Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων

Παρουσίαση με θέμα: "Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων
Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο 17/10/2014 ΔΧ

2 Στάδια Σχεδιασμού Προϊόντων Αναγνώριση αναγκών Γέννηση ιδεών
Επιλογή καλλίτερων ιδεών Σχεδιασμός βιομηχανικής παραγωγής Έπειτα από σύγκριση με βάση: Τεχνικά κριτήρια Χρήση θερμοδυναμικής, κινητικής χημικών αντιδράσεων και φαινομένων μετα-φοράς (ρυθμοί μεταφοράς μάζας και ενέργειας) Τεχνικά και υποκειμενικά κριτήρια Υποκειμενικά κριτήρια έχουν σχέση με αντίδραση καταναλωτών, π.χ., άνεση, και κοινή γνώμη, π.χ., ασφάλεια Υποκατάσταση σε προϊόντα Γίνεται με βάση ειδικά χαρακτηριστικά καταναλωτικών προϊόντων: Φυσικό ή συνθετικό Ανάλογα με την προέλευση των συστατικών, π.χ., φύση ή εργαστήριο Χαρακτηριστικά που εκφράζουν για τον καταναλωτή επιτυχία ή αποτυχία Παράδειγμα: Καλές κρέμες για το δέρμα χαρακτηρίζονται από παχύρευστη (thickness), απαλή (smoothness) και κρεμώδη (creaminess) υφή 17/10/2014 ΔΧ

3 κρεμώδη (creaminess)= [παχύρευστη (thickness)xαπαλή (smoothness)]1/2
Υποκατάσταση σε προϊόντα Φυσικό ή συνθετικό συστατικό Αν ένα χημικό συστατικό είναι ισομερικά καθαρό, δύσκολο να πει κανείς αν προέρχεται από τη φύση ή το εργαστήριο. Είναι δυνατό τότε, καθαρό συστατικό με φυσική προέλευση να αντικαταστήσει το ίδιο συστατικό με συνθετική προέλευση και το αντίστροφο Αν ένα συστατικό όμως είναι μη καθαρό, πρέπει να εξεταστούν και άλλοι παράγοντες για να αποφασιστεί η υποκατάσταση του. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το συστατικό με φυσική προέλευση είναι μη καθαρό. Αυτό δεν σημαίνει ότι είναι κατώτερης ποιότητας ή λιγότερο επιθυμητό. Για παράδειγμα, συστατικό που μπορεί να περιέχει γαλακτοματοποιητή (emulsifier) ή επιφανειακά ενεργή ουσία (surfactant) που διευκολύνει την ανάμειξη (mixing) Χαρακτηριστικά που εκφράζουν επιτυχία ή αποτυχία Παράδειγμα: Καλές κρέμες για το δέρμα χαρακτηρίζονται από παχύρευστη (thickness), απαλή (smoothness) και κρεμώδη (creaminess) υφή Ανάγκη για σχέσεις καταναλωτικών χαρακτηριστικών και φυσικών ιδιοτήτων προϊόντος παχύρευστη (thickness) ~ (ιξώδες)0.33 απαλή (smoothness) ~ συντελεστής τριβής ή οπισθέλκουσας ~ οπισθέλκουσα κρεμώδη (creaminess)= [παχύρευστη (thickness)xαπαλή (smoothness)]1/2 17/10/2014 ΔΧ

4 Υποκατάσταση συστατικών
Υποκατάσταση συστατικών με σκοπό τη βελτίωση προϊόντος και για λόγους κόστους, προστασίας περιβάλλοντος (environmental) ή ασφάλειας (safety). Συχνά επιδιώκεται αναπαραγωγή ιδιοτήτων ή επίδοσης (performance) προϊόντος πριν την υποκατάσταση Επιλογή με χρήση Θερμοδυναμικής Παράδειγμα - Εναλλακτικός οργανικός διαλύτης Λιγότερο πτητικός, λιγότερο τοξικός, με μικρότερη περιβαλλοντική επίπτωση και μικρότερο κόστος CH2Cl2 : συχνότερα χρησιμοποιούμενος οργανικός διαλύτης, καρκινογόνος ουσία Εναλλακτικοί διαλύτες: CH3OH, CH3COCH3 Καλλίτερη μέθοδος για ανακάλυψη εναλλακτικών διαλυτών: πειράματα Οδηγός για επιλογή εναλλακτικού διαλύτη: παράμετροι διαλυτότητας (Hildebrand, 1970; Hansen, 1999) μ2 - χημικό δυναμικό του συστατικού 2 σε διάλυμα με διαλύτη το συστατικό 1 σε θερμοκρασία Τ και πίεση p μ20 - χημικό δυναμικό του καθαρού συστατικού 2 σε θερμοκρασία Τ και πίεση p xi, i = 1,2 – μοριακό κλάσμα διαλύτη 1, συστατικού 2 ω – ενεργότητα (activity) σε μονάδες ενέργειας/mole, ω > 0, για ιδανικά διαλύματα ω = 0 V2 – μοριακός όγκος συστατικού 2 δi, i = 1,2 – παράμετροι διαλυτότητας διαλύτη 1 και συστατικού 2 17/10/2014 ΔΧ

5 Επιλογή με χρήση Θερμοδυναμικής
Παράδειγμα - Εναλλακτικός οργανικός διαλύτης Καλλίτερη μέθοδος για ανακάλυψη εναλλακτικών διαλυτών: πειράματα Οδηγός για επιλογή εναλλακτικού διαλύτη: παράμετροι διαλυτότητας Όσο πιο διαφορετικές τιμές έχουν οι παράμετροι διαλυτότητας διαλύτη 1 και διαλυτοποιημένου συστατικού 2, τόσο περισσότερο μη αναμίξιμα είναι τα 1 και 2, δηλαδή τόσο περισσότερο μη ιδανικό είναι το διάλυμα Πίνακας με τιμές παραμέτρων διαλυτότας δίνεται στη διαφάνεια που ακολουθεί Παράδειγμα – εναλλακτικός διαλύτης αντί για χλωροφόρμιο που έχει δ1 = 9.2 (cal/cm3)1/2 είναι το βενζόλιο με δ1 = 9.2 (cal/cm3)1/2 Βελτίωση συστατικών Υποκατάσταση συστατικών από άλλα υπέρτερα Συχνά προτιμώνται συστατικά με ιδιότητες που είναι ισχυρές συναρτήσεις της θερμοκρασίας και του pH Παράδειγμα – υδατοδιαλυτά απορροφητικά μέσα (absorbentς) όπως οι μονοαιθανολαμίνες που χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση όξινων αερίων αμίνη + (όξινο αέριο) CO2 ---> ανθρακικό άλας (carbonate, υδατοδιαλυτό, διαλύεται με ελαφρά θέρμανση) Αντιδράσεις αμινών είναι γρήγορες και η ισορροπία τους με όξινα αέρια αλλάζει ριζικά με αλλαγή της θερμοκρασίας 17/10/2014 ΔΧ

6 17/10/2014 ΔΧ

7 Ιδιότητες που μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία
Βελτίωση συστατικών Ιδιότητες που μεταβάλλονται με τη θερμοκρασία H2S(g) + RNH2(aq) ⇄ RNH3+(aq) + HS-(aq) Η σταθερά ισορροπίας Κ από την σχέση K = exp(-ΔG0/RT) = exp(-ΔH0/ RT+ ΔS0/ R) ΔG0, ΔH0, ΔS0 : ελεύθερη ενέργεια, ενθαλπία και εντροπία σε κανονικές συνθήκες Ιδίοτητες που μεταβάλλονται με pH Φαρμακευτικές ουσίες με καρβοξυλικές ή αμινικές ομάδες μπορούν να απομονωθούν και να καθαριστούν με εκχύλιση υγρού-υγρού (extraction). Παράδειγμα: πενικιλλίνη που έχει καρβοξυλική ομάδα _________________________ [RCOOH]org και [R̅̅̅̅̅COOH]H2O, συγκεντρώσεις του RCOOH σε οργανική και υδατική φάση, είναι σε ισορροπία __________________ [RCOOH]org = K [R̅̅̅̅̅COOH]H2O (1) Η ουσία στην οργανική φάση δεν ιονίζεται, ιονίζεται όμως στην υδατική: [RCOOH]H2O = [R̅̅̅̅̅COOH]H2O + [R̅̅̅̅̅COO-]H2O (2) Η+ και RCOO- είναι σε ισορροπία στην υδατική φάση: [H+]H2O[RCOO-]H2O = Ka [RCOOH]H2O (3) Ka είναι η σταθερά διάσπασης του RCOOH 17/10/2014 ΔΧ

8 Ιδίοτητες που μεταβάλλονται με pH
Βελτίωση συστατικών Ιδίοτητες που μεταβάλλονται με pH Φαρμακευτικές ουσίες με καρβοξυλικές ή αμινικές ομάδες μπορούν να απομονωθούν και να καθαριστούν με εκχύλιση υγρού-υγρού (extraction). Παράδειγμα: πενικιλλίνη που έχει καρβοξυλική ομάδα Πραγματική ισορροπία υδατικής και οργανικής φάσης: [RCOOH]org = K΄ [R̅̅̅̅̅COOH]H2O (4) Από (2) & (4): (5) Η σταθερά ισορροπίας Κ από (1) και (5): μεταβάλλεται δραματικά με την συγκέντρωση οξέος 17/10/2014 ΔΧ

9 Επιλογή με χρήση Κινητική
Θερμοδυναμική είναι η επιστήμη του τι είναι εφικτό. Κινητική είναι η επιστήμη του πόσο γρήγορα μπορεί να γίνει κάτι που είναι εφικτό, και κατά συνέπεια ποιό είναι το κόστος της υλοποίησης του εφικτού Χημικές αντιδράσεις: ο ρυθμός τους δεν μπορεί να προβλεφθεί εκ των προτέρων (a priori). Χρειάζονται πειράματα. ΄Οταν όμως δεν υπάρχουν πειραματικά δεδομένα, μπορεί κανείς να υπολογίσει το μέγιστο ρυθμό της αντίδρασης με την παραδοχή ότι ο ρυθμός της χημικής αντίδρασης ελέγχεται από το ρυθμό μεταφοράς μάζας, δηλαδή το ρυθμό διάχυσης (diffusion). Ο ρυθμός μεταφοράς μάζας όπως και ο ρυθμός μεταφοράς θερμότητας είναι εύκολο να προβλεφθούν. Εργάζεται κανείς με τους συντελεστές μεταφοράς μάζας ή θερμότητας και τις αναλογίες τους Κινητική χημικών αντιδράσεων r → mole ανά όγκο ανά χρόνο r 0ης τάξης καταλυτική αντίδραση k΄΄ → mole ανά όγκο ανά χρόνο 1ης τάξης πλέον συνηθισμένη k → (χρόνος)-1 ψευδο-1ης τάξης c2 >> c1 2ας τάξης c2 ~ c k΄ → όγκος ανά mole ανά χρόνο 17/10/2014 ΔΧ

