slide1 n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων PowerPoint Presentation
Download Presentation
Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 21

Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων - PowerPoint PPT Presentation


  • 132 Views
  • Uploaded on

Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων. Δημήτρης Χατζηαβραμίδης Σχολή Χημικών Μηχανικών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Στάδια Σχεδιασμού Προϊόντων Αναγνώριση αναγκών Γέννηση ιδεών Επιλογή καλλίτερων ιδεών Σχεδιασμός βιομηχανικής παραγωγής Επιλογή καλλίτερων ιδεών Έπειτα από σύγκριση με βάση:

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

Σχεδιασμός Χημικών Προϊόντων

Δημήτρης Χατζηαβραμίδης

Σχολή Χημικών Μηχανικών

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

ΔΧ

slide2

Στάδια Σχεδιασμού Προϊόντων

  • Αναγνώριση αναγκών
  • Γέννηση ιδεών
  • Επιλογή καλλίτερων ιδεών
  • Σχεδιασμός βιομηχανικής παραγωγής
  • Επιλογή καλλίτερων ιδεών
  • Έπειτα από σύγκριση με βάση:
  • Τεχνικάκριτήρια
  • 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

ΔΧ

slide3

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 είναιμηκαθαρό, 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)
  • Χαρακτηριστικάπου 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

ΔΧ

slide4

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

ΔΧ

slide5

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)1/2είναι 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

ΔΧ

slide7

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]orgκαι [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)

Kaείναι η σταθερά διάσπασης του RCOOH

ΔΧ

slide8

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

ΔΧ

slide9

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 μάζαςόπως 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 0ηςτάξης καταλυτική αντίδραση k΄΄ → mole ανά όγκο ανά χρόνο

1ης τάξης πλέον συνηθισμένη k → (χρόνος)-1

ψευδο-1ης τάξης c2 >> c1

2ας τάξης c2~c1 k΄ → όγκος ανά mole ανά χρόνο

ΔΧ

slide10

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 kδίνεται 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>>kDκαι k≈ kDα
  • kD: 10-3cm/s σε υγρή φάση ή 1 cm/s σε αέρια φάση
  • Για τον υπολογισμό του μέγιστου ρυθμού χρειάζεται η ειδική επιφάνεια, α

ΔΧ

slide11

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, = 6.02214 x 1023μόρια/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

ΔΧ

slide12

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 ~ 10-3cm/s,D~ 10-5cm2/sδ~ 100 μm = 0.01 cm

Αέρια: kM ~ 1cm/s,D~ 0.1cm2/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

ΔΧ

slide13

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 / λSh: αριθμός Sherwood, = kMl/D

hσυντελεστής μεταφοράς θερμότητας kMσυντελεστής μεταφοράς μάζας

lχαρακτηριστικό 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, = l3ρ2gβΔΤ/μ2 Grμ: αριθμ. μάζας Grashoff, = l3ρ2gξΔx/μ2

β συντ. συμπιεστότητας, = -(∂ρ/∂Τ)p /ρ ξ συντ. συμπιεστότητας, = -(∂ρ/∂x)/ρ

ΔΧ

slide14

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 ~ 10-2cm2/s, D~ 10-5cm2/s 

kM ~ 10-3 cm/s  h/ρcp ~ 0.1 cm/s

Κατάσταση kM, cm/s h/ρcp , cm/sh, W/m2K

Αέρια που ρέουν 1 1 3

Νερό που ρέει 0.001 0.1 5000

Οργανικά υγρά που ρέουν 0.001 0.1 1000

Υγροποιημένος ατμός/νερό σε βρασμό - - 2000

ΔΧ

slide15

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 cm3και 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, Vκαι

Α όγκος και επιφάνεια καφέ, Τ θερμοκρασία καφέ, Τ0 θερμοκρασία αέρα

Με ολοκλήρωση της παραπάνω εξίσωσης

ΔΧ

slide16

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 = 57και 17 W/m2για την ασκέπαστη και

σκεπαστή κούπα, αντίστοιχα.

H πρώτη ιδέα με καλλίτερη μόνωση πρέπει να στοχεύει στο να μειωθεί ο συντελεστής

μεταφοράς θερμότηταςU, 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/(m20C)(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.

ΔΧ

slide17

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 C25H52που 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 ιδέαυπο-

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

ΔΧ

slide18

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

ΔΧ

slide19

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

ΔΧ

slide20

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 -παράγονταςj – ιδέαsij – βαθμός i-παράγονταSj –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

ΔΧ

slide21

Επιλογή με υποκειμενικά κριτήρια

  • Παράδειγμα. Διαχείριση στερεών αστικών υπολειμμάτων (municipalsolid 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 1 Ιδέα 2 Ιδέα 3
  • Κριτήρια
  • ____________________________________________________________________________________________
  • Οικονομικά 0.35 6 6 5
  • Περιβαλλοντικά0.3 5 4 4 4
  • Κοινωνικά0.4 5 5 6 6
  • Ολικό 1.0 5 5 5.4 5.1

ΔΧ