Johdanto Termodynaamiset tasapainot -kurssiin Mihin termodynamiikkaa käytetään?

Transkriptio

1 Johdanto Termodynaamiset tasapainot -kurssiin Mihin termodynamiikkaa käytetään? Keskiviikko klo 8-10 Luennon tavoite Oppia mitä termodynamiikalla tarkoitetaan Tunnistaa termodynamiikan käyttömahdollisuudet prosessi- ja ympäristötekniikassa Toimia johdantona Termodynaamiset tasapainot -opintojaksolle Perustelu kurssille Käytännön asiat (aikataulut, suoritustapa,...) 1

2 Luennon sisältö Mitä on termodynamiikka? Mihin termodynamiikkaa käytetään? ympäristötekniikassa Termodynaamiset tasapainot -opintojakso Tavoite Sisältö Aikataulu Suoritus Mitä on termodynamiikka? Fysikaalinen kemia pyrkii selittämään aineiden fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista tehtyjä havaintoja Termodynamiikka on fysikaalisen kemian osa, joka tarkastelee tasapainoja ja todennäköisyyksiä aineen olomuodossa, faasirakenteessa ja kemiallisessa laadussa tapahtuvia muutoksia sekä näihin liittyviä energian muutoksia (lämpö, työ, sisäinen energia) Termodynamiikka ei tunne aikaa muuttujana 2

3 Kemiallisten prosessien edellytykset Termodynaamiset edellytykset Ajava voima prosessin tapahtumiselle - Perusta! Kemiallinen potentiaali Kineettiset edellytykset Prosessi tapahtuu mielekkäässä ajassa Reaktiokinetiikka, aineensiirto, lämmönsiirto,... Tekniset edellytykset Halutut ilmiöt tapahtuvat hallitusti Ei-toivottujen ilmiöiden ehkäisy/hidastaminen Energeettiset edellytykset Haluttujen olosuhteiden aikaansaaminen Reagoivien aineiden kohtaaminen Mihin termodynamiikkaa käytetään? Tasapainotarkasteluihin Lämpötasetarkasteluihin Menetelmä osana prosessimallinnusta prosessikehitystä (uudet ja olemassaolevat) prosessien ohjausta ja säätöä ongelmakohtien paikannusta (reklamaatiot) erilaisten (teoreettisten/laskennallisten) rajaarvojen määritystä... 3

4 Termodynamiikan rooli prosessija ympäristötekniikassa Esimerkkejä termodynamiikan käytöstä Mihin suuntaan kemialliset reaktiot tapahtuvat? Paljonko reaktioissa vapautuu/sitoutuu lämpöä? Mikä on suurin lämpötila, joka voidaan saavuttaa jotain ainetta polttamalla? Mikä on tuotteen koostumus tasapainossa? Mikä on suurin mahdollinen saanti? Miten reaktiotasapainoon vaikuttavat olosuhteiden muutokset? Mitkä olosuhteet valitaan, jotta reaktio olisi mahdollinen? ympäristötekniikassa: Esimerkki 1 CO-H 2 -kaasun poltto CO/H 2 -suhde on 1/1 Molempia on alussa 1 kmol Polttoilmassa O 2 /N 2 -suhde on ¼ Palamistuotteina syntyy CO 2 ja H 2 O Mahdollisia typen oksideja NO, NO 2 ja N 2 O Mikä on tuotekaasun koostumus erilaisilla ilmamäärillä Tarkastellaan tilanteita, kun hapen määrää kasvatetaan kmol 4

5 5

6 ympäristötekniikassa: Esimerkki 2 Happi, typpi, argon Cr,Ni,Mn - raaka-aineet Teräsromu Pelkistimet (FeSi,SiMn) Kuonanmuodostajat (CaO,CaF 2) AOD-sula Metallisula valokaariuunista Cr 20 %, Ni 6 %, C 2 %, Si 0,1 % Cr 18 %, Ni 8 %, C 0,04 %, Si 0,5 % Happi, typpi, argon Kuva: Petri Mure 6

7 Nitrogen content in the steel melt (w-%) Kuva: Heikkinen E-P, Riipi J & Fabritius T: A computational study on the nitrogen content of liquid stainless steel in equilibrium with Ar-N 2 -atmosphere. Clean Steel Balatonfüred, Hungary. OMBKE & IOM. s ympäristötekniikassa: Esimerkki 2 AOD-prosessille on kehitetty laskennallinen prosessimalli, jonka avulla voidaan simuloida esim. raaka-aine- tai ajoparametrimuutosten vaikutuksia Yhtenä osamallina typpipitoisuuden mallinnus Termodynaaminen tasapaino Ajava voima Määrittää reunaehdot nopeustarkasteluille Reaktiokinetiikka Aineensiirto rajapintojen yli ympäristötekniikassa: Esimerkki Cr15-Ni8 Cr15-Ni12 Cr17-Ni8 Cr17-Ni12 Cr20-Ni8 Cr20-Ni Square root of the nitrogen pressure in the gas phase 7

