Методические рекомендации

Методические указания

Форма Ф СО ПГУ 7.18.2/05

Министерство образования и науки Республики Казахстана

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Кафедра химии и химических технологий

Методические рекомендации

к изучению дисциплины

Основные процессы и аппараты химических производств

для студентов специальностей 050720 - Химическая технология неорганических веществ, 050721 - Химическая технология органических веществ

Павлодар

Лист утверждения к методическим указаниям

Форма Ф СО ПГУ 7.18.1/05

УТВЕРЖДАЮ

Декан ФХТиЕ

________________

«___»_____________20__ г.

Составитель: ст. преп. ________________

Кафедра химии и химических технологий

Методические рекомендации

к изучению дисциплины

Основные процессы и аппараты химических производств

для студентов специальностей 050720 - Химическая технология неорганических веществ, 050721 - Химическая технология органических веществ

Разработано на основании рабочей учебной программы, утверждённой «___» __________ 20___ г.

Рекомендована на заседании кафедры от «____»____ 20__ г. протокол №___

Заведующий кафедрой____________________

Одобрена учебно-методическим советом факультета химических технологий и естествознания

«___» ________20___ г. Протокол № ___

Председатель УМС ___________

Введение

Современная химическая технология изучает производства самых различных веществ: продуктов переработки нефти, органических и неорганических веществ, полимерных и других материалов. Производства отличаются значительным разнообразием перерабатываемых веществ и их физических свойств, широким диапазоном условий проведения процессов и различной последовательностью операций. Вместе с тем практически все процессы получения различных химических продуктов представляют собой комбинации сравнительно небольшого числа так называемых типовых (основных) процессов.

В перечисленных выше и многих других технологиях, помимо собственно химических превращений, используются типовые процессы перемещения жидкостей и газов (паров), разделения гетерогенных смесей, нагревания и охлаждения, концентрирования растворов твёрдых веществ, разделения газовых (паровых) и жидких смесей, растворения, кристаллизации и др. Все эти процессы имеют одинаковую физическую и физико-химическую основу независимо от свойств взаимодействующих веществ, поэтому методы анализа и расчётов, аппаратурное оформление также одинаковы.

Курс «Основные процессы и аппараты химической технологии» совместно с курсом «Массо - и теплообменные процессы химической технологии» рассматривают именно такие типовые процессы, их теоретические основы, методы расчётов и рациональное аппаратурное оформление. Дисциплины являются ведущими в общеинженерной подготовке студентов и играют важную роль в освоении ими специальных дисциплин.

Задачами изучения дисциплины являются систематизация знаний по основам технологических процессов химических производств, выработка умения и навыков расчёта химической аппаратуры и химико-технологических систем, развитие способности к самостоятельному поиску, анализу и усвоению знаний о химико-технологических процессах. Знание курса позволяет выбирать оптимальные режимы производства, конструировать технологические аппараты, выполнять материальные и энергетические балансы, моделировать технологические процессы.

Содержание теоретического раздела дисциплины

Тема 1. Введение. Предмет, задачи и место курса. Классификация основных процессов химической технологии. Стационарные и нестационарные процессы. Непрерывные и периодические процессы. Значение процессов и аппаратов химической технологии в решении народнохозяйственных и экологических проблем. Краткие исторические сведения о развитии курса процессов и аппаратов химической технологии. Вклад ученых Казахстана и других зарубежных стран в науку о процессах и аппаратах химической технологии.

Литература: 6, с. 8 – 9; 8, с. 8 – 10; приложение А.

Тема 2. Теоретические основы процессов химической технологии. Системы единиц измерения физических величин. Определение и расчёт основных физических свойств (констант) жидкостей и газов. Основы теории подобия и анализа размерностей. Общие принципы анализа и расчёта процессов и аппаратов. Закон сохранения массы и энергии. Материальные балансы. Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии). Балансы теплоты и количества движения.

Литература: 1, с. 16; 6, с. 8 – 30; 7, с. 6 – 8; 7, с. 228 – 229; 8, с. 79 – 94; приложение Б.

Тема 3. Закон термодинамического равновесия. Второй закон термодинамики. Направления протекания и движущая сила процессов. Уравнения равновесия.

Явления переноса количества движения (импульса), теплоты и массы. Общие сведения по гидравлике. Несжимаемые и сжимаемые жидкости. Понятие об «идеальной» жидкости. Силы, действующие в реальной жидкости (объемные силы: силы инерции, центробежные силы, поверхностные - силы давления, силы внутреннего трения).

Основное уравнение переноса субстанций (количество движения, теплоты и массы). Движущие силы процессов переноса. Уравнение переноса теплоты (дифференциальное уравнение конвективного теплообмена). Уравнение переноса массы (дифференциальное уравнение конвективной диффузии), уравнение переноса количества движения (уравнение Навье-Стокса). Аналогия процессов переноса.

