Методические рекомендации к изучению дисциплины и к организации самостоятельной работы студентов для модульно-рейтинговой технологии обучения Бийск (стр. 5 из 29)

проанализировать поставленный вопрос, определить и сформулировать тот закон, понятия, «свойства», которые лежат в его основе (уяснить постановку задачи);

вспомнить или выучить основные характеристики и закономерности этого «свойства»;

на основе этих закономерностей установить характер влияния указанного в вопросе воздействия (параметра) на это «свойство»;

сопоставить найденное решение с предоставленными вариантами ответов и выбрать идентичный.

Работа с тестами эффективна только при том условии, что во главу угла будет поставлена доказательная сторона этой работы.

1.5.5 Термины и понятия – это язык дисциплины, что и определяет важность изучения их сущности.

2 МОДУЛЬ 1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ПРИНЦИПЫ

АНАЛИЗА И РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

2.1 Цель обучения

Изучить основные закономерности процессов химической технологии, выявить их общность и получить навыки применения общих подходов к их анализу и расчету.

2.2 Программа модуля № 1

Введение. Предмет и задачи курса. Значение курса ПАХТ в подготовке специалистов в области химической технологии (ХТ). Структура курса.

Основные закономерности и общие принципы расчета аппаратов химической технологии. Основные характеристики (свойства) рабочих тел*. Перенос субстанции в ХТ. Экстенсивные и интенсивные величины. Локальные и конвективные изменения параметров процессов в потоках.

Классификация основных процессов ХТ. Непрерывные и периодические процессы, их характеристики и области рационального применения в химической промышленности (ХП). Стационарные и нестационарные процессы.

Законы сохранения импульса, энергии и массы. Сущность метода и цель составления балансов. Общее балансовое соотношение.

Законы равновесия. Равновесные и рабочие параметры. Направление и движущая сила процессов переноса субстанций. Правило фаз*. Принцип Ле Шателье*.

Законы переноса импульса, энергии и массы. Механизмы переноса субстанций. Потенциалы переноса и удельные потоки субстанций. Основное уравнение переноса субстанций, области его применения. Уравнение неразрывности потока, дифференциальные уравнения, описывающие поля скоростей, температур и концентраций, субстанциональная производная.

Общий вид уравнений скорости процессов; движущие силы и кинетические коэффициенты. Лимитирующие стадии процессов. Интенсификация процессов ХТ. Аналогия процессов переноса*.

Общие принципы технологического расчета процессов и аппаратов ХТ.

Методы исследования процессов и аппаратов ХТ. Место и роль теоретических и экспериментальных исследований, вычислительного эксперимента с использованием ЭВМ. Системный подход к изучению и созданию новых процессов и аппаратов. Моделирование процессов ХТ: сущность, основные методы.

Физическое моделирование. Метод обобщенных переменных: сущность метода, области применения, достоинства и недостатки. Подобные процессы. Виды подобия; константы, инварианты, симплексы и критерии подобия. Анализ дифференциальных уравнений методами обобщенных переменных. Критериальные уравнения и области их применения. Метод анализа размерностей.

Математическое моделирование. Общая схема процесса математического моделирования. Связь математического и физического моделирования.

Технико-экономическая оценка эффективности химико-технологических процессов. Критерии оптимальных процессов. Оптимизация процессов.

Примечание – здесь и далее «*» отмечены темы для самостоятельного изучения (подробнее п. 1.5.3).

2.3 Объем модуля и виды учебных занятий

Вид учебной работы	Всего часов
Общая трудоемкость модуля	24
Аудиторные занятия В том числе: Лекции Практические занятия	16
	8
	8
Самостоятельная работа	8

2.4 Структурно-логическая схема модуля № 1

Технологические процессы различных химических производств представляют собой комбинацию сравнительно небольшого числа типовых (основных) процессов (фильтрование, нагревание, охлаждение, сушка и другие).

Теоретические основы этих процессов, методы их расчета и принципы наиболее рационального аппаратурного оформления составляют предмет и содержание курса процессов и аппаратов химической технологии.

Изучение курса строится на базе методологии системного подхода, основным понятием которого является «система» – совокупность элементов, находящихся во взаимодействии между собой и окружающим миром. Без понимания этого взаимодействия невозможно понять сущность «системы», которой, по сути, является любой объект природы и общества. Поэтому при анализе химико-технологического процесса особое внимание следует обращать на взаимодействие составляющих его элементов.

