Course syllabus

Kurs-PM

KBT201 Produkter och processer i ett hållbart samhälle lp3 VT20 (7,5 hp)

Kursen ges av institutionen för Kemi och kemiteknik

Välkommen till pphs! Den här kursen ska introducera er till ett stort och spännande område i kemitekniken: design av processer och produkter. Här har vi möjligheten att använda de kunskaper vi har lärt oss i olika ämnen tidigare, t.ex. termodynamik, energiteknik, kemisk apparatteknik och kemisk reaktionsteknik. Alltså kan pphs-kursen dels ses som en syntes av tidigare kurser i K-utbildningen men i pphs ska vi samtidigt betona vad en hållbar utveckling ställer för krav på produkter och processer. Detta betyder att vi dels måste ta hänsyn till de traditionella kraven, d.v.s. tekniska och ekonomiska, på en process eller produkt men även ta hänsyn till samhälleliga krav och miljö när vi skapar en process eller produkt.  Som bekräftelse på att det krävs kunskaper från många områden är vi som undervisar i kursen från flera forskargrupper. För att kunna lösa designproblem kommer ni att introduceras till ett antal verktyg som en kemitekniker behöver. Exempel på dessa verktyg är livscykelanalys och flowsheeting. Kortfattat kan man säga att ni i denna kurs ska lära er grunderna i utvecklingskedjan funktion-produkt-process utifrån ett hållbarhetsperspektiv som tar hänsyn till miljön såväl som tekniska, ekonomiska och samhälleliga krav.

Kontaktuppgifter

Vi som undervisar i kursen är:

 

• Tuve Mattsson (TM), tuve.mattsson@chalmers.se, examinator, föreläsningar

• Gregory Peters (GP), petersg@chalmers.se, föreläsningar

• Shirin Naserifar (SN), shirin.naserifar@chalmers.se, inlämningsuppgift

• Kenneth Arandia (KA), kenneth.arandia@chalmers.se, inlämningsuppgifter

• Beatrice Swensson (BS), beatrice.swensson@chalmers.se, seminarium, inlämningsuppgift

• Axel Martinsson (AM), axel.martinsson@chalmers.se, seminarium, inlämningsuppgifter

• Sara Heimersson (SH) sara.heimersson@chalmers.se, övning

 

Kursens syfte

Kursen avser att ge redskap för hantering av kedjan funktion - produkt - process i ett hållbarhetsperspektiv och har ett focus på utformning av processtekniska lösningar, guidad av ekonomiska, social och miljömässiga hänsyn. En utgångspunkt för kursen är kemiska ämnen i produkter och deras respektive produktionskedjor, och ämnenas spridning och effekter i den omgivande miljön under produktens livscykel.

Grundläggande principer för "Green Chemistry" och "Green Engineering", grunderna för processmodellering och processoptimering samt livscykelanalys och miljöriskanalys utgör viktiga kursinslag. En viktig del kommer att vara att ta fram relevanta processdata för livscykelutvärdering, vilket kopplar samman kursdelarna.

 

Schema

 

Kurslitteratur

• ”Product & Process Design Principles: Synthesis, Analysis & Evaluation”, 3rd , International Student Edition, W. D. Seider, J.D. Seader, D. R. Lewin & S. Widagdo, Wiley, 2009 – (PPDP).
• ”Livscykelanalys – en metod för miljöbedömning av produkter och tjänster”, J. Rydh, M. Lindahl & J. Tingström, Studentlitteratur, 2002 – (LCA).
  • Alternativt: kapitel 7 i ”Environmental Sustainability for Engineers and Applied Scientists”, Peters G & Svanström M, Cambridge University Press, 2019
• ”Introductory Chemical Engineering Thermodynamics” (2nd Edition), J.R. Elliott & C. T. Lira, Prentice-Hall, 2012, kursbok i Termodynamik (kvm091) – (Termo).
• kompletterade material – (KM).

De två första böckerna finns beställda på Cremona. Kompletterande material delas ut under kursen i samband med föreläsningarna och kommer sedan att finns vid ”kursstället” hos SIKT, plan 3, forskarhus II, och/eller på kursens hemsida på Canvas.

