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
| Рецензент: |
к.т.н., доцент кафедры ТХМ БТИ АлтГТУ И.Н. Павлов |
Денисов, Ю.Н.
| Основные процессы и аппараты химической технологии. В 2-х ч.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии: методические рекомендации к изучению дисциплины и к организации самостоятельной работы студентов для модульно-рейтинговой технологии обучения / Ю.Н. Денисов, Н.А. Орлова, Е.А. Пазников; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2009. – 143 с. |
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
| Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры ТГВ ПАХТ. Протокол № 3 от 24.03.2009 г. |
| © Денисов Ю. Н., Орлова Н.А., Пазников Е.А., 2009 |
||
|
© БТИ АлтГТУ, 2009 |
СОДЕРЖАНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ……………………………………………..…
1.1 Модульно-рейтинговая технология обучения………………… 1.2 Структура рейтинга по курсу ПАХТ………………………...… 1.3 Метод системного подхода к изучению дисциплины……….. 1.4 Индивидуальные расчетные задания………………………….. 1.5 Самостоятельная работа студентов…………………………….. 2
анализа и Расчета процессов и аппаратов химической технологии………………………….………..…. 2.1 Цель обучения…………………………………………….…….. 2.2 Программа модуля № 1……………………………………..….. 2.3 Объем модуля и виды учебных занятий………………………. 2.4 Структурно-логическая схема модуля…………………………. 2.5 План-график изучения модуля…………………………...…….. 2.6 Планы практических занятий……………………………….… 2.7 Самостоятельная работа студентов…………………………… 2.8 Промежуточный экзамен № 1……………………………….… 2.9 Основные понятия и термины……………………………….… 2.10 Письменный опрос……………………………………………… 2.11 Тестовые задания……………………………………………..… 3 Модуль 2.
3.1 Цель обучения…………………………………………………… 3.2 Программа модуля……………………………………………… 3.3 Объем модуля и виды учебных занятий……………………… 3.4 Перечень необходимых средств для выполнения программы модуля………………………………………………………………… 3.5 Структурно-логическая схема модуля………………………… 3.6 План-график изучения модуля………………………………… 3.7 Планы практических занятий…………………………………… 3.8 Лабораторные занятия………………………………………..… 3.9 Индивидуальные расчетные задания………………………...… 3.10 Самостоятельная работа студентов………………………….… 3.11 Промежуточный экзамен № 2………………………………….. 3.12 Основные понятия и термины…………………………..……… 3.13 Тестовые задания…………………………………………..…… 4 Модуль 3.
4.1 Цель обучения…………………………………………………… 4.2 Программа модуля……………………………………………… 4.3 Объем модуля и виды учебных занятий……………………… 4.4 Перечень необходимых средств для выполнения программы модуля……………………………………………............................... 4.5 Структурно-логическая схема модуля…………………………. 4.6 План-график изучения модуля…………………………………. 4.7 Планы практических занятий…………………………………... 4.8 Лабораторные занятия………………………………………….... 4.9 Самостоятельная работа студентов…………………………...... 4.10 Индивидуальные расчетные задания…………………………... 4.11 Промежуточный экзамен № 3…………………………………… 4.12 Задачи для знатоков……………………………………………... 4.13 Основные понятия и определения……………………………… 4.14 Тестовые задания…………………………………………...……. 5 Модуль 4.
5.1 Цель обучения…………………………………………………… 5.2 Программа модуля………………………………………………. 5.3 Объем модуля и виды учебных занятий……………………….. 5.4 Перечень необходимых средств для выполнения программы модуля………………………………………………………………... 5.5 Структурно-логическая схема модуля……………………….... 5.6 План-график изучения модуля…………………………………. 5.7 Планы практических занятий…………………………………… 5.8 Лабораторные занятия…………………………………………... 5.9 Индивидуальные расчетные задания…………………………... 5.10 Самостоятельная работа студентов………………………….…. 5.11 Промежуточный экзамен № 4…………………………………… 5.12 Задачи для знатоков…………………………………………….. 5.13 Основные понятия и термины………………………………..… 5.14 Тестовые задания………………………………………………... Литература
|
5 6 6 8 17 19 21 23 23 23 24 24 29 30 33 34 34 39 42 48 48 48 49 50 50 54 55 59 59 64 64 65 70 79 79 79 80 80 80 84 85 89 89 91 92 93 94 98 108 108 108 109 109 109 113 114 118 118 119 121 121 122 128 141 |
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
| Модуль
|
||||
| Цели и задачи модуля |
Логическая схема модуля |
|||
| Теоретическая часть |
Экспериментальная часть |
Практические задания |
Задания для самоконтроля |
Тест |
| Контроль знаний (ПЭ) |
||||
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
| Вид учебной работы
|
Структура максимальной оценки |
| 1
|
2 |
| 1. Лекции (вес 0,05) |
0 – нет конспектов лекций, пропуски занятий; (+30) – нет пропусков занятий, наличие конспектов лекций, но не в полном объёме; (+50) – конспект лекций в полном объёме, оформлены аккуратно; (+20) – студент проявляет активность на лекциях, конспекты лекций оформлены аккуратно, есть конспекты дополнительной литературы;
итого: 100 баллов
|
| 2. Практические занятия (вес 0,05) |
0 – пропуски занятий, не решены плановые задачи; (+30) – решены плановые задачи; (+50) – решены плановые задачи, составлены конспекты ответов на тестовые задания; (+20) – решение задач у доски, решение нетиповых задач, тетради оформлены в соответствии с требованиями;
итого: 100 баллов
|
Продолжение таблицы 1.2
| 1 |
2 |
| 3. Лабораторные работы (вес 0,03) |
0 – пропущены занятия, не допущен к выполнению работы; (+10) – получен допуск к работе; (+10) – работа выполнена; (+10) – оформлен отчет в соответствии с требованиями; (+70) – работа защищена в срок. При защите работы студент последовательно и систематично излагает её суть, проявляет систематическое мышление, предоставляет источники погрешностей и ошибок, пути их устранения и снижения; итого: 100 баллов
|
| 4. Контрольные работы (вес 0,02) |
0 – студент не явился; (+30) – студент излагает отрывочные сведения информационного характера по теме, однако в рамках темы не может рассуждать логически ; (+30) – располагает системой знаний, знает законы, закономерности, правила, относящиеся к контрольной теме; может проиллюстрировать их простейшими примерами; (+30) – материал излагается вплоть до мелких деталей; (+10) – студент владеет в совершенстве материалом контрольного испытания; указывает места, где можно сомневаться, демонстрирует знакомство с научной литературой; итого: 100 баллов
|
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
| Баллы 5-балль-ной шкалы |
Оценка знаний |
Баллы 100-балльной шкалы |
Семантическое соотношение |
| 1 |
2 |
3 |
4 |
| 1 |
Не аттестован |
0 |
Студент не явился на контрольное испытание, не представил отчет, реферат, проект и т.п. |
| 2- |
Нет знаний |
1–6 |
Понятийный аппарат не усвоен. Студент допускает грубые ошибки, свидетельствующие о полном непонимании темы, раздела, модуля |
| 2 |
Неудовлетворительно |
7–18 |
Разрозненные фрагментарные знания, слабо и частично усвоенный понятийный аппарат |
| 2+ |
Всё ещё не удовлетворительно |
19–24 |
Студент владеет частью необходимого для понимания темы понятийного аппарата. Излагает отрывочные сведения информационного характера по теме, отвечая на меньшую часть вопросов «что?», «где?», «когда?», «сколько?» |
Продолжение таблицы 1.3
| 1 |
2 |
3 |
4 |
| 3- |
Малоудовлетворительно |
25–30 |
Студент излагает большую часть преподанного ему материала, проявляет отдельные успешные попытки к обобщению, но он не может раскрыть связи частей |
| 3 |
Удовлетворительно |
31–43 |
Располагает системой знаний, знает некоторые законы, закономерности, правила, относящиеся к контрольной теме. Может проиллюстрировать их простейшими примерами. Проявляет беспомощность в попытках понимания изложенного из более общих принципов |
| 3+ |
Более чем удовлетворительно |
44–49 |
По сравнению с изложенным в предыдущем разделе, студент демонстрирует отдельные успешные попытки заполнить «бреши», в знаниях логическим подходом, использованием почерпнутого из других дисциплин, жизненных ситуаций. Пытается устанавливать связи с другими разделами дисциплины |
| 4- |
Недостаточно хорошо |
50–55 |
Излагает значительную часть преподанного, демонстрирует умение классифицировать и систематизировать факты; устанавливает причинно-следственные связи, рассуждает логически в рамках темы раздела, модуля, дисциплины. Однако творческая компонента и дедуктивное системное мышление не задействованы |
Продолжение таблицы 1.3
| 1 |
2 |
3 |
4 |
| 4 |
хорошо |
56–58 |
Преподанное излагается вплоть до мелких деталей. Приводит примеры. Однако системное интегративное значение даётся ему с трудом. На этом уровне, как правило, останавливаются те, кто подменяют креативную самостоятельную работу «зубрёжкой» |
| 4+ |
Больше чем хорошо |
69–80 |
В дополнение к предыдущему студент проявляет элементы самостоятельного творческого подхода |
| 5 |
Отлично |
81–91 |
Студент владеет материалом, заявленным ему в качестве контрольного испытания. Последовательно и системно излагает его суть, выделяет концептуальные моменты, подвергает предложенную тему не только глубокому анализу, но и проявляет системное мышление, определяя место темы, вопроса в дисциплине, в науке в целом. С позиции теории даёт толкование ординарным случаям практики, отвечая на вопросы «почему?» |
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
| Модуль |
Контрольные испытания |
Время проведения |
Вес в итоговом рейтинге |
Примечание |
| семестр |
||||
| 1 |
Контрольная работа № 1 |
3 неделя |
0,025 |
2 вопроса по 50 баллов |
| Контрольная работа № 2 |
4 неделя |
0,025 |
термин – 10 баллов, 2 вопроса по 45 баллов |
|
| Защита лаборатор-ной работы № 1 |
4 неделя |
0,04 |
─ |
|
| Экзаменационное задание |
5 неделя |
0,1 |
─ |
|
| 2 |
Опрос по терминам и тестам |
6 неделя |
0,01 |
4 термина по 15 баллов каждый, 2 теста по 20 баллов |
| Защита лаборатор-ной работы № 2 |
8 неделя |
0,03 |
─ |
|
| Выполнение и защита ИРЗ № 1 |
9 неделя |
0,05 |
─ |
|
| Промежуточный экзамен № 2 |
9 неделя |
0,1 |
─ |
|
| 3 |
Контрольная работа по теме занятия |
11 неделя |
0,01 |
1 основной вопрос – 50 баллов, 1 задача – 50 баллов |
| Защита лаборатор-ной работы № 3 |
12 неделя |
0,03 |
─ |
|
| Выполнение и защита ИРЗ № 2 |
13 неделя |
0,05 |
─ |
|
| Промежуточный экзамен № 3 |
13 неделя |
0,1 |
─ |
|
| 4 |
Опрос по терминам и тестам |
15 неделя |
0,01 |
4 термина по 15 баллов, 2 теста по 20 баллов |
| Защита лаборатор-ной работы № 4 |
16 неделя |
0,03 |
─ |
|
| Выполнение и защита ИРЗ № 3 |
17 неделя |
0,05 |
─ |
|
| Промежуточный экзамен № 4 |
17 неделя |
0,1 |
─ |
|
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
| Вид учебной работы |
Всего часов |
| Общая трудоемкость модуля |
24 |
| Аудиторные занятия В том числе: Лекции Практические занятия |
16 |
| 8 |
|
| 8 |
|
| Самостоятельная работа
|
8 |
2.4 Структурно-логическая схема модуля № 1
Технологические процессы различных химических производств представляют собой комбинацию сравнительно небольшого числа типовых (основных) процессов (фильтрование, нагревание, охлаждение, сушка и другие).
Теоретические основы этих процессов, методы их расчета и принципы наиболее рационального аппаратурного оформления составляют предмет и содержание курса процессов и аппаратов химической технологии.
Изучение курса строится на базе методологии системного подхода
, основным понятием которого является «система» – совокупность элементов, находящихся во взаимодействии между собой и окружающим миром. Без понимания этого взаимодействия невозможно понять сущность «системы», которой, по сути, является любой объект природы и общества. Поэтому при анализе химико-технологического процесса особое внимание следует обращать на взаимодействие составляющих его элементов.
В системном анализе курса «Процессы и аппараты химической технологии» первым этапом
изучения является рассмотрение всей дисциплины как единой системы знаний и выявление ее роли в общеинженерной подготовке.
Вторым этапом
изучения является рассмотрение структуры самого курса ПАХТ и иерархии его подсистем.
Дисциплина ПАХТ
включает в себя две подсистемы
одного уровня: теоретическую
, в которой рассматриваются основные закономерности процессов и методы их изучения, и практическую
, в которой рассматриваются типовые процессы с изучением конструкций аппаратов и методов их расчета.
В зависимости от постановки проблем возможны различные классификации
ПАХТ, например:
– по физической сущности процесса
(гидромеханические, тепловые, массообменные);
– способу организации
(периодические, непрерывные и комбинированные).
Протекание процессов
в химических производствах в той или иной мере связано с переносом
различными механизмами какой-либо субстанции
– количества движения (импульса), теплоты, вещества (массы), иногда нескольких субстанций одновременно. Классифицировать механизмы переноса
удобнее всего по уровню, т.е. масштабу, в котором осуществляется элементарный акт переноса. По этому признаку выделяют квантовый, молекулярный и конвективный
механизмы переноса. Необходимо отметить особенность конвективного переноса – его большую мощность. Обычно химико-технологические процессы осуществляются при взаимодействии фаз: контакт между фазами может быть непосредственным (большинство процессов переноса массы) или через разделяющую стенку (большинство процессов переноса энергии-теплоты). Для достижения заданных изменений макроскопических свойств участвующих в процессе веществ на систему оказывают внешнее воздействие, которое приводит к переносу субстанции. Предельным состоянием системы является подвижное равновесие
, которое не приводит к изменению макроскопических свойств участвующих в процессе веществ во времени и пространстве. Таким образом, равновесным называется такое состояние системы, при котором перенос субстанции отсутствует. Все самопроизвольные процессы протекают в направлении достижения равновесия.
Чем в большей степени состояние системы отклоняется от равновесия, тем выше скорость процесса переноса субстанций между фазами вследствие увеличения движущей силы, обусловливающей этот процесс.
Теоретической основой
(рисунок 2.1) всех технологических процессов являются: законы сохранения, равновесия и переноса субстанций
(для химических процессов – еще и законы химической кинетики).
Рисунок 2.1– Структурно-логическая схема модуля «Общие закономерности и принципы анализа и расчета процессов химической технологии»
Полное математическое описание каждого отдельного процесса содержит уравнения балансов массы, энергии, действующих сил, уравнения равновесия системы и скоростей процессов переноса – его кинетики. Общие кинетические закономерности процессов химической технологии формулируются в виде общего закона: скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению.
Величина обратная сопротивлению называется коэффициентом скорости процесса, который в значительной степени зависит от гидродинамических условий протекания процесса. Анализ кинетических закономерностей позволяет оценить условия протекания процесса и определить оптимальные, соответствующие минимальным размерам машин и аппаратов. При этом задача существенно упрощается, если одна из стадий процесса является лимитирующей.
Из общего кинетического закона следует, что основными направлениями интенсификации процессов переноса субстанций являются увеличение движущей силы процесса и снижение сопротивления переносу
. В соответствии с применяемыми для анализа и расчета процессов переноса модельными представлениями сопротивление при переносе субстанций в потоке в поперечном направлении,
в основном, определяется явлениями, протекающими в пограничном слое (гидродинамическом, тепловом, диффузионном), в данном случае перенос субстанций через пограничный слой осуществляется самым медленным механизмом молекулярным, и потому эта стадия является лимитирующей. То есть, те технологические и конструктивные методы, применение которых приводит к уменьшению толщины пограничного слоя, увеличивают и скорость этой стадии, а следовательно, и всего процесса переноса субстанций в целом.
Многие химико-технологические процессы настолько сложны, что не представляется возможным их теоретическое исследование и расчет, основанные на составлении и решении дифференциальных уравнений, полностью описывающих процесс. В подобных случаях для решения таких задач применяют метод моделирования
, заключающийся в создании моделей процесса, их изучении и распространении результатов на оригинал.
Чтобы моделирование
имело смысл, оно должно удовлетворять двум требованиям:
1) исследование на модели должно быть более экономичным
(в широком смысле), чем непосредственно исследование на оригинале;
2) моделирование должно быть традуктивным,
т.е. должны быть известны условия, при которых оно дает результаты, пригодные для распространения на оригинал, и то, как осуществлять это распространение. Разные способы моделирования – это, в некотором смысле, разные типы традукции
Моделирование можно осуществлять двумя основными методами: а) методом обобщенных переменных или методом теории подобия (физическое моделирование) и б) методом численного эксперимента (математическое моделирование). Принципиального различия между этими методами нет, поскольку оба они в большей или меньшей степени основаны на экспериментальных данных и различаются лишь подходом к их обработке и анализу.
Следует обратить внимание на то, что и в том, и в другом методе в ходе анализа химико-технологических процессов применяется понятие (модель) о сплошных
средах, что позволяет пользоваться математическим аппаратом непрерывных функций, прежде всего, дифференциальным и интегральным исчислением.
Аналогия процессов переноса импульса, тепла и вещества, общность закономерностей определяют общие подходы к анализу и расчету
процессов и аппаратов химической технологии, задачами которых являются:
1) при заданных расходах исходных материалов определить количество получаемых продуктов и энергию, необходимую для проведения процесса;
2) определить условия равновесного (предельного) состояния системы;
3) определить оптимальные режимы работы аппаратов;
4) рассчитать основные размеры аппаратов, работающих в оптимальных условиях.
Следует обратить особое внимание на то, что при изучении всех перечисленных процессов используют однотипные дифференциальные уравнения и однотипный математический аппарат: дифференциальные уравнения, полученные теоретическим путем, на основе теории подобия преобразуются в критериальные уравнения, которые приводят по экспериментальным данным к расчетному виду. По критериальным уравнениям определяют коэффициенты скоростей процессов, используемые в дальнейшем для расчета рабочего объема или площади поверхности аппаратов.