10 Επιλογή με χρήση Κινητική Κινητική χημικών αντιδράσεων
k΄΄, k, k΄ → προσδιορίζονται από πειράματα Προσδιορισμός μέγιστου ρυθμού χημικής αντίδρασης Ρυθμός χημικής αντίδρασης ελέγχεται από το ρυθμό μεταφοράς μάζας Διαφορετικός υπολογισμός για ετερογενείς και ομογενείς χημικές αντιδράσεις. Ευκολότερος υπολογισμός για ετερογενείς Ετερογενής χημική αντίδραση Εξετάζονται αναντίστρεπτες χημικές αντιδράσεις 1ης τάξης Καύση σωματιδίων άνθρακα στον αέρα. Αντίδραση γίνεται στην επιφάνεια σωματιδίων . Κινητική σταθερά k δίνεται από τη σχέση (αντιστάσεις χημικής αντί- δρασης και μεταφοράς μάζας παράλληλες) kM: συντελεστής μεταφοράς μάζας (με διάχυση) kS: κινητική σταθερά αντίδρασης στην επιφάνεια α: ειδική επιφάνεια, επιφάνεια/όγκο Αν η αντίδραση στην επιφάνεια είναι πολύ γρήγορη, kS >>kD και k ≈ kDα kD: cm/s σε υγρή φάση ή 1 cm/s σε αέρια φάση Για τον υπολογισμό του μέγιστου ρυθμού χρειάζεται η ειδική επιφάνεια, α 17/10/2014 ΔΧ

11 Επιλογή με χρήση Κινητική
Προσδιορισμός μέγιστου ρυθμού χημικής αντίδρασης Ετερογενής χημική αντίδραση Για τον υπολογισμό του μέγιστου ρυθμού χρειάζεται η ειδική επιφάνεια, α Ρυθμός αντιδράσεων με σωματίδια καταλύτη, μικροοργανισμούς, σταγόνες γαλα- κτώματος ελέγχεται από μεταφορά μάζας Ομογενής χημική αντίδραση Εξετάζονται αναντίστρεπτες αντιδράσεις. Αν το σύστημα είναι αρχικά καλά αναμειγμένο και η αντίδραση είναι στιγμιαία (εξαιρετικά γρήγορη), ο ρυθμός της αντίδρασης δίνεται από τη σχέση k = 4π(D1+D2)σÑc2 (1) D1,D2: συντελεστές διάχυσης για αντιδραστήρια 1 & 2 – 1 σε περιορισμένη ποσότητα, 2 σε περίσσεια σ: διάμετρος συγκρούσεων ~ 5 Å Ñ: αριθμός Avogadro, = x 1023 μόρια/gmol Συστήματα με εξαιρετικά γρήγορες αντιδράσεις δεν είναι καλά αναμειγμένα στην αρχή και (1) δεν ισχύει. Ρυθμός ομογενούς αντίδρασης προσδιορίζεται από τη σχέση k = 4 (D1+D2)/l2 (2) l: μέσο μέγεθος δίνης σε ανάμειξη 17/10/2014 ΔΧ

12 Επιλογή με χρήση Κινητική
Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Δείχτηκε προηγουμένως πως η κινητική σταθερά χημικής αντίδρασης συνδέεται με το συντελεστή μεταφοράς μάζας που, με τη σειρά του, υπολογίζεται ως εξής, ανάλογα με τον μηχανισμό μεταφοράς: Διάχυση Από μοντέλο λεπτού στρώματος (δ: πάχος λεπτού στρώματος ή απόσταση στην οποία παρατηρείται αλλαγή της συγκέντρωσης) kM = D /δ Υγρά: kM ~ 10-3 cm/s, D ~ 10-5 cm2/s  δ ~ 100 μm = 0.01 cm Αέρια: kM ~ 1 cm/s, D ~ 0.1 cm2/s  δ ~ 100 μm = 0.1 cm Συναγωγή (Convection) ή Ροή + Διάχυση Αναλογίες συντελεστών μεταφοράς μάζας και θερμότητας: σχέσεις με αδιάστατα μεγέθη του ίδιου τύπου για μεταφορά μάζας και θερμότητας Εξαναγκασμένη συναγωγή (forced convection) Nu = G(Re, Pr) Sh = G(Re, Sc) Ελεύθερη συναγωγή (free convection) Nu = H(Grh, Pr) Sh = H(Grm, Sc) G & H : τύπος συνάρτησης, ίδιος για μάζα και θερμότητα 17/10/2014 ΔΧ

13 Επιλογή με χρήση Κινητική
Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Εξαναγκασμένη συναγωγή (forced convection) Nu = G(Re, Pr) Sh = G(Re, Sc) Ελεύθερη συναγωγή (free convection) Nu = H(Grh, Pr) Sh = H(Grm, Sc) Νu: αριθμός Nusselt, = hl / λ Sh: αριθμός Sherwood, = kM l /D h συντελεστής μεταφοράς θερμότητας kM συντελεστής μεταφοράς μάζας l χαρακτηριστικό μήκος (μήκος ή διάμετρος σωλήνα) λ συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας D συντελεστής διάχυσης (μάζας) Re: αριθμός Reynolds, = ρul /μ Pr: αριθμός Prandtl, = ν/α Sc: αριθμός Schmidt, = ν/D ν κινηματικό ιξώδες, συντελεστής διάχυσης ορμής, μ/ρ α συντελεστής θερμικής διάχυσης, λ/ρcp Grh: αριθμ. θερμότ. Grashoff, = l 3ρ2gβΔΤ/μ2 Grμ: αριθμ. μάζας Grashoff, = l 3ρ2gξΔx/μ2 β συντ. συμπιεστότητας, = -(∂ρ/∂Τ)p /ρ ξ συντ. συμπιεστότητας, = -(∂ρ/∂x) /ρ 17/10/2014 ΔΧ

14 Επιλογή με χρήση Κινητική
Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Αναλογία Chilton-Colburn Ισχύει για τυρβώδη ροή u: ταχύτητα f: συντελεστής τριβής ή οπισθέλκουσας Αέρια: ν, D ~ 0.1 cm2/s  kM = h/ρcp αναλογία Reynolds, kM = h/ρcp ~ 1 cm/s Υγρά: α ~ 10-2 cm2/s, D ~ 10-5 cm2/s  kM ~ 10-3 cm/s  h/ρcp ~ 0.1 cm/s Κατάσταση kM, cm/s h/ρcp , cm/s h, W/m2K Αέρια που ρέουν Νερό που ρέει Οργανικά υγρά που ρέουν Υγροποιημένος ατμός/νερό σε βρασμό 17/10/2014 ΔΧ

15 Επιλογή με χρήση Κινητική
Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Παράδειγμα – Η τέλεια κούπα καφέ Μας ζητήθηκε από μια εταιρεία με αλυσίδα καταστημάτων αναθαθμισμένης (upmarket) καφετέριας να σχεδιάσουμε βελτιωμένη κούπα καφέ. Η κούπα που χρησιμοποιείται έχει όγκο 200 cm3 και επιφάνεια, περιλαμβανομένων της βάσης και της οροφής, 200 cm2. Η βελτιωμένη κούπα πρέπει να «κρατάει» τον καφέ στην βέλτιστη θερμοκρασία πόσης περίπου 510C για όσο το δυνατό μεγαλύτερο διάστημα. Πειραματικά δεδομένα για την ψύξη του καφέ σε σκεπαστή και ασκέπαστη κούπα δίνονται στην παρακάτω εικόνα. Εξετάζονται 3 ιδέες: Κούπα με καλλίτερη μόνωση (insulation) Κούπα με το δικό της αυτόνομο θερμαντήρα Κούπα με θερμική δεξαμενή που τήκεται στους 500C Το ισοζύγιο ενέργειας για τον καφέ στην κούπα είναι (1) ρ πυκνότητα καφέ, cv ≈ cp ειδική θερμότητα καφέ, V και Α όγκος και επιφάνεια καφέ, Τ θερμοκρασία καφέ, Τ0 θερμοκρασία αέρα Με ολοκλήρωση της παραπάνω εξίσωσης 17/10/2014 ΔΧ

16 Επιλογή με χρήση Κινητική
Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Παράδειγμα – Η τέλεια κούπα καφέ Τα δεδομένα της εικόνας συμφωνούν με την παραπάνω σχέση. Από την κλίση της ευθείας στην εικόνα τ = 24 και 40 min για την ασκέπαστη και σκεπαστή κούπα, αντί- στοιχα. Με αυτές τις τιμές, από την (2b), U = 57 και 17 W/m2 για την ασκέπαστη και σκεπαστή κούπα, αντίστοιχα. H πρώτη ιδέα με καλλίτερη μόνωση πρέπει να στοχεύει στο να μειωθεί ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας U, δηλαδή να μειωθεί η κλίση της ευθείας των δεδομένων. Υπάρχουν πολλοί τρόποι για μόνωση και μερικοί από αυτούς δεν κοστίζουν πολλοί. Η ιδέα αξίζει να προχωρήσει στο στάδιο της ανάπτυξης. Στη δεύτερη ιδέα, η κούπα είναι ασκέπαστη και ο αυτόνομος θερμαντήρας της αρχίζει να λειτουργεί όταν η θερμοκρασία πέσει στους 500C. O θερμαντήρας θα δώσει θερμότητα Q = UA(T-T0) = 57 W/(m2 0C)(0.04 m2)(51-20)=70 W Mέση μπαταρία C δίνει 1 W. Θα χρειαστούν πάρα πολλές μπαταρίες και η ιδέα δεν είναι πρακτική. Στην τρίτη ιδέα η μόνωση θα αντικατασταθεί από ένα λεπτό στρώμα υλικού που τήκεται κοντά στους 500C. Μια τέτοια κούπα συμπεριφέρεται πολύ διαφορετικά από την κούπα με τη μόνωση. ΄Οταν ο ζεστός καφές χύνεται στην κούπα, το υλικό αυτό τήκεται και αυτό ψύχει τον καφέ. ‘Όταν η θερμοκρασία του καφέ φτάσει στο σημείο τήξης του υλικού, το υλικό αρχίζει να ψύχεται. Η θερμότητα τήξης κρατάει την θερμοκρασία του καφέ κοντά στο σημείο τήξης του υλικού ώσπου όλο το υλικό να ψυχθεί. Από κεί και πέρα ο καφές θα αρχίσει να ψύχεται με τον κανονικό τρόπο. 17/10/2014 ΔΧ

