Процессы и аппараты химической технологии

Цели и задачи дисциплины

Цель изучения дисциплины включает выявление общих закономерностей процессов переноса и сохранения веществ и энергий; ознакомление с конструкциями аппаратов и машин химического производства, их характеристиками; освоение методов расчета технологических процессов и аппаратов для их проведения. В рамках поставленной цели можно выделить следующие задачи: а) формирование знаний о теоретических основах процессов химической технологии, принципе действия и основных конструкциях аппаратов для проведения физико-химических процессов, б) изучение механизмов основных химико-технологических процессов, в) обоснование выбора оптимальных параметров режима протекающих процессов и расчета основных размеров соответствующих аппаратов для получения максимального выхода продукта, г) овладение навыками применения полученных знаний для решения практических задач и проектирования химических производств. Таким образом, знания, полученные при изучении курса, необходимы при подготовке технологов широкого профиля для научно-исследовательской, проектной и практической работы на предприятиях.

Краткое содержание дисциплины

Содержание (и методические рекомендации) разделов и тем дисциплины: 1 Введение в курс Предмет, цели и задачи курса. Взаимосвязь дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии» с дисциплинами различных специальностей. Краткие исторические сведения. Классификация химико-технологических процессов. Направления совершенствования химических производств. Основные этапы научного исследования и проектирования в химической области. Экономические проблемы внедрения результатов физико-химических исследований, а также проектирования, строительства и эксплуатации химических производств. 2 Основные закономерности процессов химической технологии Применение основных физико-химических законов при рассмотрении процессов и аппаратов химической технологии. Основы теории переноса вещества и энергии. Материальный баланс. Энергетический баланс. Условия равновесия. Скорость процесса. Основное кинетическое уравнение химико-технологического процесса, входящие в него величины. Определение направления и движущей силы процесса. Константа скорости процесса. Поверхность соприкосновения фаз. Общие методы расчета химической аппаратуры. Характеристические уравнения пребывания частиц в аппаратах идеального вытеснения и полного смешения. Физическое и математическое моделирование процессов переноса вещества и энергии. Критерии подобия и соответствующие им уравнения. Системы размерностей. 3 Гидромеханические процессы и аппараты Гидромеханические процессы. Гидравлика: гидростатика и гидродинамика. Основные физические свойства жидкостей. Идеальная и реальная жидкость. Вязкие, неньютоновские (пластичные) и псевдопластичные жидкости. Гидростатика. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера. Гидростатическое давление. Практические приложения основного уравнения гидростатики (закона Паскаля). Гидродинамика. Материальный баланс потока (уравнения неразрывности потока). Дифференциальные уравнения движения Эйлера. Энергетический баланс потока (уравнение Бернулли). Режимы движения вязкой жидкости. Элементы теории подобия гидромеханических процессов. Дифференциальные уравнения движения реальной жидкости (уравнения Навье-Стокса). Преобразование уравнений Навье-Стокса методами теории подобия. Критерии подобия, их физический смысл. Движение жидкостей по трубопроводам. Возникновение сопротивления при движении реальной жидкости. Потери напора (давления) на трение о стенки и на местные сопротивления при изменении направления или скорости потока. Полная потеря напора. Истечение жидкостей через отверстия и водосливы. Пленочное течение жидкостей. Движение тел в жидкости. Движение жидкостей через зернистый и пористый слои. Гидравлика кипящего (псевдоожиженного) слоя. Механические процессы с участием твёрдых материалов, а также перемещение жидкостей и газов насосами; разделение жидких неоднородных систем отстаиванием, фильтрованием, центрифугированием; очистка газов; перемешивание жидких сред более подробно рассматриваются в программах курсов специальных дисциплин. 4 Тепловые процессы и аппараты Основные тепловые процессы в химической технологии. Теплоносители. Передача тепла непосредственным соприкосновением теплоносителей. Передача тепла через стенку. Стационарный и нестационарный перенос теплоты. Способы переноса тепла: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение (лучеиспускание). Температурное поле и температурный градиент. Тепловой (энергетический) баланс: уравнение теплового баланса, определение тепловой нагрузки при нагревании и охлаждении без изменения агрегатного состояния, определение тепловой нагрузки при изменении агрегатного состояния. Уравнения передачи тепла: уравнение теплопередачи, уравнение теплопроводности, уравнение передачи тепла конвекцией. Потери тепла в окружающую среду. Теплопередача и теплоотдача. Теплопроводность. