Кафедра Процессов и Аппаратов Химической Технологии
Список лекций и их содержание
| 1. | Основы массообменных процессов. Классификация процессов массообмена. Основные понятия и определения. Процессы со свободной и фиксированной границей раздела фаз и с разделяющей фазы перегородкой (мембраной). Носители и распределяемые вещества. Способы выражения состава фаз. Физико-химические основы массобменных процессов. Равновесные условия и определение направления переноса вещества из фазы в фазу. Коэффициенты распределения. Понятие о массопередаче и массоотдаче.Концентрационное поле, градиент концентрации, общий и удельный поток массы. Молекулярная диффузия в жидкостях, газах (парах) и твердых телах. Механизмы переноса массы в ламинарном и турбулентном потоках. |
| 2. | Дифференциальное уравнение конвективного переноса массы в бинарных средах. Диффузионный пограничный слой; профили концентраций и скоростей в потоках. Коэффициенты массоотдачи. Основные модельные представления о механизме массоотдачи. Моделирование конвективного массообмена. Числа Нуссельта, Пекле, Прандтля, Фурье и др., их физический смысл, аналогии с тепловым подобием применительно к газам и жидкостям. Расчет коэффициентов массоотдачи в аппаратах различных типов по уравнениям с безразмерными переменными. |
| 3. | Массопередача. Соотношение между коэффициентами массопередачи и массоотдачи, аддитивность диффузионных сопротивлений. Интенсификация массопередачи путем воздействия на лимитирующую стадию. Моделирование и расчет массообменных процессов и аппаратов для систем с одним распределяемым компонентом. Влияние условий (температуры, давления, концентраций) на направление массопереноса на примерах абсорбции или жидкостной экстракции; принципы выбора абсорбентов и экстрагентов. |
| 4. | Массообмен в аппаратах химических производств. Материальный баланс непрерывного установившегося процесса при различных способах выражения составов фаз и их расходов; уравнения рабочих линий. Рациональный выбор взаимного направления движения фаз и организации потоков в массообменных аппаратах. Аппараты с непрерывным и ступенчатым контактом фаз. Предельные концентрации распределяемого компонента в отдающей и извлекающей фазах для противоточных процессов. Максимально возможная степень извлечения, минимальный и оптимальный расходы извлекающей фазы. Расчет поперечного сечения (диаметра) колонны; предельно допустимая и экономически оптимальная скорости сплошной фазы. |
| 5. | Основы расчета высоты массообменных аппаратов с непрерывным и ступенчатым контактом фаз. Два основных метода расчета: на основе коэффициентов массопередачи и на основе понятия теоретической ступени разделения. Расчет высоты колонных аппаратов с непрерывным контактом фаз на основе коэффициентов массопередачи с использованием модели идеального вытеснения в обеих фазах. Случаи малых и больших концентраций в изотермических условиях. Понятие числа единиц переноса и высоты единицы переноса. Фактор массопередачи. Влияние продольного перемешивания на среднюю движущую силу массопередачи. Процедура расчета, основанная на объемных коэффициентах массопередачи. Графический и аналитический методы расчета. |
| 6. | Расчет высоты массообменных аппаратов со ступенчатым контактом фаз. Модель идеального смешения в обеих фазах в пределах одной ступени. Эффективность ступени по Мэрфри. Модель идеального вытеснения в газовой (паровой) фазе и идеального смешения в жидкой. Связь числа единиц переноса и локального КПД ступени по Мэрфри. Численный расчет «от ступени к ступени» и его графическая интерпретация с использованием «кинетической линии». Учет структуры потоков и КПД тарелки. Особенности расчета тарельчатых колонн на основе понятия теоретической тарелки. Число действительных и теоретических тарелок. Эффективность тарелки. Основные методы интенсификации массообмена в системах со свободной границей раздела фаз: создание оптимальных гидродинамических режимов и повышение интенсивности массоотдачи, увеличение удельной поверхности контакта фаз, снижение продольного перемешивания в потоках фаз. |
