Testplan Module Proces Technologie ( )

Transcriptie

1 Testplan Module Proces Technologie ( ) Module informatie Docenten Onderdelen EC Martin van der Hoef Thermodynamica 4 EC Jasper de Jong (contact) Math B2 3 EC Nieck Benes (Module Project 5.5 EC coördinator) Guido Mul Louis van der Ham Pepe Veugelers (coördinator) Jelle van der Meulen Practicum 2.5 EC Module Ingangseisen : VWO-eindexamen NT/NG, practicum Module 1, Math B1, 1st orde differentiaalvergelijkingen zoals behandeld in de case van module 1. 1

2 Module beschrijving In deze module staat het begrip thermodynamica centraal, en wel in het kader van industriële chemische procestechnologie. Doel is inzicht te verschaffen in de samenhang van verschillende basiselementen van een chemisch proces, waarin grondstoffen worden omgezet in producten. Om dit inzicht te leren zijn verschillende (nieuwe) vaardigheden nodig. Deze vaardigheden worden aangeboden in de vorm van vier te onderscheiden module onderdelen: Thermodynamica Math B2 Project Practicum In de praktijk van alledag hebben we vaak te maken met systemen die uit extreem veel deeltjes bestaan. Om een keteltje water aan de kook te krijgen moet je toch al snel zo'n watermoleculen zover weten te brengen. Om het gedrag van zo'n veel-deeltjes systeem te beschrijven, kan onmogelijk elk deeltje afzonderlijk beschouwd worden (microscopisch). Vandaar de macroscopische benadering: eigenschappen worden beschouwd van het systeem als geheel, bijvoorbeeld warmtegeleidingsvermogen of warmtecapaciteit. Vaak hangen deze eigenschappen en het gedrag helemaal niet af van de microscopische details van zo'n systeem. Een gas zal bijvoorbeeld altijd expanderen om een groter volume te vullen terwijl het omgekeerde niet spontaan plaats zal vinden. Dit soort gedrag en de principes die daaraan ten grondslag liggen, worden beschreven door de thermodynamica. Belangrijk zijn de eerste en tweede hoofdwet van de thermodynamica. De eerste heeft vooral te maken met energie ('wet van behoud van energie') en de tweede met entropie ('wet van maximale entropie'). In het Project wordt een inleiding gegeven tot de verschillende basiselementen waaruit een chemisch proces is opgebouwd. Hierbij wordt gekeken naar het opstellen van massa- en energiebalansen over een totaal proces of over een onderdeel ( unit operation ) daarvan, en naar de basisprincipes van unit operations waarin een reactie of scheiding wordt uitgevoerd. Basiskennis op dit gebied wordt aangeboden in de vorm van hoor- en werkcolleges. Deze kennis wordt daarnaast direct en uitvoeriger toegepast in een (groepsgewijze) opdracht, waarin op gefaseerde wijze een industrieel relevant chemisch proces wordt geanalyseerd en doorgerekend. Bij de uitvoering van de opdracht is samenwerking in een team belangrijk. Daarnaast is de opdracht gericht op verdieping van de opgedane kennis, en het verkrijgen van inzicht in de samenhang tussen de verschillende elementen die samen een proces vormen. Het uiteindelijke resultaat van de opdracht is een beargumenteerd ontwerp van een chemisch proces. Het opdoen van wiskundige vaardigheden is onlosmakelijk verbonden met de vorming van ingenieurs. Differentiëren en integreren van functies zijn nodig bij allerlei transportverschijnselen (stof, warmte, etc) en het beschrijven van concentraties in reactoren die veranderen in de tijd en/of plaats, integreren is nodig bij de berekening van gemiddelden over tijd en (1,2 of 3 dimensionale) ruimte. Deze wiskundige operaties alsmede differentiaalvergelijkingen, bewijsvoering en logica worden behandeld in Math B2. Het practicum is een inleiding in het doen van natuurwetenschappelijk onderzoek waarbij wordt voortgebouwd op de kennis opgedaan in module 1. Er wordt kennis gemaakt met zaken als het formuleren van hypothesen, het vertalen van een probleem in meetbare variabelen, het zorgvuldig plannen van een experiment e.d. Bij de praktische uitvoering van de onderzoeken wordt een aantal technische werkwijzen en experimentele vaardigheden geleerd zoals het gebruik van meetapparatuur, het omgaan met apparatuurdocumentatie en andere technische hulpmiddelen. Bij veel opdrachten wordt gebruik gemaakt van de computer voor de besturing van de opstelling en/of het verzamelen van meetgegevens. Door middel van het gestructureerd bijhouden van een journaal wordt een systematische 2

