Методические рекомендации к изучению дисциплины и к организации самостоятельной работы студентов для модульно-рейтинговой технологии обучения Бийск - реферат

Федеральное агентство по образованию

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

имени И.И. Ползунова»

Ю.Н. ДЕНИСОВ, Н.А. ОРЛОВА, Е.А. ПАЗНИКОВ

ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ЧАСТЬ 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ
ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Методические рекомендации к изучению дисциплины
и к организации самостоятельной работы студентов

для модульно-рейтинговой технологии обучения

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического университета

им. И.И. Ползунова

2009

УДК 66. 01

Денисов, Ю.Н.

В методических рекомендациях представлена система методической документации для модульно-рейтинговой технологии обучения по курсу «Основные процессы и аппараты химической технологии».

Учебное издание разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом УМО высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированных специалистов 240901, 240702, 240701, 240706, 260601, 260204 и на основе Примерной программы дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии», одобренной советом УМО по образованию в области химической технологии и биотехнологии 15.01.2001 г. (протокол № 4).

Учебное издание предназначено для студентов и преподавателей химико-технологических и смежных вузов.

УДК 66.01

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Изучение весьма нелегкого для студентов курса «Основные процессы и аппараты химической технологии» (ПАХТ) требует грамотной постановки задач, логически выдержанного хода решений, анализа найденных результатов, то есть постоянной работы на понимание.

Успешность обучения будет зависеть и от индивидуальных особенностей студентов, и от степени их подготовки к овладению данной системой знаний и умений, степени мотивации, интереса к изучаемой дисциплине, общих интеллектуальных умений, уровня и качества организации учебного процесса и других причин.

Предусмотреть, как пойдет познавательный процесс у каждого студента невозможно, но известно необходимое условие, которое определяет его успешность – это целенаправленная, систематическая, планомерная самостоятельная работа студента.

Современная методика преподавания ориентирована, прежде всего, на выработку комплекса определенных умений, необходимых будущему специалисту, и умений не только узкоспециальных, но и фундаментальных, таких как, например, умение учиться.

Так как выработка большинства умений возможна только при самостоятельной работе, то она, по своей сути, должна быть многогранной, так как одна тема или одно задание не могут способствовать выработке всего комплекса умений.

Данное учебное пособие и предназначено для того, чтобы обеспечить методическое руководство самостоятельной работой студентов, изучающих курс ПАХТ, ее целенаправленность, планомерность, многогранность, систематичность.

Предлагаемая технология обучения применяется более 10 лет на кафедре «Процессы и аппараты химической технологии» Бийского технологического института АлтГТУ им. И.И. Ползунова и показала свою эффективность.

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1 Модульно-рейтинговая технология обучения

Переход на многоуровневую систему высшего образования и, как следствие, усложнение учебного материала в связи с изменениями принципов построения учебных планов и курсов потребовало в последние годы интенсификации обучения и существенного развития самостоятельной учебной деятельности студентов.

Определенный вклад в решение этих задач должна внести разработка и внедрение в учебный процесс научно обоснованных, современных образовательных технологий, среди которых особое место занимает модульно-рейтинговая технология обучения (МРТО).

Модульная технология имеет целью поставить студента перед необходимостью регулярной самостоятельной учебной работы в течение всего семестра . Это достигается делением учебного материала курса на крупные блоки (модули), по завершении которых студент сдает промежуточные (модульные) экзамены (ПЭ). Полученные им баллы за все ПЭ суммируются и составляют его рейтинг по данной дисциплине.

При получении достаточной суммы баллов за все ПЭ их результаты могут засчитываться ему как итоговый (семестровый) экзамен, если весь материал курса вошел в программы модулей. То есть модульные экзамены становятся такими же авторитетными, как и семестровые. Этим самым и решается задача приучения студента к самостоятельной учебной работе.

В основе построения модульно-рейтинговой технологии лежат следующие принципы:

1) учебная дисциплина делится на модули так, чтобы каждый из них содержал её завершенные разделы (таблица 1.1, рисунок 1.1);

2) рейтинг студента должен складываться из баллов, полученных им при итоговом контроле его знаний, а сумма баллов, полученных им за текущую учебную работу, должна рассматриваться как допуск студента к промежуточному контролю знаний (ПЭ);

3) студент может быть допущен к ПЭ только при накоплении им установленной суммы баллов за все виды текущей работы;

4) модульные экзамены пересдавать не допускается;

5) по результатам сдачи модульных экзаменов студенту может быть выставлена оценка за итоговый экзамен. Для этого студент должен выполнить два условия:

– за все модульные экзамены он должен набрать не менее заранее установленной суммы баллов;

– не иметь ни за один из промежуточных экзаменов (ПЭ) 0 баллов;

6) модульные экзамены сдаются письменно или устно, итоговый – письменно.

Таблица 1.1 – Схема модуля

Рисунок 1.1 – Принципиальная технологическая схема одной

модульной программы

1.2 Структура рейтинга по курсу ПАХТ

1.2.1 Текущая учебная работа

· Баллы, полученные за текущую учебную работу, составляют рейтинг студента и при выводе итоговой оценки суммируются.

· Для оценки каждого вида текущей работы, входящей в модуль и выполненной студентом, применяется 100-балльная система. При этом устанавливается вес контрольной точки.

· Исходными данными для вычисления текущего рейтинга студента по дисциплине являются:

– рейтинговые оценки студента по запланированным модулям ;

– весовые коэффициенты этих модулей .

– текущий рейтинг вычисляется по формуле

.

Суммирование проводится по формулам, запланированным в стандарте дисциплины с начала семестра до момента вычисления рейтинга. Именно это значение рейтинга используется для аттестаций текущей успеваемости.

1.2.1.1 Лекции

· Активность студентов на лекциях определяется участием в решении проблем и вопросов, поставленных лектором во время занятий, качеством лекционных конспектов, уровнем готовности к лекциям.

· Конспекты лекций просматриваются преподавателем в процессе контрольного опроса по каждому разделу дисциплины, на практических и лабораторных занятиях.

1.2.1.2 Практические занятия

· Нерешенные в аудитории задачи (из запланированных) должны быть решены студентами самостоятельно к следующему занятию.

· К практическому занятию студент обязан:

- иметь при себе конспекты лекций, учебники, счетное устройство, тетрадь для практических занятий;

- выполнить задания из плана подготовки к предстоящему практическому занятию.

· Если студент пропустил практическое занятие, он должен самостоятельно прорешать плановые задачи и во время сдачи раздела решить дополнительную задачу на пропущенную тему.

· Выполнение студентом плана практических занятий, правильность решения задач и их оформление контролируются преподавателем во время занятий и при контрольном опросе по теме раздела (просматривается тетрадь для практических занятий).

· Баллы за активность присуждаются студенту, который первым решил плановую задачу, применил оригинальный метод решения, решил нетиповую задачу.

· Студент, набравший максимальное количество баллов за активность на практических занятиях по темам раздела (таблица 1.2) и решивший нестандартную задачу, может быть освобожден от выполнения индивидуального расчетного задания.

Таблица 1.2 – Максимальное количество баллов за текущую учебную работу

Продолжение таблицы 1.2

1.2.1.3 Лабораторные работы

· Лабораторные работы проводятся группой из 2–3 студентов.

· Выполнению работы предшествует письменный опрос по теории работы и устное собеседование по методике ее проведения, принципу работы лабораторной установки и входящих в нее приборов и устройств.

· После выполнения работы преподаватель подписывает таблицу исходных данных, затем студенты составляют отчет по лабораторной работе, обязательно включающий раздел, где анализируются и объясняются полученные результаты.

· Итогом работы является защита полученных в ней результатов, которая проводится устно или письменно, но обязательно индивидуально.

· Отчеты по лабораторным работам составляются каждым студентом и после защиты сдаются преподавателю.

· Темы и план лабораторных занятий сообщаются студентам заранее.

· Минимальное число баллов за текущую работу для допуска к промежуточному экзамену (ПЭ) устанавливается преподавателем перед началом изучения модуля.

1.2.2 Промежуточные экзамены

При делении курса ПАХТ на восемь модулей (четыре в каждом семестре) (рисунок 1.2), за каждый из них студент получает от 0 до 100 баллов в зависимости от качества ответа (таблица 1.3).

Таблица 1.3 – Систематическое соответствие качества ответа оценке

Продолжение таблицы 1.3

Продолжение таблицы 1.3

Промежуточные экзамены относятся к рубежному контролю знаний студентов, формы проведения которых различны:

· собеседование с преподавателем;

· письменное тестирование;

· автоматизированный контроль и другие.

Безусловно, наиболее предпочтительная форма контроля – это собеседование с преподавателем. Однако эта форма контроля и самая трудоемкая. Результаты нашей работы показывают, что наиболее
успешное воздействие на ход учебного процесса (создание положительной мотивации к учебе, информативность обратной связи, индивидуализация обучения) наблюдается при сочетании различных форм контроля изучения курса ПАХТ.