17 Επιλογή με χρήση Κινητική
Προσδιορισμός ρυθμού χημικής αντίδρασης από ρυθμό μεταφοράς μάζας Παράδειγμα – Η τέλεια κούπα καφέ Υλικά που μπορεί να χρησιμοποιηθούν γι αυτό το σκοπό είναι υψηλοί υδρογονάνθρακες που βρίσκονται στο κερί όπως το εικοσιπεντάνιο C25H52 που τήκεται στους 530C και έχει θερμότητα τήξης ΔΗf = 220 kJ/kg ή κερί μέλισσας που έχει το ίδιο περίπου σημείο τήξης και ΔΗf = 180 kJ/kg. Η ποσότητα του υλικού που απαιτείται για την τρίτη ιδέα υπο- λογίζεται από τη σχέση m ΔΗf = Qt = UA(T-T0)t (3) Με ΔΗf = 180 kJ/kg, U = 17 J/(m2 0C s), A = 0.04 m2, T = 530C, T0 = 200C, t = 20 min = 1200 s, m = 0.07 kg Για την τρίτη ιδέα χρειάζονται 2 πράγματα: Μικρή ποσότητα κεριού μέλισσας Να εξασφαλιστεί αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας από το κερί στον καφέ 17/10/2014 ΔΧ

18 Επιλογή με υποκειμενικά κριτήρια
Στο σχεδιασμό χημικών προϊόντων οι φυσικές επιστήμες και η επιστήμη του μηχανικού παίζουν σπουδαίο ρόλο. Το ίδιο δεν συμβαίνει με καταναλωτικά προϊόντα όπου οι επιστήμες αυτές παίζουν μικρότερο ρόλο από εμπορικά και άλλα κριτήρια που είναι υποκειμενικά Πολλές φορές τα κριτήρια επιλογής είναι αντικειμενικά αλλά σε αντίθετη κατεύθυνση π.χ., επιθυμητή ισορροπία ανάμεσα στο κόστος, που επιθυμούμε να είναι χαμηλό και την απόδοση, που επιθυμούμε να είναι υψηλή. Για παράδειγμα, θέλουμε να σχεδιάσουμε ένα καινούργιο καταλύτη για τα καυσαέρια του αυτοκινήτου για να βελτιώσουμε την ποιότητα του αέρα στον τόπο μας. Αυτός ο καταλύτης είναι σχεδόν σίγουρο ότι θα έχει υψηλό κόστος. Υποκειμενικά κριτήρια όπως τι θέλει ο κόσμος, τι ενδιαφέρει τον καταναλωτή, κλπ., είναι σημαντικά για την επιλογή καλλίτερης/-ρων ιδέας/-ων. Η μεθοδολογία, που ονομάζεται πίνακας επιλογής ιδεών (concept selection matrix) συνίσταται στην (α) διαμόρφωση κριτηρίων, (β) σταθμοποίηση (weighting) των κριτηρίων αυτών, (γ) βαθμολόγηση των ιδεών σε σχέση με ένα πρότυπο (benchmark), που μπορεί να είναι υπάρχον προϊόν ή καθιερωμένη τεχνολογία, με βάση τα κριτήρια που επιλέχθηκαν στην αρχή, και (δ) υπολογισμός του ολικού σκόρ με άθροιση των γινομένων παραγόντων στάθμισης (weighting factors) και βαθμών για κάθε κριτήριο και ιδέα. Η ιδέα που θα επιλεγεί είναι αυτή με το υψηλότερο ολικό σκόρ Το νωρίτερο και σπουδαιότερο σημείο στο οποίο η επιλογή δεν μπορεί να αποφευχθεί είναι στην επιλογή κριτηρίων για τον πίνακα επιλογής ιδεών. Υπάρχουν πάντα πράγματα σπουδαία για την επιλογή καλλίτερης/-ρων ιδέας/-ων, πέρα από το κόστος και την τεχνική εφικτότητα 17/10/2014 ΔΧ

19 Επιλογή με υποκειμενικά κριτήρια
Πρέπει να γίνει δημοσκόπηση όσο γίνεται περισσοτέρων ατόμων που ενδιαφέρονται για το υπό σχεδιασμό προϊόν για να μην αφήσουμε κανένα κριτήριο έξω από τον πίνακα επιλογής ακόμη και τα πιο δύσκολα να οριστούν όπως, π.χ., περισσότερο όμορφο, περισσότερο ευχάριστο, πιο φιλικό στο περιβάλλον, κλπ. Πρέπει κανείς να έχει επίγνωση του ότι αυτό που ενδιαφέρει τον σχεδιαστή του προϊόντος δεν είναι απαραίτητα αυτό που ενδιαφέρει τους καταναλωτές Τα κριτήρια που επιλέγει κανείς πρέπει να είναι ανεξάρτητα. Παράδειγμα - Για ορειβασία χρειάζεται κανείς αγκίστρια που να είναι ελαφρά και να έχουν υψηλή αντοχή. Τα δύο κριτήρια αυτά δεν είναι ανεξάρτητα. Είναι καλλίτερο να χρησιμοποιήσει κανείς ένα κριτήριο, αντοχή ανά μονάδα βάρους για την αξιολόγηση αγκιστριών για ορειβασία Ασφάλεια και ανταπόκριση από το καταναλωτικό κοινό είναι σπουδαίοι παράγοντες στην επιλογή κριτηρίων Ο κατάλογος των κριτηρίων αξιολόγησης ιδεών πρέπει να είναι πλήρης. Να περιλαμβάνει ο,τιδήποτε θεωρούν σημαντικό οι καταναλωτές. Στη διαδικασία της επιλογής πρέπει να συμπεριληφθούν εκτός από την βασική ομάδα (core team) σχεδιασμού, εμπειρογνώμονες και επενδυτές Επειδή η επιλογή με υποκειμενικά κριτήρια είναι από τη φύση της κάπως αυθαίρετη, δεν πρέπει να αποδίδεται απόλυτη σημασία στα σκόρ Μετά τον υπολογισμό του ολικού σκόρ, πρέπει να εξεταστεί αν κριτήρια ή ιδέες μπορεί να συνδυαστούν. Ο συνδυασμός μπορεί να οδηγήσει σε καλλίτερο αποτέλεσμα 17/10/2014 ΔΧ

20 Ανάλυση ιδεών για επιλογή καλλίτερης
Προσεκτική επιλογή ιδέας-για-αναφορά (benchmark) Επιλογή των σπουδαιότερων παραγόντων για αξιολόγηση του προϊόντος και συντελεστών στάθμισης (weighting factors) Διαμόρφωση Πίνακα Επιλογής Ιδέας (Concept-Screening Matrix) α. Βαθμολόγηση από διατμηματική ομάδα (sales, engineering, marketing, HSE) b. Βαθμολόγηση από εμπειρογνώμονες c. Βαθμολόγηση με συναίνεση (consensus) i - παράγοντας j – ιδέα sij – βαθμός i-παράγοντα Sj – βαθμός ιδέας H υπόθεση ότι ο βαθμός ιδέας, Sj , είναι γραμμική συνάρτηση των βαθμών παραγόντων, sij, ισχύει κατά προσέγγιση για παρόμοια προϊόντα με μικρές διαφορές. Δεν ισχύει όταν α. Το κριτήριο για βαθμολόγηση είναι ψηφιακό, π.χ., το προϊόν κάνει θόρυβο ή όχι β. Το προϊόν δεν λειτουργεί όπως αναμένεται, π.χ., διαχωριστική συσκευή για ολεφίνες και παραφίνες με μεμβράνη από κοίλες ίνες (hollow fibers) γ. Καινοτομίες: προϊόντα που η σύλληψη της ιδέας τους είναι πέρα από το σύγχρονο τρόπο σκέψης (out-of-the box; game changers, show stoppers) 4. Ανάλυση ευαισθησίας (sensitivity analysis) για παράγοντες στάθμισης 17/10/2014 ΔΧ

21 Επιλογή με υποκειμενικά κριτήρια
Παράδειγμα. Διαχείριση στερεών αστικών υπολειμμάτων (municipal solid waste) με κριτήρια βιώσιμης ανάπτυξης. Κριτήρια_Οικονομικά: έσοδα – έξοδα > 0, εξοικονόμηση πόρων, απασχόληση. Περιβαλλοντικά: καθαρός αέρας, καθαρό νερό, βιοποικιλότητα. Κοινωνικά: Προστασία δημόσιας υγείας, δημιουργία θέσεων εργασίας, αναψυχή. Πρότυπο: συλλογή, διαχωρισμός, ανακύκλωση, ταφή αστικών υπολειμμάτων Ιδέες: (1) Πρότυπο + Καύση για παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας, (2) Πρότυπο + κομποστοποίηση + αναερόβια ζύμωση για παραγωγή βιοαερίου, (4) Πρότυπο + πυρόλυση για παραγωγή βιο-στερεών, βιο-υγρών και βιο-αερίων καυσίμων Σταθμ. Παράγ. Πρότυπο Ιδέα Ιδέα Ιδέα 3 Κριτήρια ____________________________________________________________________________________________ Οικονομικά Περιβαλλοντικά Κοινωνικά Ολικό 17/10/2014 ΔΧ

