalovacích komor v řadě různých průmyslových odvětví, především v petrochemii a energetice.

   Školitel: Hájek Jiří, doc. Ing., Ph.D.

4. Kinetika anaerobní fermentace biodegradabilních materiálů

   (i) Studium a analýza problematiky zpracování biodegradabilních odpadů cestou anaerobní fermentace. (ii) Příprava různých druhů substrátů pro fermentační proces a navržení fermentačních zkoušek tak, aby bylo možné vytvořit kinetické modely procesu. (iii) Vytvoření kinetického modelu anaerobní fermentace a vyhodnocení vlivu charakteru substrátu, způsobu řízení procesu (vsádkový, kontinuální) a velikosti reaktoru. (iv) Vyhodnocení možnosti predikce průběhu anaerobní fermentace v průmyslovém měřítku na základě vytvořeného kinetického modelu.

   Školitel: Hájek Jiří, doc. Ing., Ph.D.

5. Modelování on-line čištění teplosměnných ploch v kotlích

   Napříč průmyslovými obory jsou ve velkém počtu používány kotle na výrobu páry spalující uhlí, odpady, topné oleje a biomasu. Ve všech těchto jednotkách je třeba řešit problém snižování účinnosti přenosu tepla způsobovaný zanášením teplosměnných ploch. V praxi se používá několik metod pro čištění nánosů za provozu, mezi jinými např. ostřikování vodním paprskem, sprchování či ofukování. Ukazuje se nicméně, že účinnost čištění je proměnlivá a výsledky nejsou často opakovatelné. Některé z používaných metod vedou také ke značné spotřebě energie. Nadměrná aplikace může způsobovat mechanické a korozní poškození teplosměnných ploch. Chybějící znalost principů čisticích procesů je předmětem výzkumu v rámci této disertační práce.

   Školitel: Hájek Jiří, doc. Ing., Ph.D.

6. Modelování procesu tvorby nánosů v kotlích

   Napříč průmyslovými obory jsou ve velkém počtu používány kotle na výrobu páry spalující uhlí, odpady, topné oleje a biomasu. Ve všech těchto jednotkách je třeba řešit problém snižování účinnosti přenosu tepla způsobovaný zanášením teplosměnných ploch. Nánosy mívají různý charakter od drobných prachových úsad až po velmi soudržné vrstvy. Proces tvorby a usazování nánosů je úzce spjat s provozními parametry spalovacího procesu a druhem paliva. Principy tvorby úsad a jejich charakteru nejsou však uspokojivě prozkoumány. Tato práce se má za cíl prohloubit poznání principů tvorby úsad a možnosti jejich predikce.

   Školitel: Hájek Jiří, doc. Ing., Ph.D.

7. Moderní systémy čištění spalin regionálních soustav pro energetické využití odpadů

   Pro regionální zásobování energiemi bude perspektivně vhodné zvolit kombinaci zdrojů spalujících klasická fosilní paliva s provozem spalovny odpadů. Pro soustavy kombinovaného zásobování regionu tepelnou a elektrickou energií, v nichž bude začleněna středotonážní spalovna komunálních odpadů o zpracovatelském výkonu cca 10 až 100 kt/r, bude analyzována aplikace moderních alternativ a metod čištění spalin a budou diskutovány dopady na znečištění prostředí z hlediska emisních limitů.

   Školitel: Bébar Ladislav, doc. Ing., CSc.

8. Regionální energetické využití odpadů

   Energetické využívání odpadů představuje potenciálně nezanedbatelný příspěvek pro krytí potřeb komunální sféry na dodávky tepelné, eventuálně elektrické energie. Pro regionální zásobování energiemi se jeví vhodnější zvolit kombinaci zdrojů spalujících klasická fosilní paliva se středotonážní spalovnou odpadů. Cílem práce je posoudit podmínky, za kterých může být středotonážní spalovna komunálních odpadů o zpracovatelském výkonu cca 10 až 100 kt/rok efektivně zařazena do soustavy zdrojů zajišťujících regionální potřeby energie.

   Školitel: Bébar Ladislav, doc. Ing., CSc.

9. Simulace přenosu tepla a látky v porézním prostředí

   K přenosu tepla a látky v porézním prostředí dochází při celé řadě prakticky využívaných procesů – od pálení vápna, přes katalytické reaktory a roštové spalování, až po sušení porézních materiálů. Modelování těchto procesů je proto užitečným nástrojem pro navrhování a analýzu mnoha široce využívaných zařízení. V rámci této práce bude doktorand vyvíjet a implementovat simulační nástroj pro modelování procesů a zařízení, ve kterých hraje přenos tepla a látky v porézním prostředí klíčovou roli. Již existující výpočtové postupy budou dále rozvíjeny a adaptovány pro konkrétní procesy a zařízení.

   Školitel: Hájek Jiří, doc. Ing., Ph.D.

10. Využití odpadního tepla z průmyslových procesů

    Práce je zaměřena na využívání odpadního tepla z průmyslových procesů. Jedná se o nízkopotenciální teplo v teplotním rozsahu 30 – 250 °C, které je v průmyslové praxi velmi často odváděno z procesu jako odpadní proud. Tento proud je přitom nositelem velkého množství energie, která může být do procesu vrácena nebo využita jinde. Mezi základní zařízení pro využití nízkopotenciálního tepla patří např. tepelná čerpadla, sorpční systémy, systémy pro předehřev procesních médií nebo sušicí procesy. Výrobu elektřiny z odpadního tepla umí zajistit např. organický Rankinův cyklus (ORC). Důvodem malého rozšíření těchto technologií v praxi jsou vysoké investiční náklady a neznalost postupů jejich efektivní integrace do procesů. Výsledkem dizertační práce by měla být metodika pro analýzu energetického potenciálu odpadních proudů z průmyslových procesů vedoucí k efektivní integraci technologií pro využití odpadního tepla. Budou řešeny následující úlohy: - úvodní rešerše: teorie přenosu tepla a využití nízkopotenciálního tepla, rešerše technologií pro využití odpadního tepla, integrace procesů, - sběr a zpracování experimentálních dat z průmyslových provozů a laboratorních testů se zaměřením na využití odpadního tepla, - modelování a simulace technologií pro využití odpadního tepla s ohledem na ekonomiku provozu a dopady na životní prostředí, - porovnávání naměřených hodnot s výsledky simulací a katalogovými předpoklady, - účast na případových studiích souvisejících se zaváděním úsporných opatření

    Školitel: Stehlík Petr, prof. Ing., CSc., dr. h. c.