Рисунок 1.2 – Структура курса ПАХТ

1.2.3 Нормировка рейтинга к стандартной оценке

· В 5-м семестре предусмотрен итоговый семестровый контроль через зачет. Итоговая оценка «зачтено» выставляется после проведения заключительного итогового испытания (сдача ПЭ № 4), при условии, что рейтинг студента составляет не менее 40 (R ≥40). Если R ≤40, студент может быть аттестован по курсу ПАХТ только после завершения экзаменационной сессии в порядке ликвидации задолженности.

· В 6-м семестре предусмотрен итоговый семестровый контроль через экзамен. Итоговая оценка «отлично» выставляется после проведения заключительного итогового испытания (сдача ПЭ № 8) при рейтинге студента R от 75 до 100. Итоговая оценка «хорошо» выставляется после проведения заключительного итогового испытания (сдача
ПЭ № 8) при рейтинге студента от 25 до 49. Если R <59, студент может быть аттестован по курсу ПАХТ только после завершения экзаменационной сессии в порядке ликвидации задолженности.

· В семестре успеваемость студента оценивается с помощью текущего рейтинга, корректируемого после каждой контрольной точки по формуле:

,

где – оценка за контрольную точку;

– вес этой контрольной точки.

Суммирование проводится по всем контрольным точкам с начала семестра до момента вычисления рейтинга. Например, после четырех контрольных точек с суммарным весом 0,2 студент имел рейтинг 70 баллов, по пятой контрольной точке, имеющей вес 0,6, студент получил 88 баллов. Его новый рейтинг в баллах рассчитывается как

.

Значение итогового рейтинга за 5-й семестр учитывается при определении суммарного итогового рейтинга по курсу за 5-й и 6-й семестр.

· Для того чтобы повысить рейтинг, студенту предоставляется возможность выполнить в конце семестра индивидуальное расчетное задание, которое он выбирает сам из предложенных преподавателем: задания отличаются уровнем сложности и, следовательно, оцениваются разными баллами.

После проведения такого контроля (с оценкой ), текущий рейтинг пересчитывается

.
1 2.4 График контроля текущей работы

1.3 Метод системного подхода к изучению дисциплины

Самостоятельная работа должна быть направлена на усвоение фундаментальных (опорных) знаний курса. При этом сверхзадача не в том, чтобы знать описание того или иного процесса, а в том, чтобы усвоить общие подходы (к рассмотрению процессов и явлений, постановке технологических задач) и приемы (анализа этих явлений, процессов, задач), чтобы суметь подойти к описанию любого (даже незнакомого) процесса, провести его анализ–синтез на уровне ПАХТ.

Поэтому изучение курса ПАХТ строится на базе методологии системного подхода. В соответствии с системным анализом курса первым этапом его изучения является рассмотрение всей дисциплины как единой системы знания и выявление ее роли в общеинженерной подготовке специалистов.

На рисунке 1.3 представлена схема курса ПАХТ как составной части общей системы знаний химической технологии: он связывает между собой общенаучные и специальные дисциплины, его содержание представляет одну из наиболее важных основ научных знаний о химической технологии.

Вторым этапом изучения является рассмотрение структуры самого курса ПАХТ и иерархии его подсистем (рисунок 1.4).

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.

Затем рассматриваются механизмы основных процессов, общие их закономерности и обобщенное математическое описание явлений переноса.

Дальнейшим этапом изучения является приложение общих принципов, математического описания и системного анализа к изучению и расчету основных процессов и аппаратов химической технологии.

Изучение всех процессов проводится по одной схеме, включающей в себя три уровня:

– рассмотрение физической сущности и назначение процесса
(I уровень);

– рассмотрение существующих вариантов проведения процессов и конструкций аппаратов с выбором соответствующей схемы проведения процесса и конструкции аппарата (II уровень);

– рассмотрение порядка расчета аппарата (III уровень).

Расположение уровней соответствует необходимой последовательности, и логически каждый уровень зависит от предыдущего.

В качестве основного методического материала при изучении курса рекомендуется использовать приведенные далее структурно-логические схемы, отвечающие системному анализу предмета.

Структурно-логические схемы курса, разделов отражают не только внешние и внутренние связи, но и дают четкое представление о последовательности работы с учебным материалом. Структурно-логические схемы также фиксируют внимание студентов на наиболее важных положениях и понятиях каждого раздела курса, то есть они помогают формированию стержневых идей курса и опорных знаний. При использовании структурно-логических схем следует иметь в виду, что изучаемый раздел (или весь курс в целом) рассматривается на схеме как единая система, имеющая подразделы, иерархически связанные между собой. Основные уровни изучения материала на схемах указаны сбоку римскими цифрами, номера подсистем или основных звеньев системы указываются арабскими цифрами в соответствующем звене.

Рассмотренная в схемах система знаний охватывает лишь основное содержание курса.

1.4 Индивидуальные расчетные задания (ИРЗ)

1.4.1 Целью выполнения ИРЗ является получение практических навыков анализа и расчета основных параметров и количественных характеристик процесса, работа с учебной и справочной литературой, оформление текстовых документов.

1.4.2 Изучение каждого модуля завершается выполнением индивидуального расчетного задания, которое осуществляется по единой схеме:

­ 1 этап – рассмотрение физической сущности и назначения процесса;

­ 2 этап – выбор соответствующей схемы процесса и конструкции аппарата, что предполагает не только знание факторов, влияющих на технико-экономические показатели процесса, и характер этого влияния, но и умение находить оптимальное решение;

­ 3 этап – расчет заданных параметров процесса и аппарата. Выполнение этого этапа следует начать с анализа и выбора метода расчета (расчетной модели). При этом особое внимание следует уделить определению области применения того или иного метода расчета и сопоставлению его с заданными условиями;

­ 4 этап – анализ полученных результатов, возможных путей интенсификации и совершенствования процесса и его аппаратурного оформления.

1.4.3 Численные значения величин, входящих в математическое описание технологического процесса, зависят от единиц измерения этих величин. Совокупность согласованных единиц измерения составляет систему единиц. Смешение разных систем единиц и использование внесистемных единиц – одна из наиболее часто встречающихся причин ошибки в технологических расчетах.

Рекомендуется первоначально выразить единицы измерения всех величин в единой системе единиц , только после этого приступить к расчетам. Попытки вести пересчет единиц в ходе самого расчета – источник ошибок.

1.4.4 Технологические расчеты должны проводиться с определенной точностью. Чаще всего допускаемая погрешность в инженерных расчетах составляет доли процента.

Чтобы выдержать эту точность, рекомендуется брать величины с тремя значащими цифрами (например: «25,6» или «2,56», или «0,256», или «0,0256»). Исключением являются цифры, начинающиеся с единицы: во избежание снижения точности их целесообразно брать с четырьмя значащими цифрами.

Обычно точность получаемого результата не превышает точности исходных (заложенных в расчет) данных и точности самого метода расчета.

1.4.5 Пояснительная записка к ИРЗ оформляется на стандартных листах формата А4. Терминология и определения в записке должны быть едиными и соответствовать установленным стандартам, а при их отсутствии – общепринятым в научно-технической литературе. Сокращения слов в тексте и подписях, как правило, не допускаются, за исключением сокращений, установленных стандартом.

Все расчетные формулы в пояснительной записке приводятся сначала в общем виде, нумеруются, дается объяснение обозначений и размерностей всех входящих в формулу величин. Затем в формулу подставляются численные значения величин и записывают результат расчета.

В тексте в квадратных скобках указываются ссылки на источник основных расчетных формул, физических констант и других справочных данных.

Все иллюстрации (графики, схемы, чертежи) именуются рисунками, которые также, как и уравнения, и таблицы нумеруются. Подписи под рисунками и названия таблиц должны быть краткими.

В списке использованной литературы источники, на которые ссылаются в пояснительной записке, располагаются в порядке упоминания их в тексте.

1.4.6 Допускается и рекомендуется выполнять ИРЗ с применением ЭВМ и использованием типовых программ, которые представлены в данном пособии или разработаны исполнителем.

1.4.7 При выполнении ИРЗ следует иметь в виду, что умение мобилизовать все накопленные знания и опыт для решения конкретной задачи, тщательно обосновывать любое принимаемое решение, критически относиться к полученным результатам, постоянно искать оптимальное, «лучшее» решение – это то, что нужно и необходимо всегда, в любых ситуациях, это то, что в себе надо всегда и постоянно тренировать. И это то, что нужно и необходимо для успешного выполнения ИРЗ.

1.5 Самостоятельная работа студентов (СРС)

1.5.1 План-график изучения дисциплины составлен исходя из того, что студент еженедельно 4–5 часов самостоятельно выполняет задания, предусмотренные этим планом.

1.5.2 Содержательная и методическая сторона заданий предполагают, что самостоятельная работа должна протекать по ряду параллельных направлений, отличных друг от друга по своим образовательным и формирующим целям: работа с учебной и научной литературой, выполнение лабораторных работ, тестовых заданий, решение типовых задач, выполнение индивидуальных заданий, написание докладов, сообщений, рефератов, подготовка к промежуточным экзаменам.