| 7. | Абсорбционные и экстракционные аппараты и установки. Общие принципы устройства и классификация аппаратов для массообменных процессов в системах "газ(пар)-жидкость" и "жидкость-жидкость". Особенности конструкций абсорберов и экстракторов. Основные типы абсорберов: насадочные и тарельчатые колонны, аппараты со сплошным и секционированным барботажным слоем, аппараты с диспергированием жидкости. Системы жидкость-жидкость. Основные типы экстракторов: гравитационные колонны (полые, насадочные, тарельчатые) и экстракторы с подводом внешней энергии (аппараты с мешалками смесительно-отстойных экстракторов, роторные, пульсационные и вибрационные, центробежные). Области применения, сравнительные характеристики и выбор аппаратов различных конструкций. Основные тенденции их совершенствования. Схемы абсорбционно-десорбционных установок: одноступенчатые и многоступенчатые; с рециркуляцией (для обеспечения внешнего теплосъема) и без рециркуляции; с выделением извлеченного компонента и регенерацией абсорбента (десорбцией при повышенной температуре, понижением давления, отдувкой инертным носителем). |
| 8, 9. | Основы расчета и аппараты для дистилляции. Разделение дистилляцией жидких гомогенных смесей и сжиженных газов; области применения и особенности проведения процессов при различном давлении. Парожидкостное равновесие для систем с полной и ограниченной взаимной растворимостью и его влияние на возможность разделения компонентов дистилляционными методами. Расчет равновесия для идеальных бинарных смесей. Простая и фракционная перегонка; перегонка с дефлегмацией. Материальный баланс, расчет выхода продукта и его среднего состава при перегонке бинарных смесей. Схемы установок. Тепловые балансы и расчет расходов теплоносителей для этих процессов. Ректификация. Физико-химические основы и особенности условий проведения процессов. Схемы установок для непрерывной и периодической ректификации бинарных и многокомпонентных смесей. Особенности устройства аппаратов (насадочных и тарельчатых колонн) и выбора режимов их работы при ректификации по сравнению с абсорбцией. Особенности устройства и варианты работы кипятильников и дефлегматоров. Моделирование и расчет процессов и аппаратов при непрерывной ректификации бинарных систем. Основы численного и графоаналитического методов. Материальный баланс. Рабочие линии. Определение минимального и рабочего флегмового числа. Тепловой баланс и расчет расходов теплоносителей. Принципы технико-экономической оптимизации при расчете рабочего флегмового числа, размеров аппаратуры и энергетических затрат. Основы расчета тарельчатых и насадочных ректификационных колонн. |
| 10, 11. | Массообменные процессы с участием твердой фазы. Элементы массопередачи в системах с твердой фазой. Физические модели и механизмы переноса массы в пористых твердых телах и обтекающем их потоке; внутреннее и внешнее сопротивления массопереносу («внутренняя и внешняя диффузия»). Нестационарность массопереноса в твердых телах; уравнение массопроводности, коэффициент массопроводности. Диффузионные критерии Био и Фурье для массопередачи с твердой фазой. Расчет скорости процесса; его лимитирующие стадии и способы интенсификации массопередачи. Сушка твердых материалов. Общая характеристика процесса и области его применения. Методы сушки: конвективная, контактная, специальные. Принципиальные схемы установок для конвективной сушки горячим воздухом, топочными и технологическими газами. Параметры влажного газа и их изменение в процессе сушки. Материальный и тепловой балансы, определение расхода сушильного агента и затрат теплоты на конвективную сушку - аналитически или с использованием диаграммы «влагосодержание – энтальпия». Основные варианты проведения конвективной сушки, их анализ, сравнительные характеристики и рациональные области применения. Сопоставление конвективной и контактной сушки и преимущественные области их применения. Тепло-массообмен при сушке. Стадии удаления влаги. Типовые кинетические кривые (кривые сушки и скорости сушки); периоды постоянной и падающей скоростей сушки. Методы воздействия на лимитирующие стадии процесса и интенсификация массопередачи при сушке. Использование уравнения массопередачи и представлений о напряжении объема или поверхности по влаге при определении размеров сушилок. Основные конструкции конвективных и контактных сушилок для сушки штучных, кусковых и сыпучих, пастообразных материалов, для получения сыпучих продуктов непосредственно из растворов. Сушка инфракрасными лучами (радиационная), токами высокой частоты, сублимацией; основные принципы устройства соответствующих аппаратов. Преимущественные области применения, сравнительные характеристики и выбор сушилок различных конструкций. Основные тенденции их совершенствования. Краткие сведения о промышленном проведении процессов адсорбции газов и растворенных веществ и о принципах устройства соответствующей аппаратуры. |