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Передача тепла через плоскую и цилиндрическую стенки, уравнения теплопроводности. Теплопроводность однослойных и многослойных стенок при установившемся тепловом потоке. Конвекция. Тепловой пограничный слой. Уравнение Фурье-Кирхгофа. Уравнение теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи. Критерии подобия. Теплоотдача при вынужденной конвекции и при свободной (естественной) конвекции. Теплоотдача при конденсации пара. Теплоотдача при кипении жидкости. Теплопередача при непосредственном соприкосновении теплоносителей. Тепловое излучение. Закон Стефана-Больцмана. Закон Кирхгофа. Теплообмен лучеиспусканием между телами. Лучеиспускание газов. Совместная передача тепла конвекцией и лучеиспусканием (радиационно-конвективная). Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи. Коэффициент теплопередачи. Движущая сила и общее термическое сопротивление. Средний температурный напор при различных направлениях движения теплоносителей. Определение температур стенок. 1) Нагревание и охлаждение Способы нагревания и охлаждения. Требования, предъявляемые к теплоносителям, сравнительные характеристики теплоносителей и области их применения. Устройство теплообменных аппаратов. Сравнение и выбор теплообменных аппаратов. Эксплуатация теплообменных аппаратов. Расчет теплообменных аппаратов. Расчет теплообмена при конденсации пара. Периодический процесс теплообмена. Теплообмен в кипящем (псевдоожиженном) слое. Регенеративные и смесительные теплообменные аппараты. 2) Выпаривание Способы выпаривания. Устройство выпарных аппаратов. Эксплуатация выпарных аппаратов. Расчет выпарных аппаратов. Многокорпусные выпарные установки. Расчет многокорпусной выпарной установки. Выпарные установки с тепловым насосом. Создание вакуума в выпарных установках. 3) Кристаллизация Равновесие при кристаллизации. Материальный и тепловой балансы процесса. Кинетика кристаллизации. Разделение смесей кристаллизацией. Устройство и принцип действия кристаллизаторов. Расчет кристаллизаторов. Кристаллизация расплавов. 5 Массообменные процессы и аппараты Основные массообменные процессы в химической технологии. Статика массообменных процессов. Способы выражения состава фаз. Равновесие между фазами. Материальный баланс процессов массообмена. Кинетика массообменных процессов. Массопередача и массоотдача. Уравнение массопередачи. Процесс массообмена между фазами: молекулярная диффузия; конвективная диффузия; массообмен с участием твердой фазы. Связь коэффициента массопередачи и коэффициентов массоотдачи. Подобие массообменных процессов. Средняя движущая сила и методы расчета процессов массопередачи: среднелогарифмическая движущая сила; число единиц переноса; высота единицы переноса. 1) Абсорбционные процессы и аппараты Физические основы процесса абсорбции. Устройство абсорберов. Десорбция. Схемы абсорбционных установок. Расчет насадочных абсорберов. Расчет барботажных абсорберов. 2) Экстракционные процессы и аппараты Физические основы процесса экстракции. Устройство экстракторов. Схемы экстракционных установок. Сравнение и выбор экстракторов. Расчет экстракторов. 3) Процессы перегонка и ректификации, аппаратурное оформление Основные свойства смесей жидкостей и их паров. Материальный и тепловой балансы процесса ректификации. Схемы ректификационных установок. Устройство ректификационных аппаратов. Эксплуатация ректификационных установок. Ректификация сжиженных газов. Расчет ректификационных колонн. Простая перегонка. Специальные виды перегонки. 4) Адсорбционные процессы Теория адсорбции. Устройство адсорберов. Расчет адсорберов. 5) Процессы сушки Статика сушки. Свойства влажного газа (воздуха). I – х-диаграмма влажного воздуха. Материальный и тепловой балансы процесса сушки. Изображение процесса сушки на I – х-диаграмма. Схемы сушки. Кинетика сушки. Устройство сушилок. Сравнение и выбор сушилок. Расчет сушилок. Специальные способы сушки. 6) Мембранные процессы и аппараты Мембранные процессы (баромембранные, дифузионномембранные, электромембранные) и рациональные области их применения. Типы мембран. Основные представления о механизмах мембранного разделения. Основные конструкции мембранных аппаратов (плоскокамерные, рулонные, трубчатые, половолокнистые). Сравнение характеристик и выбор мембранных аппаратов.

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

Выпускник должен обладать:

ОПК-2 Способен использовать математические, физические, физико-химические, химические методы для решения задач профессиональной деятельности