При этом следует всегда помнить, что сверхзадача не в том, чтобы знать описание того или иного процесса, а в том, чтобы усвоить общие подходы к рассмотрению явлений и процессов, к постановке технологических задач и общие приемы анализа этих явлений и процессов, что позволит подойти к описанию любого (даже незнакомого) процесса, провести его анализ-синтез на уровне ПАХТ. С этой целью следует освоить метод системного подхода к изучению материала, выделить наиболее общие, фундаментальные принципы, лежащие в основе материала, а затем рассмотреть более частные вопросы каждого раздела.

1.5.3 Самостоятельное изучение материала (в программе эти разделы отмечены звездочкой «*») должно сопровождаться составлением конспектов, которые можно использовать во время текущего или рубежного контроля знаний.

Форма конспекта может быть произвольной, но целесообразно строить его в виде плана-конспекта: слева на полях выделяют основные подразделы, порядок расположения которых в конспекте должен соответствовать требованиям построения системы опорных знаний.

1.5.4 Необходимым и весьма важным видом СРС является работа с тестами. Следует подчеркнуть, что они выполняют не только контролирующие функции, но и предназначены для активизации познавательного процесса: принимая решения и отбрасывая неверные ответы, студент встречается с необходимостью не просто усваивать информацию, а анализировать ее, делать выводы и таким образом подходить к верному ответу на поставленный вопрос. При этом последовательность поиска правильного ответа на поставленный вопрос должна быть следующей:

­ 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

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.

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

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

подобные процессы

определяемые критерии подобия

критериальные уравнения

математическая модель (ММ)

параметры математической модели

адекватность ММ

оптимизация

критерий оптимальности

оптимизирующие факторы

ограничения при оптимизации

общие принципы расчета процессов и аппаратов ХТ

2.7 Самостоятельная работа студентов

Существующая ныне градация усвоения знания насчитывает четыре уровня:

– «распознавание» (узнавание ранее изученного объекта при его предъявлении);

– «воспроизведение» (умение воспроизвести объект, его описание, математический вывод);

– «понимание» (овладение связями различных факторов, умение установить и объяснить их, предсказать поведение объекта при изменении условий, то есть активное применение знаний);

– «творчество» (создание новых подходов к описанию объектов, выявление новых факторов, новых объектов, новых областей знаний).

Инженер, научный работник должны функционировать на уровнях «понимания» и «творчества», владея уровнями «распознавания» и «воспроизведения».

По этой причине изложение курса и содержательная и методическая стороны заданий преследуют цель представить курс как единое, логически увязанное целое, в котором изучаются не только конкретные, типовые процессы и аппараты химической технологии, но и прежде всего общие подходы к их анализу и расчету.

В соответствии с этим изучаемый модуль является базовым, то есть содержит общие вопросы, где изложены основные положения курса, весьма важные для понимания других модулей.

Основными формами самостоятельной работы студентов при изучении темы «Основные закономерности и общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов химической технологии» являются:

­ работа с тестами, с составлением конспектов ответов;

­ заучивание определений, основных терминов и понятий модуля;

­ подготовка к лекционным и практическим занятиям;

­ подготовка к письменным опросам;

­ подготовка к промежуточному экзамену.

Все виды самостоятельной работы должны сопровождаться изучением соответствующего материала в конспектах лекций и рекомендованной литературе. Фундаментальные принципы, лежащие в основе материала модуля, последовательность изучения отдельных элементов раздела и их взаимосвязь указаны в разделе «Структурно-логическая схема модуля».

2.8 Промежуточный экзамен № 1

Промежуточный экзамен (ПЭ) по программе модуля «Основные закономерности и общие принципы расчета процессов и аппаратов химической технологии» проводится в форме индивидуального собеседования, при котором проверяется и корректируется знание и понимание студентами основных и принципиальных положений и закономерностей раздела курса, умение их практического применения, эффективность работы с тестовыми заданиями.

Необходимыми условиями допуска к сдаче ПЭ-1 являются:

– выполнение плана практических работ;

– наличие конспектов письменных мотивированных ответов на тестовые задания;

– положительная оценка ответов на письменные опросы.

2.9 Основные понятия и термины

Адекватность ММ – степень приближения данных, прогнозируемых по модели, к экспериментальным данным.

Гидромеханические процессы – процессы, где основные явления связаны с переносом импульса в жидкостных и газовых потоках. К этим процессам относятся перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле тяжести (отстаивание), в поле центробежных сил (центрифугирование), электростатических, а также под действием разности давлений при движении через пористый слой (фильтрование) и перемешивание жидкостей.

Движущая сила процессов переноса субстанций – разница в значении интенсивных свойств (потенциалов).

В частных случаях: для гидромеханических процессов – разность давлений, для тепловых – разность температур, для массообменных – разность концентраций вещества.

Инварианты подобия – отношение разнородных величин у модели и образца. Инварианты подобия могут быть неодинаковы для различных сходственных точек подобных систем, но они не зависят от соотношения размеров образца и модели. Это означает, что при переходе от одной системы к другой, ей подобной, инварианты подобия не меняют своих значений.

Д ₁ /L ₁ = Д ₂ /L ₂ = inv.

Интенсивная величина – величина, не зависящая от количества субстанции.

Квантовый механизм переноса (излучение) – перенос субстанции путем излучения и поглощения элементарных частиц (квантов).

Конвективный механизм переноса – перенос субстанции вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости_.

где DS – участок поверхности, расположенный перпендикулярно вектору скорости ;

φ – потенциал переноса .

Константы подобия – отношение однородных величин у модели и образца. Константы подобия постоянны для различных сходственных точек подобных систем, но изменяются в зависимости от соотношения размеров образца и модели.

Д ₁ /Д ₂ = L ₁ /L ₂ = const.

Критериальные уравнения – обобщенные уравнения, которые имеют вид:

f (k ₁ , k ₂ , k ₃ … k _i ) = 0,

где k ₁ , k ₂ , k ₃ …k _i – критерии подобия .

Критерий оптимальности – один из выходов (экономический, технологический) системы, по которому судят о том, насколько хорошо она функционирует. Например, в качестве экономического критерия оптимальности (КО ) может быть сумма приведенных затрат П , которые учитывают капитальные вложения К на изготовление аппарата и его монтаж, эксплуатационные затраты Э и нормативный срок окупаемости – нормативный коэффициент эффективности капиталовложений Е :

КО = min П =min (ЕК + Э ).

Лимитирующая стадия процессов – стадия, которая определяет общую скорость многостадийного процесса, определяется взаимным расположением стадий и соотношением их скоростей.

Массообменные процессы – процессы, характеризующие перенос одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность фаз. К этой группе процессов относятся абсорбция, перегонка (ректификация), экстракция, растворение, кристаллизация, адсорбция, сушка и другие. Протекание процессов массобмена тесно связано с гидродинамическими условиями в фазах и на границе их раздела и часто – с сопутствующими массообмену процессами переноса тепла (теплообмена).

Математическая модель (ММ) – создание описания объекта исследования на языке математики в виде некоторой системы уравнений и функциональных соотношений между отдельными параметрами модели, то есть это система соответствующих математических уравнений.

Модели: материальные – объекты, заменяющие оригинал при проведении исследований, значительно меньшие по размерам и часто более простые, чем аппараты натуральной величины; мысленные – схемы оригиналов, отражающие их существенные стороны.

Моделирование – метод исследования химико-технологических процессов, заключающийся в создании модели, ее исследовании и распространении результатов на оригинал. Математическое моделирование – это, по существу, определение свойств и характеристик рассматриваемого явления (процесса) путем решения (как правило, с помощью ЭВМ) системы уравнений, описывающих этот процесс, – математической модели. Математическое моделирование является одним из методов физического моделирования и составляет с ним единую систему исследования объектов познания. Физическое моделирование – основа теории подобия. Одним из основных принципов теории подобия является выделение из класса явлений (процессов), описываемых общим законом (процессы движения жидкостей, диффузии, теплопроводности), группы подобных явлений.

Молекулярный механизм переноса – перенос субстанции перемещением или взаимодействием молекул, возникающий в результате стремления системы к термодинамическому равновесию, отклонения от которого объясняются неоднородностью поля потенциала.

q _м = -k grad j ,

где k – коэффициент пропорциональности, в зависимости от вида переноса, принимающий значение D , а или n .

Непрерывные процессы – процессы, характеризующиеся тем, что все их стадии протекают одновременно, но осуществляются в различных частях одного аппарата или же в различных аппаратах, составляющих данную установку.

Общие принципы расчета процессов и аппаратов ХТ:

1) определение условий предельного или равновесного состояния системы и направления течения процесса;

2) составление материальных и энергетических балансов и вычисление расходов исходных материалов и количеств получаемых продуктов, а также количества потребной энергии (тепла) и расхода теплоносителей;

3) вычисление движущей силы процессов;

4) определение оптимальных режимов работы и скорости процесса;

5) вычисление основных размеров аппарата.

Ограничения при оптимизации – параметры системы, которые остаются неизменными независимо от того, как при этом изменяется значение критерия оптимальности.