| 12. | Мембранные процессы и аппараты. Общие сведения о мембранных процессах (баромембранных, диффузионно-мембранных, электромембранных) и рациональных областях их применения. Типы мембран. Основные представления о механизмах мембранного разделения. Кинетика мембранных процессов. Основы моделирования и расчета мембранных процессов и аппаратов. Основные конструкции (плоскокамерные, рулонные, трубчатые, половолокнистые) мембранных аппаратов, их сопоставление и выбор. |
Список лекций и их содержание
| 13. | Классификация жидких и газовых гетерогенных систем: суспензии, эмульсии, пены, пыли туманы. Движение тел в жидкостях. Силы, действующие на обтекаемое тело. Ламинарное обтекание. Возникновение турбулентности. Сопротивление движению при различных гидродинамических режимах; зависимость коэффициентов сопротивления от критерия Рейнольдса и от формы тела. Основы теории осаждения. Расчет скоростей свободного и стесненного осаждения твердых частиц шарообразной и отличных от нее форм в поле силы тяжести Осаждение частиц в центробежном поле, фактор разделения.Материальный баланс периодических и непрерывных процессов разделения. Оценка эффективности, сопоставление и преимущественные области применения различных процессов и аппаратов для разделения гетерогенных смесей. |
| 14. | Процессы отстаивания и устройство отстойников, работающих под действием силы тяжести для разделения суспензий, эмульсий и пылей. Расчет поверхности осаждения и производительности отстойников. Устройство и действие циклонов (простых и батарейных), гидроциклонов, отстойных центрифуг. Течение через неподвижные зернистые слои. Значение гидродинамики зернистых слоев в процессах фильтрования, тепло- и массообмена, гетерогенного катализа и др. Основные характеристики этих слоев: дисперсность, удельная поверхность, порозность, эквивалентный диаметр каналов. Расчет гидравлического сопротивления слоя. Гидравлическое сопротивление слоев насадок промышленных массо- и теплообменных аппаратов. Режимы течения потоков в насадочных колоннах. Гидравлическое сопротивление насадочных колонн. Явления подвисания, захлебывания и инверсии фаз и расчет соответствующих скоростей. Работа колонн в эмульгационном режиме. |
| 15. | Фильтрование суспензий и очистка газов от пылей на фильтрах. Специфика поведения осадков как зернистых слоев: сжимаемые и несжимаемые осадки. Виды фильтровальных перегородок. Факторы, влияющие на скорость фильтрования. Фильтрование при постоянной скорости фильтрования. Экспериментальное определение констант уравнений фильтрования. |
| 16. | Классификация и устройство основных типов непрерывно и периодически работающих фильтров и фильтрующих центрифуг. Гидродинамика псевдоожиженных (кипящих) слоев. Роль псевдоожижения для интенсификации промышленных процессов теплообмена, сушки, адсорбции, гетерогенного катализа, обжига и др. Основные характеристики псевдоожиженного состояния. Гидравлическое сопротивление. Расчет скоростей псевдоожиженияи свободного витания, высоты псевдоожиженного слоя. Однородное и неоднородное псевдоожижение. Особенности псевдоожижения полидисперсных слоев. Пневмо- и гидротранспорт зернистых твердых материалов. |
Список лекций и их содержание
| 1. | Предмет курса «Процессы и аппараты химической технологии». Классификация процессов. Непрерывные и периодические, стационарные и нестационарные процессы. – Титов А.А. Жидкости. Модель непрерывной (сплошной) среды. Понятие физического элементарного объема. Классификация жидкостей. Идеальная жидкость. Капельные и упругие жидкости. Силы, действующие в жидкости: объемные (массовые) и поверхностные. Напряжения в жидкостях и газах (тангенциальные и нормальные). Свойства жидкости: плотность, вязкость. Понятие о режимах движения жидкости. Число Рейнольдса. Материальный баланс потока жидкости. Уравнение неразрывности. – Трушин А.М. |
| 2. | Уравнение движения идеальной жидкости Эйлера. Равновесие жидкости в поле силы тяжести. Основное уравнение гидростатики. U-образный манометр. Энергетический смысл уравнения Бернулли. – Трушин А.М.