22 Στάδια Σχεδιασμού Προϊόντων Αναγνώριση αναγκών Γέννηση & Συλλογή ιδεών
Επιλογή καλλίτερων ιδεών Σχεδιασμός βιομηχανικής παραγωγής Θέματα για εξέταση Αξιολόγηση πνευματικής ιδιοκτησίας (intellectual property) Παροχή πληροφοριών που λείπουν από τα προηγούμενα στάδια Προσδιορισμός επιπτώσεων στο περιβάλλον Καθορισμός προδιαγραφών Ανάλυση οικονομικών Πνευματική ιδιοκτησία Αποτελείται από διπλώματα ευρεσιτεχνίας (patents), που εμποδίζουν τους ανταγωνιστές να παράγουν το ίδιο προϊόν, και εμπορικά μυστικά (trade secrets) Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας (patent): συμβόλαιο μεταξύ του εφευρέτη και της κυβέρνησης. Αν ο εφευρέτης πείσει την κυβέρνηση, που αντιπροσωπεύεται από το Γραφείο Διπλωμάτων Ευρεσιτεχνίας, ότι η εφεύρεση είναι νέα, η κυβέρνηση δίνει στον εφευρέτη αποκλειστικά δικαιώματα στην εφεύρεση για σημαντικό χρόνο. Στη νομική γλώσσα, ο εφευρέτης «διδάσκει» το κοινό πως να κάνει χρήση της εφεύρεσης 17/10/2014 ΔΧ

23 Πνευματική ιδιοκτησία
Εμπορικά μυστικά (trade secrets): μη δημόσια πληροφορία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή του προϊόντος Βασικά χημικά (commodities) προϊόντα: ισορροπία στους αριθμούς διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας και εμπορικών μυστικών Προϊόντα προστιθέμενης αξίας: προτιμώνται διπλώματα ευρεσιτεχνίας γιατί τα από- κλειστικά δικαιώματα που απορρέουν από αυτά αξίζουν την απαιτούμενη δημοσιο- ποίηση (disclosure) Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας Συμβόλαιο μεταξύ εφευρέτη και κυβέρνησης: διέπεται από κανόνες που διαφέρουν από χώρα σε χώρα. Γραφεία Διπλωμάτων Ευρεσιτεχνίας έχουν οι ΗΠΑ, η EE, η Ιαπωνία αλλά και 200 άλλες χώρες από το Afghanistan μέχρι τη Zimbabwe). Αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας (filing a patent) στις ΗΠΑ διέπεται από την αρχή «πρώτος στην εφεύρεση» (“first to invent”), στον υπόλοιπο κόσμο από την αρχή «πρώτος στην αίτηση» (“first to file”) Νομική ιδιοκτησία: δικαιώματα κατοχής, αγοράς, πώλησης και ενοικίασης (συνήθως για 3-6% ακαθάριστης τιμής πώλησης-gross sales-) Νομικό έγγραφο: σε περίπτωση παραβίασης (infringement) του ο κάτοχος του δεν μπορεί να καλέσει την αστυνομία. Η επιβολή (enforcement) του ανήκει εξ ολοκλήρου στον κάτοχο του. Μέχρι την ώρα που θα εξεταστεί ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στο δικαστήριο, δεν είναι βέβαιο τι πραγματικά σημαίνει. Αν το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας παραβιαστεί, ο κάτοχος του δικαιούται ένα εύλογο τέλος άδειας 17/10/2014 ΔΧ

24 Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας
Απαιτήσεις για απόκτηση διπλώματος ευρεσιτεχνίας: το προϊόν να είναι χρήσιμο (useful), καινοφανές (novel) και μη προφανές (non-obvious) Χρήσιμο είναι εύκολο να αποδειχθεί. Απαιτείται κάποιο επίπεδο χρησιμότητας πέρα από αυτό περιστασιακών πειραμάτων (casual experiments) Καινοφανές είναι δυσκολότερο να αποδειχθεί γιατί εξαρτάται από κοινή λογική (common sense) και νομική διάκριση (legal distinction). To προϊόν δεν μπορεί να ήταν γνωστό, να είχε χρησιμοποιηθεί, να είχε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ή να είχε περιγραφεί σε δημοσίευση από κάποιον άλλο πριν από την εφεύρεση. Αν ο εφευρέτης είχε δημοσιοποιήσει την εφεύρεση σε δημόσια ομιλία ή δημοσίευση έχει ένα χρόνο από την ημερομηνία της δημοσιοποίησης να κάνει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στις ΗΠΑ. Σε άλλα μέρη του κόσμου, όπως στην ΕΕ, ο εφευρέτης που δημοσιοποιεί την εφεύρεση του χάνει τα δικαιώματα του για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας Μη προφανές: διαφορές ανάμεσα στο νέο προϊόν και προηγούμενα προϊόντα (prior art) είναι αρκετές ώστε να μην είναι προφανές σε κάποιον με συνηθισμένη εμπειρία στην τέχνη που αφορά την εφεύρεση. Το Ανώτατο Δικαστήριο των ΗΠΑ προτρέπει έρευνα σε: (1) πεδίο εφαρμογής (scope) και περιεχόμενο (scope) προηγουμένων προϊόντων (prior art), (2) διαφορές ανάμεσα σε προηγούμενα προϊόντα και εφεύρεση και (3) επίπεδο συνηθισμένης εμπειρίας στην περιοχή της εφεύρεσης 17/10/2014 ΔΧ

25 Η έκδοση διπλώματος ευρεσιτεχνίας διευκολύνεται από την καλή συνεργασία εφευρέτη με δικηγόρους για δικαιώματα πνευματικής ιδιοκτησίας. Ο εφευρέτης παρέχει στο δικηγόρο τις πληροφορίες που απαιτούνται και ο δικηγόρος διαχειρίζεται την αίτηση και την έγκριση της. Ο εφευρέτης πρέπει να διατηρεί προσεκτικά αποδείξεις της ανάπτυξης του προϊόντος από μέρους του. Παρά το ότι είμαστε σε προχωρημένο στάδιο της ψηφιοποίησης (digitization) και οι περισσότερες αποδείξεις είναι σε ψηφιακή μορφή, το πρότυπο είναι χειρόγραφες σημειώσεις με μελάνη σε σημειωματάριο εργαστηρίου, βεβαιωμένες με την υπογραφή του προϊσταμένου ή καταρτισμένου συναδέλφου που δεν είναι ο εφευρέτης του συγκεκριμένου προϊόντος. Το κόστος έκδοσης διπλώματος ευρεσιτεχνίας, που κατά το μεγαλύτερο μέρος είναι η αμοιβή του δικηγόρου, αυξάνονται σημαντικά από τέλη μετάφρασης, διαβόητα στην Ιαπωνία (το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας γράφεται στη γλώσσα της χώρας όπου εκδίδεται) Οι νόμοι των ΗΠΑ για διπλώματα ευρεσιτεχνίας διακρίνουν στην διεργασία της εφ-εύρεσης δύο στάδια: (1) Σύλληψη (conception) και (2) Αναγωγή στην πράξη (reduction to practice) Σύλληψη: σχηματισμός από τον εφευρέτη σαφούς ιδέας για ολόκληρη την εφεύρεση με κάθε χαρακτηριστικό που θα περιληφθεί στο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας. Έχει ολοκληρωθεί όταν κάποιος με συνηθισμένη εμπειρία μπορεί να πραγματώσει την εφεύρεση χωρίς περαιτέρω έρευνα ή πειράματα. Η αναγνώριση και παρουσίαση ενός προβλήματος δεν θεωρείται σύλληψη Αναγωγή στην πράξη αποτελεί απόδειξη του ότι η εφεύρεση λειτουργεί. ΄Εχει δύο τύπους: (1) Πραγματική και (2) Εποικοδομητική . Η πραγματική αναφέρεται στη συλλογή πληροφοριών που λείπουν και περιλαμβάνει κατασκευή συσκευής ή παρασκευή ορισμένης σύστασης. Η εποικοδομητική είναι η αίτηση για δίπλωμα 17/10/2014 ΔΧ

26 Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας Πλεονεκτήματα: νομική κάλυψη Μειονεκτήματα:
(1) Μικρό ποσοστό περιπτώσεων παραβιάσης διπλώματος ευρεσιτεχνίας διώκονται δικαστικά. Οι περισσότερες περιπτώσεις διευθετούνται εξωδικαστικά (2) Διπλώματα ευρεσιτεχνίας παρέχουν ακριβή εικόνα της εμπειρίας της κατόχου εταιρείας με αποτέλεσμα να μαθαίνουν οι ανταγωνιστές της γι αυτήν Επί πλέον από τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας και τα εμπορικά μυστικά, υπάρχει και τρίτος δρόμος, δηλαδή, η εταιρεία να αποφασίσει να μην κάνει την εμπειρία της ούτε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ούτε να την κρατήσει στα εμπορικά μυστικά της. Μπορεί να παρουσιαστεί σε συνέδριο που δεν έχει μεγάλη παρακολούθηση ή δεν δημοσιεύει πεπραγμένα, αφού η εταιρεία που θέλει να παρουσιάσει κάτι κρατήσει επικυρωμένο αντίγραφο της δημοσιοποίησης του. Αν κανένας ανταγωνιστής της εταιρείας αυτής στο μέλλον το ανακαλύψει και το κατοχυρώσει με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, η αρχική εταιρεία μπορεί να ζητήσει ακύρωση του διπλώματος ευρεσιτεχνίας με βάση προηγούμενη δημοσιοποίηση και έτσι να αποφύγει την πληρωμή τελών ενοικίασης του δικαιώματος ευρεσιτεχνίας 17/10/2014 ΔΧ

27 Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας
Οι νόμοι πνευματικής ιδιοκτησίας είναι κανόνες και όχι μέσα να επιβάλλουν αλήθεια, δικαιοσύνη ή καλλίτερο τρόπο ζωής Τύποι διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας: (1) Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας χρησιμότητας (utility patent), (2) Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σχεδιασμού (design patent), (3) Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ζωντανών φυτών (living plant patent) Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας χρησιμότητας Το πιο κοινό. Απονέμεται για κάθε χρήσιμο, νέο, μη προφανούς σύνθεσης υλικό, αντικείμενο κατασκευής (article of manufacture) ή διεργασία (process). Διπλώματα ευρεσιτεχνίας για διεργασίες δεν είναι ευκολότερο από άλλους τύπους να αποκτήσει κανείς και συχνά είναι δύσκολο να επιβληθούν (to enforce). Διπλώματα ευρεσι-τεχνίας χρησιμότητας κοστίζουν αρκετά για να ετοιμαστούν αλλά παρέχουν ευρεία προστασία. Ισχύουν για 20 χρόνια από την ημερομηνία αίτησης του παλαιότερου στις ΗΠΑ διπλώματος από το οποίο το αιτούμενο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας διεκδικεί προτεραιότητα. Πριν τις 8 Ιουνίου 1995, προστασία χορηγείτο για 17 χρόνια από την ημερομηνία έκδοσης του διπλώματος ευρεσιτεχνίας Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σχεδιασμού Απονέμονται για 14 χρόνια για κάθε νέο, πρωτότυπο και μη προφανές διακοσμητικό μοτίβο (ornamental design) για ένα αντικείμενο κατασκευής. Αφορά τη φυσική, μη λειτουργική εμφάνιση τηε εφεύρεσης. Δεν βρίσκουν εφαρμογή σε χημικές ουσίες αλλά σε συσκευές για χημικές αλλαγές, π.χ., συσκευή για τεχνητό νεφρό. Τα διπλώματα αυτά είναι απλά και φθηνά, αλλά όπως βεβαιώνουν οι δικηγόροι που ασχολούνται με διπλώματα ευρεσιτεχνίας δεν χρησιμοποιούνται όσο έπρεπε στο σχεδιασμό και ανάπτυξη προϊόντων 17/10/2014 ΔΧ