Определяемые критерии подобия – критерии подобия, в состав которых входит хотя бы одна физическая величина, не входящая в условия однозначности.

Оптимизация – выбор наилучших (оптимальных) условий проведения процесса, заключительный этап моделирования.

Оптимизирующие факторы – те из входов в систему, которые в процессе оптимизации относят к управляющим; воздействия, которые применяют для оптимизации процесса.

Основное уравнение переноса субстанций описывает поля скоростей, температуры, концентраций, необходимые для решения многих практических задач,

.

Основные (элементарные) процессы ХТ – процессы, составляющие основу производств всех отраслей химической промышленности.

Параметры математической модели – параметры, которые количественно и однозначно характеризуют изучаемый процесс (чем больше параметры ММ, тем более точно описывает она процесс).

Периодические процессы – процессы, характеризующиеся тем, что все его стадии протекают в одном месте (в одном аппарате), но в разное время.

Плотность потока субстанции – количество субстанции, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени. Суммарные плотности потоков субстанций определяются уравнением:

Подобные процессы – процессы, которые характеризуются численно равными критериями подобия.

Поля скоростей, температур, концентраций – совокупность мгновенных значений, соответственно, скоростей, температур и концентраций во всех точках рассматриваемого объема.

Потенциал переноса субстанций представляет собой удельную (отнесенную к единице объема) массу, энергию или количество движения.

В случае переноса массы в качестве потенциала переноса
рассматривают плотность или концентрацию:

j = r = å m _i /V или j = С = m _i /V ,

где m _i – масса i -го компонента смеси; [r] = [С ] = [кг/м³ ].

В случае переноса энергии (теплоты) потенциалом переноса является энтальпия единицы объема жидкости:

j = с _р t r V /V = с _р t r,

где с_р – теплоемкость среды; [с_р t r] = [Дж/м³ ].

В гидромеханических процессах потенциалом переноса является количество движения (импульса) единицы объема жидкости

j = w r V /V = w r,

где w - скорость ; [w r] = [кг/(м² с)].

Процесс – изменение каких-либо свойств системы.

Равновесие – такое состояние системы, при котором перенос субстанции отсутствует.

Симплексы подобия (параметрические критерии) – инварианты подобия, выраженные отношением однородных величин.

Скорость процессов переноса субстанции – количество субстанции, переносимое в единицу времени через единицу площади поверхности, нормальной к направлению переноса. (Чем больше скорость, тем больше производительность аппарата.)

Стационарные процессы, или установившиеся процессы, – это процессы, параметры которых не изменяются во времени: f = ( x , y , z ).

Тепловые процессы – процессы переноса тепла, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи – науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров. К тепловым процессам могут быть отнесены и процессы охлаждения до температур более низких, чем температура окружающей среды (процессы умеренного и глубокого охлаждения). Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамических условий (скоростей, режимов течения), при которых осуществляется перенос тепла между обменивающимися теплом средами.

Технология – совокупность методов, способов и приемов получения, обработки или переработки сырья с целью изготовления продукции.

Условия однозначности (условия, которые полностью, однозначно характеризуют данное явление) включают:

1) геометрические размеры и форму системы (аппарата), в котором протекает процесс;

2) физические свойства среды, существенные для рассматриваемого процесса;

3) граничные условия, характеризующие взаимодействие среды с телами, ограничивающими объем, в котором протекает процесс;

4) начальное состояние системы, то есть ее состояние в момент, когда начинается изучение процесса.

Химическая технология – такой способ переработки, который приводит к изменению не только внешних, но и внутренних свойств системы.

Экстенсивная величина – величина пропорциональная количеству субстанции.

2.10 Письменные опросы

2.10.1 Письменный опрос к занятию № 2

1. Предмет и задачи курса ПАХТ. Классификация процессов химической технологии. Приведите примеры природных гидромеханических, тепловых и массообменных процессов. Объясните Ваш выбор. Какова взаимосвязь химической технологии и экологических проблем?

2. Общность основных процессов химической технологии. Основные направления интенсификации процессов.

3. Перенос субстанций в химической технологии. Аналогия процессов переноса импульса, тепла и вещества. В чем их отличие?

4. Дисциплина ПАХТ как система знаний в области химической технологии.

5. Законы сохранения импульса, энергии и массы. Основные цели и общие принципы составления балансов. Запишите основные балансовые соотношения для а) изолированных и открытых систем;
б) периодических и непрерывных процессов; в) процессов с внутренними источниками субстанции и без источников.

6. Условия термодинамического равновесия для гидродинамических, тепловых и массообменных процессов. Направления и движущая сила процессов переноса субстанций. Сколько степеней свободы в системе вода–лед–водяной пар?

7. Сформулируйте понятие «химического потенциала». Приведите выражения для химического потенциала. В фазах, находящихся в равновесии, равны химические потенциалы или концентрации распределяемого компонента?

8. Механизмы переноса субстанции. Основные модельные представления о поперечном и продольном переносе субстанции в потоке.

9. Дифференциальные уравнения, описывающие поля скоростей, температур и концентраций. Локальные и конвективные изменения параметров процессов в потоке. Субстанциональная производная.

10. Особенности явлений переноса в потоках газов, жидкостей и в твердых телах.

11. Общий вид уравнений скорости процессов. Движущие силы, кинетические коэффициенты. Общие направления интенсификации процессов химической технологии.

12. Лимитирующие стадии при поперечном и продольном переносе субстанции в потоке. Методы воздействия на лимитирующие стадии.

13. Основные термины и понятия темы: «Перенос субстанций в химической технологии».

14. Модель сплошной среды. Уравнения неразрывности (сплошности) потока. Материальный баланс потока. Уравнение расхода.

15. Уравнения переноса теплоты для а) потока и неподвижной среды; б) стационарного и нестационарного процессов. Какие общие условия ограничивают применение данных уравнений?

16. Уравнения переноса массы: а) для неустановившегося и установившегося процессов; б) в потоке и неподвижной среде. Какие общие условия ограничивают применение данных уравнений?

17. Уравнения переноса импульса. Почему перенос импульса в отличие от переноса тепла и массы описывается системой их трех уравнений?

2.10.2 Письменный опрос к занятию № 3

1. Место и роль теоретических и экспериментальных исследований, вычислительного эксперимента с использованием ЭВМ. Системный подход к изучению и созданию новых процессов и аппаратов.

2. Моделирование процессов: сущность метода, области применения модели, предъявляемые к моделированию требования, виды моделирования.

3. Перенос субстанции: основные уравнения переноса, основные модельные представления. Что обозначает понятие «пограничный слой»? Чем определяется его условная толщина? Поясните Ваш ответ.

4. Понятие о подобии физических явлений. Если рассматривать лабораторную установку как модель, то что является оригиналом? Поясните Ваш ответ.

5. Физическое моделирование. Метод обобщенных переменных: сущность метода, область применения, достоинства и недостатки. Условия традуктивности метода.

6. Анализ дифференциальных уравнений методом теории подобия. Определение и понятие критерия подобия. Критериальные уравнения и область их применения.

7. Математическое моделирование: сущность метода и основные этапы. Условия традуктивности метода. Связь математического и физического моделирования.

8. Цели и общие принципы анализа и расчета процессов и аппаратов химической технологии.

9. Оптимизация процессов. Поясните примерами, используя известные Вам производства.

10. Скорость химико-технологических процессов. Значение и основные направления интенсификации процессов.

11. Назовите известные Вам примеры моделирования. Как в этих случаях объясняется экономичность и традуктивность.

12. Метод анализа размерностей: сущность метода, условия применения, достоинства и недостатки.

13. Движущая сила химико-технологических процессов. Рабочие и равновесные параметры процесса. Принцип Ле Шателье.

14. Предмет и задачи курса ПАХТ. Системный подход к изучению и созданию новых процессов и аппаратов ХТ.

15. Виды классификаций основных процессов и аппаратов химической технологии. Непрерывные и периодические процессы: их характеристики и области рационального применения.

16. Сопротивление переносу субстанций и общие направления его уменьшения. Лимитирующие стадии процесса.

17. В чем заключается принцип моделирования химико-технологических процессов? Укажите сходство и различие основных способов моделирования.

18. Технико-экономическая оптимизация при сопоставлении и выборе процессов и аппаратов.

19. В чем заключаются задачи расчета процессов и аппаратов химической технологии? От каких параметров процесса зависит основной размер аппарата? Каков характер этих зависимостей? Назовите основные направления снижения этого размера аппарата. Поясните Ваш ответ.

2.11 Тестовые задания к модулю № 1

1. В курсе «Основные процессы и аппараты химической технологии» изучаются:

а) химические процессы и аппараты;

б) общие для большинства химических производств процессы и типовые аппараты;

в) все процессы химической технологии.

2. В каком из предложенных ответов перечислено наибольшее количество общих для большинства процессов ХТ свойств:

а) перенос субстанции, периодические, стационарные, гомогенные;

б) перенос субстанции, единая кинетическая закономерность, стремление к равновесному состоянию, многостадийность;

в) перенос субстанции, обратимость, лимитирующая стадия, открытые системы;

г) перенос субстанции, изменение состава вещества, обратимость, непрерывность.