3 onderzoeksaanpak aangeleerd. Er zijn aparte werkcolleges waarin foutenanalyse en verwerking van meetresultaten met het programma Matlab worden behandeld. 3

4 overzicht De module wordt afgesloten met een enkel cijfer. De student is alleen dan geslaagd voor de module als dit cijfer voldoet aan 5.5. Het module cijfer is opgebouwd uit een gewogen gemiddelde van de vier verschillende moduleonderdelen, zoals is aangegeven in onderstaande tabel (Osiris niveau). Voor Math B2 geldt op Osiris niveau dat de student moet voldoen aan 5.0, voor de andere drie module onderdelen wordt geëist 5.5. Wanneer niet aan deze minimale eisen is voldaan is de student niet geslaagd voor de module. Binnen de verschillende module onderdelen zullen verschillende toetsmethoden worden aangewend. Ook hier gelden in sommige gevallen minimumeisen waaraan de student moet voldoen om voor de module te slagen. Module-niveau Osiris-niveau Onderdeel-niveau kwartiel onderwerp min. cijfer onderwerp min. cijfer weegfactor toetsvorm min. cijfer weegfactor Thermodynamica 5,5 30% Schriftelijke toets 100% Schriftelijke toets 5,0 K2 Proces Technologie 6 Math B2 5,0 20% Case Pass 100% Practicum/Foutenleer 5,5 15% Labjournaals en opdrachten Project Proces-technologie 5,5 35% Schriftelijke toets 5,0 50% Verslag en mondelinge toets 5,5 50% Minimale eisen module: - individuele onderdelen Thermodynamica, Practicum, en Project 5,5 - individueel onderdeel Math B2 5,0 - totale module 6 Indien voldaan aan de minimale eisen van deze module geldt: Eindcijfer =0.3 Thermodynamica Math B Project Practicum Herkansingen: - aanvullingen mogelijk voor project en practicum - In week 10 van K2 herkansing Math B2, Thermodynamica, en Project PT Wanneer alle resultaten van de toetsen en de herkansingen bekend zijn, wordt een modulebeoordelingsvergadering gehouden (Regels Examencommissie art. 8 lid 1a). Na het advies van de module-beoordelingsvergadering stelt de module-examinator vast welke studenten 4

5 geslaagd zijn, welke gezakt zijn en welke studenten in aanmerking komen voor een reparatie buiten de module. Een eerstejaars student kan alleen in aanmerking komen voor een reparatie indien hij/zij: o door 1 toets te herkansen de module met een voldoende kan afronden, en o aan alle voorgaande kansen voor die toets heeft deelgenomen, en o bij minstens 1 van de toetsgelegenheden minstens een 3,0 heeft gehaald. Bij bijzondere omstandigheden zoals ziekte kan hiervan worden afgeweken. De student dient deze bijzondere omstandigheden te melden bij de studieadviseur. De docenten behouden het recht een reparatie vorm te geven afwijkend van de toetsen bij de reguliere herkansingen. De communicatie daarover zal tijdig plaatsvinden aan de deelnemende studenten. Taal van de toetsen Thermodynamica: en zijn Nederlandstalig. Math B2: en zijn tweetalig (Nederlands en Engels) Practicum: Verslaglegging in Nederlands Project: Verslaglegging Nederlands/Engels, mondeling in het Nederlands Procestechnologie: en zijn Nederlandstalig. 5