28 Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας Παραδείγματα Ιστιοσανίδα (Windsurfing)
Hoyle και Diana Schweitzer και Jim Drake από την Καλιφόρνια έκαναν αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας το Εκδόθηκε το Βασικά στοιχεία: τριγωνικό πανί, κλειδοκόκκαλο (wishbone) βραχίονα, σταυρωτή ελεύθερη άρθρωση. Δημιούργησαν την εταιρεία Windsurfer που εκμεταλλεύτηκε τα δικαιώματα του διπλώματος, κατα- σκεύαζε ιστιοσανίδες και μάζευε τέλη άδειας (license fees) από άλλους κατασκευαστές για πολλά χρόνια Το 1983, Windsurfer μήνυσε την Ελβετική εταιρεία Mistral για παραβίαση διπλώματος ευρεσιτεχνίας (patent infringement). H Mistral υπερασπίστηκε τη θέση της αναφερόμενη στη δουλειά του Newman Darby που κατασκεύασε ιστιοσανίδα το1964 στο Wilkes-Barre (Pennsylvania) και δημοσίευσε το σχέδιο της στο περιοδικό Popular Science το Το δικαστήριο απέρριψε την προσφυγή Το1983 , δικαστήριο της Αυστραλίας επιδίκασε την ονομασία Windsurfing στον Richard Eastaugh που από το 1946 μέχρι το 1949, σε συνεργασία με τα αδέλφια του, ταξίδευε με κανό με διαχωρισμένο βραχίονα και πανί τον ποταμό Swan River To 1985, Windsurfer μήνυσε την Βρετανική εταιρεία Tabur Marine για παραβίαση διπλώματος ευρεσιτεχνίας. H Tabur Marine υπερασπίστηκε τη θέση της δείχνοντας ένα φίλμ με τη δουλειά του Paul Chivers που το 1958 πειραματίζονταν με ιστιοσανίδα που έμοιαζε με αυτή της Windsurfer. Το δικαστήριο απέρριψε την προσφυγή Στο τέλος της δεκαετίας του 1980, η Windsurfer σταμάτησε να λειτουργεί 17/10/2014 ΔΧ

29 Δίπλωμα ευρεσιτεχνίας Παραδείγματα - Φαρμακευτικά προϊόντα
Πολυμορφισμός ενεργής ουσίας (Active Pharmaceutical Ingredient) Ανακάλυψη φαρμάκου Η GlaxoSmithKline πλήρωσε $200 εκ. στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα για εγνωσμένη παραβίαση διπλώματος ευρεσιτεχνίας σχετικού με νέο φάρμακο Εμπορικά μυστικά Μη δημόσιες πληροφορίες που χρησιμοποιούνται για βιομηχανική παραγωγή προϊόντος, π.χ., ειδικός καταλύτης ή σπουδαία στάδια για την ενεργοποίηση του καταλύτη Δεν είναι νομική ιδιοκτησία και τα προϊόντα που καλύπτουν έχουν προβλήματα δύο ειδών: (1) τα εμπορικά μυστικά μπορεί να χαθούν όταν ένας εργαζόμενος αλλάζει τόπο εργασίας και (2) ένας ανταγωνιστής ανακαλύπτει τα μυστικά και εκδίδει δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στο όνομα του 17/10/2014 ΔΧ

30 Παροχή πληροφοριών που λείπουν από τα προηγούμενα στάδια
Όταν κανείς σχεδιάζει ένα ακριβό πρόγραμμα ανάπτυξης προϊόντος, πρέπει να έχει βεβαιωθεί ότι το προϊόν που ετοιμάζεται για παραγωγή θα λειτουργήσει όπως είναι επιθυμητό. Μέχρι το στάδιο αυτό, κρατήσαμε τους υπολογισμούς απλούς, τον αριθμό πειραμάτων χαμηλό και κάναμε ανασκόπηση της βιβλιογραφίας για να δούμε αν η κατασκευή του συγκεκριμένου προϊόντος είναι εφικτή. Σημαντικές λεπτομέρειες που έχουν σχέση με το προϊόν απαιτούν περαιτέρω έρευνα και πειράματα. Είναι δύσκολο να γενικεύσουμε το είδος των πληροφοριών που λείπουν από τα προηγούμενα στάδια. Κάθε έργο έχει τις δικές του ιδιομορφίες και προβλήματα και οι πληροφορίες που χρειάζεται κανείς είναι διαφορετικές για κάθε προϊόν και εξαρτώνται από το ενδιαφέρον που υπάρχει για το συγκεκριμένο προϊόν στη βιβλιογραφία και το επίπεδο δραστηριότητας της εταιρείας σε παρόμοια περιοχή. Ας μη ξεχνάμε ότι ένας από τους πρωταρχικούς μας σκοπούς είναι να ελαχιστοποιήσουμε το χρόνο μεταφοράς του προϊόντος στην αγορά. Η ελάχιστη απαίτηση είναι πειραματική επιβεβαίωση των σχετικών δεδομένων. Στο άλλο άκρο, ένα πλήρες πειραματικό πρόγραμμα χρει’αζεται για να αποδειχθεί η εφικτότητα των νέων και αδόκιμων δεδομένων 17/10/2014 ΔΧ

31 Παροχή πληροφοριών που λείπουν από τα προηγούμενα στάδια
Παράδειγμα – Στερικά παρεμποδισμένες αμίνες (sterically hindered amines) Η απομάκρυνση όξινων αερίων από ροή μίγματος αερίων (sweetening) είναι συνηθισμένη εργασία για τη χημική βιομηχανία και τα δυηλιστήρια. Σε ένα εργοστάσιο παραγωγής υδρογόνου, το μεθάνιο μετατρέπεται με αναμόρφωση με ατμό (steam reforming) σε υδρογόνο και διοξείο του άνθρακα. Το CO2 πρέπει να απομακρυνθεί για να ληφθεί καθαρό προϊόν. Στο εργοστάσιο αυτό, η απομάκρυνση του CO2 είναι συχνά το σημείο συμφόρησης (bottleneck) για επέκταση της παραγωγικής ικανότητας (capacity expansion). H εταιρεία μας θέλει να βελτιώσει τη διεργασία απομάκρυνσης CO2. Πώς θα γίνει αυτό; Παραδοσιακά η απομάκρυνση όξινων αερίων από μίγμα γίνεται με αμίνες 2R-NH2 + CO2 → R-NH3+ + R-NH-COO- H αντίδραση γίνεται σε πύργο αερίου-υγρού σε αντιροή (countercurrent flow) σε χαμηλή θερμοκρασία (40-800C) και ακολουθείται από αναμόρφωση της αμίνης σε υψηλή θερμοκρασία (1200C) και χαμηλή μερική πίεση του CO2. Η αντίδραση απαιτεί 2 mole αμινης ανά 1 mole απομακρυνόμενου CO2 Το 1974, ο Sartori από το ερευνητικό τμήμα της Exxon παρατήρησε ότι ελαττώνοντας τη σταθερότητα του καρβαμικού ιόντος R-NH-COO- , η στοιχειομετρία μπορεί να αλλάξει R-NH2 + CO2 + Η2Ο → R-NH3+ + HCO3- Η αντίδραση απαιτεί 1 mole αμινης ανά 1 mole απομακρυνόμενου CO2. Το καρβαμιδικό ιόν αποστθεροποιείται με χρήση παρεμποδισμένης αμίνης, όπως η διισοπροπυλαμίνη 17/10/2014 ΔΧ

32 Παροχή πληροφοριών που λείπουν από τα προηγούμενα στάδια
Παράδειγμα – Στερικά παρεμποδισμένες αμίνες (sterically hindered amines) Διισοπροπυλαμίνη Η αποσταθεροποίηση του καρβαμιδικού ιόντος συμβαίνει λόγω της απώθησης των ηλεκτρονίων από τις πλευρικές ομάδες και του γεγονότος ότι οι ογκώδεις πλευρικές ομάδες παρεμποδίζουν την ελεύθερη περιστροφή της όξινης ομάδας. ΄Ομως, αν η αμίνη είναι παρεμποδισμένη σε υψηλό βαθμό, ο ρυθμός της αντίδρασης είναι πολύ αργός, η αμίνη είναι ανώφελη για την απομάκρυνση του CO2. Αυτό που χρειάζεται είναι μια μέτρια παρεμποδισμένη αμίνη έτσι ώστε η δεύτερη αντίδραση που παράγει διττανθρικά ιόντα να υπερισχύει της πρώτης που παράγει καρβαμιδικά. Επίσης ο ρυθμός της δεύτερης αντίδρασης να είναι λογικός. Πρέπει να χρησιμοποιηθεί μια αμίνη παρόμοια με την παραπάνω. Οι απαιτήσεις μας είναι οι ακόλουθες: Νέο προϊόν που θα διπλασιάσει την παραγωγική ικανότητα του εργοστασίου και θα μειώσει το μέγεθος του πύργου απορρόφησης, δηλαδή, αύξηση της χωρητικότητας του υγρού-απορροφητή σε CO2, σύμφωνα με τη δεύτερη αντίδραση Ρυθμός αντίδρασης τουλάχιστον όσο και ο ρυθμός για παραδοσιακές αμίνες γιατί αλλιώτικα ό,τι κερδίζουμε σε παραγωγική ικανότητα θα εξαλειφθεί από το χαμηλό ρυθμό απορρόφησης, Ν Η 17/10/2014 ΔΧ