В конечном счете, целью моделирования химико-технологического процесса является его наилучшая реализация, его оптимизация
. Формулировка задачи оптимизации включает, в частности, выбор критерия оптимальности
, который должен удовлетворить трем требованиям: быть единственным; выражаться числом; его величина должна монотонно изменяться при улучшении качества функционирования системы. Часто используют экономические критерии оптимальности, например, прибыль, себестоимость, рентабельность. Применяют также технологические критерии (производительность, чистота продукта, выход продукта), которые, в конечном счете, связаны с экономикой: чем больше производительность, тем выше будет прибыль. Наряду с выбором критерия оптимальности при формулировке задачи оптимизации необходимо установить ограничения
(условия, которые необходимо соблюдать независимо от того, как это влияет на величину критерия оптимальности: по количеству и качеству сырья, условиям технологии, по соображениям охраны труда и другие), выбрать оптимизирующие факторы
и целевую функцию.
2.5 План-график изучения модуля № 1
| Неделя |
№ лекции |
Тема лекции |
Тема практического (семинарского) занятия |
Самостоятельная работа студентов |
| 1 |
1 |
Предмет и задачи курса. Структурно-логическая схема дисциплины. Явления переноса в химико-технологических процессах. Классификация основных процессов химической технологии |
||
| 2 |
2 |
Фундаментальные законы дисциплины: законы сохранения, равновесия, переноса субстанций, единый кинетический закон |
Предмет, задачи и структурно-логическая схема курса |
Работа с тестами, конспектирование литературы, подготовка к занятию |
| 3 |
3 |
Дифференциальные уравнения переноса импульса, тепла, массы. Аналогия процессов переноса. Общие принципы расчета процессов ХТ. Лимитирующие стадии процессов. Интенсификация процессов ХТ |
Общие закономерности основных процессов ХТ |
Подготовка к занятию и письменному опросу |
| 4 |
4 |
Методы исследования процессов и аппаратов ХТ. Физическое и математическое моделирование. Технико-экономическая оценка эффективности ХТП |
Основные принципы анализа и расчета процессов и аппаратов ХТ |
Подготовка к занятию и письменному опросу |
| 5 |
5 |
Консультации |
||
| Промежуточный экзамен № 1 |
||||
2.6 Планы практических занятий
Занятие № 1
Тема
: Предмет, задачи и структурно-логическая схема курса ПАХТ.
Цель
: Выйти на понимание курса ПАХТ как системы знаний в области химической технологии.
План проведения занятия
1. Знакомство с методикой изучения курса и проведения практических занятий.
2. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) предмет и задачи курса ПАХТ;
2) основные характеристики (свойства) рабочих тел. Размерности;
3) классификация процессов ХТ;
4) непрерывные и периодические процессы, их характеристики и области рационального применения в химической промышленности;
5) структурно-логическая схема курса ПАХТ.
3. Практическая часть занятия:
1) знакомство с учебником [4];
2) решение задач 1.1–1.9; 5.8 [4].
Подготовка к занятию
1. Изучить материал занятия в учебнике [1, С. 10–17] и в конспекте лекций.
2. Подготовить письменные ответы к тестовому заданию.
3. Выучить значения основных терминов и определений.
Основные термины и определения
технология
химическая технология
процесс
основные (элементарные) процессы ХТ
периодические процессы
стационарные и нестационарные процессы
гидромеханические процессы
тепловые процессы
массообменные процессы
Занятие № 2
Тема:
Общие закономерности основных процессов ХТ.
Цель
: Выйти на понимание общности физико-химических закономерностей основных процессов ХТ.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) основные процессы химической технологии, их место и значение в производстве различных веществ;
2) перенос субстанций в химической технологии;
3) общие подходы к анализу процессов переноса:
а) законы сохранения и уравнения балансов;
б) законы равновесия. Направление и движущая сила процессов переноса субстанций;
в) законы переноса субстанций. Лимитирующая стадия процессов;
г) единая кинетическая закономерность процессов переноса субстанций;
д) аналогия процессов переноса субстанций.
2. Письменный опрос по теме занятия.
План подготовки к занятию
1. Изучить материал занятия в рекомендованной литературе [1, С. 9–32, 45–49] и подготовиться к обсуждению указанных в пункте 1 тем.
2. Выучить значения основных терминов и понятий.
3. Подготовить мотивированные письменные ответы на тестовые задания.
Основные термины и определения
квантовый механизм переноса
молекулярный механизм переноса
конвективный механизм переноса
потенциал переноса субстанций
равновесие
скорость процессов переноса субстанций
лимитирующая стадия процессов
экстенсивная величина
интенсивная величина
поля скоростей, температур, концентраций
основное уравнение переноса субстанций
Занятие № 3
Тема:
Основные принципы анализа и расчета процессов химической технологии.
Цель:
Получить навыки применения общих подходов к анализу и расчету основных процессов ХТ.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) методы исследования процессов и аппаратов ХТ;
2) физическое моделирование;
3) математическое моделирование;
4) общие принципы расчета процессов и аппаратов ХТ;
5) оптимизация технологических процессов.
2. Решение задач:
1) 1–39 [4].
2) Подобие процессов естественной конвекции при теплопередаче к жидкости определяется критерием Грасгофа .
Установите условия подобия при моделировании процесса нагревания воды, температура которой близка к комнатной (нагрев ведется снизу), если мы хотим иметь модель в 10 раз меньшую, чем оригинал.
3. Письменный опрос.
Подготовка к занятию
1. Изучить учебный материал к занятию [1, С. 62–79; 2, С. 16–20; 3, С. 9–37, 244–253].
2. Выучить определения основных терминов и понятий.
3. Подготовить письменные мотивированные ответы на тестовые задания.
Основные термины и понятия
модели
физическое моделирование
математическое моделирование
условия однозначности
константы подобия
инварианты подобия
симплексы подобия
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 ср
– теплоемкость среды;
[ср
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?
| а) q
|
q
|
q
|
| б) q
|
q
|
q
|
| в) q
|
q
|
q
|
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
| Вид учебной работы |
Всего часов |
| Общая трудоемкость модуля |
40 |
| Аудиторные занятия В том числе: Лекции Практические занятия Лабораторные занятия |
28 |
| 8 |
|
| 8 |
|
| 12 |
|
| Самостоятельная работа В том числе: Индивидуальные расчетные задания Другие виды самостоятельной работы (подготов- ка к занятиям, конспектирование литературы) |
13 |
| 3 |
|
| 10 |
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 РeЭ
), 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
| Неделя |
№ лекции |
Краткое содержание лекции |
Тема практического занятия |
Название лабораторной работы |
Самостоятельная работа студентов |
| 1 |
1 |
Предмет гидравлики. Представление о жидкостях как о сплошных средах. Основные свойства жидкостей. Гидростатика. Дифференциальные уравнения равновесия и распределение давления в покоящейся среде. Закон Паскаля. Сила давления жидкости на ограничивающие поверхности |
1. Основные понятия и определения гидравлики. Гидростатика |
1. Определение силы давления жидкости на стенки. 2. Изучение режимов движения реальной жидкости |
1. Подготовка к занятиям. 2. Изучить тему «Практическое приложение закона Паскаля» |
| 2 |
2 |
Гидродинамика. Режимы движения жидкости и их основные закономерности. Основные уравнения гидродинамики. Гидродинамическое подобие |
2. Основные уравнения гидродинамики |
1. Подготовка к занятию. 2. Повторить тему «Законы переноса» |
|
| 3 |
3 |
Течение в трубах и каналах. Уравнение Бернулли для идеальной и реальной жидкостей. Определение расходов при истечении жидкостей через отверстия и насадки. Гидравлические сопротивления при течении жидкостей |
3. Гидравлические сопротивления при движении реальных жидкостей |
1. Определение потерь напора на трение и местные сопротивления. 2. Изучение структуры потоков в аппарате |
1. Подготовка к занятию. 2. Изучить тему «Практическое приложение уравнения Бернулли» |
| 4 |
4 |
Расчет потребного напора для перемещения жидкостей. Проектный расчет диаметра трубопроводов и аппаратов. Оптимальные скорости потоков. Структура потоков и распределение времени пребывания частиц в аппаратах |
Гидравлические расчеты и структура потоков в аппаратах |
1. Подготовка к занятию. 2. Выполнение ИРЗ-1 |
|
| 5 |
5 |
Консультации |
|||
| Промежуточный экзамен 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
| Первая цифра варианта |
Рисунок к задаче |
||
| 0 |
|
||
| 1 |
Н h |
||
| 2 |
Жидкость |
||
| 3 |
|||
| 4 |
|||
| 5 |
|||
| 6 |
Ратм
|
||
| 7 |
|||
| 8 |
Рм h |
||
| 9 |
|||
Таблица 3.2 – Значения параметров в задаче № 1
| Вторая цифра варианта |
Жидкость в аппарате (“Ж”). |
Температура, 0
|
Н
|
h
(мм рт. ст.) |
Показания манометра Р
|
Атмосферное давление, Р
|
| 0 |
Аммиак |
10 |
1 |
100 |
1,5 |
735 |
| 1 |
Сероуглерод |
15 |
1,5 |
200 |
1,2 |
740 |
| 2 |
Глицерин 100 % |
45 |
2 |
150 |
1,1 |
745 |
| 3 |
Кальций хлористый, 20 % |
25 |
2,5 |
250 |
1,3 |
750 |
| 4 |
Олеум 20 % |
20 |
3 |
300 |
1,4 |
760 |
| 5 |
Соляная кислота |
30 |
0,5 |
400 |
2 |
755 |
| 6 |
Толуол |
40 |
3,5 |
450 |
3 |
733 |
| 7 |
Уксусная кислота, 50 % |
30 |
4 |
500 |
1,8 |
749 |
| 8 |
Метиловый спирт, 100 % |
40 |
5 |
50 |
1,9 |
736 |
| 9 |
Бензол |
60 |
4,5 |
170 |
1,7 |
765 |
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
| Первая цифра
варианта
|
Прибор |
Определяющий размер прибора, d
|
Вторая цифра
варианта
|
Диаметр трубопровода d
|
Показания диф. манометра, Р
|
Жидкость |
Температура, t 0
|
| 0 |
Труба Вентури |
35 |
9 |
85´5 |
2 |
соляная кислота 30 % |
45 |
| 1 |
Трубка Пито |
– |
0 |
108´4 |
10 |
ацетон |
40 |
| 2 |
Диафрагма с острыми краями |
30 |
1 |
76´3 |
5 |
бензол |
20 |
| 3 |
Труба Вентури |
30 |
2 |
128´6 |
15 |
толуол |
10 |
| 4 |
Диафрагма с закругленными краями |
50 |
3 |
89´4 |
7 |
хлороформ |
60 |
| 5 |
Трубка Пито |
– |
4 |
159´4,5 |
8 |
четырех-хлорис- тый углерод |
70 |
| 6 |
Труба Вентури |
25 |
5 |
102´6 |
6 |
хлорбензол |
50 |
| 7 |
Диафрагма |
40 |
6 |
57´3 |
12 |
натр едкий 50 % |
30 |
| 8 |
Диафрагма с закругленными краями |
25 |
7 |
160´5 |
14 |
метиловый спирт 100 % |
25 |
| 9 |
Трубка Пито |
_ |
8 |
76´4 |
4 |
этиловый спирт 40 % |
35 |
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
| Первая цифра варианта |
Температура, ºС |
Жидкость |
Высота Н
|
Избыточное давление Р
|
Диаметр трубы d
|
Количество отводов n
|
| 1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
| 1 |
25 |
Вода |
20 |
0,2 |
76´3,5 |
3 |
| 2 |
30 |
Толуол |
15 |
0,5 |
89´3,5 |
5 |
| 3 |
10 |
Бензол |
12 |
1,5 |
133´4 |
6 |
| 4 |
45 |
Ацетон |
18 |
0,6 |
184´5 |
7 |
| 5 |
60 |
Диэтиловый эфир |
30 |
0,8 |
83´3,5 |
8 |
| 6 |
12 |
Натр хлористый 20 % |
40 |
0,4 |
57´3 |
9 |
| 7 |
27 |
Гексан |
15 |
1,2 |
108´4 |
10 |
| 8 |
55 |
Спирт изопропиловый |
5 |
1,6 |
146´4 |
9 |
| 9 |
0 |
Сероуглерод |
10 |
1,8 |
76´3,5 |
7 |
| 0 |
15 |
Хлороформ |
18 |
2,0 |
76´3,5 |
0 |
Продолжение таблицы 3.4
| Вторая цифра варианта |
Расход V
|
Длина труб L
|
Количество задвижек К
|
Шероховатость е
|
| 8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
| 1 |
0,007 |
100 |
5 |
0,2 |
| 2 |
0,011 |
60 |
4 |
0,15 |
| 3 |
0,025 |
45 |
3 |
0,11 |
| 4 |
0,056 |
80 |
2 |
0,31 |
| 5 |
0,022 |
50 |
1 |
0,41 |
| 6 |
0,013 |
75 |
2 |
0,10 |
| 7 |
0,014 |
95 |
3 |
0,25 |
| 8 |
0,0085 |
115 |
4 |
0,35 |
| 9 |
0,036 |
120 |
5 |
0,45 |
| 10 |
0,04 |
111 |
3 |
0,13 |
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
| Первая цифра варианта |
Тип аппарата, установки |
Характеристика аппарата |
Вторая цифра варианта |
Расход потоков и их свойства |
|
| первый поток /вода, раствор*
|
второй поток /пар*
|
||||
| 0 |
Кожухо-трубчатый теплообменник |
Кожух – 426´12 мм; Диаметр труб 18´2 мм; Число труб 187; Длина 2 м; Диаметр входного и выходного штуцера 250 мм |
0 |
3000, t
*
|
3000, t
*
|
| 1 |
Выпарной аппарат |
Диаметр греющей камеры 1200 мм; Диаметр труб – 38´2 мм; Длина труб – 4000 мм; Диаметр сепаратор – 2400 мм Диаметр циркуляционной трубы 700 мм |
1 |
1000, t
*
|
3200, t
*
|
| 2 |
Абсорбер трубчатый пленочный |
Диаметр трубок – 25´2,5 мм; Длина трубок – 3 м; Число трубок 150 |
2 |
1500, t
*
|
3400, t
*
|
| 3 |
Абсорбер насадочный (регулярная насадка) |
Насадка: кольца Рашига 50´50´5 мм; Высота насадки 100 м; Диаметр абсорбера 3,8 м |
3 |
2000, t
*
|
3600, t
*
|
| 4 |
Абсорбер с колпачковыми тарелками |
Диаметр абсорбера 0,4 м; Число тарелок 50; Тип тарелок ТСК-1; h
|
4 |
2300, t
*
|
3800, t
*
|
| 5 |
Абсорбер с ситчатыми тарелками |
Диаметр абсорбера 0,6 м; Число тарелок 50; Тип тарелок ТС; h
|
5 |
2500, t=40 o
*
|
3900, t=80 o
*
|
| 6 |
Теплообменник типа «труба в трубе» |
Диаметр труб 48´4 мм и 89´5мм Число труб в одном аппарате 10; Длина труб – 3 м |
6 |
2700, t
*
|
4000, t
*
|
| 7 |
Пластинчатый теплообменник |
F
Тип пластины 0,5 м |
7 |
1200, t
*
|
4100, t
*
|
| 8 |
Змеевиковый теплообменник |
Диаметр трубы 40´2,5 мм; Диаметр витка 600мм; Число витков 6 |
8 |
2900, t
*
|
4200, t
*
|
| 9 |
Абсорбер насадочный (в навал) |
Насадка: кольца Рашига 50´50´5 мм Высота насадки 100 мм; Диаметр абсорбера 0,6 м |
9 |
3200, t
*
|
4400, t
*
|
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
| Фундаментальные законы, положения курса |
Основы гидравлики |
| Законы сохранения субстанции Общее балансовое соотношение |
1. Уравнение постоянства расхода, материальный баланс потока. 2. Уравнение Бернулли (энергетический баланс потока) |
| Законы равновесия |
Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера |
| Законы переноса субстанций. Механизм переноса субстанций |
Уравнение Навье–Стокса. Вязкость – молекулярный механизм переноса импульса |
| Методы анализа и моделирования процессов |
Модели сплошной среды, идеальной жидкости, аппаратов идеального вытеснения и смешения. Гидродинамическое подобие |
| Технико-экономическая оптимизация при проектировании и расчете аппаратов |
Выбор оптимальных скоростей потока (технико-экономический расчет трубопровода) |
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 >> nт
.
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; nт
>>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
, PeЭ
).
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
+
DL
,
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 годо
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
tср
= 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.
10. В аппаратах А, В и С давление измерялось соответственно барометром, манометром и вакуумметром. Показания приборов одинаковое и равно 0,8 атм. В каком из аппаратов самое высокое давление?
а) А;
б) В;
в) С.
11. Форма поверхности уровня в жидкости, находящейся в покое, зависит:
а) от вида покоя;
б) от внешнего давления;
в) от плотности жидкости.
12. Поверхность уровня – это такая поверхность в жидкости, находящейся в покое, в которой:
а) все точки равноудалены от дна сосуда;
б) все точки равноудалены от поверхности жидкости;
в) во всех точках одинаковое давление.
13. Приняты следующие обозначения: А – полное давление в точке «а» в объеме жидкости, находящейся в равновесии; В – внешнее давление; С – атмосферное давление; Д – избыточное давление; Е – давление самой жидкости в точке «а». Какая из приведенных зависимостей соответствует закону Паскаля:
а) А=В+Д;
б) А=С+Е;
в) А=В+Е.
14. В уравнении, выражающем закон Паскаля, р = р0
+
rgh
, что означает h
?
а) расстояние от рассматриваемой точки до дна сосуда;
б) расстояние от поверхности жидкости до центра тяжести смоченной стенки;
в) расстояние от поверхности жидкости до данной точки.
15. Могут ли совпадать центр давления и центр тяжести при определении силы давления на ограничивающие ее поверхности:
а) да;
б) нет;
в) не знаю.
