Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin

Samankaltaiset tiedostot
Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin

Sähkökemialliset tarkastelut HSC:llä

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Thermodynamic and process modelling in metallurgy and mineral processsing Toteutusajankohta: Syksy 2018 (periodit 1 ja 2)

Korkealämpötilakemia

Thermodynamic and process modelling in metallurgy and mineral processsing Toteutusajankohta: Syksy 2017 (periodit 1 ja 2)

Korkealämpötilakemia

Korkealämpötilakemia

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

- Termodynaamiset edellytykset - On olemassa ajava voima prosessin tapahtumiselle - Perusta - Kemiallinen potentiaali

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Kurssin tavoitteet, sisältö ja toteutus

Korkealämpötilakemia

Ellinghamin diagrammit

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

Johdanto Termodynaamiset tasapainot -kurssiin Mihin termodynamiikkaa käytetään?

Korkealämpötilakemia

Kurssi on toteutettu pääpiirteissään samalla tavalla jo noin 10 vuoden ajan.

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Suoritustapana käytettiin jatkuvaa arviointia, joka koostui erilaisista kurssin aikana palautettavista tehtävistä.

Omaopettajaohjaus DI-vaiheessa Prosessimetallurgia

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Prosessimetallurgian opintosuunta

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

Sähkökemian perusteita, osa 1

Standarditilat. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 2 - Luento 2. Tutustua standarditiloihin

Prosessimetallurgian opintosuunta

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

Prosessimetallurgian opintosuunta

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

CHEM-A1250 KEMIAN PERUSTEET kevät 2016

Luku 2. Kemiallisen reaktion tasapaino

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Näkökulmia teräksen valmistusprosessien tutkimukseen ja kehitykseen

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

Dislokaatiot - pikauusinta

Korkealämpötilakemia

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

Korkealämpötilakemia

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Jos olet käynyt kurssin aikaisemmin, merkitse vuosi jolloin kävit kurssin nimen alle.

Konvertteriprosessien ilmiöpohjainen mallinnus Tutkijaseminaari , Oulu

Palautejärjestelmän kautta palautetta antoi 19,19 % kurssille ilmoittautuneista opiskelijoista.

Metallurgiset liuosmallit: Metallien ja kuonien mallinnus

Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 1 - Luento 1

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

782630S Pintakemia I, 3 op

Korkealämpötilakemia

Palautejärjestelmän kautta palautetta antoi 33,33 % kurssille ilmoittautuneista opiskelijoista.

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

Reaktiot ja tasapaino

Faasipiirrokset, osa 1: Laatiminen sekä 1-komponenttipiirrosten tulkinta

Reaktiot ja tasapaino

Ratkaisu. Tarkastellaan aluksi Fe 3+ - ja Fe 2+ -ionien välistä tasapainoa: Nernstin yhtälö tälle reaktiolle on:

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Kellogg-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2012 Teema 1 - Luento 1

Tärkeitä tasapainopisteitä

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

PROSESSIMETALLURGIAN OPETUKSEN KEHITTÄMISTYÖRYHMÄN KOKOUS 2/2018. Eetu-Pekka Heikkinen; pj, siht.

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.

Korkealämpötilaprosessit

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

PROSESSIMETALLURGIAN OPETUKSEN KEHITTÄMISTYÖRYHMÄN KOKOUS 3/2014. Eetu-Pekka Heikkinen; pj, siht. Jussi Paavola (kohta 7) Olli Nousiainen (kohta 7)

Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta

Korkealämpötilaprosessit

213a. MS-A0503 Todennäköisyyslaskenna n ja tilastotieteen per; M (vkot 3-7)

1 Pyrometallurgian opinnot Oulun yliopistossa

Pourbaix-diagrammit. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 4 - Luento 3

Kurssin toteutus ja ryhmiinjako Ma 2.9. klo PR104 Aki Sorsa (SÄÄ) Pe klo 8-10 (oma huone) Ke Tehtävien palautus

PROSESSIMETALLURGIAN OPETUKSEN KEHITTÄMISTYÖRYHMÄN KOKOUS 4/2014. Eetu-Pekka Heikkinen; pj, siht. Pekka Tanskanen

