1. No category

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 prosessi- ja
ympäristötekniikassa
• Toimia johdantona Termodynaamiset
tasapainot -opintojaksolle
– Perustelu kurssille
– Käytännön asiat (aikataulut, suoritustapa, ...)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
1
Luennon sisältö
• Mitä on termodynamiikka?
• Mihin termodynamiikkaa käytetään?
• Termodynamiikan rooli prosessi- ja
ympäristötekniikassa
• Termodynaamiset tasapainot -opintojakso
–
–
–
–
Tavoite
Sisältö
Aikataulu
Suoritus
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
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
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
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
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Mihin termodynamiikkaa
käytetään?
• Tasapainotarkasteluihin
• Lämpötasetarkasteluihin
• Menetelmä osana
–
–
–
–
–
prosessimallinnusta
prosessikehitystä (uudet ja olemassaolevat)
prosessien ohjausta ja säätöä
ongelmakohtien paikannusta (reklamaatiot)
erilaisten (teoreettisten/laskennallisten) rajaarvojen määritystä
– ...
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
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?
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Termodynamiikan rooli prosessi- ja
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
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
4
5
Termodynamiikan rooli prosessi- ja
ympäristötekniikassa: Esimerkki 2
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 %
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Happi, typpi, argon
Kuva: Petri Mure
6
Termodynamiikan rooli prosessi- ja
ympäristötekniikassa: Esimerkki 2
• 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
Termodynamiikan rooli prosessi- ja
ympäristötekniikassa: Esimerkki 2
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.
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
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
Termodynamiikan rooli prosessi- ja
ympäristötekniikassa: Esimerkki 2
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
800 1000 1200 1400
Measured N-contents [ppm]
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.
2000
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.
Nitrogen content [ppm]
1400
Ajava voima
Computational N-contents
[ppm]
Termodynamiikan rooli prosessi- ja
ympäristötekniikassa: Esimerkki 2
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
8
Termodynamiikan rooli prosessi- ja
ympäristötekniikassa: Esimerkki 3
• 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
Termodynamiikan rooli prosessi- ja
ympäristötekniikassa: Esimerkki 3
• Erilaisten materiaalien adsorptiokapasiteetin
määritys kokeellisesti
– Lisätään näytepulloon tarkasteltavaa
suodatinmateriaalia ja puhdistettavaa nestettä
(tunnettu haitta-ainepitoisuus)
– Sekoitus ravistelijassa määräajan (esim. 24 h)
– Nesteen koostumuksen analysointi
Vesi- ja ympäristötekniikan tutkimusryhmä
Anna-Kaisa Ronkanen, 2015
9
Kuvat: Uzair Akbar Khan: Effect of Environmental Conditions on the Retention of Mine Water Contaminants in Treatment Peatlands.
Diplomityö, Oulun yliopisto, 2015.
Termodynamiikan rooli prosessi- ja
ympäristötekniikassa: Esimerkki 3
• 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.
Termodynamiikan rooli prosessi- ja
ympäristötekniikassa: Esimerkki 3
• 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)
Vesi- ja ympäristötekniikan tutkimusryhmä
Anna-Kaisa Ronkanen, 2015
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
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Termodynaamiset tasapainot
(477401A)
• Kurssin tavoitteena EI OLE esitellä
termodynamiikkaa (saatikka fysikaalista
kemiaa) kattavasti
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
11
Termodynaamiset tasapainot
(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 prosessi- ja ympäristötekniikkaan liittyvässä t&k-työssä
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Termodynaamiset tasapainot
(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
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
12
Termodynaamiset tasapainot
(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
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Termodynaamiset tasapainot
(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)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
13
Termodynaamiset tasapainot
(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
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
14
Termodynaamiset tasapainot
(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
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
Termodynaamiset tasapainot
(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
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2015
15