6 Testplannen Thermodynamica Leerdoel toetsvorm niveau weight Na de module zal de student: % 1. Verschillen kunnen aangeven tussen een ideaal 5 gas en een gas in werkelijkheid (dus niet-ideaal); aan kunnen geven wat de fysische achtergrond is achter de termen in de vergelijking van Van der Waals. 2. Fasendiagrammen van een stof kunnen schetsen 10 in een P-V en in een P-T diagram (vast/vloeistof, damp/gas), met daarin het tripelpunt. Aan kunnen geven wat in dit verband de betekenis is van de kritische grootheden. 3. Eerste hoofdwet kunnen formuleren, de 15 betekenis van de verschillende termen kunnen aangeven, en ermee kunnen werken. Arbeid en warmte kunnen berekenen in processen met ideale gassen: isotherm, isobaar, isochoor en adiabatisch. De inwendige energie kunnen formuleren in termen van thermische energie. Het begrip vrijheidsgraden uit kunnen leggen en toe kunnen passen op 1-atomig, en 2-atomig gas en op vaste stof (Einstein model). 4. De begrippen soortelijke warmte en Toepassen 10 warmtecapaciteit kunnen toelichten, met onderscheid tussen c P en c V. Toe kunnen passen op ideaal gas en vaste stof. 5. Aan kunnen geven wat het begrip enthalpie inhoudt en wat het verschil is met de inwendige energie. De regel van Hess kunnen toepassen: reactie-enthalpie kunnen bepalen vanuit vormingsenthalpiën. Enthalpieverandering Toepassen 10 kunnen bepalen bij processen met ideale gassen. 6. Tweede hoofdwet: Begrippen microtoestand, macrotoestand, en multipliciteit kunnen toelichten en deze kunnen bepalen voor eenvoudige systemen met een relatief beperkt aantal microtoestanden. Het begrip entropie kunnen toelichten vanuit multipliciteit, en daarmee de tweede hoofdwet kunnen formuleren. Entropieverandering kunnen bepalen in reacties en processen met ideale gassen, en bij verwarming of afkoeling van een zekere warmtecapaciteit. 7. Kringlopen, die verlopen tussen twee temperatuurreservoirs, kunnen schetsen en toelichten: warmtemotor, koelkast, warmtepomp. In gegeven cycli, al dan niet werkend met ideaal gas, energiestromen kunnen bepalen en van daaruit het rendement van de cyclus. 8. Relatie kunnen leggen met het Carnot- Toepassen 15 Toepassen 15 6

7 rendement. 9. Aan kunnen geven hoe de thermodynamische identiteiten tot stand komen du, dh, dg, en df. Maxwell relaties toe kunnen passen. 10. Veranderingen in Gibbs vrije energie en in Helmholtz vrije energie kunnen bepalen in reacties en van daaruit kunnen bepalen wat de benodigde arbeid is, dan wel de beschikbare arbeid. Toepassen 10 Toepassen 10 Er is een drempeltoets waarin basale kennis wordt getoetst. Als deze toets niet met voldoende resultaat is afgerond kan niet worden deelnomen aan de eindtoets. Math B2 Educational targets gewicht After the module the student can % 1. work with elementary properties of integrals and calculate integrals using different techniques, for functions of 1 variable Test Understand Apply 33% 2. work with power series and Taylor series, for functions of 1 variable Test Understand Apply 3. solve linear differential equations Test Understand Apply 4. work with complex numbers Test Understand Apply 17% 33% 17% Case Math B2 Leerdoel Na de case kan de student 1. Een eenvoudig stelsel differentiaal vergelijkingen (ODE s) opstellen uit vanuit energiebalansen 2. Het stelsel ODE s symbolisch en numeriek oplossen in Matlab 3. Bekend zijn met een aantal standaard commando s van Matlab (linspace, plot, ) Casus Casus Casus Toepassen Toepassen Toepassen gewicht De case bestaat uit een hoorcollege waarin het begrip warmtewisselaar wordt geïntroduceerd en de Matlabcode voor de case wordt uitgereikt en uitgelegd, en een dagdeel gedurende welke de studenten met Matlabcode aan de slag gaan om een warmtewisselaar te simuleren. Aanwezigheid bij beide onderdelen is verplicht. Reparatie voor afwezigheid zal enkel in uitzonderlijke situaties worden aangeboden, en enkel als de student een aantoonbaar geldige excuus voor de afwezigheid heeft. - Resultaat van de case is en rapport, beoordeeld met geslaagd (pass) of gezakt (fail). Feedback op het rapport kan op verzoek worden gekregen van de docent. - Het resultaat van Math B2 is enkel voldoende als het resultaat van de case geslaagd is. - Reparatie voor de case betreft een aanvullende opdracht, die enkel wordt aangeboden in het geval het cijfer voor Math B2 5 7

