docJohdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja
download 
Report Transcription
Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja
Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin Torstai 29.10.2015 klo 14-16 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Luennon tavoite • Tutustua eri tapoihin määrittää termodyn. tasapaino laskennallisesti • Tutustua termodynaamisten tasapainolaskentaohjelmistojen toimintaperiaatteeseen – Minimointimenetelmä – Tietokannat • Ohjeistaa kurssiin kuuluvat mikroluokkaharjoitukset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 1 Luennon sisältö • Termodynaamisen tasapainon laskennallinen määritys – Tasapainovakiomenetelmä – Minimointi-/optimointimenetelmä • Computational thermodynamics (CTD) – Tietokannat • Tasapainolaskentaohjelmistoja – Esimerkkinä HSC Chemistry • Ohjeet mikroluokkaharjoituksiin/ työselostuksen tekemiseen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Termodynaamisen tasapainon laskennallinen määrittäminen • Tasapainovakiomenetelmä Luennot Ke & To – Yksittäisten reaktioiden tarkasteluun • Lähtökohtana kemiallinen reaktio sekä sen termodyn. tilansuureet ja tasapainovakio • Optimointi- eli minimointimenetelmä Mikroluokkaharjoitukset Pe – Useamman reaktion systeemien tarkasteluun • • Luennot Ke & To Lähtökohtana tarkastelusysteemissä (mahdollisesti) esiintyvät faasit ja niiden osaslajit Reaktioita ei tarvitse tuntea etukäteen • Molemmissa keskeisenä suureena Gibbsin vapaaenergia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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! Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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,Xi,Xj,...) oltava käytettävissä Tietokannat Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 4 Tietokannat • Sisältävät tiedon käytetyistä malleista sekä malliparametreistä – Termodynaaminen taulukkodata • H0, S0, Cp=f(T), ai=f(T,P,Xi,Xj,...) • Yleensä erikseen puhdasainetietokannat ja liuostietokannat • Ohjelmistot yleensä hakevat datan automaattisesti systeemin määrittelyn pohjalta – Osa tietokannoista avoimia, osa suljettuja Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tasapainon määritys minimointimenetelmällä / Esimerkki Kokonaiskoostumus (l. alkukoostumus): Systeemin koko: CO(g) 25 % 1 Nm3 CO2(g) 25 % H2(g) 25 % H2O(g) 25 % Olosuhteet: T = 900 C Pkok = 1 bar Lähtötilanne Mahdolliset faasit: Kaasufaasi (CO,CO2,H2,H2O) 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 Nm3 kaasua, jossa 23 % H2 23 % CO2 27 % CO 27 % H2O (Nokea ei muodostu) Tietokanta Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Mallit, taulukkodata 5 Esimerkkejä tasapainolaskentaohjelmistoista • • • • • • • • HSC Chemistry for Windows FactSage ThermoCalc MTData Pandat MineQL PHREEQC ... Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Laskentaohjelmistojen sovelluskohteista Ohjelmisto Puhtaat aineet (Ideaali-) Kaasut HSC Erittäin hyvä FactSage Erittäin hyvä 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 Erittäin hyvä Rajoitettu Erittäin hyvä ? Hyvä Metallit (s/l) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 6 CTD osana prosessisimulointiohjelmistoja • • • • • Aspen Plus Aspen HYSYS CHEMCAD PRO/II FLOWBAT • Termodynaamisen mallinnuksen lisäksi myös esim. reaktiokineettinen mallinnus • Tasapainotarkastelu on yksi osa prosessimallinnusta • (HSC Sim) • Yhdistäminen virtauslaskentaohjelmistoihin – Fluent, Hydrus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 HSC Chemistry for Windows Uusin versio = 8.1.X • 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 • 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 – Heat and Material Balances – Exergy Balance HSC Chemistry for Windows Versio 8 - Tietokannat • Termodynaaminen data puhtaille aineille – H, S & Cp yli 28 000 aineelle/yhdisteelle • Vesipohjaisten liuosten mallinnusdata • Lämmönsiirtodata – Johtuminen, konvektio, säteily • Mineraalien ominaisuuksia – Yli 13 000 mineraalille • Alkuaineiden ominaisuuksia • Yksikkömuunnoskertoimia Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 9 Mikroluokkaharjoitukset tällä kurssilla • Valittavana kolme harjoitusryhmää: – Ensimmäinen ryhmä • • Ensimmäinen harjoitus: Pe 30.10 klo 8-10 (PR105) Toinen harjoitus: Pe 20.11 klo 8-10 (PR105) – Toinen ryhmä • • Ensimmäinen harjoitus: Pe 6.11 klo 8-10 (PR105) Toinen harjoitus: Pe 27.11 klo 8-10 (PR105) – Kolmas ryhmä • • Ensimmäinen harjoitus: Pe 13.11 klo 8-10 (PR105) Toinen harjoitus: Pe 4.12 klo 8-10 (PR105) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 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 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 10 Työselostukset mikroluokkaharjoituksista • Palautus-deadlinet aina 2 viikon kuluttua mikroluokkaharjoituksesta – Ensimmäinen ryhmä: • • Ensimmäinen harjoitus: 13.11 Toinen harjoitus: 4.12 – Toinen ryhmä: • • Ensimmäinen harjoitus: 20.11 Toinen harjoitus: 11.12 – Kolmas ryhmä: • • Ensimmäinen harjoitus: 27.11 Toinen harjoitus: 18.12 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 11
