Методические рекомендации к изучению дисциплины и к организации самостоятельной работы студентов для модульно-рейтинговой технологии обучения Бийск (стр. 6 из 29)
Чтобы моделирование имело смысл, оно должно удовлетворять двум требованиям:
1) исследование на модели должно быть более экономичным
(в широком смысле), чем непосредственно исследование на оригинале;
2) моделирование должно быть традуктивным, т.е. должны быть известны условия, при которых оно дает результаты, пригодные для распространения на оригинал, и то, как осуществлять это распространение. Разные способы моделирования – это, в некотором смысле, разные типы традукции
Моделирование можно осуществлять двумя основными методами: а) методом обобщенных переменных или методом теории подобия (физическое моделирование) и б) методом численного эксперимента (математическое моделирование). Принципиального различия между этими методами нет, поскольку оба они в большей или меньшей степени основаны на экспериментальных данных и различаются лишь подходом к их обработке и анализу.
Следует обратить внимание на то, что и в том, и в другом методе в ходе анализа химико-технологических процессов применяется понятие (модель) о сплошных средах, что позволяет пользоваться математическим аппаратом непрерывных функций, прежде всего, дифференциальным и интегральным исчислением.
Аналогия процессов переноса импульса, тепла и вещества, общность закономерностей определяют общие подходы к анализу и расчету процессов и аппаратов химической технологии, задачами которых являются:
1) при заданных расходах исходных материалов определить количество получаемых продуктов и энергию, необходимую для проведения процесса;
2) определить условия равновесного (предельного) состояния системы;
3) определить оптимальные режимы работы аппаратов;
4) рассчитать основные размеры аппаратов, работающих в оптимальных условиях.
Следует обратить особое внимание на то, что при изучении всех перечисленных процессов используют однотипные дифференциальные уравнения и однотипный математический аппарат: дифференциальные уравнения, полученные теоретическим путем, на основе теории подобия преобразуются в критериальные уравнения, которые приводят по экспериментальным данным к расчетному виду. По критериальным уравнениям определяют коэффициенты скоростей процессов, используемые в дальнейшем для расчета рабочего объема или площади поверхности аппаратов.
В конечном счете, целью моделирования химико-технологического процесса является его наилучшая реализация, его оптимизация. Формулировка задачи оптимизации включает, в частности, выбор критерия оптимальности, который должен удовлетворить трем требованиям: быть единственным; выражаться числом; его величина должна монотонно изменяться при улучшении качества функционирования системы. Часто используют экономические критерии оптимальности, например, прибыль, себестоимость, рентабельность. Применяют также технологические критерии (производительность, чистота продукта, выход продукта), которые, в конечном счете, связаны с экономикой: чем больше производительность, тем выше будет прибыль. Наряду с выбором критерия оптимальности при формулировке задачи оптимизации необходимо установить ограничения (условия, которые необходимо соблюдать независимо от того, как это влияет на величину критерия оптимальности: по количеству и качеству
сырья, условиям технологии, по соображениям охраны труда и другие), выбрать оптимизирующие факторы и целевую функцию.
2.5 План-график изучения модуля № 1
| Неделя | № лекции | Тема лекции | Тема практического (семинарского) занятия | Самостоятельная работа студентов |
| 1 | 1 | Предмет и задачи курса. Структурно-логическая схема дисциплины. Явления переноса в химико-технологических процессах. Классификация основных процессов химической технологии | ||
| 2 | 2 | Фундаментальные законы дисциплины: законы сохранения, равновесия, переноса субстанций, единый кинетический закон | Предмет, задачи и структурно-логическая схема курса | Работа с тестами, конспектирование литературы, подготовка к занятию |
| 3 | 3 | Дифференциальные уравнения переноса импульса, тепла, массы. Аналогия процессов переноса. Общие принципы расчета процессов ХТ. Лимитирующие стадии процессов. Интенсификация процессов ХТ | Общие закономерности основных процессов ХТ | Подготовка к занятию и письменному опросу |
| 4 | 4 | Методы исследования процессов и аппаратов ХТ. Физическое и математическое моделирование. Технико-экономическая оценка эффективности ХТП | Основные принципы анализа и расчета процессов и аппаратов ХТ | Подготовка к занятию и письменному опросу |
| 5 | 5 | Консультации | ||
| Промежуточный экзамен № 1 | ||||
2.6 Планы практических занятий
Занятие № 1
Тема: Предмет, задачи и структурно-логическая схема курса ПАХТ.