33 Παροχή πληροφοριών που λείπουν από τα προηγούμενα στάδια
Παράδειγμα – Στερικά παρεμποδισμένες αμίνες (sterically hindered amines) Οι απαιτήσεις μας είναι οι ακόλουθες: Νέο προϊόν που θα διπλασιάσει την παραγωγική ικανότητα του εργοστασίου και θα μειώσει το μέγεθος του πύργου απορρόφησης, δηλαδή, αύξηση της χωρητικότητας του υγρού-απορροφητή σε CO2, σύμφωνα με τη δεύτερη αντίδραση Ρυθμός αντίδρασης τουλάχιστον όσο και ο ρυθμός για παραδοσιακές αμίνες γιατί αλλιώτικα ό,τι κερδίζουμε σε παραγωγική ικανότητα θα εξαλειφθεί από το χαμηλό ρυθμό απορρόφησης, Οι συνθήκες στο καινούργιο εργοστάσιο θα είναι οι ίδιες με το παληό, δηλαδή, απορρόφηση στους C και αναμόρφωση στους 1200C Στο εργοστάσιο, χρησιμοποιείται ως αναστολέας διάβρωσης (corrosion inhibitor) υλικό που περιέχει V5+ που μεταφέρεται στο υγρό απορρόφησης. Η αμίνη πρέπει να παραμένει σταθερή παρουσία του V5+ Ο Sartori και οι συνεργάτες του βρήκαν ότι μέτρια παρεμποδισμένες αμίνες ευνοούν τη δεύτερη αντίδραση όπου η στοιχειομετρία είναι 1 mole αμίνης δίνει 1 mole CO2 . Με μέτρια παρεμποδισμένες αμίνες η κινητική σταθερά ελαττώνεται μία τάξη μεγέθους από αυτήν με παραδοσιακές αμίνες. Με υψηλά παρεμποδισμένες αμίνες, βρέθηκε ότι η κινητική σταθερά ελαττώνεται κατα μία επι πλέον τάξη μεγέθους από αυτήν με παραδοσιακές αμίνες. 17/10/2014 ΔΧ

34 Παροχή πληροφοριών που λείπουν από τα προηγούμενα στάδια
Παράδειγμα – Στερικά παρεμποδισμένες αμίνες (sterically hindered amines) Ο ρυθμός απορρόφησης CO2 δίνεται από τη σχέση r = k [CO2] [amine] Ο Sartori και οι συνεργάτες του βρήκαν ότι o ρυθμός απορρόφησης του CO2 ελέγχεται από τη διάχυση του CO2 στο υγρό. Επιλέγοντας από ομάδα μέτρια παρεμποδισμένων αμινών, βρήκαν αυτήν που αυξάνει την παραγωγική ικανότητα χωρίς να ελαττώνεται ο ρυθμός παραγωγής. Τα δύο καινούργια στοιχεία που χρειάστηκαν ήταν η διαλυτότητα της αμίνης στο υγρό και η θερμική της σταθερότητα. Η διαλυτότητα αυξάνει όταν οι πλευρικές ομάδες είναι αλκοόλες, π.χ., διαιθανολαμίνη. Τέλος, πειραματικά δείχτηκε ότι το V5+ αποσταθεροποιεί το καρβαμιδικό ιόν αλλά σταθεροποιεί την αμίνη. Όλα αυτά τα στοιχεία ενσωματώθηκαν στον τελικό σχεδιασμό του προϊόντος 17/10/2014 ΔΧ

35 Προσδιορισμός επιπτώσεων στο περιβάλλον
Σημαντικό να ελαχιστοποιείται η ζημιά στο περιβάλλον και να αποκαθίσταται (remediate) όσο περισσότερο γίνεται η ζημιά που δεν μπορεί να αποφευχθεί Αντίθετα από τα οικονομικά, όπου οι στόχοι είναι σαφείς και απλοί, στην περίπτωση του περιβάλλοντος είναι εύκολο να ασπασθεί κανείς υψηλά ιδανικά (lofty ideals), αλλά πολύ δύσκολο να τα μεταφράσει σε σαφείς στόχους. Στην πραγματικότητα, η μέριμνα για το περιβάλλον καλύπτει ένα φάσμα από ανταγωνιζόμενους σκοπούς. Είναι προτιμότερο να μειώσει κανείς το αποτύπωμα (footprint) του CΟ2 ή να σταματήσει τις εκπομπές SO2; Ο σκοπός της μέριμνας για το περιβάλλον συνοψίζεται στη λέξη «βιωσιμότητα ή αειφορία» (sustainability), η οποία σύμφωνα με τον ορισμό Brundtland σημαίνει ανάπτυξη που ικανοποιεί τις ανάγκες του παρόντος χωρίς να υποσκελίζεται η ικανότητα μελλοντικών γενιών να ικανοποιούν τις δικές τους». Ο Βρεττανός περιβαλλοντολόγος Jonathan Poritt κάνει έκκληση για προστασία ή ενίσχυση διαφόρων τύπων κεφαλαίου απαραίτητων για την ευημερία του ανθρώπου, περιλαμβανομένου ανθρώπινου δυναμικού, φυσικών πόρων, κοινωνικών, οικονομικών και βιομηχανικών δομών Οι επιπτώσεις στο περιβάλλον εξετάζονται με Ανάλυση του Κύκλου Ζωής (Life Cycle Analysis) που περιλαμβάνει πλήρη λίστα τάσεων στο περιβάλλον, περιλαμβανόμενης χρήσης ενέργειας, κατανάλωσης νερού, εκπομπές αερίων (NOx, SOx, COx), τοξικά απόβλητα, οξύνιση (acidification), παράγοντες που καταστρέφουν το όζον (ozone depleting factors) 17/10/2014 ΔΧ

36 Προσδιορισμός επιπτώσεων στο περιβάλλον
Οι επιπτώσεις στο περιβάλλον εξετάζονται με Ανάλυση του Κύκλου Ζωής (Life Cycle Analysis) που περιλαμβάνει πλήρη λίστα τάσεων στο περιβάλλον, περιλαμβανόμενης χρήσης ενέργειας, κατανάλωσης νερού, εκπομπές αερίων (NOx, SOx, COx), τοξικά απόβλητα, οξύνιση (acidification), παράγοντες που καταστρέφουν το όζον (ozone depleting factors). Πλήρης Ανάλυση του Κύκλου Ζωής για το προϊόν είναι χρονοβόρα (time consuming), κοστίζει ακριβά, και απαιτεί λεπτομέρειες σε υψηλό επίπεδο. Ακόμη και τότε υπόκειται σε μεγάλη αβεβαιότητα (uncertainty). Μεμονωμένοι δείχτες, όπως για παράδειγμα, αποτύπωμα CO2, δεν είναι υποκατάστατα (proxy) για Ανάλυση του Κύκλου Ζωής, γιατί μπορεί οι συγκεκριμένοι δείκτες να μην είναι οι κρίσιμοι στρεσογόνοι παρά-γοντες για το συγκεκριμένο πρόβλημα, π.χ., για τα κινητά τηλέφωνα το αποτύπωμα CO2 είναι πολύ χαμηλό, σχεδόν μηδέν, όμως για τα τηλέφωνα αυτά το πρόβλημα για το περιβάλλον έρχεται από την εξόρυξη του Coltan (columbite-tantalite) στο Κονγκό Για την Ανάλυση του Κύκλου Ζωής, πέρα από το κόστος, ενδιαφέρουν οι επιπτώσεις στο περιβάλλον και την κοινωνία Συνίσταται να προχωρήσει κανείς σε 4 στάδια: Ορισμός σκοπού Καταγραφή αποθεμάτων (inventory) Προσδιορισμός επιπτώσεων, και Εκτίμηση βελτίωσης 17/10/2014 ΔΧ

37 Προσδιορισμός επιπτώσεων στο περιβάλλον
Για την Ανάλυση του Κύκλου Ζωής, πέρα από το κόστος, ενδιαφέρουν οι επιπτώσεις στο περιβάλλον και την κοινωνία Συνίσταται να προχωρήσει κανείς σε 4 στάδια: Ορισμός σκοπού Καταγραφή αποθεμάτων (inventory) Προσδιορισμός επιπτώσεων, και Εκτίμηση βελτίωσης Σύστημα που ενδιαφέρει: εργοστάσιο + προμηθευτές Περιβάλλον: το περιβάλλον με την θερμοδυναμική έννοια Σκοπός: Να επιτευχθεί ελαχιστοποίηση των επιπτώσεων του συστήματος στο περιβάλλον. Συνήθεις στόχοι: μείωση των εκπομπών CΟ2 για όλο τον πλανήτη, ελαχιστοποίηση εκπομπών ΝΟx σε αστική περιοχή, ελαχιστοποίηση απαίτησης βιοχημικού οξυγόνου (ΒΟD) Σειρά από ισοζύγια μάζας και ενέργειας Επιπτώσεις περιλαμβάνουν εξάντληση πόρων (resource depletion), στερεά απορρίμματα, υγρά λύματα και αέριες εκπομπές Ανάλυση καλύπτει: σταθερή κατάσταση (steady state), εκκίνηση παραγωγής (start up), τερματισμός παραγωγής (shut down) 17/10/2014 ΔΧ

38 Προσδιορισμός επιπτώσεων στο περιβάλλον
Για την Ανάλυση του Κύκλου Ζωής, πέρα από το κόστος, ενδιαφέρουν οι επιπτώσεις στο περιβάλλον και την κοινωνία Καταγραφή αποθεμάτων (inventory) Σειρά από ισοζύγια μάζας και ενέργειας Επιπτώσεις περιλαμβάνουν εξάντληση πόρων (resource depletion), στερεά απορρίμματα, υγρά λύματα και αέριες εκπομπές Ανάλυση καλύπτει: σταθερή κατάσταση (steady state), εκκίνηση παραγωγής (start up), τερματισμός παραγωγής (shut down) Στην καταγραφή να περιληφθούν: πρώτες ύλες και διεργασίες προμηθευτών διεργασίες στο εργοστάσιο, περιλαμβανομένης χρήσης ενέργειας και παραπροϊόντων απόβλητα (waste) και επεξεργασία (treatment) τους κόστος, λειτουργία και επιπτώσεις από συσκευασία (packaging) τελική διάθεση (disposal) Προσδιορισμός επιπτώσεων Καθιέρωση τρόπου σύγκρισης αντικρουόμενων απαιτήσεων Ταξινόμηση αποθεμάτων σε ομάδες: «πόρους» (resources), «προϊόντα» (goods), «απόβλητα» (waste) 17/10/2014 ΔΧ