3.13.2 Тесты к занятию № 2
1. Чему равен эквивалентный диаметр потока, наполовину заполнившего круглую трубу диаметром d
?
а)
d
/2;
б)
d
/4;
в)
d
.
2. Какой механизм переноса импульса характеризует вязкость?
а) квантовый;
б) молекулярный;
в) конвективный.
3. С повышением температуры динамическая вязкость газов:
а) не изменяется;
б) уменьшается;
в) увеличивается.
4. В чем измеряется кинематическая вязкость жидкостей?
а) Па с;
б) м2
/с;
в) м/с2
;
г) пуаз (П).
5. Каким механизмом переносится импульс в ядре турбулентного потока жидкости?
а) молекулярным;
б) конвективным;
в) молекулярным и конвективным одновременно.
6. Какой механизм лимитирует перенос импульса в ядре турбулентного потока жидкости?
а) квантовый;
б) молекулярный;
в) конвективный.
7. Каким механизмом переносится импульс через пограничный слой при турбулентном режиме движения жидкостей?
а) молекулярным;
б) конвективным;
в) молекулярным и конвективным одновременно.
8. Условная толщина пограничного слоя жидкости при турбулентном режиме движения с повышением ее температуры:
а) не изменится;
б) увеличится;
в) уменьшится.
9. Соотношение каких сил, действующих на жидкость, определяет условную толщину пограничного слоя в турбулентном потоке?
а) сил инерции и трения;
б) сил трения и давления;
в) сил давления и инерции.
10. Какая из указанных ниже схем соответствует элементарному параллелепипеду, выделенному в верхней части потока реальной жидкости? Стрелками указано направление действия силы трения на верхнюю и нижнюю грани параллелепипеда.
а)
б)
в)
г)
11. Какое из представленных уравнений является интегральным уравнением неразрывности потока установившегося движения для газа?
а
)
div w =
0;
б
) w∙
ρ∙S = const;
в)
w
∙
S
=
cons
.
12. Какое из представленных уравнений является материальным балансом установившегося потока несжимаемой жидкости?
а
)
div w =
0;
б)
w
∙
ρ∙
S
=
const
;
в)
w
∙
S
=
const
.
13. Какое из критериальных уравнений соответствует установившемуся движению жидкости самотеком в вертикальной трубе?
а
)
Eu = f(
Fr, Re, Ho, l/d);
б
)
Eu = f(
Re, Ho, l/d);
в
)
Eu = f(
Re, l/d);
г
)
Eu = f(
Fr, l/d);
д
)
Eu = f(
Fr, Re, l/d).
14. Какое из критериальных уравнений соответствует установившемуся принудительному движению жидкости в горизонтальных трубах?
а
)
Eu = f(
Fr, Re, Ho, l/d);
б
)
Eu = f(
Re, Ho, l/d);
в
)
Eu = f(
Re, l/d);
г
)
Eu = f(
Fr, l/d);
д
)
Eu = f(
Fr, Re, l/d).
15. Какие превращения энергии идеальной жидкости происходят при сужении потока?
а) потенциальной в тепловую;
б) потенциальной в кинетическую;
в) кинетической в потенциальную.
16. Какие превращения энергии происходят всегда при движении реальной жидкости?
а) потенциальной в тепловую;
б) потенциальной в кинетическую;
в) кинетической в потенциальную.
17. Как изменяются скорость и давление реальной жидкости в направлении ее движения по трубопроводу постоянного сечения при постоянном расходе?
а) скорость увеличивается, давление падает;
б) скорость уменьшается, давление не изменяется;
в) скорость не изменяется, давление падает.
18. Как изменяются скорость и давление газа в направлении его движения по трубопроводу постоянного сечения при постоянном расходе?
а) скорость увеличивается, давление падает;
б) скорость уменьшается, давление не изменяется;
в) скорость не изменяется, давление падает.
19. Температура реальной жидкости (газа) при движении в идеально изолированной трубе:
а) остается неизменной;
б) уменьшается;
в) повышается.
20. Дроссельные приборы измеряют перепад давлений до и после устройства, по которому, используя уравнение Бернулли, определяют расход (или скорость жидкости). Какова причина возникающего перепада давлений?
1) в трубке Пито-Прандтля?
а) местное сопротивление;
б) изменение сечения потока;
в) разность между полным и статическим давлением.
2) в мерной диафрагме?
а) местное сопротивление;
б) изменение сечения потока;
в) разность между полным и статическим давлением
3) в трубе Вентури?
а) местные сопротивления;
б) изменение сечения потока;
в) разность между полным и статическим давлением.
3.13.3 Тесты к занятию № 3
1. При движении реальной жидкости часть ее потенциальной энергии затрачивается на преодоление сил:
а) инерции и давления;
б) инерции и трения;
в) трения и тяжести;
г) давления и тяжести.
2. Понятие «гидравлически гладкие» трубы относятся к…
а) жидкости;
б) трубам;
в) к режиму движения.
3. В «гидравлически гладких» трубах:
а) нет шероховатости труб;
б) ламинарный режим движения;
в) шероховатость стенок меньше толщины пограничного слоя жидкости;
г) турбулентный режим движения.
4. Коэффициент потерь на трение l в области «гладкого» течения не зависит от:
а) вязкости;
б) критерия
Re;
в) шероховатости.
5. В автомодельном режиме движения коэффициент потерь на трение l не зависит от:
а) вязкости;
б) критерия
Re;
в) шероховатости.
6. По какому из ниже перечисленных уравнений определяется коэффициент гидравлического сопротивления l при ламинарном изотермическом движении жидкости в круглых трубах:
а)
l=
; б)
l=
; в)
l=
; г)
l=.
7. При нагревании протекающей в трубе жидкости коэффициент гидравлического сопротивления l по длине трубопровода:
а) уменьшается;
б) увеличивается;
г) не изменяется.
8. При каком общем условии справедливы следующие уравнения для расчета коэффициента внешнего трения l=; l=?
а) в ламинарном режиме;
б) в турбулентном режиме;
г) в «гладком» течении;
г) в изотермическом течении.
9. При каком течении жидкости в трубах потери на трение в большей степени зависят от средней скорости потока?
а) ламинарном;
б) зона автомодельности при турбулентном режиме;
в) «гладком».
10. По какому из уравнений определяется расход энергии на перемещение жидкости по прямому трубопроводу постоянного сечения?
а) Н=
h
ск
+
h
тр
+
h
мс
+
h
доп
+
h
под
;
б) Н=
h
ск
+
h
тр
+
h
мс
;
в) Н=
h
тр
+
h
мс
;
г) Н=
h
тр
;
д) Н=
h
мс.
11. В уравнении для определения диаметра трубопровода,
м,
где V
– объемный расход, м3
/с, w
– скорость – какая?
а) средняя;
б) истинная;
в) оптимальная.
12. Оптимальный диаметр трубопровода d
:
а) наименьший;
б) с минимальными капитальными затратами К на его изготовление;
с) с минимальными эксплуатационными затратами Э;
г) отвечает условию
d
З/
d
(
d
)=
0, где З=К+Э – общие годовые затраты.
3.13.4 Тесты к занятию № 4
1. Какое из явлений влияет на степень неравномерности времени пребывания частиц в аппарате?
а) поперечное перемешивание;
б) продольное перемешивание;
в) продольное и поперечное перемешивание.
2. Какое из явлений уменьшает величину движущей силы процессов переноса?
а) поперечное перемешивание;
б) продольное перемешивание;
в) продольное и поперечное перемешивание.
3. Какой модели потоков соответствует максимальная движущая сила процессов переноса?
а) идеального вытеснения; б) идеального смешения;
в) ячеечной модели потока; г) диффузионной модели.
4. Какое из уравнений описывает модель идеального вытеснения?
а) б) в)
г)
5. Что общего у потоков идеального смешения и вытеснения?
а) распределение времени пребывания частиц в аппарате;
б) поле скоростей;
в) поле температур;
г) поле концентраций;
д) предельная равномерность отдельных характеристик потока.
6. С увеличением числа аппаратов n в ячеечной модели потока его структура приближается к модели:
а) идеального вытеснения;
б) идеального смешения;
в) диффузионной модели.
7. Дифференциальная функция распределения С
(t) времени пребывания частиц в аппарате – это:
а) дисперсия времени пребывания;
б) максимальное ожидание времени пребывания
t;
в) плотность вероятности времени
t.
8. Если эффективный критерий Пекле РеЭ
равен нулю, то поток соответствует модели:
а) идеального вытеснения;
б) идеального смешения;
в) ячеечной модели потока;
г) диффузионной модели.
9. Ячеечная и диффузионная модели в предельных состояниях соответствуют модели идеального вытеснения, если:
а)
n
®
¥, РеЭ
=
0;
б)
n
=
1, РеЭ
®
¥;
в)
n
®
¥, РеЭ
®
¥;
г)
n
=
1,
РеЭ
=
0.
4 МОДУЛЬ 3. ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
4.1 Цель обучения модуля № 3
Изучить основные закономерности процессов переноса тепла, выйти на понимание общности переноса тепла с другими процессами переноса, усвоить общие подходы анализа и расчета процессов переноса тепла и получить практические навыки тепловых расчетов аппаратов.
4.2 Программа модуля № 3
Общие сведения.
Основные понятия и определения. Виды тепловых процессов. Движущая сила. Температурное поле, градиент температур. Стационарный и нестационарный перенос тепла. Три способа распространения тепла. Тепловой баланс как частный случай энергетического баланса.
Теплопроводность.
Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности: физический смысл, единицы измерения. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности: физический смысл, единицы измерения. Теплопроводность плоской, цилиндрической*, однослойной и многослойной стенок*.
Тепловое излучение
: роль теплового излучения в химической технологии, законы Стефана–Больцмана и Кирхгофа. Излучение веществ в конденсированном и газообразном состояниях.
Конвективный перенос тепла
. Механизмы продольного и поперечного конвективного переноса в ламинарном и турбулентном потоках. Температурный пограничный слой; взаимосвязь профилей температуры и скоростей в потоках. Закон теплоотдачи Ньютона. Коэффициент теплоотдачи: физический смысл, единицы измерения. Дифференциальное уравнение стационарного и нестационарного конвективного переноса тепла в потоке.
Тепловое подобие. Критерии теплового подобия. Критериальное уравнение конвективного теплообмена.
Теплоотдача при изменении агрегатного состояния
(конденсация пара, кипение жидкостей).
Теплоотдача при свободном и вынужденном движении
. Теплоотдача в аппаратах с мешалкой.
Теплопередача.
Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи: физический смысл, единицы измерения. Термические сопротивления: определяющее значение термического сопротивления. Лимитирующая стадия. Движущая сила процесса, средний температурный напор. Выбор взаимного направления теплоносителей. Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей*. Нестационарный процесс переноса теплоты.
Математическое моделирование процессов переноса тепла в теплообменниках. Блок-схема расчета тепловых процессов. Методы интенсификации теплообмена.
4.3 Объем модуля и виды учебных занятий
| Вид учебной работы
|
Всего часов |
| Общая трудоемкость модуля |
50 |
| Аудиторные занятия
В том числе: – лекции – практические занятия – лабораторные занятия |
32 |
| 10 |
|
| 10 |
|
| 12 |
|
| Самостоятельная работа студентов
В том числе: – выполнение индивидуального расчетного задания – другие виды СРС (подготовка к занятиям, до-кладам, сообщениям, конспектирование литературы) |
18 |
| 4 |
|
| 14 |
4.4 Перечень необходимых средств для выполнения
программы модуля
– Учебники [1, 2, 3, 4].
– Лабораторные установки (см. раздел «Лабораторные занятия»).
– ЭВМ с программным обеспечением.
4.5 Структурно-логическая схема модуля № 3
Для всякого химического производства, прямо или косвенно, температура является одним из решающих технологических или экономических факторов:
– движущей силой химико-технологических процессов является «свободная» энергия реагирующих веществ, которая есть функция температуры, поэтому управление химическими машинами сводится, прежде всего, к сообщению или отводу тепла для создания в аппарате требуемого температурного режима;
– экономика любого производства заставляет задуматься над вопросами теплопереноса: в химических производствах тепловая энергия составляет в среднем от15 до 20 % себестоимости продукта.
Поэтому с точки зрения рационального использования теплоэнергетических и сырьевых ресурсов значение тепловых процессов очень велико.
На рисунке 4.1 представлена структурно-логическая схема изучения основ теплопередачи.
Рассматриваются следующие стороны процесса: законы сохранения энергии и массы, движущая сила и кинетика процесса.
Законы сохранения энергии и массы позволяют определить расходы теплоносителей и энергии для проведения теплообмена, а также температуру теплоносителей; агрегатное состояние теплоносителей оказывает влияние на определение средней движущей силы процесса.
Кинетика определяет скорость теплообмена
, характеризуемую коэффициентами теплоотдачи и тепловой проводимостью стенки, на основе которых рассчитывается коэффициент теплопередачи
.
Совместное рассмотрение всех сторон процесса дает возможность определить и поверхность теплообмена
.
Схема наглядно показывает влияние отдельных факторов, характеризующих процесс, и их связь в расчете теплообмена. Определяющим звеном схемы и основной целью расчета является определение поверхности нагрева
.
Более подробный анализ кинетики процесса и механизма теплообмена приведен на рисунке 4.2. Здесь показаны три основных способа передачи тепла (1)–(3): тепловое излучение, теплопроводность и конвекция, а также уравнения (4)–(8), описывающие эти процессы.
Путем подобного преобразования дифференциальных уравнений (5), (6), (8) находят критерии подобия (10). С учетом гидродинамического и геометрического подобия получают обобщенное критериальное уравнение конвективного теплообмена (11), которое позволяет определить коэффициенты теплоотдачи (12) для обоих теплоносителей и рассчитывать коэффициенты теплопередачи (13) из условия аддитивности частных сопротивлений теплопередаче.
При сложной теплопередаче учитывается передача тепла излучением (9); в этом случае вводится общий коэффициент теплоотдачи (14), равный сумме коэффициентов теплоотдачи при конвекции (12) и излучении (9).
II
Рисунок 4.1 – Структурно-логическая схема модуля № 3
|
Рисунок 4.2 – Механизм теплообмена
4.6 План-график изучения модуля № 3
| Неделя |
№ лекций |
Краткое содержание лекции |
Тема практического занятия |
Название лабораторной работы |
Самостоятельная работа студентов |
| 1 |
1 |
Общие сведения о процессах переноса тепла. Основные понятия и определения. Три способа распространения тепла. Тепловые балансы |
1. Тепловые балансы |
1. Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции воздуха |
Подготовка к занятиям |
| 2 |
2 |
Тепловое излучение. Теплопроводность. Закон Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Теплопроводность плоской, цилиндрической стенок |
2. Тепло-проводность |
Подготовка к занятиям. Самостоятельное изучение темы «Тепловое излечение» |
|
| 3 |
3 |
Конвективный перенос тепла. Тепловое подобие. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния теплоносителей. Теплоотдача при свободном и вынужденном движении. Теплоотдача в аппаратах с мешалкой |
3. Конвективный теплообмен |
Определение коэффициента теплопередачи в теплообменнике «Труба в трубе» |
Подготовка к занятиям |
| 4 |
4 |
Теплопередача с постоянными и изменяющимися температурами теплоносителей |
4. Теплопередача |
Подготовка к занятиям. Выполнение ИРЗ-3 |
|
| 5 |
5 |
Нестационарный процесс переноса тепла. Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей. Математическое моделирование тепловых процессов. Методы интенсификации |
Нестационарный теплообмен. Теплообмен при непосредственном соприкосновении теплоносителей. Теплоизоляция |
Защита результатов лабораторных работ |
Подготовка к занятиям. Выполнение ИРЗ-3 |
| 6 |
6 |
Консультации |
|||
| Промежуточный экзамен
|
|||||
4.7 Планы практических занятий
Занятие № 1
Тема:
Тепловые балансы.
Цель:
Изучение методов составления тепловых балансов.
План проведения занятия
1 Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) значение и особенности протекания тепловых процессов в химической промышленности (сообщение);
2) основные теплофизические свойства веществ;
3) цель и содержание расчета тепловых процессов. Основное уравнение теплопередачи;
4) общее балансовое соотношение. Методы и цель составления тепловых балансов (сообщение).
2 Решение задач: № 4–7, 8, 9, 10 [3].
Подготовка к занятию
1) Изучить материалы занятия в конспектах лекций и рекомендованной учебной литературе [1, C. 22–24; C. 264–267].
2) Знать определения основных терминов и понятий.
3) Подготовить мотивированные письменные ответы на тестовое задание № 1.
Основные термины и определения
температура
температурное поле
изотермическая поверхность
температурный градиент
теплообмен
теплопередача
удельная теплоемкость
удельная теплота фазовых превращений
энтальпия
тепловой поток
плотность теплового потока
основное уравнение теплопередачи
Занятие № 2
Тема:
Механизмы переноса тепла.
Цель:
Изучение закономерностей теплопереноса и их практическое применение.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) классификация и содержание механизмов переноса субстанций. Общее уравнение переноса субстанций (устный опрос);
2) механизмы переноса тепла: модельные представления, условия существования, сравнительная характеристика (устный опрос);
3) дифференциальное уравнение переноса тепла Фурье–Кирхгофа и его модификации для различных условий теплопереноса.
2 Решение задач № 4–6, 2, 1, 3, 4, 52 [3] и обсуждение полученных результатов.
Подготовка к занятию
1. Проработать конспект лекций и рекомендованную литературу [1, C. 45–49, 52–53, 267–279)].
2. Выучить определения терминов и понятий темы.
3. Подготовить конспекты мотивированных ответов к тестовому занятию № 1.
Основные термины и понятия
тепловое излучение
абсолютно прозрачные, черные, белые тела
диатермичные тела
излучательная способность
интенсивность излучения
квантовый механизм переноса
молекулярный механизм переноса
конвективный механизм переноса
плотность потока субстанции
теплопроводность
термическое сопротивление системы
продольный и поперечный перенос тепла
Занятие № 3
Тема:
Конвективный теплообмен.