 

Kursens upplägg

Kursen består av fem moment:

• en föreläsningsserie
• en övning
• ett seminarium
• tre inlämningsuppgifter
• en skriftlig tentamen

 

Övningen, seminariet, inlämningsuppgifterna samt tentamen är obligatoriska.

 

Föreläsningar

Totalt är det 14 föreläsningstillfällen under kursen. Notera dock att kursen har många föreläsningar i början och få i slutet. Nedan ges en översikt över innehållet i föreläsningarna. Inom parentes anges kursmaterial samt vem som håller föreläsningen.

 

1. Hållbar utveckling – koppling till kemiteknik. Bakgrund till kursen och övergripande inledning. Green Chemistry and Green Engineering. Dessa begrepp brukar ofta sammanfattas i tolv principer. Hur ska dessa principer tolkas och användas för en kemitekniker? (KM - TM)

 

2. Allmänt om design av processer och produkter. En arbetsgång för att ta fram en process beskrivs. Detaljnivå, osäkerhetsnivå, etc. Integration av hållbarhet. (PPDP 1, 2, 4, ”Part One”, ”Part Two” & KM samt kursivt PPDP 3 & 14 - TM)

 

3. Principer, tumregler och riktlinjer vid design av processer. Eftersom design av en kemisk process har många designparametrar, t.ex tub- eller tankreaktor, är det nödvändigt att använda tumregler, engelska heuristics, för att relativt effektivt hitta en lämplig processlösning. Hållbarhetsaspekter. Val av separationsmetod. Några exempel på kriterier för val av separationsmetod tas upp. Hur påverkar krav på hållbarhet dessa kriterier? Vilka separationsmetoder kan anses vara ett bra val ur ett hållbart perspektiv? ”Gamla” respektive ”nya” separationsmetoder. (PPDP 6, 8.1–8.4, 8.6, 8.7 & KM - TM)

 

4. Uppskattning och modellering av fysikalisk-kemiska data. Tillstånds- ekvationer och aktivitetsmodeller. Processberäkningsprogram. Olika beräkningsstrategier. Frihetsgrader. (PPDP 5, Termo & KM - TM)

 

5. Ekonomiska begrepp & lönsamhetsmått. (PPDP 22.2–22.4 & kursivt 22.6, 23 förutom 23.2 - TM)

 

6. LCA: Mål, omfattning och inventering. De första två stegen i LCA enligt ISO14040. Vad måste man bestämma innan man göra något beräkningsarbete? Metoder för att beskriva och fördela flöden i sammankopplade system med flera funktioner.  (LCA - GP)

 

7. Kostnadsuppskattning och produktkalkyler. (KM- TM)

 

8. LCA: Effektbedömning och tolkning. De två följande stegen i LCA: miljö-påverkansbedömning (inkluderar klassificering, karakterisering och viktning) och tolkning av resultat. (LCA - GP)

 

9. Energi- och massverkningsgrad för processer. Olika massverknings- grader – systemgränser. Termodynamikens 1:a och 2:a huvudsatsen–termodynamisk verkningsgrad. Begreppet exergi/termodynamisk tillgänglighet och förlorat arbete. (PPDP 9S - TM)

 

10. Hur kan utgångsämnen för vanliga kemiska processer tillverkas från olika förnyelsebara råvaror? Låg- och högtemperatur- processer. Framställning av etanol som motorbränsle. (KM -TM)

 

11. Energianvändning i Sveriges industri. Genomgång av industrins energianvändning samt olika möjligheter att påverka energianvändningen i design skedet. (KM - TM)

 

12. Miljövärdering av el i systemstudier. Vid systemstudier av industriella processer stöter man inte sällan på import eller export av el. Hur energiflöden kan miljövärderas, t.ex. i en LCA, kommer att diskuteras. (LCA 4.3.5 & bilaga samt KM – TM)

 

13. Styrmedels inverkan på industriella energisystem. Översikt av de styrmedel som har en direkt påverkan på industrins energianvändning, såsom skatter, utsläppshandel och elcertifikat. (KM – TM)

 

14. Summering och frågestund.

 

 

Övning, seminarium & inlämningsuppgifter

I kursen ingår det ett obligatoriskt seminarium, inför detta ska ett antal uppgifter göras för att sedan redovisas och diskuteras under tillfället. Seminariet, den 22/1 enligt tabell nedan, är 20–25 minuter och sker i grupp om 8–10 teknologer. Utdelning av uppgifter och anmälan sker under den första föreläsningen. För att godkännas krävs det att man har gjort uppgifterna inför och är aktiv under seminariet.