3. К стационарным относятся процессы:

а) с постоянной производительностью;

б) с постоянной скоростью процесса;

в) все параметры которых не изменяются во времени.

4. Может ли непрерывный процесс быть нестационарным?

а) да; б) нет; в) иногда.

5. Периодические процессы могут протекать:

а) только в открытых;

б) замкнутых (изолированных);

в) как в открытых, так и в изолированных системах.

6. Непрерывные процессы могут протекать:

а) только в открытых;

б) замкнутых (изолированных);

в) как в открытых, так и в изолированных системах.

7. Изотропными называются среды, в которых:

а) интересующий нас параметр одинаков во всех направлениях пространства;

б) все параметры одинаковы во всех направлениях пространства;

в) отсутствует конвективное изменение параметра.

8. Температура:

а) интенсивная; б) экстенсивная величина?

9. Причиной переноса субстанций является разность:

а) экстенсивных; б) интенсивных; в) удельных величин.

10. Поток импульса, отнесенный к единице времени, представляет собой:

а) силу; б) скорость процесса; в) потенциал переноса.

11. В отличие от плотности жидкостей плотность газов при нормальных условиях ρ₀ может быть рассчитана по уравнению:

а) ; б) ; в ) ; г) .

12. Дифференциальным уравнением неразрывности (сплошности) потока является уравнение:

а) + r div = 0 ;

б) ;

в) ρ divw = grad .

13. Система – это совокупность элементов…

а) взаимодействующих между собой;

б) находящихся в одном пространственном контуре;

в) однотипных;

г) взаимодействующих между собой и c окружающей средой.

14. Общее балансовое соотношение для изолированных систем имеет вид

а) Пр – Ух + Ис – Ст = Нак ;

б) Пр – Ух + Ис – Ст = 0;

в) Ис – Ст = 0;

г) Ис – Ст = Нак ;

д ) Пр – Ух = 0;

е) Пр – Ух = Нак .

15. Материальный баланс стационарного потока сжимаемой среды

а ) ws = const ; б ) w rs = const ; в ) v = ws ; г ) M = rv.

16. Как скажется на растворимости газа повышение температуры?

а) увеличится; б) уменьшится; в) не изменится .

17. Как скажется на растворимости МgSO₄ повышение температуры?

а) увеличится; б) уменьшится; в) не изменится.

18. Как скажется на растворимости NaCl повышение температуры?

а) увеличится; б) уменьшится; в) не изменится.

19. Какие из уравнений описывают молекулярный перенос импульса, тепла, вещества в неподвижной среде?

20. Какое из уравнений описывает стационарный перенос тепла в неподвижной среде?

а) = a ; б) = 0; в) + w div t = a .

21. Основное уравнение переноса субстанций описывает поля скоростей, температур и концентраций

а) в любой среде;

б) в движущейся среде;

в) в однофазной;

г) в изотропной;

д) в сплошной;

е) в однофазной, изотропной, сплошной среде.

22. Уравнение распределения температуры в неподвижной среде:

а) ;

б ) a = lС _р t ;

в) q _т = -l grad t ;

г) + ;

д) = 0.

23. Если конвекция и молекулярный перенос происходят в одном направлении, то суммарный перенос обычно лимитирует

а) конвекция;

б) молекулярный механизм;

в) квантовый механизм.

24. Пограничный слой (гидродинамический, тепловой, диффузионный) – это тонкий слой, образующийся в потоке около стенки, в котором

а) происходит резкое изменение концентрации;

б) нет движения частиц в поперечном направлении;

в) конвективный перенос субстанций становится исчезающе малым и преобладает молекулярный перенос.

25.Условная «толщина» пограничного слоя зависит

а) от диаметра потока;

б) от интенсивности молекулярного механизма переноса;

в) от вязкости потока.

26. При данной степени турбулентности условная «толщина» пограничного слоя тем больше, чем…

а) меньше интенсивность молекулярного переноса;

б) больше интенсивность молекулярного переноса;

в) больше скорость движения потока.

27. Физическое моделирование традуктивно, если

а) физическая сущность модели и оригинала совпадают;

б) модель и оригинал подобны;

в) модель и оригинал геометрически подобны.

28. Какая математическая модель, скорее всего, будет содержать больше параметров?

а) грубая модель очень сложного объекта;

б) очень точная модель сравнительного простого объекта .

29. Если рассматривать студенческую лабораторную работу как модель, то что является оригиналом?

а) установка больших размеров;

б) установка больших размеров, в которой протекает однотипный по физической сущности процесс;

в) установка, геометрически подобная лабораторной, в которой протекает процесс, в сходственных точках которого критерии подобия равны;

г) установка, геометрически подобная лабораторной, в которой протекает однотипный по физической сущности процесс.

30. Скорость процесса – это...

а) количество субстанции (импульса, тепла, вещества) М, переносимое в единицу времени t: М/ t ,(кг/с);

б) количество субстанции, переносимое в единицу времени через единицу площади поверхности F, нормальной к направлению переноса: М/(F t) ( кг/ (м² с));

в) количество продукции, полученное в единицу времени, (кг/с).

31. Общая скорость многостадийного процесса в большинстве случаев определяется

а) количеством стадий;

б) порядком протекания стадий;

в) скоростью лимитирующей стадии;

г) скоростью самой медленной стадии.

32. С увеличением скорости процесса

а) возрастает движущая сила процесса;

б) для его проведения (переноса одного и того же количества субстанции) потребуется аппарат меньших размеров;

в) уменьшится сопротивление процесса.

33. Движущей силой процессов ХТ является

а) перепад давлений в потоке;

б) разность температур между теплоносителями;

в) разность потенциалов;

г) разность концентраций переносимого вещества в фазах.

34. Кинетическая закономерность для основных процессов ХТ записывается в виде:

а) q _м = -k grad j;

б) q = q _м + q _к ;

в) ;

г) ,

35. Общая кинетическая закономерность является основой для определения

а) количества переносимой субстанции;

б) движущей силы процесса;

в) основного размера аппарата;

г) сопротивления процесса.

36. Общая схема анализа и расчета процессов ХТ включает этапы, выполняемые в такой последовательности: 1) определение условий равновесия и обеспечение нужного направления протекания процесса и движущей силы начальными рабочими параметрами; 2) составление балансов и определение материальных и энергетических потоков; 3) расчет движущей силы процесса; 4) расчет коэффициента скорости; 5) основного размера аппарата, по которому определяют все остальные размеры или подбирают стандартный аппарат

а) да; б) нет; в) те же, но последовательность другая.

37. В цехе имеются две параллельно работающие технологические линии, выпускающие резиновые шланги. Продукция первой линии имеет общее назначение; продукция второй предназначена на экспорт. Будут ли различаться формулировки задачи оптимизации (критерии оптимальности, ограничения, оптимизирующие факторы) для этих линий?

а) да; б) нет; в) не знаю.

3 МОДУЛЬ 2. ОСНОВЫ ГИДРАВЛИКИ

3.1 Цель обучения № 2

Применяя общие подходы к анализу и расчету процессов и аппаратов химической технологии, изучить основные закономерности равновесия и движения жидкостей, выявить влияние гидродинамических факторов на перенос субстанций и получить практические навыки гидравлического расчета трубопроводов и аппаратов.

3.2 Программа модуля № 2

Предмет гидравлики. Гидростатика и гидродинамика. Представление о жидкостях как о сплошных средах. Основные свойства жидкостей. Капельные, упругие, идеальные, ньютоновские и неньютоновские жидкости.

Гидростатика. Дифференциальное уравнение равновесия и распределение давления в покоящейся среде. Практические приложения основного уравнения гидростатики (закона Паскаля)*.

Гидродинамика. Описание полей скоростей в стационарных и нестационарных потоках*. Субстанциональная производная скорости. Гидродинамические режимы движения. Представление о гидродинамическом пограничном слое при течении по трубам и каналам при обтекании тел. Структура турбулентного пограничного слоя; вязкий подслой. Основные уравнения гидродинамики: уравнение неразрывности; Навье–Стокса; Эйлера; материальный баланс потока. Гидродинамическое подобие.

Течение в трубах и каналах. Распределение скоростей по сечению прямой круглой трубы при ламинарном и турбулентном режимах.

Уравнение Бернулли для реальной и идеальной жидкости. Практическое приложение уравнения Бернулли*. Принципы измерения скоростей и расходов жидкости дроссельными приборами и пневматическими трубками*. Определение расходов при истечении жидкостей через отверстия и насадки.

Гидравлические сопротивления при течении жидкостей. Расчет потребного напора для перемещения жидкостей через систему трубопроводов и аппаратов.

Проектный расчет диаметров трубопроводов и аппаратов; выбор оптимальных значений скоростей потоков.

Влияние распределения потоков в аппаратах на ход процессов. Характеристика структуры потоков по распределению времени их пребывания в проточных аппаратах; дифференциальная и интегральная функции распределения времени пребывания; типовые модели структуры потоков: модели идеального вытеснения и идеального смешения, диффузионная, ячеечная и другие модели, определение их параметров и оценка адекватности модели объекту.