8 Computational N-contents [ppm] Kuva: Heikkinen E-P, Riipi J & Fabritius T: A computational study on the nitrogen content of liquid stainless steel in equilibrium with Ar-N 2 -atmosphere. Clean Steel Balatonfüred, Hungary. OMBKE & IOM. s Nitrogen content [ppm] Ajava voima Kuva: Heikkinen E-P, Riipi J & Fabritius T: A computational study on the nitrogen content of liquid stainless steel in equilibrium with Ar-N 2 -atmosphere. Clean Steel Balatonfüred, Hungary. OMBKE & IOM. s ympäristötekniikassa: Esimerkki Ajava voima Blowing time [min] Measured values Computational values Thermodyn. submodel ympäristötekniikassa: Esimerkki Measured N-contents [ppm] 8

9 ympäristötekniikassa: Esimerkki 3 Veteen liuenneiden haitta-aineiden sitominen erilaisiin kiintoaineisiin Turve Teollisuuden sivutuotteet; esim. terästeollisuudesta Biomateriaalit; esim. sahanpuru, tuhka Erilaiset seokset Suodatuksen käyttökohteita Jäte- ja teollisuusvesien puhdistus Rakennetut vesiensuojelukosteikot erilaisten maankäyttömuotoijen vesistökuormitusten vähentämiseksi Vesi- ja ympäristötekniikan tutkimusryhmä Anna-Kaisa Ronkanen, 2015 ympäristötekniikassa: Esimerkki 3 Erilaisten materiaalien adsorptiokapasiteetin määritys kokeellisesti Lisätään näytepulloon tarkasteltavaa suodatinmateriaalia ja puhdistettavaa nestettä (tunnettu haitta-ainepitoisuus) Sekoitus ravistelijassa määräajan (esim. 24 h) Nesteen koostumuksen analysointi Vesi- ja ympäristötekniikan tutkimusryhmä Anna-Kaisa Ronkanen,

10 Arseenin sorptio(+)/desorption (-) (µg/g) Arseenin adsorptio(+)/desorptio(-) (µg/l) Arseenin sorptio(+)/desorptio(-) (µg/l) Kuvat: Uzair Akbar Khan: Effect of Environmental Conditions on the Retention of Mine Water Contaminants in Treatment Peatlands. Diplomityö, Oulun yliopisto, ympäristötekniikassa: Esimerkki 3 Esimerkkinä arseenin pidättyminen turpeeseen ph:n vaikutus Lämpötilan vaikutus Laimennussuhde esikäsitellylle prosessivedelle (1:x) Laimennussuhde esikäsitellylle prosessivedelle (1:x) ph 6 ph 9 1 C 5 C 10 C 15 C 20 C 25 C Kuvat: Uzair Akbar Khan: Effect of Environmental Conditions on the Retention of Mine Water Contaminants in Treatment Peatlands. Diplomityö, Oulun yliopisto, ympäristötekniikassa: Esimerkki 3 Erilaisten materiaalien adsorptiokapasiteetin määritys kokeellisesti (jatkoa) Kokeen tuloksena saadaan poistettavan haitta-aineen pitoisuuden muutos (esim. g/l) Muutoksen pohjalta voidaan laskea, paljonko haitta-ainetta adsorpoituu eri materiaaleihin Käytetään arvioimaan materiaalin kykyä pidättää haitta-aineita Paljonko materiaalia tarvitaan? Mitoitus, ym. Vesi- ja ympäristötekniikan tutkimusryhmä Anna-Kaisa Ronkanen, Cad = 0,2008C - 3,9288 R² = 0, Arseenin tasapainopitoisuus (µg/l) 10

11 Fysikaalinen kemia osana prosessija ympäristötekniikan opintoja Deskriptiiviset/kuvailevat opinnot Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I ja II Analyyttisen vaiheen opinnot Taselaskenta Termodynaamiset tasapainot Reaktorianalyysi Synteesivaiheen opinnot Prosessisuunnittelu Syventävät opinnot (DI-vaihe) esim. Kemiantekniikan termodynamiikka ja Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Termodynaamiset tasapainot (477401A) Kurssin tavoitteena EI OLE esitellä termodynamiikkaa (saatikka fysikaalista kemiaa) kattavasti 11