Цель:
Изучение основных закономерностей конвективного теплообмена и получение практических навыков расчета коэффициента теплоотдачи.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем:
1) основные модельные представления при конвективном теплообмене (сообщение);
2) методы расчета коэффициента теплоотдачи. Тепловое подобие (сообщение);
3) способы интенсификации конвективного теплообмена (устный опрос).
2. Решение задач: № 4–24, 36, 38, 40, 42 [2].
Подготовка к занятию
1. Проработать рекомендованную литературу [1, С. 64–69, 276–300; 2, С.150–168] и конспект лекций.
2. Выучить определения основных терминов и понятий темы.
3. Подготовить письменные мотивированные ответы к тестовому занятию № 3.
Основные термины и понятия
теплоотдача
тепловой пограничный слой
коэффициент теплоотдачи
критерии теплового подобия
определяемый критерий теплового подобия
пленочная и капельная конденсации пара
пузырьковое и пленочное кипение
критический температурный напор
критический коэффициент теплоотдачи
Занятие № 4
Тема:
Расчет и интенсификация процессов теплопередачи.
Цель:
Выйти на понимание сущности и основных закономерностей наиболее распространенного в химической промышленности вида теплообмена и получить практические навыки его расчета.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) сущность и значение теплопередачи в химической промышленности;
2) структурно-логическая схема «Основы теплопередачи»;
3) модели и общие принципы расчета теплопередачи;
4) методы интенсификации процессов теплопередачи.
2. Решение задач:
№ 4–21, 28, 44, 45 [3].
Подготовка к занятию
1. Проработать рекомендованную литературу [1, C. 293–318, 351–353; 2, С. 168–171] и конспект лекций.
2. Выучить определения основных терминов и понятий темы.
3. Составить мотивированные письменные ответы к тестовому занятию № 4.
Основные термины и понятия
скорость тепловых процессов
теплопередача
термическое сопротивление
уравнение аддитивности термических сопротивлений
лимитирующая стадия
средняя разность температур
коэффициент теплопередачи
критерий Био
Занятие № 5
Тема:
Нестационарный теплообмен. Теплообмен при непосредственном контакте теплоносителей.
Цель:
Изучение основных закономерностей процессов и получение практических навыков тепловых расчетов.
План проведения занятия
1. Устный опрос по темам:
1) нестационарный теплообмен с твердыми телами;
2) нагрев конденсирующимся паром интенсивно перемешиваемой жидкости;
3) тепловые потери.
2. Решение задач:
1) Определить количество воды с начальной температурой 20 °С, необходимое для конденсации 10000 кг/ч паров воды при р
= 0,22 атм.
2) Металлический шар диаметром d
= 10 см, нагретый до 300° С, помещен в сосуд, находящийся под вакуумом; стенки сосуда имеют очень низкую температуру. Определить время, необходимое для охлаждения шара до 150 °С, если степень черноты равна 0,6; плотность r = 8000 кг/м3
, удельная теплоемкость с
= 550 Дж/кг °С.
3) В сборнике с мешалкой, обеспечивающей практически полное перемешивание, находится этиловый спирт (G
= 3000 кг/ч) при температуре 20 °С. Определить время, необходимое для нагревания спирта до 50 °С, а также температуру спирта через 0,2 ч после начала нагрева паром, поступающим в рубашку с давлением 2 атм. Поверхность нагрева F
= 2,5 м2
, коэффициент теплопередачи К
= 1300 Вт/ м2
×°С.
4) Задача № 4–53 [3].
Подготовка к занятию
1. Проработать литературу [1, С. 307–312]; [5, С. 574–577, 601–602].
4.8 План лабораторных занятий
Перечень возможных лабораторных работ:
– «Определение коэффициента теплоотдачи при свободной конвекции воздуха»;
– «Определение коэффициента теплопередачи в теплообменнике «труба в трубе»;
– «Определение коэффициента теплоотдачи от стенки к воздушному потоку.
Для подготовки и проведения лабораторных работ используются методические указания, в частности [4], в которых указаны основные требования и обязанности студентов при выполнении этого вида учебных занятий.
4.9 Самостоятельная работа студентов
Самостоятельная работа студентов при изучении модуля «Основы теплопередачи» включает следующие виды:
1) изучение отдельных разделов модуля, которые не прорабатываются на аудиторных занятиях (определяются лектором с указанием рекомендуемой литературы);
2) подготовку к занятиям (изучение учебной литературы, конспектов лекций, работу с тестами, подготовку к практическим и лабораторным занятиям, устным опросам, составление сообщений и докладов);
3) решение типовых задач;
4) выполнение лабораторных работ, обработку и объяснение полученных результатов, оформление отчетов с последующей защитой;
5) выполнение индивидуального расчетного задания и его защиту;
6) сдачу экзамена по программе модуля.
Выполняя различные виды самостоятельной работы, важно акцентировать внимание на фундаментальных положениях курса, так как материал модуля базируется на уже известных законах и положениях (таблица 4.1).
Необходимо 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 4.2) указывает на наиболее важные для понимания материала раздела математические преобразования.
Таблица 4.1 – Фундаментальные положения курса и основы
теплопередачи
| Фундаментальные законы, положения |
Основы теплопередачи |
| Законы сохранения |
Тепловые балансы |
| Законы переноса. Законы равновесия |
Уравнения Фурье, Фурье–Кирхгофа, Стефана–Больцмана |
| Единый кинетический закон |
Движущая сила тепловых процессов. Основное уравнение теплопередачи. Термические сопротивления. Основные направления интенсификации тепловых процессов |
| Моделирование процессов |
Тепловой пограничный слой. Тепловое подобие. Критериальные уравнения теплопереноса |
| Многостадийный процесс. Лимитирующая стадия |
Теплопередача. Аддитивность термических сопротивлений. Интенсификация тепловых процессов |
Необходимым и весьма важным видом СРС является работа с тестами на электронно-обучающем комплексе. При этом последовательность поиска ответов на поставленный вопрос может 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 представленными вариантами ответов и выбрать идентичный.
Работа с тестами эффективна только при том условии, что во главу угла будет поставлена доказательная сторона этой работы.
Термины и понятия – это язык дисциплины, что и определяет важность изучения их сущности.
4.10 Индивидуальное расчетное задание к модулю № 3 (ИРЗ)
Основной целью выполнения индивидуального расчетного задания является освоение методики тепловых расчетов для различных случаев теплообмена.
При выполнении задания можно пользоваться учебниками [2, 3, 7, 11]. Расчет поверхности теплообмена производится на основании уравнения теплопередачи, которое может использоваться в двух видах: для плоской стенки и цилиндрических труб.
Для определения тепловой нагрузки теплообменника, а также неизвестной температуры одного из теплоносителей составляется тепловой баланс аппарата.
Средний температурный напор определяется при известных значениях температур теплоносителей по обычным формулам [3, С. 169].
Основное внимание следует уделить определению коэффициентов теплоотдачи, которые рассчитываются в зависимости от характера процесса (кипение, конденсация, нагревание, охлаждение, вынужденное или свободное движение) по соответствующим критериальным уравнениям.
В заданиях предусмотрены расчеты для следующих случаев теплообмена: конденсация–кипение; конденсация–нагревание; охлаждение–нагревание.
Задача № 1
В трубном пространстве проходит теплоноситель А в количестве G
(кг/с), его температура в конденсаторе и холодильнике изменяется от t
1
до t
2
°С, в испарителе – равна температуре кипения при заданном давлении Р
а
. В межтрубном пространстве проходит теплоноситель В, его температура в холодильнике меняется от T
1
до T
2
, в конденсаторе конденсируется насыщенный пар давлением Р
а
и испарителе – кипит при Р
а
. Теплообменник изготовлен из стальных труб диаметром 25´2 мм, количество труб в одном ходу n
, высота труб Н
, диаметр кожуха D
, число ходов i
. Определить: достаточна ли поверхность теплообменника. Мотивированно перечислить методы интенсификации процессов теплообмена. Исходные данные к расчетному заданию приведены в таблице 4.2.
| Первая цифра варианта |
Теплоноситель |
Тип теплообменника |
Параметры теплоносителя |
Последняя цифра варианта |
Расход теплоносителя G
|
Характерис-тика
теплообмен-ника |
||||||||
| t
|
t
|
Р
|
Т
|
Т
|
Р
|
n
|
i
|
H
, мм |
D , м
|
|||||
| 0
|
Толуол/ водя- ной пар |
Испа-ритель |
– |
– |
2,5 |
– |
– |
2,7 |
0
|
2,8 |
473 |
1 |
2 |
0,8 |
| 1
|
Этиловый спирт/ водяной пар |
Испаритель |
– |
– |
3,5 |
– |
– |
1,7 |
1
|
2,5 |
783 |
1 |
3 |
1,0 |
| 2
|
Вода/ водяной пар |
Испаритель |
– |
– |
1,0 |
– |
– |
3,7 |
2
|
1,5 |
1549 |
1 |
4 |
1,4 |
| 3
|
Бензол/ вода |
Конденсатор |
– |
– |
2,0 |
25 |
45 |
– |
3
|
3,2 |
1549 |
1 |
6 |
1,4 |
| 4
|
Ацетон/ вода |
Конденсатор |
– |
– |
3,0 |
20 |
40 |
– |
4
|
4,0 |
122 |
2 |
3 |
0,6 |
| 5
|
Этиловый спирт/вода |
Конденсатор |
– |
– |
1,5 |
20 |
50 |
– |
5
|
3,8 |
175 |
4 |
3 |
1,0 |
| 6
|
Толуол/ вода |
Конденсатор |
– |
– |
2,0 |
15 |
45 |
– |
6
|
5,0 |
36 |
6 |
4 |
0,8 |
| 7
|
Вода/ бензол |
Холодильник |
80 |
50 |
– |
20 |
45 |
– |
7
|
15 |
120 |
2 |
6 |
0,6 |
| 8
|
Вода/CCl4
|
Холодильник |
78 |
50 |
– |
15 |
50 |
– |
8
|
8,0 |
122 |
2 |
4 |
0,8 |
| 9
|
Вода/ толуол |
Холодильник |
20 |
40 |
– |
100 |
70 |
– |
9
|
6,0 |
783 |
1 |
3 |
1,0 |
Таблица 4.2 – Исходные данные к расчетному заданию
4.11 Промежуточный экзамен № 3 (ПЭ-3)
Промежуточный экзамен по программе модуля «Основы теплопередачи» проводится в форме индивидуального собеседования, что позволяет проверить самостоятельную работу студентов, устранить установленные пробелы при изучении модулей «Общие закономерности и принципы анализа и расчета процессов и аппаратов ХТ» и «Основы гидравлики», а также акцентировать их внимание на аналогии процессов переноса тепла и вещества с целью более глубокого понимания материала следующего модуля «Основы массопередачи».
Собеседование проводится параллельно со сдачей индивидуального расчетного задания по теме модуля.
Необходимым условием допуска к ПЭ-3 является:
а) выполнение плана практических занятий;
б) выполнение и защита:
– лабораторных работ;
– индивидуального расчетного задания;
– самостоятельная работа на электронном тренажере.
4.12 Задачи для «знатоков»
1. Температура верхней поверхности льда на озере минус 10 °С, на глубине 45 см от поверхности минус 4,4 °С. Теплопроводность льда l=2,2 Вт/(м×К). Определить максимальную толщину слоя льда, который может образоваться в этих условиях. Ответ: 0,8 м.
2. Стенка дома сложена из ледяных блоков (l=2,25 Вт/м×К). Толщина стенки 0,9 м, плотность теплового потока 116,3 Вт/м2
. На наружной поверхности стенки сохраняется постоянная температура минус 40 °С. Какой физический процесс будет происходить со льдом на внутренней поверхности стенки? При какой толщине стенки он прекратится? Какая температура установится на внутренней поверхности стенки?
3. Горизонтальный трубопровод диаметром 200 мм охлаждается свободным воздухом. Процесс теплоотдачи от поверхности трубопровода к среде решено изучать на модели. Основным элементом экспериментального стенда является горизонтальная труба диаметром 50 мм. При каких соотношениях коэффициентов теплоотдачи процессы конвективного теплообмена будут подобны? Теплофизические свойства воздуха в рассматриваемых случаях остаются постоянными.
4. В двух двухтрубных горизонтальных теплообменных аппаратах осуществляется пленочная конденсация сухого насыщенного пара аммиака. Отношение диаметров труб d
1
/d
2
= 3,5, а длины труб одинаковы. Сравнить коэффициенты теплоотдачи и количество конденсата, получаемое в аппаратах, если температурный напор и давление одинаковы. Ответ: L
1
/L
2
= 0,731; М
1
/М
2
= 256.
5. Бак из дерева [l = 0,105 Вт/(м2
×К)] заполнен водой. Температура окружающего воздуха t
1
= 18,6 °С, воды 4,8 °С, коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке a1
= 7,9 Вт/(м2
×К), от стенки к воде a2
= 322 Вт/(м2
×К). Относительная влажность воздуха 70 %. Определить минимальную толщину стенки бака, при которой на ее поверхности не будет выпадать роса.
6. Для утепления пола здания служит воздушный канал, проходящий под полом. В канал проложен стальной трубопровод [lст
=45,4 Вт/(м×К) ] диаметром 120´5 мм для горячей воды.
Можно ли покрыть трубу бетоном [lб
=1,16 Вт/(м×К] или асбестом с целью увеличить количество подаваемой через трубу теплоты [lа
=0,12 Вт/(м×К)]? Почему?
7. Студент-стажер дает распоряжение изолировать паропровод таким образом, чтобы обеспечить отсутствие потерь теплоты от пара, движущегося по трубопроводу к воздуху в помещении, где он расположен. Проверить правильно ли распоряжение стажера. Если неправильно, то в чем заключается ошибка? Дайте обоснованное доказательство ответа.
8. Экспериментальное исследование теплообмена при поперечном омывании дымовыми газами коридорного пучка труб позволило получить эмпирическое уравнение: a=0,217×W
0,65
×l2
/(d
0,35
×nг
0,65
). Представить уравнение в безразмерном (критериальном) виде.
4.13 Основные понятия и определения
Абсолютно белое тело
– тело, которое отражает все падающие на него лучи.
Абсолютно прозрачное тело
– тело, которое пропускает все падающие на него лучи.
Абсолютно черное тело
– тело, которое полностью поглощает все падающие на него лучи.
Диатермичные тела
– см. абсолютно прозрачные тела.
Излучательная способность
– полное количество энергии, излучаемое в единицу времени единицей поверхности тела.
Изотермическая поверхность
– геометрическое место всех точек с одинаковой температурой.
Интенсивность излучения
– излучательная способность тела, отнесенная к интервалу длин волн.
Капельная конденсация пара
– образование капель конденсата на несмачиваемой поверхности.
Квантовый механизм переноса
– перенос путем излучения и поглощения элементарных частиц (квантов).
Конвективный механизм переноса
– перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.
Коэффициент теплоотдачи
– показывает, какое количество теплоты передается от теплоносителя к 1 м2
поверхности стенки (или от стенки поверхностью 1 м2
к теплоносителю) в единицу времени при разности температур между теплоносителем и стенкой в 1 К.
Коэффициент теплопередачи
– показывает, какое количество теплоты передается от горячего теплоносителя к холодному за одну секунду через 1 м2
разделяющей теплопроводящей стенки при разности температур между теплоносителями в 1 К.
Коэффициент теплопроводности
– показывает, какое количество теплоты проходит вследствие теплопроводности в единицу времени через единицу поверхности теплообмена при падении температуры на один градус на единицу длины нормали к изотермической поверхности.
Критерии теплового подобия
:
Критерий Фурье
– характеризует условия подобия неустановившихся процессов теплоотдачи;
Критерий Пекле
–
характеризует соотношение между интенсивностью переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью в движущемся потоке;
Критерий Прандтля
–
характеризует вязкостные и температуропроводные свойства теплоносителя; связь скоростного и температурного полей;
Критерий Нуссельта
– характеризует интенсивность перехода теплоты на границе раздела фаз. Характеризует отношение суммарного переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью (т.е. теплоотдачей) к теплоте, передаваемой теплопроводностью;
Критерий Грасгофа
–
характеризует соотношение сил трения, инерции и подъемной силы, обусловленной различием плотностей в отдельных точках неизотермического потока;
Критерий Био
– безразмерный комплекс, который характеризует соотношение между внешним и внутренним теплопереносом: Bi = al
/l;
Критический коэффициент теплоотдачи
– значения коэффициента теплоотдачи, которые соответствуют переходу от пузырькового режима кипения к пленочному;
Критический температурный напор
– значение температурного напора, которое соответствует переходу от пузырькового режима кипения к пленочному.
Молекулярный механизм переноса
– перенос (путем перемещения или взаимодействия молекул), возникающий в результате стремления системы к термодинамическому равновесию, отклонения от которого объясняются неоднородностью поля потенциала.
Лимитирующая стадия
– стадия, которая определяет общую скорость многостадийного процесса; определяется взаимным расположением стадий и соотношением их скоростей
Основное уравнение теплопередачи
:
Q
= KF
Dt
ср
t,
где Q
– тепловой поток;
К
– кинетический коэффициент (коэффициент теплопередачи), характеризующий скорость переноса теплоты;
F
– поверхность теплопередачи;
Dt
ср
– средняя движущая сила или средняя разность температур между теплоносителями (средний температурный напор) по поверхности теплопередачи;
t – время.
Определяемый критерий теплового подобия
– критерий Нуссельта, поскольку коэффициент теплоотдачи a в критерии Nu в условия однозначности не входит.
Пленочная конденсация пара
– образование сплошной пленки конденсата на смачиваемой поверхности.
Пленочное кипение
– режим, при котором на поверхности нагрева образуется сплошная пленка пара, периодически прорывающегося в объем жидкости.
Плотность потока субстанции
– количество субстанции, передаваемое через единицу поверхности в единицу времени.
Плотность теплового потока
– количество тепла, передаваемое через единицу поверхности теплопереноса в единицу времени.
Пузырьковое кипение (ядерное)
– режим кипения, при котором паровые пузырьки, достигшие предельного (критического) размера, отрываются от поверхности нагрева, всплывают к свободной поверхности жидкости, возрастая в объеме за счет теплообмена с менее нагретой жидкостью.