39 Προσδιορισμός επιπτώσεων στο περιβάλλον
Για την Ανάλυση του Κύκλου Ζωής, πέρα από το κόστος, ενδιαφέρουν οι επιπτώσεις στο περιβάλλον και την κοινωνία Εκτίμηση βελτίωσης Αντιστοίχιση σταθμιστικών παραγόντων (weighting factors) σε επιπτώσεις, ανάλογα με τη σπουδαιότητα των τελευταίων και δημιουργία συνάρτησης περιβαλλοντικών επιπτώσεων Σκοπός: να ελαχιστοποιηθεί η συνάρτηση περιβαλλοντικών επιπτώσεων, με περιορισμούς (constraints) από την επιστήμη και τους ενδιαφερόμενους (stakeholders) που είναι: ιθύνοντες (decision makers), π.χ., διευθύνοντες σύμβουλοι, πολιτικοί, κλπ., ειδήμονες (experts ), π.χ., επαγγελματίες από τη δημόσια υγεία και την επιστήμη του μηχανικού, υπoστηρικτές (advocates) του περιβάλλοντος, π.χ., Green Peace, Φυσιολατρικός Όμιλος, κλπ. Παράδειγμα – Απόφαση σχετική με είδος πάνες (nappies, pampers, bebelino) για μωρό Ο κ. και η κα Portillo (ζούν στο Ηνωμένο Βασίλειο) πρόκειται σύντομα να αποκτήσουν το πρώτο παιδί τους και εξετάζουν το είδος πάνες που θέλουν να χρησιμοποιήσουν για το μωρό. Έχουν τρείς επιλογές: πάνες μιας χρήσης (disposable), επαγγελματικά πλενόμενες (commercially laundered) υφασμάτινες (cloth) πάνες και πλενόμενες στο σπίτι (home laundered) υφασμάτινες πάνες. Οι τρείς επιλογές θα συγκριθούν με βάση κόστος, άνεση και επιπτώσεις στο περιβάλλον 17/10/2014 ΔΧ

40 Προσδιορισμός επιπτώσεων στο περιβάλλον
Παράδειγμα – Απόφαση σχετική με είδος πάνες (nappies, pampers, bebelino) για μωρό Ο κ. και η κα Portillo (ζούν στο Ηνωμένο Βασίλειο) πρόκειται σύντομα να αποκτήσουν το πρώτο παιδί τους και εξετάζουν το είδος πάνες που θέλουν να χρησιμοποιήσουν για το μωρό. Έχουν τρείς επιλογές: πάνες μιας χρήσης (disposable), επαγγελματικά πλενόμενες (commercially laundered) υφασμάτινες (cloth) πάνες (με υπηρεσία διανομής) και πλενόμενες στο σπίτι (home laundered) υφασμάτινες πάνες. Οι τρείς επιλογές θα συγκριθούν με βάση κόστος, άνεση και επιπτώσεις στο περιβάλλον Κόστος Με βάση 5000 αλλαγές πάνας για περίοδο δυόμιση χρόνων, το κόστος για ένα παιδί είναι: πάνες μιας χρήσης £ εξαρτάται από την ποσότητα και το μέγεθος πάνες από υπηρεσία πλυσίματος £ περιλαμβάνει διανομή και αξεσουάρ πάνες για πλύσιμο στο σπίτι £ περιλαμβάνει κόστος πλυντηρίου, ενέργειας και απορρυπαντικού Άνεση Πάνες μιας χρήσης παρέχουν τη μεγαλύτερη άνεση Πάνες από υπηρεσία πλυσίματος με συλλογή και διανομή παρέχουν το ίδιο μεγάλη άνεση εκτός όταν κανείς ταξιδεύει Πάνες για πλύσιμο στο σπίτι απαιτούν περισσότερο χρόνο και προσπάθεια. Έχουν γίνει προσπάθειες να βελτιωθεί η ποιότητα, ο σχεδιασμός και η λειτουργικότητα τους και η ποικιλία που υπάρχει εξηγεί το εύρος κόστους. Με βάση κόστος και άνεση, οι πάνες μιας χρήσης είναι η σαφής επιλογή 17/10/2014 ΔΧ

41 Προσδιορισμός επιπτώσεων στο περιβάλλον
Παράδειγμα – Απόφαση σχετική με είδος πάνες (nappies, pampers, bebelino) για μωρό Ο κ. και η κα Portillo (ζούν στο Ηνωμένο Βασίλειο) πρόκειται σύντομα να αποκτήσουν το πρώτο παιδί τους και εξετάζουν το είδος πάνες που θέλουν να χρησιμοποιήσουν για το μωρό. Έχουν τρείς επιλογές: πάνες μιας χρήσης (disposable), επαγγελματικά πλενόμενες (commercially laundered) υφασμάτινες (cloth) πάνες (με υπηρεσία διανομής) και πλενόμενες στο σπίτι (home laundered) υφασμάτινες πάνες. Επιπτώσεις στο περιβάλλον 8 εκ. πάνες μιας χρήσης πετιούνται στα σκουπίδια στο Ηνωμένο Βασίλειο κάθε μέρα. Με βάση αυτό, η επιλογή είναι εύκολη. Όμως, για να γίνει καλή σύγκριση των επιλογών, πρέπει να συμπεριληφθούν η ενέργεια, τα στερεά απόβλητα, οι εκπομπές στο νερό και τον ατμοσφαιρικό αέρα, και η κατανάλωση νερού σε Ανάλυση Κύκλου Ζωής που περιλαμβάνει την παραγωγή, πλύσιμο και απόρριψη των πάνων. Από αυτήν προκύπτει ο παρακάτω πίνακας Επιπτώσεις στο περιβάλλον για 1000 πάνες Κριτήριο Μιας χρήσης Υπηρεσία πλύσης Πλύση στο σπίτι Απαιτούμενη ενέργεια, GJ Στερεά απόβλητα, m Ατμ. Εκπομπές, kg Υδ. Εκπομπές, kg Κατανάλωση νερού, L Με εξαίρεση την κατανάλωση νερού, η επιλογή πάνες από υπηρεσία πλύσης υπερτερεί από την επιλογή πάνες από πλύση στο σπίτι. Ο κ. και κα Portillo επέλεξαν πάνες από υπηρεσία πλύσης , γιατί υπερτερεί από την επιλογή πάνες από πλύση στο σπίτι και ως προς την άνεση 17/10/2014 ΔΧ

42 Καθορισμός προδιαγραφών (specifications)
Οι προδιαγραφές καθορίζονται από: Ρυθμιστικούς φορείς, π.χ., F(ood and)D(rug)A(dministration), E(uropean)M(edicine)A(gency), Ε(θνικός)Ο(ργανισμός)Φ(αρμάκων) για φάρμακα Τον πελάτη , ιδιώτη (Β2C) ή επιχείρησης (Β2Β) Επαγγελματικούς φορείς πιστοποίησης ή προτυποποίησης, π.χ., Ι(nternational)S(tandarization)O(rganization), A(merican)S(ociety for)T(esting and) M(aterials), U(nderwriters)L(ab) Oμάδα Σχεδιασμού Προϊόντος α. Τεχνικά δεδομένα β. Στατιστικά δεδομένα Κατώτερο Όριο Προδιαγραφών - Lower Specification Limit μ – 3σ ή μ – Ζα/2σ x̄ - 3s ή x̄ - Ζα/2s Aνώτερο Όριο Προδιαγραφών - Upper Specification Limit μ + 3σ ή μ + Ζα/2σ x̄ + 3s ή x̄ + Ζα/2s α = ⇒ Ζα/2 = 1.96 ≈ 2 ; α = ⇒ Ζα/2 ≈ 3 Πληθυσμός: μέσος, μ τυπική απόκλιση, σ Δείγμα: μέσος, x̄ τυπική απόκλιση, s Ζ = (x – μ)/σ ακολουθεί κανονική κατανομή με μ = 0 και σ2 = 1, Ζ ~ Ν(0,1) Η κανονική κατανομή με μ = 0 και σ2 = 1 λέγεται πρότυπη κανονική κατανομή Το εμβαδό της επιφάνειας κάτω από την καμπύλη (Area Under the Curve) της πρότυπης κανονικής κατανομής μεταξύ -Ζα/2 και Ζα/2 είναι AUC(-Ζα/2 , Ζα/2) = 1 - α 17/1/2014 ΔΧ

43 Καθορισμός προδιαγραφών (specifications)
Αν το προϊόν είναι χημικό, χρειάζεται να καθοριστεί η μοριακή δομή, η τελική μορφή και η καθαρότητα του Αν το προϊόν είναι συσκευή, πρέπει να καθοριστεί το μέγεθος, το σχήμα και ο τρόπος λειτουργίας (mode of operation) Για τελικές προδιαγραφές, χρειάζεται να: Εξετάσει κανείς και τους ανταγωνιστές του Συγκρίνει το νέο προϊόν με το καλλίτερο από τα υπάρχοντα Αναγνωρίσει τι βελτιώσεις χρειάζεται να γίνουν Αναγνωρίσει ποιές υποθέσεις εμπεριέχουν τη μεγαλύτερη αβεβαιότητα (uncertainty) Στα προηγούμενα στάδια, χρησιμοποιήθηκε καινοτομική (innovative) ή «έξω από το κουτί» (“out-of- the-box”) σκέψη (thinking) για να αναγνωριστούν μεγάλα εμπορικά οφέλη (advantages) Στον καθορισμό προδιαγραφών, χρειάζεται προσαρμοστική σκέψη (adaptive thinking) για να βελτιωθούν οι ιδέες που επιλέγηκαν με μικρές τροποποιήσεις (modifications) και όχι τυχαίες εφευρέσεις (random inventions), δηλαδή, με εξελικτικές (evolutionary) και όχι με επαναστατικές (revolutionary) αλλαγές Ακολουθείται στρατηγική τριών βημάτων Ορισμός δομής προϊόντος Κατάταξη κρίσιμων χαρακτηριστικών Αναγνώριση χημικών ενεργοποιητών (triggers) 17/10/2014 ΔΧ