12 Termodynaamiset tasapainot (477401A) Termodynamiikka on insinöörille työkalu ja menetelmä Auttaa ymmärtämään, hallitsemaan, suunnitelemaan, optimoimaan, mallintamaan ja säätämään kemiallisia reaktioita sisältäviä systeemejä Tunnettava menetelmän luotettavuus, mahdollisuudet, rajoitukset ja käyttökohteet Tavoitteena on esitellä termodynamiikan käyttöä menetelmänä prosessi- ja ympäristötekniikkaan liittyvässä t&k-työssä Termodynaamiset tasapainot (477401A) Opintojakson tavoitteena on, että sen suoritettuaan opiskelija osaa määrittää kemiallisia reaktiotasapainoja teollisiin prosesseihin liittyvissä systeemeissä mieltää tasapainojen merkityksen osaksi prosessien analyysiä, suunnittelua ja hallintaa muokata todellisiin prosesseihin liittyvät eimatemaattisesti ratkaistavat teknilliset ongelmat sellaiseen muotoon, että niiden ratkaisussa voidaan hyödyntää sovellettua termodynamiikkaa esimerkiksi tasapainolaskentaohjelmistoja hyödyntäen 12

13 Termodynaamiset tasapainot (477401A) Kerrattavaa Must know Ydinaines Should know Täydentävää Nice to know Lisätietoa Tieteellisen osaamisen näkökulma Termistöä Lämpökemian perusteet Termistöä Entropia Gibbsin energia Epäideaalisuus Aktiivisuuskerroin Ammatillisen osaamisen näkökulma Aine- ja lämpötaseet Termodyn. tasapainojen määritys yksittäisille reaktioille Laskentaohjelmistot Tasapainopiirrokset Esimerkkejä prosessiteollisuudesta Termodynaamiset tasapainot (477401A) - Sisältö Johdanto (2 x 2h) Reaktioyhtälöt, pitoisuusyksiköt (2h) Lämpökemiaa (2 x 2h) Entropia (2h) Puhtaiden aineiden väliset reaktiot (2h) Kaasutasapainot (2h) Faasitasapainot (2h) Epäideaalisuus ja aktiivisuuskerroin (2h) Tasapainopiirrokset (2 x 2h) Tasapainolaskentaohjelmistot (2 x 2h (x3)) Loppuyhteenveto (2h) Täydentävät opetuskerrat tarvittessa = Rästisuoritus (1-3 x 2h) 13

14 Termodynaamiset tasapainot (477401A) - Aikataulu Luentoja/harjoituksia 2 x 2h/vko (8 vkon ajan) Ke klo 8-10 PR105 To klo PR105 Mikroluokkaharjoituksia (à 2h) Pe klo 8-10 PR105 3 ryhmää, jokaisella 2 harjoituskertaa Deadlinet Pakollinen läsnäolo Kotitehtäville ke-luentojen alkuun mennessä Työselostuksille 2 viikkoa harjoituksesta 14

15 Pakollinen läsnäolo Termodynaamiset tasapainot (477401A) - Suoritus pareittain Teoriaosio (max 10 p) 10 kpl lyhyitä tehtäviä TAI 3 kpl esseitä Löytyvät luentomonisteen luvusta 9 Palautettava viimeistään Kotitehtävät/Tehtäväosio (max 10 p) 5 kpl kotitehtäviä Uusi tehtävä torstain luennolla Palautettava viimeistään ke-luennon aluksi Mikroluokkaharjoitus/HSC-osio (max 10 p) 2 kpl mikroluokkaharjoituksia + työselostukset Palautettava 2 vkon kuluttua harjoituksesta Termodynaamiset tasapainot (477401A) - Materiaalit Kaikki kontaktiopetuksessa käytävä aineisto Jaottelu luentokerroittain: Teoriajohdannot + tehtävänannot (saatavilla heti) Kotitehtävien tehtävänannot (saatavilla heti) Tehtävien ratkaisut (ao. luennon jälkeen) Kotitehtävien ratkaisut (aina deadlinen jälkeen) Mahdolliset lisäaineistot jos tarvetta ilmenee Lisäksi johdantoluentojen kohdalla: Suoritustapaohje ja arvosteluperusteet Luentomoniste Harjoitustyöohjeet mikroluokkaharjoituksiin (2 kpl) 15