Скорость тепловых процессов
– количество тепла, передаваемое в единицу времени через 1 м2
площади поверхности, нормальной к направлению теплопереноса (плотность теплового потока) в Вт/м2
:
q
= Q
/(F
τ).
Средняя разность температур
– движущая сила тепловых процессов, в которых изменяется температура хотя бы одного теплоносителя.
Температура
– мера средней кинетической энергии молекул; величина, характеризующая степень нагретости тела.
Температурное поле
– совокупность мгновенных значений температур во всех точках рассматриваемой среды.
Температурный градиент
– предел отношения разности температур Dt
между изотермическими поверхностями к расстоянию по нормали Dn
между ними.
Температурный напор
– см. средняя разность температур.
Тепловое излучение
– перенос тепла электромагнитными волнами, источником которых являются колебания заряженных частиц.
Тепловой пограничный слой
– область турбулентного потока жидкости около твердой стенки, где тепло передается теплопроводностью, образуется, если температуры стенки и жидкости неодинаковы; значение толщины dт
обычно не совпадает с толщиной гидродинамического пограничного слоя dг
(dт
< dг
) и представляет собой основное сопротивление процессу переноса тепла.
Тепловой поток
– количество теплоты, проходящее через данную поверхность за единицу времени.
Теплоемкость
удельная
– количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на 1 К.
Теплоотдача
– процесс теплообмена между твердым телом и соприкасающейся с ним жидкостью или газом.
Теплопередача
– перенос теплоты от более нагретой среды к менее нагретой через разделяющую их стенку.
Теплопроводность
– явление молекулярное, которое состоит в том, что перенос теплоты происходит путем непосредственного соприкосновения между микрочастицами.
Термическое сопротивление
– величина обратная тепловой проводимости: для теплоносителя r
т
=1/a ; для стенки r
ст
= S(di
/li
).
Термическое сопротивление системы
– величина, обратная коэффициенту теплопередачи:
R
= 1/К
= 1/a1
+ Sdi
/li
+ 1/a2
,
где 1/a1
,1/a2
- термическое сопротивление более нагретой и менее нагретой среды соответственно;
Sdi
/li
– термическое сопротивление многослойной стенки.
Удельная теплота фазовых превращений
– количество тепла, которое выделяется или поглощается при фазовом превращении единицы массы вещества.
Уравнение аддитивности термических сопротивлений
:
R
= 1/К
= 1/a1
+ Sdi
/li
+ 1/a2
= r
1
+ r
c
т
+ r
2
,
где К
– коэффициент теплопередачи, Вт/(м2
×К).
Энтальпия
– количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества от 0 °С до данной температуры.
Конвекция
– перенос тепла путем перемещения макрообъемов среды в направлении теплопереноса, то есть этот механизм характерен только для сред, которые обладают текучестью.
4.14 Тестовые задания к модулю № 3
4.14.1 Тесты к занятию № 1
1. Какое из представленных уравнений описывает стационарное температурное поле в неподвижной среде?
а)
; б)
;
в)
; г)
.
2. Коэффициент температуропроводности а
характеризует…
а) теплоизоляционные свойства тела;
б) теплопроводные свойства тела;
в) теплоинерционные свойства тела.
3. Какой из представленных параметров наиболее точно характеризует скорость нагревания или охлаждения тела?
а) коэффициент теплопроводности
l,
Вт/м∙К;
б) коэффициент теплоотдачи
a,
Вт/м2
×К;
в) коэффициент температуропроводности а,
м2
/с;
г) коэффициент теплопередачи К,
Вт/м2
×К.
4. Какое из перечисленных ниже тел при прочих равных условиях быстрее нагреется, если его теплопроводность l, плотность r и удельная теплоемкость с
?
а) асбест:
l = 0,15 Вт/м×К; r =
600 кг/м3
; с =
0,84 кДж/кг×К;
б) бронза
: l = 64 Вт/м×К; r =
8000 кг/м3
; с =
0,385 кДж/кг×К;
в) бетон:
l = 1,2 (Вт/м×К; r =
2300 кг/м3
; с =
1,13 кДж/кг×К.
5. Какой из указанных ниже параметров является мерой кинетической энергии молекул?
а) коэффициент температуропроводности а,
м2
/с;
б) удельная теплоемкость с,
Дж/кг×К;
в) температура
t
,
°С,
К;
г) энтальпия
i
,
Дж/кг.
6. Какое из представленных балансовых уравнений соответствует переносу субстанции в непрерывном процессе без внутренних источников субстанций?
а) Пр – Ух + Ис – Ст = Нак;
б) Ис – Ст = Нак;
в) Пр – Ух + Ис – Ст = 0;
г) Пр – Ух = 0.
7. Какое количество тепла (Дж) необходимо для нагревания V
= 5 л воды от 20 до 100 °С, если средняя теплоемкость воды
= 4,2 кДж/кг×К; плотность r = 980 кг/м3
; удельная теплота парообразования воды при атмосферном давлении r
= 2258,4 кДж/кг; коэффициент теплопроводности воды l = 0,65 Вт/м2
×К?
а)
5 × 80 × 4,2 × 103
= 1,68 × 106
;
б)
5 × 80 × 4,2 × 980 × 10-3
× 103
= 1,65 × 106
;
в)
5 × 10-3
× 980 × 2258,4 × 103
= 11,07 × 106
;
г)
5 × 980 × 4,2 × 80 ×103
= 1,65 × 109
;
д
) 5 × 980 × 0,05 = 3,185.
8. Какое количество тепла (Дж) необходимо для испарения 5 л воды при атмосферном давлении, если удельная теплоемкость
воды при температуре кипения, если с
= 4,23 кДж/кг×К; плотность r = 958 кг/м3
; удельная теплота парообразования r
= 2258,4 кДж/кг?
а)
5 × 4,23 × 958 × 10-3
= 20,26;
б)
5 × 2258,4 = 11,29 × 103
;
в)
5 × 958 × 2258,4 = 10,82 × 106
;
г)
5 × 958 × 2258,4 × 103
= 10,82 × 109
.
9. Теплопередача – это...
а) самопроизвольный перенос тепла от более нагретого слоя к менее нагретому;
б) перенос тепла от среды к стенке и наоборот;
в) перенос тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой через разделяющую их теплопроводящую стенку.
10. Как изменяется значение удельной теплоты парообразования жидкости r
(Дж/кг) с повышением давления в системе?
а) повышается;
б) уменьшается;
в) остается неизменной.
11. С повышением давления расход пара на нагревание тела при прочих равных условиях:
а) уменьшается;
б) увеличивается;
в) не изменятся.
12. Если смешать два объема жидкости V
1
и V
2
с температурами соответственно t
1
= 20 °C и t
2
= 50 °C, то какая будет температура смеси, если V
1
:V
2
= 2:1 (изменениями плотности жидкости и удельной теплоемкости пренебречь)?
а)
25 °C; б)
30 °C; в)
35 °C; г)
40 °C.
13. Энтальпию i
(Дж/кг) можно рассчитать по уравнению:
а
) i = c
Dt;
б
) i =
× Dt;
в
) i =
× t
где с – удельная теплоемкость
(Дж/кг×К);
– средняя теплоемкость
(Дж/кг×К);
t
– температура тела;
Dt
– разность начальной и конечной температуры тела.
4.14.2 Тесты к занятию № 2
1. Тепловое излучение – это… механизм переноса тепла.
а) квантовый;
б) молекулярный;
в) конвективный
2. Какое из представленных уравнений соответствует потенциалу переноса тепла?
а)
; б)
; в) .
3. Потенциал переноса тепла – это удельная энергия, отнесенная к единице…
а) объема; б) массы; в) веса.
4. Если температура тела выше 0 К и существует потенциал переноса, то тепло, независимо от других условий, переносится…
а) тепловым излучением;
б) теплопроводностью;
в) конвекцией;
г) тепловым излучением и теплопроводностью;
д) теплопроводностью и конвекцией;
е) излучением, теплопроводностью и конвекцией.
5. В каком случае следует учитывать лучистый теплообмен?
а) при передаче тепла от горячих газов к насадке;
б) от насадки к нагреваемому воздуху.
6. Интенсивность излучения абсолютно черного тела с увеличением длины волны излучения…
а) возрастает;
б) убывает;
в) возрастает до максимума;
г) убывает до минимума.
7. Излучательная способность тел тем больше, чем их поглощательная способность…
а) больше; б) меньше.
8. Можно ли нагреть N2
(азот) тепловым излучением?
а) да; б) нет; в) затрудняюсь ответить.
9. Перенос тепла теплопроводностью характерен для…
а) твердых тел; б) жидкостей; в) газов; г) тел, в которых нет перемещений макрочастиц в направлении теплопереноса.
10. Перенос тепла теплопроводностью сопровождается тепловым излучением внутри…
а) твердых тел; б) жидкостей; в) газов;
г) всех тел, температура которых выше 0 К.
11. В каких случаях перенос тепла теплопроводностью в потоках жидкостей и газов лимитирует общую скорость теплопереноса?
а) при продольном переносе тепла; б) при поперечном переносе тепла от среды к стенке или наоборот; в) в аппаратах идеального вытеснения; г) в аппаратах идеального смешения.
12. В какой из моделей потока тепло в поперечном направлении переносится только теплопроводностью?
а) идеального смешения;
б) идеального вытеснения;
в) ячеечной;
г) диффузионной.
13. Какое из уравнений применяется для определения количества тепла, прошедшего через теплоизолированную стенку аппарата толщиной δ?
а) б)
Q
=
- λF
; в)
Q
=
; г)
Q
=
; д)
14. Термическим сопротивлением стенки толщиной δ и с теплопроводностью λ является:
а)
1/l; б)
l/d; в)
d/l ; г)
.
15. Размерность коэффициента теплопроводности:
а)
Вт/(м 2
×К); б
) Дж/(кг×К); в)
Вт/(м×К); г)
Дж/кг.
16. Теплоизоляционные свойства материалов прежде всего зависят от…
а) теплопроводности твердой основы материала;
б) структуры материала;
в ) теплопроводности газа в порах материала.
17. При устройстве многослойной теплоизоляции слой с самой низкой теплопроводностью укладывается:
а) вниз (к стенке);
б) вверх;
в) затрудняюсь ответить.
18. Какое из уравнений соответствует нестационарному переносу тепла теплопроводностью вдоль тонкой плоской стенки?
a
)
a
;
б)
+
wx
+
wy
+
wz
=
a
;
в)
+
=
0;
г)
a
(
+
+
);
д)
a
(+
).
19. Какое условие необходимо для переноса тепла теплопроводностью, кроме наличия потенциала переноса?
а) твердое тело;
б) неподвижное тело;
в) соприкосновение тел или частей тела;
г) текучесть тел.
4.14.3 Тесты к занятию № 3
1. Какое условие необходимо для конвективного переноса тепла?
а) разность температур;
б) температура выше
0 °С;
в) перемещение тела;
г) перемещение макрочастиц тела в направлении переноса.
2. Какой из критериев подобия характеризует подобие полей скоростей и температур?
а) Пекле (
Ре); б) Фурье (
Fo); в) Нуссельта (
Nu);
г) Прандтля (
Рr);
д) Рейнольдса (
Re).
3. Совпадают ли значения толщины теплового dt
и гидродинамического du
пограничных слоев?
а) да; б) нет;
в) не знаю; г) совпадают только в газах.
4. Какое из критериальных уравнений описывает стационарный процесс естественной теплоотдачи?
а)
Nu =
f
(Fo,Рr,Re); б)
Nu =
f
(Рr,Re);
в)
Nu =
f
(Рr,Gr); г)
Nu =
f
(Ре,Gr).
5. Как влияет длина вертикальной трубы на коэффициент теплоотдачи aп
при конденсации на ней пара?
а) не влияет;
б) с увеличением длины трубы
a
п
увеличивается;
в) с увеличением длины
a
п
уменьшается.
6. Как влияет число горизонтальных труб (n
) в пучке на коэффициент теплоотдачи aп
при конденсации пара?
а) не влияет;
б) с увеличением
n
увеличивается
a
п
;
в) с увеличением
n
уменьшается
a
п
.
7. При кипении жидкостей тепло от стенки передается…
а) жидкости, а затем отводится пузырьками пара в виде теплоты испарения;
б) непосредственно пузырькам пара.
8. С увеличением шероховатости стенки при прочих равных условиях коэффициент теплоотдачи при кипении жидкостей...
а) не изменяется;
б) увеличивается;
в) уменьшается
.
9. С увеличением коэффициента теплопроводности стенки при прочих равных условиях коэффициент теплоотдачи при кипении жидкостей…
а) не изменяется;
б) увеличивается;
в) уменьшается.
10. С увеличением давления при прочих равных условиях коэффициент теплоотдачи при кипении жидкостей…
а) не изменяется;
б) увеличивается;
в) уменьшается.
11. С уменьшением смачиваемости стенки значение критического температурного напора при кипении жидкостей…
а) не изменяется;
б) увеличивается;
в) уменьшается.
12. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкостей в трубах будет больше в зонах…
а) «гладкого» течения;
б) «шероховатого» течения.
13. Коэффициент теплоотдачи при движении жидкостей при прочих равных условиях больше…
а) в прямых трубах;
б)в змеевиках.
14. Влияет ли длина труб на интенсивность поперечного процесса переноса тепла в движущейся в них жидкости?
а) не влияет;
б) интенсивность в коротких трубах увеличивается;
в) интенсивность в коротких трубах уменьшается.
15. В каком из аппаратов коэффициент теплоотдачи больше?
а) пленочном;
б) трубчатом.
16. Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на пучке горизонтальных труб…
а) не зависит от их взаимного расположения;
б) больше при «коридорном» расположении;
в) больше при «шахматном» расположении.
17. При нагревании жидкостей…
а) Рr/Prст
> 1;
б)
Рr/Prст
< 1;
в)
Рr/Prст
= 1.
18. При одинаковых начальных и конечных температурах теплоносителя коэффициент теплоотдачи a при нагревании…
а) больше;
б) меньше;
в) такой же, как и при охлаждении.
19. При отсутствии локального изменения температуры дифференциальное уравнение Фурье–Кирхгофа принимает вид:
а)
; б)
; в)
Ñ2
t
=
0.
20. При отсутствии конвективного изменения температуры дифференциальное уравнение Фурье–Кирхгофа принимает вид…
а)
; б)
; в)
Ñ2
t
=
0.
4.14.4 Тесты к занятию № 4
1. Основное уравнение стационарной теплопередачи для холодильника имеет вид:
а)
Q
=
aF
(t
1
–
t
2
);
б)
Q
=
KF
(t
1
–
t
2
);
в)
Q
=
aF
(t
1
–
t
2
)t;
г)
Q
=
l/d×F
(t
1
–
t
2
);
д)
Q
=
KF
Δt
ср
.
2. Основное уравнение теплопередачи в виде Q
=
KF
(t
1
–
t
2
) справедливо для процессов теплопереноса…
а) с постоянными температурами теплоносителей;
б) стационарного процесса теплопереноса;
в)
с постоянными значениями коэффициента теплопередачи вдоль теплопередающей поверхности;
г) стационарного процесса теплопереноса с постоянными значениями температур теплоносителей и коэффициента теплопередачи вдоль теплопередающей поверхности.
3. Средняя разность температур зависит от взаимного направления движения теплоносителей…
а) всегда;
б) если изменяются температуры обоих теплоносителей;
в) если изменяется температура хотя бы одного теплоносителя.
4. Гидродинамическая структура потоков теплоносителей…
а) влияет;
б) не влияет
на среднюю движущую силу тепловых процессов?
5. Если Dt
н
= 0, то…
а)
Dt
ср
=
Dt
к
; б)
Dt
ср
=
Dt
н
; в)
Dt
ср
=
Dt
к
/2; г)
Dt
ср
=
0.
6. Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество тепла передается в единицу времени через 1 м2
теплопередающей поверхности при разности температур в 1 К…
а) от теплоносителя к стенке;
б) от стенки к теплоносителю;
в) от горячего теплоносителя к холодному.
7. Размерность коэффициента теплопередачи:
а)
Дж/(м2
∙К); б)
Вт/(м∙К); в)
Вт/(м2
∙К);
г)
Вт/м2
; д)
Дж/(кг∙К).
8. Лимитирующей стадией при теплопередаче является стадия, для которой значение…
а) коэффициента теплоотдачи наименьшее;
б) коэффициента теплоотдачи наибольшее;
в) термического сопротивления наибольшее;
г) термического сопротивления наименьшее;
д) коэффициента теплопроводности наименьшее.
9. С какой стороны стенки, разделяющей холодный воздух и горячую воду, целесообразно интенсифицировать теплообмен, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи?
а) со стороны воздуха;
б) со стороны воды;
в) с обеих сторон.
10. С увеличением скорости движения теплоносителя вероятнее всего…
а) общие затраты на изготовление и эксплуатацию («К» – капитальные и «Э» – эксплутационные) теплообменника увеличиваются;
б) общие затраты на изготовление и эксплуатацию («К» – капитальные и «Э» – эксплутационные) теплообменника уменьшаются;
в) «К» – увеличиваются, а «Э» – уменьшаются;
г) «К» – уменьшаются, а «Э» – увеличиваются.
11. В каком случае термическое сопротивление стенки оказывает существенное влияние на интенсивность теплообмена?
a
)
a1
>>
a2
; б)
a1
»
a2
;
в)
a1
и
a2
очень велики; г)
a1
и
a2
очень малы;
д)
l/d стенки велико; е)
l/d стенки мало;
ж)
d/l >>
1/α1
и
d/l >>
1/α2
.
12. Основное уравнение теплопередачи, как правило, применяется для определения…
а) необходимой поверхности теплопереноса,
F
,
м2
;
б) коэффициента теплопередачи, К,
Вт/(м2
× К);
в) движущей силы процесса,
Dtср
,
К;
г) теплового потока,
Q
,
Вт.
13. Противоточное движение теплоносителей позволяет увеличить конечную температуру «холодного» теплоносителя. Это приводит…
а) к уменьшению расхода «холодного» теплоносителя
G
x
и уменьшению движущей силы процесса
Dt
ср
;
б) к уменьшению расхода «холодного» теплоносителя
G
x
и увеличению движущей силы процесса
Dt
ср
;
в) к увеличению расхода «холодного» теплоносителя
G
x
и увеличению движущей силы процесса
Dt
ср
.