Основы гидродинамики двухфазных потоков**.

Перемещение жидкостей и газов по трубопроводам и сетям с помощью машин, повышающих давление**.

Примечание– «**» обозначены дополнительные разделы для углубленного изучения курса.

3.3 Объем модуля № 2 и виды учебных занятий

3.4 Перечень необходимых средств для выполнения

программы модуля

- Учебники [1, 2, 3, 4].

- Лабораторные установки:

- «Определение силы давления жидкости на стенки»;

- «Изучение режимов движения реальной жидкости»;

- «Определение потерь напора на трение и местные сопротивления»;

- «Изучение структуры потоков в аппарате смешения».

- Методические указания к лабораторным работам [4].

3.5 Структурно-логическая схема модуля № 2

Одна из особенностей большинства химико-технологических процессов состоит в том, что они осуществляются при движении или перемешивании жидких или газообразных фаз. При этом скорость процессов переноса не только импульса, но и тепла, и вещества в значительной мере зависит от гидродинамических условий в аппаратах, в которых эти процессы осуществляются. Так существенное влияние на перенос субстанций в поперечном направлении оказывает пристеночный слой жидкости, поскольку в этом случае высокоскоростной макроскопический перенос в ядре потока уступает довольно медленному молекулярному переносу через этот слой: многостадийный процесс с последовательно протекающими стадиями, из которых лимитирующей является самая медленная. Правильное решение вопросов масштабирования и моделирования невозможно также без учета гидродинамической структуры потоков в аппаратах.

Кроме того, важнейшей вспомогательной операцией для всех химико-технологических процессов (ХТП) является транспортирование материалов, отличающихся физико-химическими свойствами и агрегатным состоянием. При этом инженер-химик старается избегать перемещения веществ в твердом виде: слишком хлопотлив и неэкономичен этот способ транспортирования материалов по сравнению с передвижением их в других агрегатных состояниях – жидком или газообразном.

Законы равновесия или перемещения различных жидкостей, практическое приложение этих законов изучаются в гидравлике .

В гидравлике принято объединять жидкости, газы и пары под единым названием жидкости , поскольку при скоростях потоков значительно меньших, чем скорость звука, законы движения жидкостей без существенных поправок справедливы для газов и паров.

Для упрощения ряда закономерностей в гидравлике используют понятие модель так называемой идеальной жидкости под которой подразумевают жидкость, абсолютно несжимаемую, не изменяющую своей плотности под действием температуры и давления и не обладающую вязкостью.

Рассматриваемые в курсе ПАХТ объекты, в том числе трактуемые как бесконечно малые, значительно больше размеров атомов, молекул, ионов и расстояний между ними. Поэтому в подавляющем большинстве случаев можно считать, что рабочее тело целиком заполняет рассматриваемую в ходе анализа часть пространства, то есть является сплошной средой . Введение понятия (модели) о сплошных средах позволяет пользоваться математическим аппаратом непрерывных функций, прежде всего, дифференциальным и интегральным исчислением.

Основные законы, используемые в гидравлике, – это баланс действующих сил или основной принцип динамики, выражаемый уравнением Навье-Стокса (1, рисунок 3.1), и баланс массы в виде уравнения неразрывности потока (2, см. рисунок 3.1). Общее дифференциальное уравнение гидродинамики Навье-Стокса для случая, когда скорость равна нулю, дает дифференциальное уравнение гидростатики , которое описывает равновесное состояние жидкостей (3, см. рисунок 3.1), для случая, когда сила внутреннего трения приравнивается к нулю, получается дифференциальное уравнение движения идеальной жидкости , которое является энергетическим балансом потока; введение члена, учитывающего гидравлические потери, позволяет использовать уравнение Бернулли (4, см. рисунок 3.1) для описания движения реальной жидкости и расчета гидравлических потерь (6, см. рисунок 3.1) как от трения, так и от местных сопротивлений. Подобное преобразование основного уравнения Навье-Стокса позволяет получить критерии гидродинамического подобия (7, см. рисунок 3.1), при использовании которых можно составить критериальное уравнение (8, см. рисунок 3.1) для расчета гидравлических сопротивлений. Именно это звено в разделе гидродинамики является решающим и имеет наибольшее практическое значение: величину гидравлических сопротивлений (потерянный напор h _П ) необходимо знать для определения движущей силы гидромеханических процессов – разности давлений между двумя точками или сечениями аппарата. Кроме этого, величина h _П необходима для определения оптимального диаметра трубопровода . На основе технико-экономических расчетов, учитывая противоречивое влияние скорости потока на величину общих годовых затрат З , строят графическую зависимость З 7 – минимум на кривой соответствует такому
диаметру трубопровода, при котором скорость транспортирования жидкости оптимальна.

При расчете диаметра химических аппаратов используют аналогичный подход. Как и при расчете трубопроводов, диаметр аппарата определяют из уравнения , а гидравлическое сопротивление однофазных потоков из уравнений

(2.1)

или

, (2.2)

где – коэффициент местного гидравлического сопротивления.

Обычно в аппаратах наибольший вклад в общие потери напора приходится на долю местных сопротивлений, поскольку в большинстве случаев промышленные аппараты не являются полыми, а заполнены различными материалами и устройствами, которые существенно и многократно изменяют направление и сечение потоков газа и жидкости при их движении через аппарат.

Однако выбор скорости потока в химических аппаратах усложняется рядом обстоятельств, специфичных для каждой группы аппаратов. Поскольку скорость потока существенно влияет на тепло- и массоперенос, выбор скорости потока в аппарате должен быть тесно увязан с расчетом процесса, осуществляемого в том или ином аппарате.

Структура потоков в аппарате намного сложнее, чем в трубопроводах. Наличие продольного перемешивания в реальных системах приводит к неодинаковому времени пребывания частиц потока в аппарате и уменьшению движущей силы процесса , что отрицательно сказывается на его эффективности. Совокупную информацию о характере движения среды в аппарате содержат функции распределения (дифференциальная и интегральная) частиц потока по времени пребывания. По виду функции распределения классифицируют модели потоков, наиболее простыми из которых являются модели идеального вытеснения (ИВ) и идеального смешения (ИС).

По форме полученной из опыта выходной кривой судят о типе модели. Затем стремятся подобрать такие значения параметров модели (n или Рe_Э ), чтобы расчетная кривая наилучшим образом совпала с экспериментальной. Если это удалось, значит модель выбрана удачно, она адекватна реальному процессу.

3.6 План-график изучения модуля № 2

3.7 Планы практических занятий

Занятие № 1

Тема: Основы гидравлики: основные понятия и определения. Гидростатика.

Цель: Изучение основных понятий и модельных представлений гидравлики, свойств жидкостей, законов гидростатики. Практическое знакомство с элементами гидравлических расчетов.

План проведения занятия

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

1) текучие среды: виды, место и значение в химической технологии. Влияние состояния однофазных текучих сред (покой, движение, перемешивание) на интенсивность переноса субстанций: импульса, энергии и вещества [1, 7, 8] (Сообщение);

2) составные части, основные понятия и модели гидравлики. Силы, действующие в реальной жидкости в случае абсолютного и относительного покоя; взаимосвязь с потоком импульса [1, 5, 6, 7, 8];

3) основные свойства жидкостей: плотность (жидкостей, газов и паров, относительная, насыпная); удельный объем, удельный вес; адгезия; поверхностное натяжение; упругость насыщенного пара; давление (определение, единицы измерения, свойства, виды, приборы для измерения) [1, 2];

4) основное уравнение гидростатики. Уравнение поверхностей уровня. Свободная поверхность [1, 5, 6, 7];

5) закон Паскаля и области его практического применения. [1, 5, 6, 7] (Сообщение);

6) давление покоящейся жидкости на дно и стенки сосуда. [1, 5, 6, 7];

2. Решение задач: 1–3, 4, 5, 6, 7 [2]

Подготовка к занятию

1. Изучить материалы лекций и литературу [1, 5, 7] по теме занятия.

2. Подготовить мотивированные конспекты ответов на вопросы, указанные в тестовом задании № 1.

3. Знать определения основных терминов и понятий.

Основные понятия и термины

жидкость

идеальная жидкость

сплошная среда

гидростатика давление

поверхность уровня

свободная поверхность

пьезометрическая высота

пьезометрический напор

центр давления

гидростатический напор

удельный объем

Литература

[1], С. 32–38, 93–98; [5], С. 15–30; [7], С. 12–14, 29–31.

Занятие № 2

Тема : Основные уравнения гидродинамики.

Цель : Изучить основные законы гидродинамики и получить практические навыки гидравлических расчетов.

План проведения занятия

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

1) внутренняя, внешняя и смешанная задачи гидродинамики;

2) вязкость жидкостей как механизм переноса импульса. Ньютоновские и неньютоновские жидкости;

3) основные уравнения гидродинамики. Гидродинамическое подобие;

4) гидродинамические режимы движения. Структура турбулентного потока жидкости. Основные закономерности ламинарного режима течения;

5) уравнения Бернулли для идеальной и реальной жидкости. Статическое, динамическое и полное давление. «Потерянный» напор»;

6) приборы для измерения скорости и расхода жидкостей;

2 Решение задач: № 1–11, 12, 17, 18, 19, 20 [2].