8 Practicum Leerdoel toetsvorm niveau gewicht Na de module zal de student % 1. Een beperkt complex natuurwetenschappelijk probleem kunnen analyseren en vertalen naar onderzoeksvragen en daarbij een foutenanalyse kunnen opstellen 2. Een natuurwetenschappelijk onderzoek systematisch kunnen opzetten en uitvoeren en kunnen vastleggen in een journaal (zodat de samenhang tussen de onderdelen duidelijk is). 3. Experimentele vaardigheden hebben zoals het gebruik van meetapparatuur, kiezen van geschikte meetmethoden, het omgaan met apparatuurdocumentatie, het gebruik van een computer voor de besturing van de opstelling of het verzamelen van meetgegevens. Veilig en milieubewust kunnen werken. 4. De meetresultaten bij een natuurwetenschappelijk experiment kunnen verwerken en interpreteren, en daar conclusies uit kunnen trekken. Practicumjournaal Practicumjournaal Observatie en practicumjournaal Practicumjournaal Probleem oplossen, toepassen Probleem oplossen, toepassen 25% 25% Toepassen 25% Probleem oplossen, toepassen I. Elke student maakt voor ieder experiment een journaal. Elke experiment wordt beoordeeld op vier aspecten. Het cijfer hiervoor is het gemiddelde van deze vier aspecten. 1. Begrip / Theorie. Hieronder vallen o.a. probleemanalyse, formulering onderzoeksvragen, foutenanalyse. 2. Systematisch werken. Hieronder vallen o.a. journaal, meetprogramma / recept. 3. Uitvoering. Hieronder vallen o.a. bouwen opstelling, omgaan met apparatuur, samenwerking, veilig en netjes werken. 4. Uitwerking / conclusie. Hieronder vallen o.a. interpretatie meetresultaten, terugkoppeling resultaten naar doel en verwachting, conclusie. II. Voor het werkcollege Foutenleer/Matlab geldt aanwezigheidsplicht. De afronding bestaat uit het maken van de opgaven uit de betreffende handleiding en opdrachten. Ook het cijfer voor Foutenleer/Matlab moet voldoende zijn. Voor het eindcijfer van het practicum worden de cijfers van de verschillende onderdelen gemiddeld. Alle onderdelen tellen even zwaar mee in het eindcijfer: - Elke practicumopdracht telt één keer mee. - Het eindcijfer van Foutenleer/Matlab telt één keer. Project Het project bestaat uit twee gedeeltes: - Colleges - Opdracht Colleges Bij de toets wordt gekeken in welke mate de student de stof beheerst. De volgende leerdoelen worden hier getoetst 25% 8

9 Leerdoel vorm Niveau Gewicht Na de module kan de student % Massabalansen over niet reactieve processen (m.n. scheidingsstappen zoals extractie en destillatie), en processen met reactieve en recycle stromen opstellen. Een dergelijk probleem kunnen doorrekenen op basis van gegeven en op te zoeken waarden. oplossen 25 Basis principe van destillatie en de McCabe-Thiele methode voor het ontwerpen van een destillatiekolom kunnen uitleggen. Energiebalansen voor reactieve (reactoren) en niet-reactieve (WarmteWisselaars) processtappen doorrekenen. Basis ontwerp van een WW toepassen. Basis principe van reactoren (CSTR en PFR) kunnen uitleggen en hieraan kunnen rekenen. oplossen oplossen oplossen Opdracht Plant design Er wordt groepsgewijs (4 personen) een opdracht gemaakt gericht op het ontwerpen van een proces. Deze opdracht wordt beoordeeld middels een verslag (team) en een mondeling (individueel). Iedere groep krijgt een tutor toegewezen die zich zal bezighouden met het verloop van de opdracht. Leerdoel vorm Niveau Gewicht Na de module zal de student % Massabalansen en energiebalansen, al dan niet in combinatie, kunnen opstellen over niet reactieve processen (met name scheidingsstappen zoals extractie en destillatie), en processen met reactieve en recycle stromen. Een dergelijk probleem kunnen doorrekenen op basis van gegeven en op te zoeken waarden. verslag mondeling Toepassen 50 De basis principes van destillatie als scheidingsproces begrijpen en toepassen voor een (ideaal) binair systeem. De methode van McCabe- Thiele begrijpen en toepassen voor het ontwerp van een destillatiekolom (aantal evenwichtstrappen, minimum Reflux Ratio etc.) In een groep samenwerken aan het te analyseren proces en hierover in teamverband en indidueel communiceren. Verslag mondeling Verslag mondeling Toepassen

10 Het verslag zal worden beoordeeld door twee tutoren. Ten eerste wordt het verslag beoordeeld door de eigen tutor. Hierna zal het verslag doorgeschoven worden naar een tweede tutor om de beoordelingen tussen groepen consequent te laten verlopen. Iedere student zal mondeling een toelichting geven op het verslag en het groepsproces, zodat kan worden beoordeeld of het cijfer voor het verslag voor de betreffende student hoger of lager moet uitvallen dan het groepgemiddelde. Er zijn twee tutoren aanwezig bij deze mondelinge toelichting. Weging van de verschillende aspecten is gegeven in onderstaande tabel. Opdracht Weighing factors (%) Teamwork (tutor) 20 - Taakverdeling en samenwerking - Planning - Discussies Rapport (tutor + 2 e tutor) 40 - Layout and structuur - Inhoud: motivatie/evaluatie Mondeling examen 40 10