14. Повышение скорости движения теплоносителя не приводит к существенной интенсификации процесса, если…
а) этот теплоноситель – газ;
б) этот теплоноситель – жидкость;
в) термическое сопротивление стенки вследствие ее загрязнения очень велико.
15. При выборе метода интенсификации теплообмена критерием его оптимальности в большинстве случаев является…
а) его доступность;
б) влияние на коэффициент теплопередачи;
в) влияние на массу аппарата;
г) экономическую эффективность.
5 МОДУЛЬ 4.
ОСНОВЫ МАССОПЕРЕДАЧИ
5.1 Цель обучения
Изучить основные закономерности процессов переноса вещества. Выйти на понимание общности процессов переноса вещества с другими процессами переноса. Усвоить общие подходы к анализу массообменных процессов и получить практические навыки их расчета.
5.2 Программа модуля
Общие сведения о массообменных процессах. Классификация процессов массообмена. Концентрации массовые, объемные, мольные*. Системный анализ процесса массопередачи. Понятие о массопередаче и массоотдаче.
Статика процесса массопередачи. Фазовое равновесие, материальный баланс и рабочие линии. Совместное рассмотрение линий рабочих и равновесных концентраций, определение направления процессов массопереноса.
Кинетика массообменных процессов. Механизмы продольного и поперечного конвективного переноса массы в ламинарном и турбулентном потоках. Распределение концентраций в фазах. Взаимосвязь профилей концентраций и скоростей в потоках.
Молекулярная диффузия. Первый и второй законы Фика. Коэффициент молекулярной диффузии: физический смысл, единицы измерения. Конвективный массоперенос. Коэффициенты массоотдачи и движущая сила процесса. Дифференциальное уравнение конвективной диффузии. Подобное преобразование дифференциального уравнения переноса массы и получение обобщенных переменных. Основные критерии диффузионного подобия и их физический смысл. Критериальное уравнение массоотдачи.
Массопередача между двумя фазами, моделирование конвективного массообмена. Расчет коэффициента массоотдачи по уравнениям с безразмерными переменными. Теоретические модели процесса массопереноса. Основное уравнение массопередачи. Коэффициент массопередачи: физический смысл, выражение через коэффициенты массоотдачи, аддитивность диффузионных сопротивлений. Средняя движущая сила процесса массопередачи. Влияние структуры потоков (продольного перемешивания) на среднюю движущую силу. Интенсификация массопередачи путем гидродинамических воздействий на лимитирующую стадию. Понятие единицы переноса; число единиц переноса, высота единицы переноса. Способы расчета числа единиц переноса: графическое интегрирование, аналитический расчет. Различные модификации основного уравнения массопередачи.
Моделирование и расчет массообменных процессов и аппаратов для систем с одним распределяемым компонентом.
5.3 Объем модуля и виды учебных занятий
| Вид учебной работы
|
Всего часов
|
| Общая трудоемкость модуля |
42 |
| Аудиторные занятия
|
26 |
| В том числе: |
8 |
| – лекции |
|
| – практические занятия |
8 |
| – лабораторные занятия |
10 |
| Самостоятельная работа студентов
|
16 |
| В том числе: |
|
| – выполнение индивидуального расчетного задания |
4 |
| – другие виды СРС (подготовка к занятиям, докладов, сообщений, конспектирование литературы) |
12 |
5.4 Перечень необходимых средств для выполнения
программы модуля
а) учебники [1, 2, 3, 4];
б) лабораторные установки:
– «Определение высоты единицы переноса в ректификационной насадочной колонне»;
– «Определение коэффициента массопередачи в процессе абсорбции».
5.5 Структурно-логическая схема модуля
Массообменные процессы занимают особое место среди химико-технологических процессов (ХТП) потому, что выделение одного или нескольких компонентов из гомогенных смесей (извлечение из газов или жидкостей вредных или ценных примесей, разделение реакционной смеси на продукты реакции и непрореагировавшее сырье, концентрирование растворов летучих веществ, разделение жидких смесей и другие) является важнейшей стадией (а иногда и целью) большинства ХТП. Общим для таких процессов является то, что для их протекания создается межфазная поверхность и условия, которые обеспечивают переход (массоперенос, диффузию) целевого компонента (или компонентов) в нужном направлении, из одной фазы в другую.
Схема изучения основ массопередачи и анализа массообменных процессов представлена на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 – Схема изучения основ массопередачи и анализа
массообменных процессов
Целью анализа является определение размеров аппарата, например, его объема, необходимого для проведения массообмена в заданных пределах концентраций. Рассматриваются три стороны процесса: условия термодинамического равновесия (1), уравнение сохранения вещества и энергии (2), рабочие условия и кинетика процесса (3). Законы равновесия позволяют выявить равновесные концентрации из уравнения равновесия (4), законы сохранения массы и энергии, расходы фаз-носителей, энергию на проведение процесса (5) и записать уравнение рабочих концентраций (6). Рассмотрение кинетики дает возможность определить скорость процесса переноса в фазах, то есть коэффициенты массоотдачи (7) bу
и bх,
(м/с). Все три элемента расчета тесно связаны между собой: совместное рассмотрение уравнений равновесных и рабочих концентраций позволяет определить движущую силу процесса (8); для определения коэффициента массопередачи (9) надо знать наклон линии равновесия; наконец, нагрузка аппарата (10) для расчета его размеров определяется из уравнения материального баланса. Таким образом, схема наглядно показывает роль отдельных элементов, характеризующих процесс, и их связь в единой системе расчета процесса. Расчет размера аппарата (11) и величин, определяющих его, составляет третий уровень изучения процесса. Для более подробного анализа кинетики процесса и механизма массопереноса приведена структурно-логическая схема анализа и расчета кинетических зависимостей (рисунок 5.2). На схеме показаны основные соотношения, описывающие два типа переноса – молекулярный и конвективный. Рассматриваются уравнения для нестационарной (1) и стационарной (2) молекулярной диффузии, приведены дифференциальные уравнения нестационарной конвективной диффузии (3) и уравнения массоотдачи (4), используемые для расчета конвективной диффузии. Подобное преобразование дифференциального уравнения конвективной диффузии позволяет получить критерии подобия в потоке (FoD
и PeD
), а подобное преобразование граничных условий при совместном рассмотрении уравнений молекулярной диффузии (2) и массопередачи (4) дает определяемый критерий (NuD
).
Из полученных критериев диффузионного подобия (5) составляется критериальное уравнение массообмена (6), использование которого дает возможность определить коэффициенты массоотдачи в обеих фазах (7), а затем рассчитать из условий аддитивности сопротивлений фаз коэффициенты массопередачи (8). Расчет коэффициента массопередачи является основной целью этого раздела и завершает третий уровень его изучения.
Рисунок 5.2 – Структурно-логическая схема анализа и расчета
кинетических зависимостей
5.6 План-график изучения модуля № 4
| Неделя |
№ лекции |
Краткое содержание лекции |
Тема практического занятия |
Название лабораторной работы |
Самостоятельная работа студентов |
| 1 |
1 |
Общие сведения. Статика процесса массопередачи. Фазовое равновесие, материальный баланс и рабочие линии процесса |
1. Общие сведения. Статика процесса массопередачи |
Определение высоты единицы переноса в роторно-дисковом экстракторе |
Подготовка к занятиям. Выражение концентраций. Таковые массообменные процессы |
| 2 |
2 |
Кинетика массообменных процессов. Механизмы продольного и поперечного переноса массы в ламинарном и турбулентном потоках. Молекулярная диффузия. Первый и второй законы Фика |
2. Механиз-мы массопереноса |
Подготовка к занятиям |
|
| 3 |
3 |
Конвективный массоперенос. Коэффициенты массоотдачи. Диффузионное подобие. Расчет коэффициентов массоотдачи. Простейшие случаи массоотдачи. Моделирование конвективного массообмена |
3. Массопередача |
Определение коэффициента массопередачи в процессе абсорбции |
Подготовка к занятиям. Выполнение ИРЗ-4 |
| 4 |
4 |
Массопередача между двумя фазами. Коэффициент массопередачи. Движущая сила. Аддитивность диффузионных сопротивлений. Рациональный выбор взаимного направления движения фаз. Минимальный и оптимальный расходы извлекающей фазы. Интенсификации массопередачи. Расчет массообменных процессов |
4. Расчет и интенсификация массообменных процессов |
Подготовка к занятиям. Выполнение ИРЗ-4 |
|
| 5 |
5 |
Консультации |
|||
| Промежуточный экзамен 4 |
|||||
5.7 Планы практических занятий
Занятие № 1
Тема:
Общие сведения и статика процессов массопередачи.
Цель:
Знакомство с классификацией и ролью массообменных процессов на разных стадиях химических производств и в решении экологических проблем; системный анализ массопередачи; выполнение элементов расчета массообменных процессов.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) наиболее распространенные массообменные процессы, преимущественные области применения и их роль на разных стадиях химических производств и в решении экологических проблем;
2) выражения концентраций в системах с носителями и без них;
3) равновесные условия и определения направления переноса вещества из фазы в фазу. Материальные балансы.
2. Решение задач:
1) № 6–1, 3, 7; 7–4. [3].
2) В скруббере поглощается водой аммиак из воздушно-аммиачной смеси под атмосферным давлением. Начальное содержание NH3
в газе – 5 % (об), извлекается 90 % NH3
. Содержание NH3
в воде на выходе из аппарата на 20 % меньше равновесного. Линию равновесия считать прямой, ее уравнение = 0,61Х
. Определить действительный и минимальный расходы воды.
3) Определение рабочих и равновесных концентраций, минимального и действительного расхода поглотителя в ИРЗ.
Подготовка к занятию
1. Изучить материал занятия в конспектах лекций и рекомендованной литературе. [1, С. 6–14; 3, С. 282–286].
2. Подготовить письменные мотивированные ответы на тестовые задания № 1.
3. Выучить определения основных понятий и терминов.
4. Подготовить исходные данные для выполнения ИРЗ.
Основные понятия и термины
массопередача
массоотдача
абсорбция
десорбция
перегонка
экстракция
адсорбция
сушка
кристаллизация
ионный обмен
мембранные процессы
диффузия
коэффициент молекулярной диффузии
скорость массообменных процессов
концентрация вещества
равновесные концентрации
рабочие концентрации
направление массообменного процесса
коэффициент массопередачи
равновесная линия
рабочая линия процесса
химический потенциал
коэффициент распределения
Занятие № 2
Тема:
Механизмы массопереноса.
Цель занятия:
Изучить закономерности переноса вещества различными механизмами; установить аналогию и различие с переносом других субстанций.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) механизмы продольного и поперечного переноса массы в ламинарном и турбулентном потоках (сообщение);
2) молекулярная диффузия в жидкостях, газах (парах) и твердых телах (устный опрос);
3) расчет коэффициентов массоотдачи (устный опрос).
2. Решение задач:
1). Определить коэффициенты диффузии двуокиси серы: а) в воздухе при t = 30 о
С и Р = 1 атм; б) воде при t = 30 о
С. Объяснить полученные результаты.
2). Задачи № 6–17, 18 [3].
3). Определение коэффициентов диффузии и массоотдачи в ИРЗ-4.
Подготовка к занятию
1. Изучить материал занятия в конспектах лекций и учебниках: [1, С. 14–23], [3, С. 287–291, С. 293–294].
2. Выучить значения основных терминов и определений.
3. Подготовить письменные мотивированные ответы к тестовому заданию № 2.
4. Подготовить необходимые данные для продолжения выполнения ИР3 № 4.
Основные термины и определения
диффузионный пограничный слой
коэффициент массоотдачи
турбулентная диффузия
модели массопереноса
массоотдача
Занятие № 3
Тема:
Массопередача.
Цель занятия
: Изучить основные закономерности массопередачи и получить практические навыки расчетов кинетических коэффициентов.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) основные модельные представления при массопередаче (сообщение);
2) расчет коэффициентов массопередачи;
3) расчет средней движущей силы процессов массопередачи.
2. Решение задач:
1). № 6–11,12 [3].
2). Рассчитать коэффициент массопередачи и среднюю движущую силу в ИР3.
Подготовка к занятию
1. Изучить рекомендуемый материал занятия в конспектах лекций и учебниках: [1, С. 24–30], [3, С. 286–287, С. 291–292].
2. Выучить определения основных терминов и понятий.
3. Подготовить письменные мотивированные ответы к тестовому заданию № 3.
4. Подготовить необходимые данные для расчета коэффициента массопередачи и средней движущей силы в ИР3-4.
Основные термины и определения
массопередача
коэффициент массопередачи
диффузионное сопротивление
минимальный расход поглотителя
оптимальный расход поглотителя
аддитивность фазовых сопротивлений
лимитирующая стадия при массопередаче
модели массопереноса
движущая сила массопереноса
число единиц переноса
высота единицы переноса
Занятие № 4
Тема:
Расчет и интенсификация массообменных процессов.
Цель занятия
: Получить практические навыки расчета массообменных процессов и изучить основные методы их интенсификации, используя общие подходы.
План проведения занятия
1. Обсуждение следующих тем и вопросов:
1) общие принципы расчета массообменных процессов;
2) методы расчета массообменных процессов со ступенчатым и непрерывным контактом фаз;
3) основные методы интенсификации массообменных процессов.
2. Решение задач: № 6–14, 20 [3].
Подготовка к занятию
1. Изучить рекомендуемый материал занятия в конспектах лекций и учебнике [1, С. 26–42].
2. Подготовить письменные мотивированные ответы к тестовому заданию № 4.
3. Выучить определения основных терминов и понятий.
4. Подготовить к сдаче ИРЗ-4.
Основные термины и определения
фиктивная скорость фазы
объемный коэффициент массопередачи
общее число единиц переноса
коэффициент полезного действия колонны
коэффициент полезного действия Мерфи
кинетическая кривая
теоретическая ступень изменения концентрации
5.8 Лабораторные занятия
Перечень возможных лабораторных работ:
– «Определение высоты единицы переноса в насадочной ректификационной колонне»;
– «Определение коэффициента массопередачи в процессе абсорбции».
Для подготовки и проведения лабораторных работ используются методические указания, в частности [4], в которых указаны основные требования и обязанности студентов при выполнении этого вида учебных занятий.
5.9 Индивидуальное расчетное задание № 4
5.9.1 Условие задания:
Рассчитать коэффициенты массопередачи и высоту абсорбционной колонны, предназначенной для поглощения водой распределяемого компонента А
из смеси с воздухом. Расход воздуха G
, м3
/ч; расход воды L
=(1+
b)×L
min
, кг/ч. Давление в аппарате (абсорбере) – атмосферное; температура t
о
С. Диаметр абсорбера D
, м.
Тип насадки – керамические кольца Рашига. Поглощаемого компонента в свежем абсорбенте не содержится. Сделать вывод о том, в какой из фаз сосредоточено основное сопротивление массопередачи. Указать возможные методы интенсификации процесса.
5.9.2 Методические указания к выполнению задания
При выполнении задания можно пользоваться учебниками [1, 2, 3, 5, 6, 9, 11, 13].
Для определения L
min
предварительно необходимо:
– пользуясь справочными данными, получить уравнение линии равновесия для указанной в задании системы газ–жидкость;
– по уравнению линии равновесия определить равновесное содержание компонента в воде, вытекающей из абсорбера.
Затем из уравнения материального баланса рассчитать минимальный расход воды в условиях равновесия L
min
.
Коэффициенты молекулярной диффузии распределяемого компонента в воздухе и воде пересчитать на заданную температуру.
Обратите внимание на соответствие размерностей, используемых в расчетах физических величин.
Таблица 5.1 – Исходные данные к индивидуальному расчетному заданию
| Первая цифра варианта
|
Компонент |
Расход G, м3
|
Начальное содержание А, ун
|
Последняя цифра варианта
|
Коэффициент избытка, β% |
Степень поглощения, α% |
Температура, t°C |
Тип насадки, мм |
Диаметр абсорбера D, м |
| 0 |
Ацетон |
1000 |
12 |
0 |
20 |
85 |
15 |
15´15´2 |
0,6 |
| 1 |
Аммиак |
1100 |
10 |
1 |
10 |
90 |
20 |
25´25´3 |
0,8 |
| 2 |
Двуокись серы |
1200 |
8 |
2 |
15 |
95 |
25 |
35´35´4 |
1,0 |
| 3 |
Метиловый спирт |
1300 |
6 |
3 |
25 |
80 |
30 |
50´50´5 |
1,2 |
| 4 |
Диоксид углерода |
1400 |
5 |
4 |
30 |
75 |
35 |
35´35´2,5 |
1,4 |
| 5 |
Хлор |
1500 |
7 |
5 |
40 |
82 |
40 |
8´8´1,5 |
0,4 |
| 6 |
Бром |
1600 |
9 |
6 |
10 |
86 |
10 |
50´50´1 |
0,7 |
| 7 |
Этан |
1700 |
11 |
7 |
8 |
92 |
22 |
25´25´3 |
0,9 |
| 8 |
Ацетилен |
1800 |
13 |
8 |
6 |
94 |
28 |
35´35´4 |
1,1 |
| 9 |
Этилен |
1900 |
15 |
9 |
18 |
98 |
32 |
50´50´5 |
1,3 |
5.10 Самостоятельная работа студентов
Самостоятельная работа студентов при изучении модуля «Основы массопередачи» включает следующие виды:
– изучение отдельных разделов модуля, не излагаемых на аудиторных занятиях (определяется лектором с указанием рекомендуемой литературы);
– подготовку к занятиям (проработку литературы, конспектов лекций, тестов, подготовку к практическим и лабораторным занятиям, устным опросам, составление сообщений и докладов);
– решение типовых задач;
– выполнение лабораторных работ, обработку и объяснение полученных результатов, оформление отчетов с последующей защитой;
– выполнение индивидуального расчетного задания и его защиту;
– сдачу экзамена по программе модуля.
Выполняя различные виды самостоятельной работы, важно акцентировать внимание на фундаментальных положениях курса, так как материал модуля базируется на уже известных законах и положениях (таблица 5.2).