Подготовка к занятию

1. Проработать конспект лекций и рекомендованную учебную литературу [1, 2, 5, 6].

2. Выучить определения терминов и понятий.

3. Подготовить мотивированные конспекты ответов к тестам практического занятия № 2.

Основные термины и понятия

вязкость

смоченный периметр

эквивалентный диаметр

средняя скорость движения жидкости

материальный баланс потока

объемный расход

массовый расход

живое сечение потока

ламинарный режим

турбулентный режим

пограничный слой

вязкий подслой

масштаб турбулентности

гидродинамический напор

полная удельная энергия жидкости

Литература

[1], С. 49–52, 55–60, 98–103, 112–115; [2], [5], С. 30–56; [6].

Занятие № 3

Тема : Гидравлические сопротивления при движении реальных жидкостей в трубопроводах и аппаратах.

Цель: Получить практические навыки гидравлических расчетов. Показать применение общих методов анализа и расчета процессов химической технологии к изучению равновесия и движения жидкостей.

План проведения занятия

1. Обсуждение следующих тем и вопросов:

1) виды гидравлических сопротивлений и методы их расчета;

2) применение общих подходов к анализу и расчету процессов химической технологии при изучении гидродинамических процессов. Технико-экономические расчеты;

3) расчет диаметров трубопроводов и аппаратов.

2. Решение задач: 1–25, 28, 29, 31 [2]

Подготовка к занятию

1. Проработать конспекты лекций и рекомендованную литературу [1, 5, 6, 7].

2. Знать определения терминов и понятий.

3. Выполнить тестовое задание № 3.

потерянный напор

диссипация энергии

коэффициент гидравлических сопротивлений

гладкое течение

движущая сила гидродинамических процессов

местное сопротивление

эквивалентная длина

зона стабилизации

оптимальная скорость потока

оптимальный диаметр трубопровода

автомодельный режим движения

скоростной напор

Литература

[1], С. 103–108; [5], С. 45–61; [6], С. 31–97 [7].

Занятие № 4

Тема: Гидравлическое сопротивление и структура потоков в аппаратах.

Цель: Изучить модельные представления и закономерности движения потоков в аппаратах. Выявить влияние гидродинамических параметров на протекание процессов переноса.

План проведения занятия

1. Обсуждение вопросов:

1) расход энергии на перемещение жидкостей по трубопроводам и через аппараты;

2) влияние структуры потоков на протекание процессов переноса;

3) математическое описание гидродинамической структуры идеальных и реальных потоков;

4) дифференциальные и интегральные функции распределения времени пребывания частиц в аппарате.

2. Решение задач: 1–36, 37, 54 [2].

Подготовка к занятию

1. Проработать материал, относящийся к занятию, в конспектах лекций и рекомендованной литературе [1, 6].

2. Подготовить мотивированные письменные ответы к тестовому заданию 4.

3. Выучить определения основных терминов и понятий раздела.

Основные термины и понятия

среднее время пребывания частиц в аппарате

продольное перемешивание

поперечное перемешивание

гидравлическое моделирование аппарата

диффузионная модель

параметр диффузионной модели

параметр ячеечной модели

коэффициент продольной диффузии

кривые отклика

интегральная функция распределения времени

модель идеального вытеснения

модель идеального смешения

ячеечная модель потока

однопараметрические модели

Литература

[1], С. 32–33; 79–92, 103–107; [6], С. 94–97, 120–131.

3.8 Лабораторные занятия

Перечень возможных лабораторных работ:

- Определение силы давления жидкости на стенки;

- Изучение режимов движения реальных жидкостей;

- Определение коэффициентов местных сопротивлений и потерь напора на трение;

- Изучение структуры потоков в аппаратах смешения.

Для подготовки и проведения лабораторных работ используются методические указания, в которых указаны основные требования
и обязанности студентов при выполнении этого вида учебных занятий [3].

3.9 Индивидуальное расчетное задание к модулю № 2 (ИРЗ-2)

ИРЗ-2 включает несколько (как правило, 3) задач, темы которых определяются для каждой студенческой группы, исходя из результатов текущего контроля успешности изучения ими различных подразделов модуля.

Задача № 1. Определить абсолютное давление P _а в аппарате по данным таблиц 3.1, 3.2.

Таблица 3.1 – Исходные данные к задаче № 1

Таблица 3.2 – Значения параметров в задаче № 1

Задача № 2. Определить среднюю и максимальную скорости, массовый расход жидкости по показаниям приборов. Исходные данные приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Исходные данные к задаче № 2

Задача № 3. Жидкость в количестве V м³ /с при температуре t °С подается центробежным насосом из открытого резервуара в аппарат, работающий при избыточном давлении P Н/м² и установленный на высоте Н м над уровнем жидкости в заборном резервуаре. Общая длина трубопровода L м, диаметр d мм. На трубопроводе имеется n отводов с отношением R / d = 2 под углом 130° и К задвижек. Трубы шероховатые с высотой выступа шероховатости е мм. Рассчитать потребный напор насоса. Исходные данные к задаче № 3 находятся в таблице 3.4.

Таблица 3.4 – Исходные данные к задаче № 3

Продолжение таблицы 3.4

Задача № 4. Определить гидравлическое сопротивление аппарата по данным таблицы 3.5. Недостающими для расчета данными задаться самим, используя примеры расчета аналогичных аппаратов.

Таблица 3.5 – Данные к задаче № 4

3.10 Самостоятельная работа студентов

Выполняя различные виды самостоятельной работы, важно акцентировать внимание на фундаментальных положениях курса, так как материал модуля базируется на уже известных законах и положениях (таблица 3.6).

Таблица 3.6 – Фундаментальные положения курса и законы гидравлики

Необходимо также анализировать причинно-логические связи в изучаемом материале, выделяя общность в закономерностях, методических подходах к анализу различных явлений. В этом должны помочь математические преобразования, которые должны прорабатываться студентами очень тщательно и подробно, чтобы были ясны постановка задачи, канва вывода, анализ полученного результата. Структурно-логическая схема модуля (см. рисунок 2.1) указывает на наиболее важные для понимания материала раздела Математические преобразования.

Необходимым видом СРС является работа с тестами. Термины и понятия – это язык дисциплины, что и определяет важность изучения их сущности.

3.11 Промежуточный экзамен № 2 (ПЭ № 2)

Применяется автоматизированный контроль – выбор правильного ответа на представленный вопрос. Всего вопросов от 10 до 12.

Необходимыми условиями допуска к ПЭ-2 являются:

1) выполнение плана практических занятий;

2) выполнение и защита:

– лабораторных работ;

– индивидуального расчетного задания;

3) самостоятельная работа.

3.12 Основные понятия и термины

Абсолютный покой – состояние, при котором жидкость неподвижна относительно стенок сосуда, покоящегося относительно Земли.

Автомодельный режим движения – зона, в которой коэффициент потерь на трение практически перестает зависеть от критерия Рейнольдса и определяется лишь шероховатостью стенок труб.

Вязкий подслой – область в турбулентном потоке жидкости, где изменение средней скорости определяется значением кинематической вязкости и практически линейно, как и в ламинарном потоке; при этом n >> n_т .

Вязкость – свойство жидкости сопротивляться сдвигающим усилиям; молекулярный механизм переноса импульса.

Вязкость динамическая характеризует сопротивление жидкости смещению ее слоев и является одним из основных физических свойств жидкости.

Вязкость кинематическая – отношение динамической вязкости к плотности жидкости.

Вязкость турбулентная n _т – вязкость, которая в отличие от молекулярной, зависит от всех параметров, характеризующих турбулентность, в том числе и от осредненной скорости; n_т >>n.

Гидравлическое моделирование аппарата заключается в изучении движения потоков на «холодных» моделях (то есть в отсутствие тепло- и массопереноса), имеющих основные размеры моделируемых аппаратов, но изготовленных из более дешевых материалов. Как правило, эксперименты на таких моделях осуществляют не при рабочих, а при более низких температурах, и не с рабочими, а с более удобными для испытаний веществами (воздух, вода и другие) Применяется для выбора модели аппарата и определения ее параметров (n , Pe_Э ).

Гидродинамический напор – сумма статического, динамического напоров, нивелирной высоты и потерянного напора:

Н = z + р /rg + w² /2g + h п ; полная удельная энергия жидкости, выраженная в метрах столба перемещаемой среды.

Гидростатика – раздел гидравлики, рассматривающий законы равновесия жидкостей в состоянии покоя.

Гидростатический (пьезометрический) напор – (р /rg ) – энергия, приходящаяся на единицу веса жидкости; характеризует удельную потенциальную энергию давления.

Гладкое течение – зона, в которой l зависит лишь от критерия Рейнольдса; вязкий подслой перекрывает выступы шероховатости.