LUKU 16 KEMIALLINEN JA FAASITASAPAINO

Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I

Faasialueiden nimeäminen/tunnistaminen (eutek1sessa) tasapainopiirroksessa yleises1

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

PYOMET-laboratorion opetuksen kehittämistyöryhmän (PLO) kokous 4/2008

Lukion kemian OPS 2016

KE Prosessien perusteet

Kokemuksia ja havaintoja teekkareille suunnatusta matematiikan ja fysiikan preppauksesta

Korkealämpötilakemia

Korkealämpötilakemia

KEMS448 Fysikaalisen kemian syventävät harjoitustyöt

MAISTERIN TUTKINNON PEDAGOGISET OPINNOT (35 OP)

CHEM-A1200 Kemiallinen rakenne ja sitoutuminen, syksy 2019

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Esimerkiksi ammoniakin valmistus typestä ja vedystä on tyypillinen teollinen tasapainoreaktio.

Hiilidioksidin hyötykäyttö betonin valmistuksessa

5.10 KEMIA OPETUKSEN TAVOITTEET

LUENTO 7 TAULUKKOLASKENTA I

Entalpia - kuvaa aineen lämpösisältöä - tarvitaan lämpötasetarkasteluissa (usein tärkeämpi kuin sisäenergia)

Transkriptio:

Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin Torstai 7.9.2017 klo 8-10 Prosessimetallurgian tutkimusyksikkö Eetu-Pekka Heikkinen, 2017 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 Ti & Ke Mikroluokkaharjoitukset To Luennot Ti & Ke 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

Yleisimpiä virheitä ja ongelmia termodynaamisessa mallinnuksessa Käytännön ongelman muotoilu kemialliseksi Tulosten tulkinta Kemiallisen systeemin määrittely Faasit, osaslajit Puhtaat aineet ja seosfaasit Ideaalioletukset epäideaalisia liuoksia mallinnettaessa Virheet C P -lausekkeen ekstrapoloinnissa Väärä lämpötila-alue Yleisimpiä virheitä ja ongelmia termodynaamisessa mallinnuksessa Puutuva termodynaaminen taulukkodata Virheet olemassa olevassa taulukkodatassa Termodynaaminen tarkastelu tilanteessa, joka on todellisuudessa kinetiikan rajoittama Tulokset tasapainotarkasteluina oikein, mutta eivät kuvaa todellisuutta! Yhdisteiden kirjoittaminen väärin 6

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? 7

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 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 8

HSC Chemistry for Windows Versio 9 - 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 9 - 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 9

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 10

Mikroluokkaharjoitukset tällä kurssilla Valittavana kolme harjoitusryhmää: Ensimmäinen ryhmä Ensimmäinen harjoitus: To 14.9 klo 8-10 (PR105) Toinen harjoitus: To 5.10 klo 8-10 (PR105) Toinen ryhmä Ensimmäinen harjoitus: To 21.9 klo 8-10 (PR105) Toinen harjoitus: To 19.10 klo 8-10 (PR105) Kolmas ryhmä Ensimmäinen harjoitus: Pe 28.9 klo 8-10 (PR105) Toinen harjoitus: Pe 26.10 klo 8-10 (PR105) Mikäli tehtävä jää kesken, ota yhteyttä opettajaan 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 11

Työselostukset mikroluokkaharjoituksista Palautus-deadlinet aina 2 viikon kuluttua mikroluokkaharjoituksesta Ensimmäinen ryhmä: Ensimmäinen harjoitus: 28.9 Toinen harjoitus: 19.10 Toinen ryhmä: Ensimmäinen harjoitus: 5.10 Toinen harjoitus: 2.11 Kolmas ryhmä: Ensimmäinen harjoitus: 12.10 Toinen harjoitus: 9.11 Thermodynamic and process modelling in metallurgy and mineral processing Syventävä opintojakso, jossa HSCohjelmistoon tutustutaan tarkemmin ja laajemmin Laajuus 5 op Järjestetään englanniksi Suunnattu erityisesti prosessimetallurgian ja rikastustekniikan opiskelijoille Muut voivat suorittaa valinnaisena opintojaksona 12