Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin

Esitys aiheesta: "Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin"— Esityksen transkriptio:

1 Johdanto laskennalliseen termodynamiikkaan ja mikroluokkaharjoituksiin
Torstai klo 14-16 Prosessimetallurgian tutkimusyksikkö Eetu-Pekka Heikkinen, 2018

2 Luennon tavoite Tutustua eri tapoihin määrittää termodyn. tasapaino laskennallisesti Tutustua termodynaamisten tasapaino-laskentaohjelmistojen toimintaperiaatteeseen Minimointimenetelmä Tietokannat Ohjeistaa kurssiin kuuluvat mikroluokkaharjoitukset

3 Luennon sisältö Termodynaamisen tasapainon laskennallinen määritys
Tasapainovakiomenetelmä Minimointi-/optimointimenetelmä Computational thermodynamics (CTD) Tietokannat Tasapainolaskentaohjelmistoja Esimerkkinä HSC Chemistry Ohjeet mikroluokkaharjoituksiin/ työselostuksen tekemiseen

4 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

5 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

6 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

7 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!

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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

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

14 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 ?

15 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

16 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:

17 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

18 HSC Chemistry for Windows Versio 9 - Tietokannat
Termodynaaminen data puhtaille aineille H, S & Cp yli aineelle/yhdisteelle Vesipohjaisten liuosten mallinnusdata Lämmönsiirtodata Johtuminen, konvektio, säteily Mineraalien ominaisuuksia Yli mineraalille Alkuaineiden ominaisuuksia Yksikkömuunnoskertoimia

19 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

20 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 HUOM! Tutustu HSC:n eri moduulien käyttöön ENNEN ENSIMMÄISTÄ HARJOITUSTA katsomalla kurssin www-sivuilta löytyvät videopätkät (yht. 6 kpl), joissa on ohjeistettu harjoituksen tekoa.

21 Mikroluokkaharjoitukset tällä kurssilla
Valittavana kolme harjoitusryhmää: Ensimmäinen ryhmä Ensimmäinen harjoitus: To 13.9 klo (PR105) Toinen harjoitus: To klo (SÄ118) Toinen ryhmä Ensimmäinen harjoitus: To 27.9 klo (SÄ118) Toinen harjoitus: To klo (SÄ118) Kolmas ryhmä Ensimmäinen harjoitus: To 4.10 klo (SÄ118) Toinen harjoitus: To klo (SÄ118) Mikäli tehtävä jää kesken, ota yhteyttä opettajaan

22 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

23 Työselostukset mikroluokkaharjoituksista
Palautus-deadlinet aina 2 viikon kuluttua mikroluokkaharjoituksesta Ensimmäinen ryhmä: Ensimmäinen harjoitus: 27.9 Toinen harjoitus: 25.10 Toinen ryhmä: Ensimmäinen harjoitus: 11.10 Toinen harjoitus: 1.11 Kolmas ryhmä: Ensimmäinen harjoitus: 18.10 Toinen harjoitus: 8.11

24 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 opiskelijoille Muut voivat suorittaa valinnaisena opintojaksona