Давление – свойство жидкости, возникающее под действием поверхностных и массовых сил; удельная (приходящаяся на единицу площади) нормальная сила р [Па].

Движущая сила гидродинамического процесса – разность давлений между двумя точками или сечениями аппарата.

Диссипация энергии – переход части энергии в тепло.

Дифференциальная функция распределения времени пребывания частиц в аппарате – зависимость концентрации С от времени t, то есть С (t), при импульсном вводе индикатора.

Диффузионная модель – основой ее является модель идеального вытеснения, осложненная обратным перемешиванием, наличие которого описывается формальным законом диффузии:

= - w + D_L ,

где D _L – коэффициент продольной диффузии.

Живое сечение потока – поверхность, проведенная в потоке нормально к направлению движения элементарных струек.

Жидкость – все вещества, обладающие текучестью при приложении к ним самых незначительных сил сдвига.

Зона стабилизации – зона, в которой ламинарный режим течения наступает не сразу при входе жидкости в трубу, а на расстоянии от входного сечения L _ст . Длина участка стабилизации может быть определена по формуле

L _ст = 0,029 × d × Re.

Идеальная жидкость – жидкость, которая абсолютно несжимаема под действием давления, не изменяет плотности при изменении температуры и не обладает вязкостью.

Изотропная среда – среда, в которой физические свойства в любом направлении проявляются количественно одинаково.

Интегральная функция распределения времени – характеризует долю индикатора, вышедшего из аппарата за время от 0 до произвольного момента t, то есть F (t) при ступенчатом вводе индикатора.

Коэффициент гидравлических сопротивлений показывает, какую часть от скоростного напора, подсчитанного по средней скорости потока, составляют потери на трение для участка трубы длиной l.

Коэффициент продольной диффузии D _L характеризует перемешивание потока в направлении его движения и учитывает молекулярную и турбулентную диффузию, а также неравномерность поля скоростей.

Кривые отклика – график изменения концентрации трассера (индикатора) во времени на выходе из аппарата.

Ламинарный режим – режим, при котором все частицы жидкости перемещаются по параллельным траекториям в направлении движения потока.

Массовые силы – силы, действующие по всему объёму жидкости и приложенные к каждой её частице (силы тяжести и инерции и другие)

Массовый расход – масса жидкости, протекающая через какое-либо сечение потока в единицу времени. [М ] = [w´s ´r] = [кг/с].

Масштаб турбулентности – глубина проникновения вихрей до разрушения (то есть пространственное протяжение элементов турбулентности), которая зависит от степени развития турбулентности в потоке или ее масштаба.

Материальный баланс – баланс, который составляют по закону сохранения массы, согласно которому масса поступающих веществ должна быть равна массе веществ, получаемых в результате проведения процесса, то есть без учета потерь:

SG _н = SG _{к ,}

где SG _н – количество исходного вещества;

SG _к – количество конечных продуктов.

Местные сопротивления – элементы (участки каналов), в которых имеет место резкое или постепенное изменение размеров и конфигурации канала или его направления, вызывающие изменение скорости потока по величине, направлению или по величине и направлению одновременно.

Модель идеального вытеснения (МИВ ) – частицы потока движутся параллельно друг другу с одинаковой скоростью, поперечное и продольное перемешивание частиц отсутствует. Описывается уравнением: ¶с /¶t = - w¶с /¶х .

Модель идеального смешения (МИС) – аппарат, который предполагает постоянство состава (параметра) жидкости во всех точках его рабочего объема; следовательно, такой же состав (параметр) будет иметь жидкость и на выходе из аппарата. Описывается уравнением:

с = е ^{- t}

где t - приведенное время пребывания частиц потока в аппарате.

Объемный расход – объём жидкости, протекающий через
какое-либо сечение потока в единицу времени. [Q ] = [w ´s ] = [м³ /с].

Оптимальная скорость потока – скорость потока в трубах,
которая соответствует минимуму годовых затрат на амортизацию и ремонт трубопровода и его эксплуатацию. В практических расчетах: для жидкости 0,5–3 м/с; для газов 15–20 м/с; для пара 15–25 м/с.

Оптимальный диаметр трубопровода – диаметр, учитывающий противоречивое влияние скорости на величину общих годовых затрат, выбирается на основе технико-экономического расчета, то есть диаметр, который соответствует минимуму общих годовых затрат.

Относительный покой – состояние, при котором жидкость покоится относительно стенок сосуда, движущегося с постоянным ускорением относительно Земли.

Параметр диффузионной модели – критерий Пекле – безразмерный комплекс величин, выражаемый соотношением:

Ре = wl /D _L ,

где D _L –коэффициент продольной диффузии,

l – длина или высота аппарата.

Параметр ячеечной модели – число n таких ячеек, на которые нужно мысленно разбить аппарат, чтобы получить реально достигаемую в нем степень перемешивания потока.

Поверхностные силы – силы, действующие на поверхность жидкости и пропорциональные ей (силы вязкости и давления и другие).

Поверхность уровня – поверхность в объёме жидкости, во всех точках которой одинаковое давление.

Пограничный слой – пристеночная область, в которой происходит переход турбулентного движения в ламинарное.

Полная удельная энергия -( z + р /rg + w² /2g = Н) – сумма удельной потенциальной энергии положения и давления и удельной кинетической энергии.

Поперечное перемешивание – перемешивание происходит по сечению потока.

«Потерянный» напор – часть энергии потока (потенциальной), которая затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений, превращаясь при этом в тепло, которое идет на нагревание потока и теряется в окружающей среде: h _п = h _тр + h _мс

Продольное перемешивание – перемешивание в потоке в направлении его движения, уменьшает движущую силу процесса переноса.

Пьезометрическая высота – высота столба жидкости, уравновешивающего гидростатическое давление в рассматриваемом живом сечении потока: h = P /rg , м.

Пьезометрический напор (напор давления) (р /rg ) – характеризует удельную потенциальную энергию давления, выраженную в метрах столба жидкости.

Свободная поверхность – поверхность раздела жидкости и внешней газообразной среды.

Скоростной (динамический) напор – (w² /2g ) – характеризует удельную кинетическую энергию, выражается в метрах столба движущейся жидкости.

Смоченный периметр – часть периметра поперечного сечения потока, по которому он соприкасается с ограничивающими его поверхностями.

Сплошная среда – среда, в которой не образуется пустот, не заполненных жидкостью.

Среднее время пребывания частиц в аппарате определяется простым соотношением

t_ср = V _а / Q ,

где V _а – объем рабочей зоны аппарата;

Q – объемный расход потока.

Средняя скорость движения жидкости – скорость, с которой должны были бы двигаться все частицы жидкости через рассматриваемое плоское сечение, чтобы расход всего потока был равен расходу, соответствующему действительным скоростям этих частиц:

w = V / F ,

где V – объемный расход, м³ /с;

F – площадь сечения потока, м² .

Турбулентный режим – неупорядоченное движение, при котором отдельные частицы жидкости движутся по замкнутым хаотическим траекториям, в то время как вся масса жидкости перемещается в одном направлении.

Удельный объем – объем, занимаемый единицей массы, или величина, обратная плотности: u = V / m = 1/r.

Центр давления – точка приложения равнодействующей сил давления на стенку.

Эквивалентный диаметр – для любого сечения вычисляется по формуле

d = 4F /П,

где F – площадь живого сечения, м² ;

П – смоченный периметр, м.

Ячеечная модель потока – аппарат, состоящий из ряда последовательно соединенных по ходу потока одинаковых ячеек, в каждой из которых поток идеально перемешан. Описывается уравнением

с = (n /n – 1)t ^{n -1} e ^{- n t} _.

3.13 Тестовые задания к модулю № 2

3.13.1 Тесты к занятию № 1

1. Гидростатика изучает жидкость, находящуюся:

а) в абсолютном покое;

б) в относительном покое;

в) в равновесии.

2. В идеальной капельной жидкости отсутствует:

а) межмолекулярное взаимодействие;

б) движение молекул;

в) давление.

3. Для какой жидкости выведено основное уравнение гидростатики?

а) реальной;

б) идеальной;

в) капельной.

4. Какая сила, действующая на жидкость, находящуюся в покое, не учтена при выводе основного уравнения гидростатики?

а) сила инерции;

б) сила поверхностного натяжения;

в) сила тяжести.

5. Где накапливается двуокись серы SO₂ , выходящая вместе с дымовыми газами из трубы ТЭЦ?

а) у поверхности Земли;

б) в верхних слоях атмосферы;

в) в средних слоях атмосферы.

6. Какая из характеристик жидкости является интенсивной величиной?

а) масса жидкости;

б) объем;

в) плотность;

г) расход.

7. Какое свойство жидкости определяет ее температуру кипения?

а) плотность;

б) удельная теплоемкость;

в) упругость насыщенного пара.

8. У какой из жидкостей больше адгезия?

а) капельной;

б) упругой;

в) идеальной.

9. Какие силы являются причиной возникновения давления в жидкости?

а) силы тяжести;

б) поверхностные силы;

в) внешние силы;

г) внутренние силы.