44 Καθορισμός προδιαγραφών (specifications)
Στο στάδιο αυτό κατασκευάζονται πρότυπα και αναπτύσσονται οι προδιαγραφές για το συγκεκριμένο/α προϊόν/τα που επιλέγηκαν Ακολουθείται στρατηγική τριών βημάτων Ορισμός δομής προϊόντος Κατάταξη κρίσιμων χαρακτηριστικών Αναγνώριση χημικών ενεργοποιητών (triggers) Χημική σύσταση Από τι κατασκευάζεται το συγκεκριμένο προϊόν; Αν είναι χημικά καθαρό, ποιά είναι η χημική δομή του; Πόσο μπορεί να αλλάξει η σύσταση του χωρίς να αλλάξει και η λειτουργικότητα του προϊόντος; Γεωμετρία Ποιές διαστάσεις πάγιες; Ασυνήθιστη φυσική; Χημικές αντιδράσεις Αλλάζει χημικά το προϊόν κατά τη χρήση του; Πρόσθετα, όπως οξέα, βάσεις, άλατα, επηρεάζουν τις αλλαγές; Θερμοδυναμική Σε ποια φάση είναι το προϊόν; Είναι η φάση του θερμοδυναμικά σταθερή ή μετασταθής (metastable); Ποιό είναι η για μικτές φάσεις; 17/10/2014 ΔΧ

45 Καθορισμός προδιαγραφών (specifications)
Ακολουθείται στρατηγική τριών βημάτων Ορισμός δομής προϊόντος Κατάταξη κρίσιμων χαρακτηριστικών Αναγνώριση χημικών ενεργοποιητών (triggers) Διαλέγει κανείς 3 ή λιγότερα από τα πιο σπουδαία χαρακτηριστικά του προϊόντος. Δομικά-Φυσικές ιδιότητες όπως η αντοχή και η ελαστικότητα Αλλαγές ισορροπίας- Πολλά χημικά προϊόντα, ειδικά εκείνα που έχουν μικροδομή, παρουσιάζουν αλλαγές στην ισορροπία σαν αποτέλεσμα αλλαγών στην θερμοκρασία, pH ή άλλων μεταβλητών Βασικές διεργασίες με κινητική-Πιο εμφανείς οι χημικές αντιδράσεις. Λιγότερο εμφανείς η μεταφορά θερμότητας, η ροή ή η διάχυση Ο,τιδήποτε κάνει το προϊόν ενεργό Διαλύτες: διαλύουν ή διασπείρουν το προϊόν ώστε να είναι χρήσιμο Αλλαγή θερμοκρασίας: πιο συνηθισμένη η αναγέννηση απορροφητικού με θέρμανση ή ψύξη Χημικές αντιδράσεις: πιο συνηθισμένες αυτές που σχετίζονται με αλλαγή του pH ή υδρόλυση Άλλες φυσικές αλλαγές: περιλαμβάνουν αλλαγές σε πίεση, απορρύπανση και ηλεκτρικό πεδίο 17/10/2014 ΔΧ

46 Καθορισμός προδιαγραφών (specifications)
Παράδειγμα-Αφρός απελευθερωμένος από φρεόν (freon-free foam) Τα ψυγεία συνήθως μονώνονται με αφρό πολυουρεθάνης. Ο αφρός δημιουργείται με έγχυση των αντιδρώντων μονομερών στο διάστημα μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού τοιχώματος του ψυγείου. Το φρεόν εισάγεται μαζί με τα αντιδραστήρια. Καθώς προχωρεί η αντίδραση, το φρεόν εξατμίζεται και παράγει αφρό με περίπου 95% των φυσαλίδων (bubbles) να περιέχουν φρεόν. Το αποτέλεσμα είναι ένα πολύ καλό μονωτικό. Οι ιδιότητες του μονωτικού χρησιμοποιούνται σαν πρότυπα για οικιακά ψυγεία. Οι εξωτερικές και εσωτερικές διαστάσεις του ψυγείου έχουν τυποποιηθεί (standardized). H μόνωση που απαιτείται για ενεργειακή απόδοση καθορίζεται με νόμο και με βάση τις ιδιότητες του αφρού που περιέχει φρεόν. ΄Όμως, όταν το φρεόν ελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα, καταστρέφει το στρώμα του όζοντος που προφυλάσσει τη Γη από υπερβολική υπεριώδη ακτινοβολία. Σαν αποτέλεσμα της ανακάλυψης αυτής, διεθνής συμφωνία απαγορεύει (banned) παραγωγή και χρήση του φρεόν. Για να είμαστε σίγουροι, το φρεόν στον αφρό είναι λιγότερο καταχρηστικό από το φρεόν σε άλλα προϊόντα, π.χ., σπρέι. Παρ΄όλα αυτά το φρεόν ενδεχομένως να διαρρεύσει στην ατμόσφαιρα, ίσως πολύ αργότερα όταν το ψυγείο πεταχτεί στα σκουπίδια (scrapped). H δημιουργία αφρού πολυουρεθάνης που εμφυσείται (blown) με φρεόν τερματίστηκε σταδιακά (phased out), σαν αποτέλεσμα ρυθμιστικών περιορισμών (regulatory restrictions). Ζητείται να κατασκευαστούν ψυγεία με τις ίδιες διαστάσεις και τον ίδιο βαθμό μόνωσης με εκείνα που είχαν αφρό που περιείχε φρεόν. 17/10/2014 ΔΧ

47 Καθορισμός προδιαγραφών (specifications)
Παράδειγμα-Αφρός απελευθερωμένος από φρεόν (freon-free foam) Ζητείται να κατασκευαστούν ψυγεία με τις ίδιες διαστάσεις και τον ίδιο βαθμό μόνωσης με εκείνα που είχαν αφρό που περιείχε φρεόν Ο βαθμός μόνωσης που επιτυγχάνεται στο ψυγείο εξαρτάται κατά κύριο λόγο από την θερμική αγωγιμότητα του αερίου στις φυσαλίδες του αφρού. Η θερμική αγωγιμότητα σε W/mK δίνεται από τη σχέση όπου σ είναι η μοριακή διάμετρος σε Å, Ω είναι αδιάστατο μέγεθος ~1, ασθενής συνάρτηση της θερμοκρασίας, Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία σε 0Κ και Μ είναι το μοριακό βάρος σε daltons Έχουμε στη διάθεση μας τον παρακάτω πίνακα Αέριο Μ, daltons σ, Å Σημ. Ζέσης, 0C Άζωτο (Ν2) Διοξ. Άνθρακα (CΟ2) Φρεόν12 (CCl2F2) Με βάση την προηγούμενη σχέση και τον πίνακα Αφρός με CΟ2 παρέχει το 1/3 της μόνωσης που δίνει αφρός με φρεόν με το ίδιο πάχος 17/10/2014 ΔΧ

48 Καθορισμός προδιαγραφών (specifications)
Παράδειγμα-Αφρός απελευθερωμένος από φρεόν (freon-free foam) Εφαρμόζεται η στρατηγική τριών βημάτων Δομή προϊόντος Οι φυσαλίδες πρέπει να είναι μικρές για να αποφευχθεί ελεύθερη συναγωγή (free convection) γιατί ελεύθερη συναγωγή στις μεγάλες φυσαλίδες θα υποβαθμίσει την μόνωση Κρίσιμα χαρακτηριστικά προϊόντος Το πλέον κρίσιμο είναι η θερμική αγωγιμότητα η οποία για μονατομικό αέριο δίνεται από τη σχέση kT =1/3 (απόσταση μεταξύ συγκρούσεων) (ενέργεια/όγκο) [όγκος/(επιφάνεια x χρόνο)] Για μονατομικό αέριο ισχύει (1) m και u: μάζα και ταχύτητα μορίου, αντίστοιχα kB : σταθερά Boltzmann (ενέργεια/όγκο) = c cV , όπου c και cV είναι η μοριακή συγκέντρωση και μοριακή ειδική θερμότητα του αερίου, αντίστοιχα (2) Μεγάλες φυσαλίδες: απόσταση μεταξύ συγκρούσεων = μέση ελεύθερη διαδρομή που κάνει ένα μόριο πριν συγκρουσθεί με ένα άλλο μόριο, λ, που δίνεται από τη σχέση (3) V: όγκος φυσαλίδας n: αριθμός μορίων αερίου στη φυσαλίδα 17/10/2014 ΔΧ

49 Καθορισμός προδιαγραφών (specifications)
Παράδειγμα-Αφρός απελευθερωμένος από φρεόν (freon-free foam) Μεγάλες φυσαλίδες Σχέσεις (1), (2) και (3)  Η σχέση είναι ίδια με αυτή που χρησιμοποιήθηκε για υπολογισμό λόγο θερμικών αγωγιμοτήτων CΟ2 και CCl2F2 Μικρές φυσαλίδες Αντίθετα με τις μεγάλες φυσαλίδες όπου τα μόρια συγκρούονται μεταξύ τους συχνότερα, στις μικρές φυσαλίδες τα μόρια συγκρούονται με το τοίχωμα του δοχείου που τα περιέχει και η απόσταση μεταξύ συγκρούσεων είναι ανάλογη της διαμέτρου της φυσαλίδας. Στην περίπτωση αυτή, η θερμική αγωγιμότητα του αερίου δίνεται από τη σχέση d: διάμετρος φυσαλίδας Η θερμική αγωγιμότητα αυξάνεται για μεγάλες και μειώνεται με μικρές φυσαλίδες με τη θερμοκρασία Η θερμική αγωγιμότητα είναι ανεξάρτητη της πίεσης και του μεγέθους φυσαλίδας για μεγάλες φυσαλίδες, αλλά είναι ανάλογη του γινομένου πίεσης και μεγέθους φυσαλίδας για μικρές φυσαλίδες. Μπορούμε να έχουμε καλλίτερη μόνωση με αφρό που δεν περιέχει φρεόν με μικρές φυσαλίδες ή χαμηλή πίεση αερίου 17/10/2014 ΔΧ

50 Καθορισμός προδιαγραφών (specifications)
Παράδειγμα-Αφρός απελευθερωμένος από φρεόν (freon-free foam) Εφαρμόζεται η στρατηγική τριών βημάτων Προσδιορισμός προδιαγραφών Η διαφορετική συμπεριφορά μικρών και μεγάλων φυσαλίδων εξαρτάται από τον αριθμό Knudsen, είναι ο λόγος της μέσης ελευθέρας διαδρομής του μορίου και της διαμέτρου φυσαλίδας Κn << 1  συγκρούσεις μεταξύ μορίων  μεγάλες φυσαλίδες Κn >> 1  συγκρούσεις μεταξύ μορίου και τοιχώματος  μικρές φυσαλίδες 17/10/2014 ΔΧ