Цель: Выйти на понимание курса ПАХТ как системы знаний в области химической технологии.
План проведения занятия
1. Знакомство с методикой изучения курса и проведения практических занятий.
2. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) предмет и задачи курса ПАХТ;
2) основные характеристики (свойства) рабочих тел. Размерности;
3) классификация процессов ХТ;
4) непрерывные и периодические процессы, их характеристики и области рационального применения в химической промышленности;
5) структурно-логическая схема курса ПАХТ.
3. Практическая часть занятия:
1) знакомство с учебником [4];
2) решение задач 1.1–1.9; 5.8 [4].
Подготовка к занятию
1. Изучить материал занятия в учебнике [1, С. 10–17] и в конспекте лекций.
2. Подготовить письменные ответы к тестовому заданию.
3. Выучить значения основных терминов и определений.
Основные термины и определения
технология
химическая технология
процесс
основные (элементарные) процессы ХТ
периодические процессы
стационарные и нестационарные процессы
гидромеханические процессы
тепловые процессы
массообменные процессы
Занятие № 2
Тема: Общие закономерности основных процессов ХТ.
Цель: Выйти на понимание общности физико-химических закономерностей основных процессов ХТ.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) основные процессы химической технологии, их место и значение в производстве различных веществ;
2) перенос субстанций в химической технологии;
3) общие подходы к анализу процессов переноса:
а) законы сохранения и уравнения балансов;
б) законы равновесия. Направление и движущая сила процессов переноса субстанций;
в) законы переноса субстанций. Лимитирующая стадия процессов;
г) единая кинетическая закономерность процессов переноса субстанций;
д) аналогия процессов переноса субстанций.
2. Письменный опрос по теме занятия.
План подготовки к занятию
1. Изучить материал занятия в рекомендованной литературе [1, С. 9–32, 45–49] и подготовиться к обсуждению указанных в пункте 1 тем.
2. Выучить значения основных терминов и понятий.
3. Подготовить мотивированные письменные ответы на тестовые задания.
Основные термины и определения
квантовый механизм переноса
молекулярный механизм переноса
конвективный механизм переноса
потенциал переноса субстанций
равновесие
скорость процессов переноса субстанций
лимитирующая стадия процессов
экстенсивная величина
интенсивная величина
поля скоростей, температур, концентраций
основное уравнение переноса субстанций
Занятие № 3
Тема: Основные принципы анализа и расчета процессов химической технологии.
Цель: Получить навыки применения общих подходов к анализу и расчету основных процессов ХТ.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) методы исследования процессов и аппаратов ХТ;
2) физическое моделирование;
3) математическое моделирование;
4) общие принципы расчета процессов и аппаратов ХТ;
5) оптимизация технологических процессов.
2. Решение задач:
1) 1–39 [4].
2) Подобие процессов естественной конвекции при теплопередаче к жидкости определяется критерием Грасгофа
.Установите условия подобия при моделировании процесса нагревания воды, температура которой близка к комнатной (нагрев ведется снизу), если мы хотим иметь модель в 10 раз меньшую, чем оригинал.
3. Письменный опрос.
Подготовка к занятию
1. Изучить учебный материал к занятию [1, С. 62–79; 2, С. 16–20; 3, С. 9–37, 244–253].
2. Выучить определения основных терминов и понятий.
3. Подготовить письменные мотивированные ответы на тестовые задания.
Основные термины и понятия
модели
физическое моделирование
математическое моделирование
условия однозначности
константы подобия
инварианты подобия
симплексы подобия