Необходимо анализировать причинно-логические связи в изучаемом материале, выделяя общность в закономерностях, методических подходах к анализу различных явлений. В этом помогут 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. рисунки 4.1, 4.2) указывает на наиболее важные для понимания материала раздела математические преобразования.
Необходимым и весьма важным видом СРС является работа с тестами на электронно-обучающем комплексе. При этом рекомендуется следующая последовательность поиска ответов на поставленный вопрос:
– 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 зависимостей установить характер влияния указанного в вопросе воздействия (параметра) на это «свойство»;
– сопоставить найденное решение с представленными вариантами ответов и выбрать идентичный.
Работа с тестами эффективна только при том условии, что во главу угла будет поставлена доказательная сторона этой работы.
Термины и понятия – это язык дисциплины, что и определяет важность изучения и запоминания их сущности.
Таблица 5.2 – Фундаментальные положения курса и основы массопередачи
| Фундаментальные законы, положения |
Основы массопередачи |
| Законы сохранения |
Материальные балансы, расход поглотителя. Уравнения рабочих линий |
| Законы равновесия |
Уравнения равновесия, равновесные линии; направление массопереноса; движущая сила |
| Законы переноса |
Молекулярная и турбулентная диффузии; законы Фика. Лимитирующая стадия |
| Моделирование процессов |
Модели массопереноса. Диффузионное подобие. Расчет коэффициентов массоотдачи и массопередачи |
| Единый кинетический закон |
Интенсификация процессов. Определение основных размеров аппаратов |
| Технико-экономическая оптимизация |
Определение оптимального расхода поглотителя |
5.11 Промежуточный экзамен № 4 (ПЭ-4)
Для ПЭ-4 применяется автоматизированный контроль – выбор правильного ответа из числа представленных к 12 вопросам.
Необходимыми условиями допуска к ПЭ-4 являются:
– выполнение плана практических занятий;
– выполнение и защита лабораторных работ;
– выполнение и защита индивидуального расчетного задания.
5.12 Задачи для «знатоков»
1. В адиабатический абсорбер поступают газ и жидкость при одинаковой температуре. Теплотой растворения газа пренебрегаем, химическое взаимодействие в потоках не происходит. Будут ли отличаться конечные температуры газа и жидкости друг от друга?
2. Чему равна растворимость газа в жидкости при температуре кипения жидкости под атмосферным давлением, если система подчиняется закону Генри?
3. Вывести формулу для определения высоты единицы переноса в насадочном абсорбере для жидкой фазы h
х
из критериального уравнения:
Nuж
=
0,0021×
Reж
0,75
×Prж
0,5
.
4. Как влияет продольное и поперечное перемешивание на основные характеристики массообменных процессов? Объясните.
5. Аммиак поглощается водой из воздуха с начальным содержанием 5 % объемных, конечное содержание аммиака в воздухе 0,27 % объемных. Количество поступающего воздуха 10000 м3
/ч при н.у. Общее давление газа Р
=760 мм рт. ст. Содержание аммиака в поступающей на абсорбцию воде 0,3 % весовых, удельный расход поглотителя L
= 1,20 кг/кг. Определить количество поглощенного аммиака, конечную концентрацию его в воде и построить рабочую линию процесса.
5.13 Основные термины и понятия
Абсорбция
– избирательное поглощение газов или паров жидким поглотителем. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой (или паровой) фазы в жидкую. Наиболее широко используется для разделения технологических газов и очистки газовых выбросов.
Аддитивность фазовых сопротивлений
:
R
=
1/К
у
=
(1/bу
) +
(m
/bх
),
где К
у
– коэффициент массопередачи по газовой фазе;
bу
, bх
– коэффициенты массоотдачи;
m
– константа фазового равновесия.
Адсорбция
– избирательное поглощение газов, паров или растворенных в жидкости веществ твердым поглотителем, способным поглощать одно или несколько веществ из смеси. Этот процесс представляет собой переход вещества из газовой, паровой или жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения того или иного вещества (или веществ) достаточно низкой концентрации из их смеси.
Высота единицы переноса
(ВЕП) – величина, которая по смыслу выражает высоту массообменного аппарата, эквивалентную одной единице переноса.
Движущая сила процессов массопереноса
– в обшем случае разность химических потенциалов распределяемого компонента в фазах. В частных случаях – разность между рабочими и равновесными концентрациями: Dу
= у
– у*
или Dх
= х*
– х
.
Десорбция
– процесс, обратный абсорбции или адсорбции, то есть выделение растворенного газа из жидкости или выделение сорбированного вещества из твердого поглотителя.
Диффузионное сопротивление
– величина, обратная коэффициенту массопередачи: R
=
1/ К
х,у
.
Диффузионный пограничный слой
– область потока у границы раздела фаз, где молекулярный перенос вещества становится преобладающим; толщина dд
меньше толщины вязкого пограничного слоя dг
, причем
dд
=
dг
(
D
/n)
1/
m
,
где m
– показатель степени, отражающий закон затухания турбулен-тного переноса вблизи границы раздела фаз (m
= 3: жидкость–твердое тело; m
= 2: газ–жидкость, жидкость–жидкость);
D
– коэффициент молекулярной диффузии.
Для газов: dГ
≈dT
≈ dD
;
для жидкостей dD
<<
dT
<<dГ
.
Диффузия
– движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или установлению их равновесного распределения.
Ионный обмен
– избирательное извлечение ионов из растворов электролитов. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из жидкой фазы в твердую. Применяют для извлечения веществ из растворов, в которых эти вещества находятся при низких концентрациях.
Кинетическая кривая
– основа графического метода определения числа реальных ступеней, геометрическое место точек рабочих концентраций в фазах на выходе с тарелки (со ступени).
Концентрация вещества
– отношение количества какого-либо компонента смеси (молярная концентрация, моль/м3
) или его массы (массовая концентрация, кг/м3
) к объему смеси. На практике часто используют безразмерную величину – массовую, молярную или объемную долю, равную отношению массы, количества или объема какого-либо компонента смеси соответственно к массе, количеству или объему смеси.
Коэффициент массоотдачи
показывает, какое количество вещества переходит от единицы поверхности раздела фаз в ядро потока или наоборот, в единицу времени при движущей силе, равной единице.
Коэффициент массопередачи
показывает, какое количество распределяемого вещества переходит из фазы в фазу в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз при движущей силе, равной единице; характеризует скорость процесса переноса вещества из одной фазы в другую.
Коэффициент молекулярной диффузии
показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентрации, равном единице.
Коэффициент полезного действия колонны
h равен отношению числа теоретических ступеней к числу необходимых рабочих (действительных) ступеней n
д
(h зависит от скоростей фаз, физических свойств, структуры потоков и других факторов): h =
n
т
/
n
д
.
Коэффициент распределения
(константа фазового равновесия) – отношение концентраций распределяемого компонента в фазах при равновесии: m
=
y
*/
x
.
Для идеальных и разбавленных растворов линия равновесия близка к прямой, и m является практически величиной постоянной, равной тангенсу угла наклона линии равновесия.
КПД Мерфри
(эффективность ступени или тарелки) – отношение изменения концентрации данной фазы на ступени к движущей силе на входе той же фазы в ступень и обозначают Е
у
и Е
х
. Для n
-й ступени для фазы Ф
у
для случая перехода вещества из Ф
х
в Ф
у
:
для фазы Ф
у
: Е
у
=
(у
n
– у
n
-1
)/(y
*
(x
n
) – у
n
-1
),
для фазы Ф
х
: Е
х
=
(х
n
+1
– х
n
)/( х
n
+1
– х*
(у
n
).
Кристаллизация
– выделение твердой фазы в виде кристаллов из растворов или расплавов. Этот процесс представляет собой переход вещества из жидкой фазы в твердую. Применяется, в частности, для получения веществ повышенной чистоты.
Критерий Шервуда
(диффузионный критерий Нуссельта) – безразмерный комплекс, который характеризует отношение скорости переноса вещества (конвективного и молекулярного – b) к молекулярному переносу (D
). (Sh является аналогом теплового критерия Нуссельта, а также является определяемым критерием, поскольку в него входит величина b): Sh =
bl
/D
, где l
– определяющий геометрический размер.
Лимитирующая стадия при массопередаче
– стадия, которая определяет общую скорость процесса. Если коэффициент bх
велик, то 1/bу
>>
m
/
bх
и K
y
»
bу,
то есть лимитирующей стадией процесса является диффузионное сопротивление в фазе Ф
у
. Если велики значения bу
и m
, то 1/bх
>>
1/(
m
bу
)
и K
х
»
bх
, то есть лимитирующей стадией в данном случае является диффузионное сопротивление в фазе Ф
х
.
Массоотдача
– перенос вещества внутри фазы: из фазы к границе раздела фаз или, наоборот, – от границы раздела в фазу (по аналогии с процессом переноса теплоты внутри фазы – теплоотдачей).
Массопередача
– процесс перехода вещества (или нескольких веществ) из одной фазы в другую в направлении достижения равновесия. В отличие от теплопередачи, которая происходит обычно через стенку, массопередача осуществляется, как правило, при непосредственном соприкосновении фаз (за исключением мембранных процессов).
Мембранные процессы
– избирательное извлечение компонентов смеси или их концентрирование с помощью полупроницаемой перегородки – мембраны. Эти процессы представляют собой переход вещества (или веществ) из одной фазы в другую через разделяющую их мембрану. Применяется для разделения газовых и жидких смесей, очистки сточных вод и газовых выбросов.
Минимальный расход поглотителя
рассчитывается из уравнения: G
(
y
н
– у
к
) =
L
min
( х
к
– х
н
).
Модели массопереноса:
- Пленочная модель Льюиса и Уитмена
: на поверхности контакта фаз образуются неподвижные или ламинарно движущиеся пленки, в которых перенос вещества осуществляется только молекулярной диффузией. Эти пленки отделяют поверхность контакта фаз от ядра потока, в котором концентрация практически постоянна; все изменения концентрации вещества происходят в пленке.
М = (
D
/dпл
)
F
(с
о
– с
гр
)
,
где
dпл
– толщина пленки;
с
о
и
с
гр
– средняя концентрация в ядре фазы и концентрация на границе раздела фаз соответственно.
- Модель пограничного диффузионного слоя
можно считать дальнейшим развитием пленочной модели, в которой отражено влияние гидродинамических условий на процесс массопереноса. По этой модели концентрация вещества, постоянная в ядре потока, в турбулентном подслое толщиной dт
постепенно снижается при приближении к пограничному слою, в котором соизмеримы молекулярные и турбулентные силы вязкости, т.е.
n » n
т
. С уменьшением масштаба пульсаций в вязком подслое толщиной dг
концентрация снижается существенно быстрее. В глубине вязкого подслоя, внутри тонкого диффузионного подслоя толщиной dд
молекулярный перенос становится основным, при этом n
>>
n
т
.
- Модель обновления поверхности фазового контакта
часто называют моделью проницания, или пенетрационной. По этой модели предполагается, что турбулентные пульсации постоянно подводят к поверхности раздела фаз свежую жидкость и смывают порции жидкости, уже прореагировавшей с газом (паром), то есть каждый элемент поверхности жидкости взаимодействует с газом (паром) в течение некоторого времени t (время контакта или обновления), после чего данный элемент обновляется.
Направление массообменных процессов
– определение из какой фазы в какую будет переходить вещество. Причем направление перехода вещества определяется концентрациями вещества в фазах и условиями равновесия (в общем случае разностью химических потенциалов вещества в фазах): вещество переходит из той фазы, где его рабочая концентрация выше равновесной.
Общее число единиц переноса
(ЧЕП) – изменение рабочей концентрации распределяемого между фазами вещества, приходящееся на единицу движущей силы: (у
н
– у
к
)/
Dу
ср
=
n
оу
и (х
к
– х
н
)/
Dх
ср
=
n
ох
.
Объемный коэффициент массопередачи
[К
у
v
] =
[M
/
Va
Dу
ср
] = =
[кг/м2
∙с∙
Dу
ср
].К
V
У
= К
У
∙а
, где а
– удельная поверхность насадки, м2
/м3
.
Оптимальный расход поглотителя
находят с помощью технико-экономического расчета, и он соответствует минимуму затрат З
min
.
Перегонка
– процесс, в котором разделяемая жидкая смесь нагревается до кипения, а образующийся пар отбирается и конденсируется.
Рабочая линия процесса
– уравнение прямой, выражающее зависимость между рабочими концентрациями: у = Ах + В, (у =
f
(х)).
Рабочие концентрации
(у, х)
– действительные концентрации распределяемого вещества, которые всегда отличаются от равновесных.
Равновесная линия
– линия, которая либо является кривой, либо, в частном случае, прямой линией и выражается зависимостью: у*
= f
(х)
или x
* =
f
(
y
), (у* =
mx
или х* =
m
у)
– геометрическое место точек равновесных концентраций.
Равновесные концентрации
(у*, х*
) – предельные концентрации распределяемого вещества в фазах для данных температуры и давления, установившиеся при равновесии.
Скорость массообменных процессов
– количество вещества, переносимое в единицу времени через единицу поверхности контакта фаз.
Сушка
– удаление влаги из твердых влажных материалов, в основном, путем ее испарения. Этот процесс представляет собой переход влаги из твердого влажного материала в газовую или паровую фазы. Применяют в технике для предварительного обезвоживания перерабатываемых веществ или обезвоживания готового продукта.
Теоретическая ступень изменения концентрации (теоретическая тарелка)
– соответствует некоторому гипотетическому участку аппарата, на котором жидкость полностью перемешивается, а концентрации удаляющихся фаз (например, жидкости и газа) являются равновесными. Методу теоретических ступеней (тарелок) присущи серьезные недостатки, и обоснованный переход от теоретических к действительным тарелкам затруднителен. В связи с этим разработаны более совершенные методы, позволяющие определить аналитически или графически непосредственно число действительных ступеней (тарелок) аппарата.
Турбулентная диффузия
– конвективный перенос вещества, осуществляемый под действием турбулентных пульсаций.
Фиктивная скорость фазы
– отношение объемного расхода фазы Q
(м3
/с) к площади поперечного сечения S
(м2
) аппарата: [w] = [Q
/S
] = =[м/с] .
Химический потенциал
есть функция, определяющая направление и предел самопроизвольного перехода данного компонента из одной фазы в другую при соответствующих превращениях:
где
μi
–
химический потенциал;
G
–
энергия Гиббса;
Н –
энтальпия;
U
–
внутренняя энергия системы;
ni
–
количество молей i
-го компонента;
nj
–
количество молей остальных компонентов;
Р –
давление;
Т –
температура;
V
– объем;
S
–
энтропия.
Число единиц переноса
– изменение рабочей концентрации распределяемого между фазами вещества, приходящееся на единицу движущей силы; обратно пропорционально средней движущей силе процесса массопередачи.
Экстракция
– извлечение растворенного в одной жидкости вещества другой жидкостью, практически не смешивающейся или частично смешивающейся с первой. Этот процесс представляет собой переход извлекаемого вещества из одной жидкой фазы в другую. Процесс применяют для извлечения растворенного вещества или группы веществ сравнительно невысоких концентраций.
5.14 Тестовые задания
5.14.1 Тесты к занятию № 1
1. Потенциалом переноса массы является:
а )
j =
w
∙
ρ; б)
j =
c
р
∙
ρ∙
t
; в)
j =
с
или j = ρ.
2. Переход вещества из одной фазы в другую в изолированной замкнутой системе возникает самопроизвольно и протекает до тех пор, пока…
а) концентрация распределяемого вещества в фазах не будет одинаковой;
б) все вещество не перейдет в другую фазу;
в) химические потенциалы вещества в фазах не будут одинаковы
.
3. В общем случае массообменные процессы протекают лишь при…
а) неравенстве концентраций распределяемого компонента в фазах;
б) нарушении фазового равновесия.
4. Способность рассматриваемого компонента к выходу из данной фазы характеризует…
а) содержание компонента в фазе;
б) коэффициент молекулярной диффузии;
в) химический потенциал.
5. В общем случае движущей силой процессов переноса вещества из фазы в фазу и мерой отклонения фаз от равновесного состояния является…
а) разность концентраций вещества в фазах;
б) разность температур фаз;
в) разность химических потенциалов вещества в фазах.
6. Вместо химического потенциала в качестве движущей силы процессов переноса вещества при анализе и расчете этих процессов рассматривают пропорциональную ему величину – изменение концентраций компонентов в фазах. При этом делают следующие допущения:
а) вид и концентрация других компонентов не оказывают влияния на процесс;
б) взаимодействие между одноименными молекулами гораздо больше, чем между разноименными;
в) система реальная.
7. В общем случае химический потенциал I-го компонента может быть определен по уравнению:
где U
– внутренняя энергия;
G
– энергия Гиббса;
H
– энтальпия;
n
i
– ?
а) число компонентов в системе;
б) число молей компонента
i
в системе;
в) число степеней свободы.
8. В двухкомпонентной системе содержание компонента А определяется по уравнению:
х
А
=
(
/М
А
)/(
/М
А
+
(1 –
)/М
В
),
где – массовая концентрация (в долях);
М
А
, М
В
– молярные массы компонентов А и В.
В чем оно будет выражаться?
а) мольные доли;
б) массовые доли;
в) относительная массовая концентрация;
г) объемная концентрация.
9. Содержание NH3
в воде 0,5 кг NH3
/кг р-ра. Чему равна относительная массовая концентрация NH3
?
а) =
0,5; б) =
1; в) =
0,033; г) =
9.
10. Аммиак поглощается водой из воздуха. Если принять, что воздух – двухкомпонентная система, то чему равно число степеней свободы в этом процессе?
а)
1; б)
2; в)
3; г)
4.
11. Аммиак поглощается водой из воздуха. Если принять, что воздух – двухкомпонентная система, а в воде содержится извлекаемый компонент, то чему равно число степеней свободы в этом процессе?
а) 1; б) 2; в) 3; г) 4.
12. Какая из представленных диаграмм равновесия соответствует процессу, в котором коэффициент распределения m не зависит от концентрации распределяемого компонента в фазах?