 

Seminarium 22/1

Grupp	Tid	Sal
A	13.15	SIKT- biblioteket, plan 3, forskarhus II
B	13.45
C	14.15
D	15.00
E	15.30
F	16.00

 

Den 12/2 (för grupp A, B och C enligt ovan) alternativt 19/2 (D, E och F) är det en obligatorisk övning som behandlar både mål och omfattnings- samt inventeringssteget vid en livscykelanalys. Material för övningen delas ut vid tillfället och resultatet redovisas gruppvis i slutet av övningen.

De tre obligatoriska inlämningsuppgifterna, se tabell nedan, introduceras kort på en föreläsning. Inlämningsuppgifterna ska motsvara ungefär hälften av kursens totala arbetstid. Till varje inlämningsuppgift kommer ett ytterligare konsultationstillfälle. Inlämningsuppgifterna lämnas in skriftligt enligt anvisningar i grupper om fyra teknologer.

 

Inlämningsuppgift                             Inlämningsdatum       Handledare

i1	Fysikalisk-kemiska data &	9/2	AM, KA
	flowsheeting
i2	Processmodellering	23/2	AM, KA
i3	Jämförande bedömning av	8/3	SN, BS
	miljöpåverkan

 

Förändringar sedan förra kurstillfället

Digitala versioner av föreläsningsanteckningar har, då figurer inte kan läggas ut digitalt, kompletterats med sid-hänvisningar för de fall då de återfinns i kurslitteraturen.

En hemräkningsuppgift på LCA kommer att delas ut efter föreläsning nr 8. En fullständig lösning kommer att finnas att tillgå på Canvas.

Material till seminarium samt inlämningsuppgifter samlas i ett eget kompendium

 

Lärandemål

Efter avslutad kurs så skall studenten kunna:

1. Förstå principerna bakom Green Chemistry och Green Engineering och kunna tillämpa dessa i utformningen av en process. De ska kunna använda dessa principer som bas för att göra utvärderingar av produktval, syntesväg och processdesign.
2. Kritiskt granska och utvärdera processer med avseende på såväl produktens funktionalitet som processens och produktens hållbarhetsaspekter och miljöpåverkan.
3. Använda beräkningsmetoder för processverkningsgrad (material, energi) samt ekonomisk analys för att utvärdera en process. I detta ingår att studenterna ska kunna använda sig av processberäkningsprogram för estimering av processdata.
4. Redogöra för olika bioraffinaderikoncept och hur dessa skiljer sig med avseende på råmaterial, process och produkt, samt kunna diskutera hur dessa skillnader påverkar olika hållbarhetsaspekter.
5. Utföra en enkel livscykelanalys (LCA) inkluderande allokering.
6. Välja lämpliga energiomvandlingskedjor vid beräkningar av energiflöden i LCA-studier.
7. Redogöra övergripande för de huvudsakliga ekonomiska styrmedel som påverkar industrins val av energislag och processteg.

 

Examination

Examinationen i kursen består av två delar. En skriftlig tentamen utan hjälpmedel och de obligatoriska momenten. Den skriftliga tentamen baseras på hela kursens innehåll. För betyg tre krävs minst 30 poäng av totalt 60 poäng, för betyg fyra minst 40 poäng och för betyg fem krävs minst 50 poäng. På tentamen är valfri, minnestömd, miniräknare tillåten. Den ordinarie tentamen går enligt studentportalen 18/3 FM. Kom ihåg att man måste vara anmäld till tentamen för att kunna skriva denna.

 

Länk till kursplanen i Studieportalen Studieplan