1. No category

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