|
| 3. | Уравнения движения реальной жидкости – уравнение Навье-Стокса. Турбулентное течение. Осредненная скорость. Понятие о пограничном слое. Гидравлический радиус и эквивалентный диаметр. Распределение скоростей по радиусу трубы постоянного сечения при ламинарном стационарном течении. – Трушин А.М.
|
| 4. | Уравнения Эйлера. Уравнение Бернулли. Практическое приложение уравнения Бернулли (истечение жидкостей, трубка Пито-Прандтля). Измерение расходов жидкостей и газов. – Бобылев В.Н. |
| 5. | Гидродинамическое сопротивление в трубопроводах. Потери энергии на трение и местные сопротивления. Расчет простых трубопроводов. Соотношения и номограммы для расчета коэффициента трения. Оптимальные скорости движения жидкостей и газов (паров).
– Тарасова Т.А.
|
| 6. | Перемещение жидкостей и газов с помощью машин, повышающих давление. Объемные и динамические насосы и компрессоры. Основные параметры работы гидравлических машин: производительность, напор, мощность, кпд. – Кабанов О.В. |
| 7. | Расчет напора и потребляемой мощности. Допустимая высота всасывания. Кавитация. Основные типы насосов и области их применения. Работа насосов на сеть, рабочая точка. Связь напора, мощности и КПД с производительностью (характеристики). Выбор насосов. – Кабанов О.В. |
Список лекций и их содержание
| 8, 9 |
Перенос энергии в форме теплоты. Температурное поле. Закон Фурье. Потенциал переноса. Молекулярный и конвективный перенос. Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена Фурье-Кирхгофа. – Дмитриев Е.А. |
| 10. | Дифференциальное уравнение теплопроводности (из уравнения Фурье-Кирхгофа) Температуропроводность – теплоинерционные свойства среды. Стационарный перенос теплоты через плоские и цилиндрические стенки. Коэффициенты теплопроводности газов, жидкостей, твердых тел. Теплоотдача и теплопередача. – Дмитриев Е.А. |
| 11. | Теплопередача в поверхностных теплообменниках. Аддитивность термических сопротивлений. Взаимное направление движения теплоносителей. – Моргунова Е.П.
|
| 12. | Конвективный перенос теплоты. Безразмерные переменные – числа Нуссельта, Пекле, Прандтля, Грасгофа, Фурье. Расчет коэффициентов теплоотдачи при вынужденной и естественной конвекции. |
| 13, 14 |
Теплообмен при изменении агрегатного состояния. Конденсация паров. Формула Нуссельта. Теплообмен при кипении.
– Коваленко Н.Ф.
|
| 15. | Радиантный теплоперенос. Взаимное излучение тел. Радиантно-конвективный перенос теплоты. Расчет потерь теплоты аппаратами в окружающую среду. Тепловая изоляция. – Дубинин А.Г. |
| 16. | Способы подвода и отвода теплоты в химической технологии. Требования, предъявляемые к теплоносителям. Обогрев водяным паром, высокотемпературными органическими теплоносителями, топочными газами. Способы электрообогрева. Отвод теплоты водой, воздухом и низкотемпературными теплоносителями. – Бородкин А.Г.
|
| 17. | Теплообменные аппараты; их классификация. Основные типы поверхностных теплообменников (трубчатые, пластинчатые и т.д.) Смесительные теплообменники: градирни, конденсаторы смешения. Основные тенденции совершенствования теплообменных аппаратов. – Кузнецова И.К. |
| 18. | Основные элементы расчета размеров теплообменных аппаратов. – Кузнецова И.К. |
