Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin Torstai 27.10.2016 klo 14-16 Luennon tavoite Tutustua eri tapoihin määrittää termodyn. tasapaino laskennallisesti Tutustua termodynaamisten tasapainolaskentaohjelmistojen toimintaperiaatteeseen Minimointimenetelmä Tietokannat Ohjeistaa kurssiin kuuluvat mikroluokkaharjoitukset 1
Luennon sisältö Termodynaamisen tasapainon laskennallinen määritys Tasapainovakiomenetelmä Minimointi-/optimointimenetelmä Computational thermodynamics (CTD) Tietokannat Tasapainolaskentaohjelmistoja Esimerkkinä HSC Chemistry Ohjeet mikroluokkaharjoituksiin/ työselostuksen tekemiseen Termodynaamisen tasapainon laskennallinen määrittäminen Luennot Ke & To Mikroluokkaharjoitukset Pe Luennot Ke & To Tasapainovakiomenetelmä Yksittäisten reaktioiden tarkasteluun Lähtökohtana kemiallinen reaktio sekä sen termodyn. tilansuureet ja tasapainovakio Optimointi- eli minimointimenetelmä Useamman reaktion systeemien tarkasteluun Lähtökohtana tarkastelusysteemissä (mahdollisesti) esiintyvät faasit ja niiden osaslajit Reaktioita ei tarvitse tuntea etukäteen Molemmissa keskeisenä suureena Gibbsin vapaaenergia 2
Laskennallinen termodynamiikka = Computational Thermodynamics (CTD) Tasapainojen määritys laskentaohjelmistoja käyttäen Useita ohjelmistoja kehitetty erilaisiin sovelluksiin Tasapainon määritys perustuu yleensä optimointieli minimointimenetelmään Ohjelmistoissa sisällytettynä tietokannat, joissa erilaisia puhtaita aineita ja/tai seoksia kuvaavat termodynaamiset arvot Laskennallinen termodynamiikka Käyttöliittymä itsessään ei yleensä vaikea käyttää Keskeistä on tarkasteltavan systeemin määrittely oikealla tavalla Laskennallinen systeemi vastaa sitä, mitä halutaan tarkastella Faasit (puhtaat aineet, seokset), osaslajit, systeemin kokonaiskoostumus, olosuhteet, käytetyt arvot ja mallit,... Ohjelma voi kertoa onko määrittely puutteellinen, mutta ei sitä, onko se mielekäs 3
Tasapainon määritys minimointimenetelmällä Lähtötiedoksi systeemin määrittely Faasit ja niiden osaslajit Systeemin kokonaiskoostumus Olosuhteet (vakiot, muuttujat) Käytetyt taulukkoarvot ja mallit Monissa ohjelmistoissa toteutus siten, että valitaan käytettävä tietokanta ennen systeemin määrittelyä ja faaseja määritettäessä ohjelmisto hakee ko. faasia kuvaavat mallit ja arvot annetusta tietokannasta automaattisesti Vaatii tietoa/osaamista tarkasteltavasta systeemistä HUOM! Reaktioita ei tarvitse tuntea etukäteen! Tasapainon määritys minimointimenetelmällä Perusajatus laskennassa: Systeemin kokonaiskoostumus määrittelee tarkastelussa käytettävissä olevat alkuaineet Nämä alkuaineet jaetaan mahdollisiin faaseihin mahdollisina osaslajeina siten, että systeemin kokonais(gibbsin vapaa)energia on minimissä = Tasapainotila Laskennassa etsitään globaali minimi systeemiä kuvaavalle Gibbsin energian lausekkeelle G = f(t,p,x i,x j,...) oltava käytettävissä Tietokannat 4
Tietokannat Sisältävät tiedon käytetyistä malleista sekä malliparametreistä Termodynaaminen taulukkodata H 0, S 0, C p =f(t), a i =f(t,p,x i,x j,...) Yleensä erikseen puhdasainetietokannat ja liuostietokannat Ohjelmistot yleensä hakevat datan automaattisesti systeemin määrittelyn pohjalta Osa tietokannoista avoimia, osa suljettuja Tasapainon määritys minimointimenetelmällä / Esimerkki Kokonaiskoostumus (l. alkukoostumus): CO(g) 25 % CO 2 (g) 25 % H 2 (g) 25 % H 2 O(g) 25 % Olosuhteet: T = 900 C P kok = 1 bar Lähtötilanne Systeemin koko: 1 Nm 3 Mahdolliset faasit: Kaasufaasi (CO,CO 2,H 2,H 2 O) Kaasusta erkautuva noki (= Kiinteä C) Käytettävissä olevat alkuaineet C x mol O y mol H z mol Systeemin Gibbsin vapaaenergian lauseke Tulokset Systeemissä esiintyvät faasit ja niiden koostumukset tasapainotilassa annetuissa olosuhteissa: 1 Nm 3 kaasua, jossa 23 % H 2 23 % CO 2 27 % CO 27 % H 2 O (Nokea ei muodostu) Tietokanta Mallit, taulukkodata 5
