Johdanto Termodynaamiset tasapainot

Transcription

Johdanto Termodynaamiset
tasapainot -kurssiin
”Mihin termodynamiikkaa
käytetään?”
Keskiviikko 28.10.2015
klo 8-10
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Luennon tavoite
• Oppia mitä termodynamiikalla tarkoitetaan
• Tunnistaa termodynamiikan
käyttömahdollisuudet prosessija
ympäristötekniikassa
• Toimia johdantona Termodynaamiset
tasapainot -opintojaksolle
– Perustelu kurssille
– Käytännön asiat (aikataulut, suoritustapa, ...)
1
Luennon sisältö
• Mitä on termodynamiikka?
• Mihin termodynamiikkaa käytetään?
• Termodynamiikan rooli prosessija
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
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
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?
Termodynamiikan rooli prosessija
ympäristötekniikassa: Esimerkki 1
• CO-H2-kaasun poltto
– CO/H2 -suhde on 1/1
•
Molempia on alussa 1 kmol
– Polttoilmassa O2/N2 -suhde on ¼
– Palamistuotteina syntyy CO2 ja H2O
– Mahdollisia typen oksideja NO, NO2 ja N2O
• Mikä on tuotekaasun koostumus erilaisilla
ilmamäärillä
– Tarkastellaan tilanteita, kun hapen määrää
kasvatetaan 0...2 kmol
4
5
Happi, typpi, argon
Cr,Ni,Mn - raaka-aineet
Teräsromu
Pelkistimet (FeSi,SiMn)
Kuonanmuodostajat (CaO,CaF2)
AOD-sula
Cr 18 %, Ni 8 %,
C 0,04 %, Si 0,5 %
Metallisula valokaariuunista
Cr 20 %, Ni 6 %,
C 2 %, Si 0,1 %
Happi, typpi, argon
Kuva: Petri Mure
6
• 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
Nitrogen content in the steel melt (w-%)
0.25
0.2
Cr15-Ni8
Cr15-Ni12
Cr17-Ni8
Cr17-Ni12
Cr20-Ni8
Cr20-Ni12
0.15
0.1
0.05
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Square root of the nitrogen pressure in the gas phase
1
Kuva: Heikkinen E-P, Riipi J & Fabritius T: A computational study on the nitrogen
content of liquid stainless steel in equilibrium with Ar-N2-atmosphere.
Clean Steel 7. 4-6. 6. 2007. Balatonfüred, Hungary. OMBKE & IOM. s. 436-443.
7
1200
1000
800
Ajava voima
1800
1600
600
400
0
0
10
200
20
400
Measured values
Computational values
Thermodyn. submodel
200
0
Blowing time [min]
30
600
40
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
800 1000 1200 1400
Measured N-contents [ppm]
2000
Nitrogen content [ppm]
1400
Ajava voima
Computational N-contents
[ppm]
8
• 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
• Erilaisten materiaalien adsorptiokapasiteetin
määritys kokeellisesti
– Lisätään näytepulloon tarkasteltavaa
suodatinmateriaalia ja puhdistettavaa nestettä
(tunnettu haitta-ainepitoisuus)
– Sekoitus ravistelijassa määräajan (esim. 24 h)
– Nesteen koostumuksen analysointi
9
Kuvat: Uzair Akbar Khan: Effect of Environmental Conditions on the Retention of Mine Water Contaminants in Treatment Peatlands.
Diplomityö, Oulun yliopisto, 2015.
• Esimerkkinä arseenin pidättyminen turpeeseen
120.00
pH:n vaikutus
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
Arseenin sorptio(+)/desorptio(-) (µg/l)
Arseenin adsorptio(+)/desorptio(-) (µg/l)
60.00
0.00
-10.00
Lämpötilan
vaikutus
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
1
2
10
100
-20.00
1000
1
Laimennussuhde esikäsitellylle prosessivedelle (1:x)
pH 6
2
10
100
1000
Laimennussuhde esikäsitellylle prosessivedelle (1:x)
1 °C
pH 9
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, 2015.
• Erilaisten materiaalien adsorptiokapasiteetin määritys
kokeellisesti (jatkoa)
•
•
Käytetään arvioimaan
materiaalin kykyä pidättää
haitta-aineita
Paljonko materiaalia tarvitaan?
Mitoitus, ym.
25.0
Arseenin sorptio(+)/desorption (-) (µg/g)
– Kokeen tuloksena saadaan
poistettavan haitta-aineen
pitoisuuden muutos (esim. g/l)
– Muutoksen pohjalta voidaan
laskea, paljonko haitta-ainetta
adsorpoituu eri materiaaleihin
Cad = 0,2008C - 3,9288
R² = 0,9764
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
120.0
140.0
-5.0
Arseenin tasapainopitoisuus (µg/l)
10
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
(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 prosessija ympäristötekniikkaan liittyvässä t&k-työssä
(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
(477401A)
Tieteellisen
osaamisen
näkökulma
Kerrattavaa
”Must know”
Ydinaines
”Should know” ”Nice to know”
Täydentävää
Lisätietoa
Termistöä
Termistöä
Epäideaalisuus
Lämpökemian
perusteet
Entropia
Aktiivisuuskerroin
Ammatillisen Aine- ja
osaamisen
lämpötaseet
näkökulma
Gibbsin
energia
Termodyn.
tasapainojen
määritys
yksittäisille
reaktioille
Laskentaohjelmistot
Tasapainopiirrokset
Esimerkkejä
prosessiteollisuudesta
(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
(477401A) - Aikataulu
• Luentoja/harjoituksia 2 x 2h/vko (8 vkon ajan)
– Ke klo 8-10 PR105
– To klo 14-16 PR105
• Mikroluokkaharjoituksia (à 2h)
Pakollinen
läsnäolo
– Pe klo 8-10 PR105
– 3 ryhmää, jokaisella 2 harjoituskertaa
• Deadlinet
– Kotitehtäville ke-luentojen alkuun mennessä
– Työselostuksille 2 viikkoa harjoituksesta
• http://www.oulu.fi/pyomet/477401a_aikataulu
14
(477401A) - Suoritus pareittain
• Teoriaosio (max 10 p)
– 10 kpl lyhyitä tehtäviä TAI 3 kpl esseitä
– Löytyvät luentomonisteen luvusta 9
– Palautettava viimeistään 18.12.2015
• Kotitehtävät/Tehtäväosio (max 10 p)
– 5 kpl kotitehtäviä
– Uusi tehtävä torstain luennolla
– Palautettava viimeistään ke-luennon aluksi
• Mikroluokkaharjoitus/HSC-osio (max 10 p)
Pakollinen
läsnäolo
– 2 kpl mikroluokkaharjoituksia + työselostukset
– Palautettava 2 vkon kuluttua harjoituksesta
• http://www.oulu.fi/pyomet/477401a_suoritus
(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)
• http://www.oulu.fi/pyomet/477401a_materiaali
15

Johdanto Termodynaamiset tasapainot

Transcription

Similar documents

Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja

Standarditilat

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja

EIT seminaari 10 joulukuuta Tampereella.pdf

Yleistä kurssista ja sen suorituksesta

477403S / Pyrometallurgisten liuosten termodynamiikka

Suunnittelu-, konsultointi- ja projektinjohtopalvelut

Voimalaitoksen vesi- ja höyryprosessit

Lataa omaksi! - students.tut.fi