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 tasapaino-laskentaohjelmistojen toimintaperiaatteeseen Minimointimenetelmä Tietokannat Ohjeistaa kurssiin kuuluvat mikroluokkaharjoitukset

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 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 Mikroluokka- harjoitukset To

Laskennallinen termodynamiikka = Computational Thermodynamics (CTD) Tasapainojen määritys laskentaohjelmistoja käyttäen Useita ohjelmistoja kehitetty erilaisiin sovelluksiin Tasapainon määritys perustuu yleensä optimointi- eli 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

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,Xi,Xj,...) oltava käytettävissä  Tietokannat

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

Tasapainon määritys minimointimenetelmällä / Esimerkki Lähtötilanne Tulokset Käytettävissä olevat alkuaineet C x mol O y mol H z mol Kokonaiskoostumus (l. alkukoostumus): CO(g) 25 % CO2(g) 25 % H2(g) 25 % H2O(g) 25 % Systeemin koko: 1 Nm3 Systeemissä esiintyvät faasit ja niiden koostumukset tasapainotilassa annetuissa olosuhteissa: 1 Nm3 kaasua, jossa 23 % H2 23 % CO2 27 % CO 27 % H2O (Nokea ei muodostu) Olosuhteet: T = 900 C Pkok = 1 bar Systeemin Gibbsin vapaa- energian lauseke Mahdolliset faasit: Kaasufaasi (CO,CO2,H2,H2O) Kaasusta erkautuva noki (= Kiinteä C) Tietokanta Mallit, taulukkodata

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 CP-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

Esimerkkejä tasapaino-laskentaohjelmistoista HSC Chemistry for Windows FactSage ThermoCalc MTData Pandat MineQL PHREEQC ...

Laskentaohjelmistojen sovelluskohteista Puhtaat aineet (Ideaali-) Kaasut Metallit (s/l) Oksidit (s/l) Vesipohjaiset liuokset HSC Erittäin hyvä Ei lainkaan Hyvä ja kehittymässä FactSage Hyvä Thermo Calc Rajoitettu Rajoitettu? MT Data ?

CTD osana prosessisimulointiohjelmistoja Aspen Plus Aspen HYSYS CHEMCAD PRO/II FLOWBAT (HSC Sim) Yhdistäminen virtauslaskentaohjelmistoihin Fluent, Hydrus Termodynaamisen mallinnuksen lisäksi myös esim. reaktio-kineettinen mallinnus Tasapainotarkastelu on yksi osa prosessi-mallinnusta

HSC Chemistry for Windows Käytössä versio 9 Kehitetty alunperin Outokummun tutkimus-keskuksessa 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

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 & Cp yli 28 000 aineelle/yhdisteelle Vesipohjaisten liuosten mallinnusdata Lämmönsiirtodata Johtuminen, konvektio, säteily Mineraalien ominaisuuksia Yli 13 000 mineraalille Alkuaineiden ominaisuuksia Yksikkömuunnoskertoimia

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

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

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 HSC-ohjelmistoon tutustutaan tarkemmin ja laajemmin Laajuus 5 op Järjestetään englanniksi Suunnattu erityisesti prosessimetallurgian ja rikastustekniikan opiskelijoille Muut voivat suorittaa valinnaisena opintojaksona