В системном анализе курса «Процессы и аппараты химической технологии» первым этапом изучения является рассмотрение всей дисциплины как единой системы знаний и выявление ее роли в общеинженерной подготовке.

Вторым этапом изучения является рассмотрение структуры самого курса ПАХТ и иерархии его подсистем.

Дисциплина ПАХТ включает в себя две подсистемы одного уровня: теоретическую, в которой рассматриваются основные закономерности процессов и методы их изучения, и практическую, в которой рассматриваются типовые процессы с изучением конструкций аппаратов и методов их расчета.

В зависимости от постановки проблем возможны различные классификации ПАХТ, например:

– по физической сущности процесса (гидромеханические, тепловые, массообменные);

– способу организации (периодические, непрерывные и комбинированные).

Протекание процессов в химических производствах в той или иной мере связано с переносом различными механизмами какой-либо субстанции – количества движения (импульса), теплоты, вещества (массы), иногда нескольких субстанций одновременно. Классифицировать механизмы переноса удобнее всего по уровню, т.е. масштабу, в котором осуществляется элементарный акт переноса. По этому признаку выделяют квантовый, молекулярный и конвективный механизмы переноса. Необходимо отметить особенность конвективного переноса – его большую мощность. Обычно химико-технологические процессы осуществляются при взаимодействии фаз: контакт между фазами может быть непосредственным (большинство процессов переноса массы) или через разделяющую стенку (большинство процессов переноса энергии-теплоты). Для достижения заданных изменений макроскопических свойств участвующих в процессе веществ на систему оказывают внешнее воздействие, которое приводит к переносу субстанции. Предельным состоянием системы является подвижное равновесие, которое не приводит к изменению макроскопических свойств участвующих в процессе веществ во времени и пространстве. Таким образом, равновесным называется такое состояние системы, при котором перенос субстанции отсутствует. Все самопроизвольные процессы протекают в направлении достижения равновесия. Чем в большей степени состояние системы отклоняется от равновесия, тем выше скорость процесса переноса субстанций между фазами вследствие увеличения движущей силы, обусловливающей этот процесс.

Теоретической основой (рисунок 2.1) всех технологических процессов являются: законы сохранения, равновесия и переноса субстанций (для химических процессов – еще и законы химической кинетики).

Рисунок 2.1– Структурно-логическая схема модуля «Общие
закономерности и принципы анализа и расчета
процессов химической технологии»

Полное математическое описание каждого отдельного процесса содержит уравнения балансов массы, энергии, действующих сил, уравнения равновесия системы и скоростей процессов переноса – его кинетики. Общие кинетические закономерности процессов химической технологии формулируются в виде общего закона: скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению. Величина обратная сопротивлению называется коэффициентом скорости процесса, который в значительной степени зависит от гидродинамических условий протекания процесса. Анализ кинетических закономерностей позволяет оценить условия протекания процесса и определить оптимальные, соответствующие минимальным размерам машин и аппаратов. При этом задача существенно упрощается, если одна из стадий процесса является лимитирующей.

Из общего кинетического закона следует, что основными направлениями интенсификации процессов переноса субстанций являются увеличение движущей силы процесса и снижение сопротивления переносу. В соответствии с применяемыми для анализа и расчета процессов переноса модельными представлениями сопротивление при переносе субстанций в потоке в поперечном направлении, в основном, определяется явлениями, протекающими в пограничном слое (гидродинамическом, тепловом, диффузионном), в данном случае перенос субстанций через пограничный слой осуществляется самым медленным механизмом молекулярным, и потому эта стадия является лимитирующей. То есть, те технологические и конструктивные методы, применение которых приводит к уменьшению толщины пограничного слоя, увеличивают и скорость этой стадии, а следовательно, и всего процесса переноса субстанций в целом.

Многие химико-технологические процессы настолько сложны, что не представляется возможным их теоретическое исследование и расчет, основанные на составлении и решении дифференциальных уравнений, полностью описывающих процесс. В подобных случаях для решения таких задач применяют метод моделирования, заключающийся в создании моделей процесса, их изучении и распространении результатов на оригинал.