Esimerkkejä tasapainolaskentaohjelmistoista HSC Chemistry for Windows FactSage ThermoCalc MTData Pandat MineQL PHREEQC... Laskentaohjelmistojen sovelluskohteista Ohjelmisto HSC FactSage Puhtaat aineet Erittäin hyvä Erittäin hyvä (Ideaali-) Kaasut Metallit (s/l) Oksidit (s/l) Vesipohjaiset liuokset Erittäin hyvä Ei lainkaan Ei lainkaan Hyvä ja kehittymässä Erittäin hyvä Hyvä Hyvä Erittäin hyvä Thermo Calc Hyvä Erittäin hyvä Erittäin hyvä Rajoitettu Rajoitettu? MT Data Hyvä Erittäin hyvä Rajoitettu Erittäin hyvä? 6
CTD osana prosessisimulointiohjelmistoja Aspen Plus Aspen HYSYS CHEMCAD PRO/II FLOWBAT (HSC Sim) Yhdistäminen virtauslaskentaohjelmistoihin Fluent, Hydrus Termodynaamisen mallinnuksen lisäksi myös esim. reaktiokineettinen mallinnus Tasapainotarkastelu on yksi osa prosessimallinnusta HSC Chemistry for Windows Käytössä versio = 8.1 (Uusin = 9) Kehitetty alunperin Outokummun tutkimuskeskuksessa Porissa Tausta metallurgiassa/mineraalitekniikassa Nykyinen kehittäjä/myyjä: Outotec Alkuperäisen tasapainolaskennan rinnalle lisätty lukuisia muita moduuleja Kattava puhdas aine -tietokanta Liuosmalleja mahdollista lisätä omatoimisesti Helppo käyttöliittymä AddIn-funktioiden käyttömahdollisuus Lisätietoa: www.outotec.com/hsc 7
HSC Chemistry for Windows Versio 8 - Laskentamoduulit Tasapainotarkastelut Reaction Equations Equilibrium Calculations Tasapainopiirrokset yms. H, S, Cp and G Diagrams Tpp Diagrams Lpp Diagrams Eh-pH Diagrams Pourbaix Prosessisimulointityökalut Sim Process simulation LCA Evaluation Mass Balance Tasetarkastelut Heat and Material Balances Exergy Balance Lämmönsiirtotarkastelut Heat Loss Calculator Mineraalitarkastelut Mineralogical calculations Vesipohjaiset liuokset Water Steam tables, etc. Aqua Yksikkö-, ym. muutokset Measure Units Species Converter Lisäksi tietokanta ja datan käsittely HSC Chemistry for Windows Versio 8 - Tietokannat Termodynaaminen data puhtaille aineille H, S & C p yli 28 000 aineelle/yhdisteelle Vesipohjaisten liuosten mallinnusdata Lämmönsiirtodata Johtuminen, konvektio, säteily Mineraalien ominaisuuksia Yli 13 000 mineraalille Alkuaineiden ominaisuuksia Yksikkömuunnoskertoimia 8
Mikroluokkaharjoitukset tällä kurssilla Tutustutaan HSC-ohjelmistoon Tehtävät ohjeistettu kurssin www-sivulla Lisäksi tarkempi ohjeistus harjoitusten aikana Kolme harjoitusryhmää Kaksi harjoitusta Tehdään pareittain Yksinkin saa tehdä, mutta aivan kaikille ei riitä tietokoneita, jos kaikki tekevät yksin Mikroluokkaharjoitukset tällä kurssilla Kaksi harjoitusta Ensimmäisessä tutustutaan ohjelmistoon ja sen käyttöön yleisesti ohjelmiston tietokantaan muutamiin laskentamoduuleihin, jotka mahdollistavat yksinkertaiset tarkastelut (esim. yksittäiset reaktioyhtälöt, yksikkömuunnokset, termodyn. tilansuureiden graafinen esittäminen, jne.) Toisessa suoritetaan tasapainotarkastelu, jossa arvioidaan lämpötilan, paineen ja systeemin alkukoostumuksen muutosten vaikutuksia kaasutasapainoon 9
Mikroluokkaharjoitukset tällä kurssilla Valittavana kolme harjoitusryhmää: Ensimmäinen ryhmä Ensimmäinen harjoitus: Pe 28.10 klo 8-10 (PR105) Toinen harjoitus: Pe 18.11 klo 8-10 (PR105) Toinen ryhmä Ensimmäinen harjoitus: Pe 4.11 klo 8-10 (PR105) Toinen harjoitus: Pe 25.11 klo 8-10 (PR105) Kolmas ryhmä Ensimmäinen harjoitus: Pe 11.11 klo 8-10 (PR105) Toinen harjoitus: Pe 2.12 klo 8-10 (PR105) Mikäli tehtävä jää kesken, ota yhteyttä opettajaan Kurssilla käytössä kaksi kannettavaa konetta Työselostukset mikroluokkaharjoituksista Ensimmäisen harjoituksen työselostus on lomake, joka täytetään harjoituksen aikana Lomakepohja löytyy kurssin www-sivuilta Toisesta harjoituksesta laaditaan kirjallinen asiatyylinen työselostus Ohjeistus kurssin www-sivuilla Tehdään pareittain Saa tehdä yksinkin jos haluaa 10
Työselostukset mikroluokkaharjoituksista Palautus-deadlinet aina 2 viikon kuluttua mikroluokkaharjoituksesta Ensimmäinen ryhmä: Ensimmäinen harjoitus: 11.11 Toinen harjoitus: 2.12 Toinen ryhmä: Ensimmäinen harjoitus: 18.11 Toinen harjoitus: 9.12 Kolmas ryhmä: Ensimmäinen harjoitus: 25.11 Toinen harjoitus: 16.12 11