у
у
у
t
х
х
х
Х
А
а) б) в) г)
13. Какой из графиков, на которых изображены равновесная у*
= f
(х
) и рабочая линии, соответствует прямоточному процессу, в котором вещество переходит из Ф
у
в Ф
х
?
у
у*=
f
(
x
)
у
у
у
у*
= f
(
x
)
А А
а) б) в) г)
14. Меньший удельный расход поглотителя соответствует процессу с рабочей линией
у
В/
В В//
у*=
f
(
x
)
а) АВ/
; б) АВ ; в) АВ//
.
А
х
15. Значение средней движущей силы больше в процессе с рабочей линией
у
а) АВ/
; б) АВ ; в) АВ//
.
В/
В В//
А
х
16. Увеличение конечной концентрации извлекаемого компонента в поглотителе приводит
а) к уменьшению расхода поглотителя и движущей силы процесса;
б) к увеличению расхода поглотителя и движущей силы процесса;
в) к уменьшению расхода поглотителя и увеличению средней движущей силы процесса;
г) к увеличению расхода поглотителя и уменьшению движущей силы процесса.
17. Минимальный расход поглотителя L
min
в прямоточном процессе переноса вещества из Фу
в Фх
рассчитывается из уравнения:
а)
G
(
y
н
– у
к
) =
L
min
( х
к
– х
н
*
)
;
б)
G
(
y
*
к
– у
н
) =
L
min
( х*
к
– х
н
);
с)
G
(
y
н
– у
к
) =
L
min
( х*
к
– х
н
);
д)
G
(
y
*
к
– у
н
) =
L
min
( х
н
– х
к
);
е)
G
(
y
*
н
– у
к
) =
L
min
( х
к
– х
н
).
18. Абсорбция газов в большинстве случаев сопровождается выделением тепла. Как скажется на значении минимального расхода поглотителя Lmin
подвод тепла к системе?
а)
L
min
уменьшится;
б)
L
min
увеличится;
в)
L
min
не изменится
.
19. Уравнение материального баланса G
(
y
н
–
y
к
) =
L
(х
к
–
x
н
)
получено для переноса вещества из Ф
у
в Ф
х
в непрерывном аппарате…
а) идеального смешения;
б) идеального вытеснения;
в) ячеечной модели;
г) диффузионной модели.
20. Какое из уравнений соответствует балансу вещества при непрерывном процессе массопередачи, сопровождаемым химическим взаимодействием поглощаемого компонента с веществом фазы:
а) Пр – Ух + Ис – Ст = Нак; б) Пр –Ух =
0;
в) Пр –Ух = Нак; г) Пр – Ух
– Ст =
0.
5.14.2 Тестовое задание № 2
1. Какое из представленных уравнений описывает стационарный перенос вещества в движущемся потоке?
а) ;
б) ;
в) ;
г) .
2. Какое из представленных уравнений описывает нестационарный перенос вещества в неподвижной среде?
а) ; б) ;
в) ; г) .
3. Какое из представленных уравнений выражает в общем виде распределение концентраций компонента в движущемся потоке?
а) ;б) ;
в) ;
г) .
4. В каких единицах выражается концентрация вещества А
, если размерность коэффициента молекулярной диффузии [D] кг×м2
/кмольА×с?
а) кг А/м3
(А+В);
б) кмоль А/кмоль В;
в) кмоль А/ м3
(А+В);
г) кмоль А/кмоль (А+В).
5. У какого из газов коэффициент молекулярной диффузии в воздухе при одинаковых условиях наибольший?
а) азот;
б) водород;
в) кислород.
6. Для газов коэффициенты кинематической вязкости n, температуропроводности а
и молекулярной диффузии D
:
а)
D
<<
a
; б)
D
<<
n
;
в)
D
»
n
»
a
; г)
D
>>
a
>>
n
.
7. Для жидкостей коэффициенты кинематической вязкости n, температуропроводности а
и молекулярной диффузии D
:
а
) D
£
a;
г
) D >> a >>
n
;
б
) D <<
n
;
д
) D << a <<
n
.
в)
D
»
n
»
a
;
8. Критерий Прандтля PrD
для газов:
а)
Pr < 1; б)
Pr > 1; в)
Pr » 1.
9. В жидкостях между толщиной гидродинамического слоя dг
, теплового dт
и диффузионного dD
существует следующее соотношение:
а)
dD
»
dт
»
dг
; б)
dD
>> dт
>> dг
;
в)
dD
<<
dг
<<
dт
; г)
dD
<< dт
<< dг
;
10. Критерий Прандтля PrD
для жидкостей:
а
) Pr < 1; б)
Pr > 1; в)
Pr » 1.
11. Критериальное уравнение для стационарного процесса массоотдачи в турбулентном потоке имеет вид:
а)
NuD
= f
(FoD
, PrD
, Ga, Г
);
б
)
NuD
= f
(FoD
, PrD
, Re, Г
);
в)
NuD
= f
(PrD
, Ga, Г
);
г)
NuD
= f
(PrD
, Re, Г
),
12. Повышение температуры более существенно скажется на значении коэффициента массоотдачи:
а) в жидкостях;
б) в газах;
в) в твердых телах.
13. Коэффициент массоотдачи показывает, какое количество вещества переходит в единицу времени при движущей силе, равной единице:
а) из фазы в фазу;
б) из ядра потока к поверхности раздела фаз и наоборот;
в) от единицы поверхности раздела фаз в ядро потока и наоборот.
14. Укажите размерность коэффициента массоотдачи b,
если количество переносимого вещества М
измеряется в кмоль/с, а концентрация в относительных мольных долях:
а)
м/с; б
) кмоль В/м2
×с; в)
кмоль А/м2
×с.
5.14.3 Тесты к занятию № 3
1. В какой из моделей массопереноса принимается, что поверхность контакта фаз по своим свойствам аналогична твердой стенке:
а) модель диффузионного пограничного слоя;
б) модель обновления поверхности фазового контакта;
в) пленочная модель Льюиса и Уитмена.
2. Процесс массопередачи это:
а) одно-
б) двух-
в) трехстадийный процесс.
3. Общее сопротивление переносу вещества в соответствии с моделью диффузионного пограничного слоя складывается из суммы сопротивлений:
а) одной;
б) двух;
в) трех стадий.
4. Уравнение аддитивности фазовых сопротивлений:
а)
=
m
; б)
;
в)
; г).
5. Лимитирующей стадией в процессе поглощения жидкостью хорошо растворимого газа является стадия:
а) в жидкой фазе;
б) в газовой фазе;
в) в обеих фазах.
6. Если Dy
б
/Dy
м
£ 2, то:
а)
Dy
ср
=(у
н
+
y
к
)/
2;
б)
Dy
ср
= (
Dу
б
+
Dy
м
)
/2;
в)
Dy
ср
= (
Dу
б
–
Dy
м
)/
2,3 lg Dу
б
/
Dy
м
.
7. При прямоточном процессе массопереноса вещества из фазы Ф
x
в фазу Ф
y
:
а)
Dx
н
=
x
н
–
y
н
; Dx
к
=
x
к
–
y
к
;
б)
Dx
н
=
x
н
–
y
н
/
m
; Dx
к
=
x
к
–
y
к
/
m
;
в)
Dx
н
=
x
н
–
x
н
*
; Dx
к
=
x
к
–
x
к
*
.
г)
Dx
н
=
y
/
m
–
x
н
; Dx
к
=
y
/
m
–
x
к
;
д)
Dx
н
=
x
н
*
–
x
н
; Dx
к
=
x
к
*
–
x
к
.
8. Средняя движущая сила процессов переноса вещества:
а) зависит от температуры;
б) не зависит от температуры.
9. В каком из аппаратов средняя движущая сила процессов переноса вещества при прочих равных условиях больше:
а) аппарат идеального вытеснения;
б) аппарат идеального смешения;
в) ячеечная модель;
г) диффузионная модель.
10. Объемный коэффициент массопередачи К
yv
определяется по уравнению:
К
yv
= К
y
× а
,
где а
– удельная поверхность насадки, м2
/м3
.
Единицей измерения К
yv
может быть:
а) м/
c
; б) м2
/
c
; в) кг/м2
×
с
×
ед.дв.сила; г) с-1
.
12. По каким из представленных уравнений определяются Dy
б
и Dy
м
в противоточном массообменном процессе:
а)
Dy
б
=
y
н
–
mx
к
; Dy
м
=
y
к
–
mx
н
;
б)
Dy
б
=
y
н
–
mx
н
; Dy
м
=
y
к
–
mx
к
;
в)
Dy
б
=
y
н
–
y
к
; Dy
м
=
y
к
¢
–
y
н
¢
.
13. Общим для большинства моделей массопереноса является допущение о том, что:
а) с обеих сторон поверхности контакта фаз образуются пограничные слои (пленки), в которых преобладает молекулярный перенос вещества;
б) поверхность контакта фаз в ходе процесса не меняет своих формы, размеров и по свойствам напоминает твердую стенку;
в) на поверхности раздела фазы находятся в состоянии равновесия, а общее сопротивление процессу переноса складывается из суммы сопротивлений двух фаз.
14. К каким изменениям кинетических характеристик массопереноса скорее всего приведет перемешивание (продольное и поперечное)?
а) уменьшится средняя движущая сила процесса
Dс увеличится коэффициент массопередачи К;
б) увеличится
Dср, увеличится К;
в) увеличится
Dср, уменьшится К;
г) уменьшится
Dср, уменьшится К.
15. Как скажется на высоте массообменного аппарата увеличение конечной концентрации распределяемого компонента в поглотителе х
к
при прочих равных условиях?
а) увеличится;
б) уменьшится;
в) не изменится.
16. Как скажется на диаметре массообменного аппарата увеличение конечной концентрации распределяемого компонента в поглотителе х
к
при прочих равных условиях?
а) увеличится;
б) уменьшится;
в) не изменится.
17. В модели пограничного диффузионного слоя предполагается, что основное сопротивление переносу вещества сосредоточено:
а) в «легкой» фазе;
б) в «тяжелой» фазе;
в) при переходе вещества через поверхность раздела фаз;
г) в пограничных диффузионных слоях.
18. Градиент концентраций распределяемого вещества имеет наибольшее значение:
а) в ядре потока; б) в пограничном диффузионном слое;
в) в пограничном диффузионном слое в фазе, где коэффициент диффузии
D
вещества наибольший;
г) в пограничном диффузионном слое фазы, где коэффициент диффузии
D
вещества наименьший.
5.14.4 Тесты к занятию № 4
1. Диаметр массообменного аппарата прямо пропорционален…
а) скорости сплошной фазы;
б) скорости процесса;
в) производительности аппарата.
2. Диаметр массообменного аппарата D
(в м) определяется по уравнению
,
где V
– расход сплошной фазы, м3
/с;
w
– рабочая скорость сплошной фазы, предельное значение которой, в частности, зависит от…
а) производительности аппарата;
б) взаимного направления движения фаз;
в) интенсивности процесса.
3. От скорости движения сплошной фазы в аппарате зависит…
а) его диаметр;
б) высота аппарата;
в) величина гидравлического сопротивления;
г) все перечисленные параметры.
4. При противоточном движении фаз в массообменном аппарате рабочая скорость сплошной фазы определяется исходя из допустимой величины:
а) гидравлического сопротивления аппарата;
б) технико–экономических расчетов;
в) предельного режима работы аппарата;
г) других соображений.
5. При прямоточном движении фаз в массообменном аппарате рабочая скорость сплошной фазы определяется исходя из…
а) допустимой величины гидравлического сопротивления аппарата;
б) технико-экономических расчетов;
в) предельного режима работы аппарата;
г) других соображений.
6. Высота массообменного аппарата зависит, прежде всего, от…
а) его производительности;
б) скорости массопереноса;
в) скорости движения сплошной фазы.
7. Высота единицы переноса h
ВЕП
– такой участок массообменного аппарата, на котором:
а) в результате взаимодействия фаз наступает равновесное состояние системы;
б) изменение рабочей концентрации распределяемого между фазами вещества равно средней движущей силе на этом участке;
в) число единиц переноса равно нулю.
8. Значение высоты единицы переноса h
ВЕП
с увеличением коэффициента массопередачи:
а) увеличится;
б) уменьшится;
в) не изменится.
9. Чем больше турбулизация фаз, тем значение высоты единицы переноса…
а) больше;
б) меньше;
в) не меняется.
10. Чем выше значение средней движущей силы, тем общее число единиц переноса…
а) меньше;
б) больше.
11. Увеличение коэффициента массопередачи и средней движущей силы процесса приводит…
а) к уменьшению диаметра аппарата;
б) к уменьшению высоты аппарата;
в) к увеличению высоты аппарата;
г) к увеличению диаметра аппарата.
12. «Теоретическая тарелка» (ТТ) – такой участок массообменного аппарата, на котором…
а) в результате взаимодействия фаз система достигает равновесного состояния;
б) изменение рабочей концентрации распределяемого между фазами вещества равно средней движущей силе на этом участке;
в) число единиц переноса равно 1.
13. Высота массообменного аппарата с непрерывным контактом фаз может быть рассчитана по уравнению:
а)
;
б)
h
ВЕП
×
n
oy
;
в)
H
=
h
тр
+
h
мс
;
г)
д)
H
= (
n
–
1)
h
.
14. С увеличением интенсивности продольного перемешивания значение средней движущей силы массообменного процесса:
а) уменьшится;
б) увеличится;
в) не изменится.
15. Все ли предложенные мероприятия приведут к повышению интенсивности процесса, а, следовательно, к уменьшению высоты аппарата?
увеличение скорости движения фазы (с целью повышения турбулизации), лимитирующей массоперенос;
– увеличение поверхности массопереноса;
– другие виды СРС (подготовка к занятиям, докладов, сообщений, конспектирование литературы) предотвращение продольного перемешивания;
– другие виды СРС (подготовка к занятиям, докладов, сообщений, конспектирование литературы) повышение температуры фаз.
а) да; б) нет.
16. Наиболее эффективным методом интенсификации массообменных процессов является:
а) повышение температуры процесса;
б) применение противоточного взаимодействия фаз;
в) гидродинамическое воздействие на лимитирующую стадию процесса;
г) изменение рабочих параметров процесса.
17. Какой из перечисленных ниже технологических параметров может быть оптимизирующим, если в качестве критерия оптимальности выбрана величина общих годовых затрат?
а) диаметр аппарата;
б) скорость движения сплошной фазы;
в) высота аппарата;
г) величина гидравлических сопротивлений.
18. Основной характеристикой массообменных процессов является количество передаваемого вещества М
, которое определяется из уравнения:
а)
M
=
K
y
×
F
×
Dy
cp
; г)
б)
; д)
M
=
by
F
(y
–
y
ср
). в) М =
G
(y
н
–
y
к
) =
L
(x
к
–
x
н
);
19. Основное уравнение массопередачи, как правило, применяется для определения…
а) количества передаваемого в процессе вещества;
б) скорости процесса;
в) поверхности контакта фаз или пропорционального ей размера аппарата;
г) движущей силы процесса;
д) диффузионного сопротивления.
20. Перенос вещества во многих случаях сопровождается переносом тепла. Всегда ли направления тепло- и массопереноса совпадают?
а) да; б) нет.
21. Перенос вещества во многих случаях сопровождается не только переносом тепла, но и импульса. Всегда ли направления переноса вещества и импульса совпадают?
а) да; б) нет.
22. Высота единицы переноса определяется из уравнения:
а)
×
; б)
в)
23. Какое из уравнений устанавливает связь между общими высотами единиц переноса в жидкой и газовой фазах?
а)
б)
в)
г)
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Дытнерский, Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: учебник для вузов. Изд. 2-е, в 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы химической технологии / Ю.И. Дытнерский. М.: Химия, 2002.–400с.: ил.
2. Касаткин, А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учебник для ВУЗов / А.Г. Касаткин. – М.: Госхимиздат, 2004. – 750 с.
3. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию / под ред. д.т.н., проф. Ю.И. Дытнерского. –М.: Химия, 1983.
4. Павлов, К.Ф. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: учебник для ВУЗов / К.Ф. Павлов [и др.]. – Л.: Химия, 2004. – 576 с.
5. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии: учебное пособие для вузов / под ред. П.Г. Романкова. – Л.: Химия, 1990. – 256 с.
Дополнительная
6. Айнштейн, В.Г.. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, кн.1 / В.Г. Анштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов. – М.: Химия,1999. – 763 с.
7. Гельперин, Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии / Н.И. Гельперин. – М.: Химия, 1982. – 812 с.
8. Кафаров, В.В. Основы массопередачи: учебник для ВУЗов / В.В. Кафаров. – М.: высшая школа, 1979. – 439 с.
9. Коган, В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии / В.Б. Коган. – Л.: Химия, 1990. – 591 с.
10. Плановский, А.Н. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: учебник для ВУЗов / П.И. Николаев. – М.: Химия, 1987. – 496 с.
11. Романков, П.Г. Массообменные процессы химической технологии / П.Г. Романков, В.Ф. Фролов. – М.: Химия, 1990. – 325 с.
Периодические издания
12. Химическая промышленность. Ежемесячный научно-технический журнал. – М.: ООО «Химпром Сегодня», 1995–2009 гг.,
ISSN 0023-110X.
13. Химическое и нефтегазовое машиностроение. Ежемесячный научно-технический и производственный журнал, 1995–2009 гг., –М.: ЗАО «Изд. центр «Новый век», ISSN 0023-1126.
14. Журнал прикладной химии 1995–2009 гг., Санкт-Петербург: Наука, ISSN 0044-4618.
Учебное издание
Денисов
Юрий Николаевич
Орлова
Наталья Алексеевна
Пазников
Евгений Александрович
ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
В 2-х частях
ЧАСТЬ 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Методические рекомендации к изучению дисциплины и к организации самостоятельной работы студентов для модульно-рейтинговой технологии обучения
Редактор Малыгина И.В.
Технический редактор Малыгина Ю.Н.
Подписано в печать 08.09.09. Формат 60´84 1/16
Усл. п. л. 8,31. Уч.-изд. л. 8,94
Печать – ризография, множительно-копировальный
аппарат «RISO TR -1510»
Тираж 150 экз. Заказ 2009-81
Издательство Алтайского государственного
технического университета
656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46
Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ
Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ
659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27
| |
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