Литература: 8, с. 27 – 45.

Тема 4. Моделирование химико-технологических процессов. Общие сведения о моделировании. Значение моделирования при исследовании и проектировании химико-технологических процессов.

Физическое моделирование. Метод обобщенных переменных (основы теории подобия). Критерии (числа) подобия. Преобразования дифференциальных уравнений методами подобия. Обобщенные критериальные уравнения (уравнения подобия). Подобия гидродинамических процессов.

Анализ размерностей. Теорема Бэкингема.

Математическое моделирование. Понятие о математической модели и принципах ее построения. Сравнительная характеристика физического и математического моделирования.

Литература: 6, с. 10 – 11; 8, с. 91 – 94.

Тема 5. Гидравлические процессы. Гидростатика. Основные уравнения гидростатики. Давления: абсолютное, избыточное, остаточное, гидростатическое. Давление жидкости на дно и стенки сосуда. Основные приложения уравнения гидростатики.

Гидродинамика. Ньютоновские и неньютоновские жидкости. Основные характеристики течения жидкостей. Уравнение неразрывности и потока. Уравнение Бернулли для идеальных и реальных жидкостей. Трубопроводы. Гидравлические сопротивления в трубопроводах. Гидравлический удар. Расчет трубопроводов.

Истечение жидкостей и газов при постоянном и переменном напоре.

Элементы гидравлики дисперсных систем. Общая характеристика дисперсных систем с твердой фазой. Неподвижный, движущийся, кипящий слой. Гидродинамика кипящего слоя. Двухфазное течение систем типа жидкость-жидкость, жидкость-газ, газ-твердая фаза.

Пневмотранспорт в разряженном и плотном слое твердой фазы.

Литература: 2, с. 25 – 26; 8, с. 27 – 129; приложение В.

Тема 6. Перемещение жидкостей. Классификация насосов. Основные параметры насосов. Напор, высота всасывания, подача, мощность, КПД, характеристики насосов.

Центробежные насосы. Устройство, принцип действия, основное уравнение, напор, производительность, характеристики центробежного насоса. Многоколесные насосы. Параллельная и последовательная работа насосов. Работа на сеть. Управление работой насоса.

Поршневые насосы. Устройство, принцип действия, основные параметры работы, характеристика насоса. Диаграммы подачи. Воздушные колпаки. Работа на сеть и управление работой насоса. Типовая схема и основные характеристики насосной установки. Насосы других типов: осевые, плунжерные, пластинчатые и другие; принцип действия, краткая техническая характеристика, применение.

Газлифты и струйные насосы: устройство, принцип действия, сравнительная характеристика, применение.

Сравнительная характеристика и области применения насосов различных типов, выбор типа насоса.

Литература: 5, с. 65 – 93; 6, с. 8 – 9; 7, с. 44 – 63; 7, с. 93 – 102; 8, с. 144 – 174; приложение Г.

Тема 7. Перемещение и сжатие газов. Классификация машин для сжатия и перемещения газов. Термодинамические основы процесса сжатия газов. Изображение процесса сжатия на диаграммах. Работа сжатия и потребляемая мощность.

Компрессоры. Классификация компрессоров.

Поршневые компрессоры: устройство, принцип действия, классификация и краткая характеристика машин разных типов. Рабочий цикл одноступенчатого компрессора, индикаторная диаграмма, степень сжатия, производительность, коэффициент подачи, удельная энергия на сжатие, КПД. Многоступенчатое сжатие. Оптимальное распределение степени сжатия по ступеням компрессора. Основные схемы многоступенчатых машин.

Управление работой поршневого компрессора. Центробежные компрессоры: классификация, устройство, принцип действия, напор, производительность, характеристика, мощность на валу.

Управление работой центробежного компрессора.

Типовая схема и основные характеристики компрессорной установки.

Компрессоры других типов: ротационные, осевые, винтовые и другие: принцип действия, краткая техническая характеристика, применение.

Вентиляторы и газодувки: классификация, краткая характеристика, применение.

Сравнительная характеристика и области применения машин для сжатия газов различных типов, выбор типа машины.

Литература: 1, с. 134 – 177; 8, с. 160 – 170.

Тема 8. Гидродинамические процессы. Классификация жидких неоднородных систем и методы их разделения. Осаждение.

Материальный баланс процесса. Скорость свободного и стесненного осаждения. Классификация, устройство и работа отстойников. Методика конструктивного расчета отстойников.

Фильтрование. Общие сведения и основные характеристики процесса фильтрования. Основное уравнение фильтрования. Режимы фильтрования. Фильтровальные перегородки.

Классификация, устройство и работа фильтров. Методика конструктивного расчета барабанного вакуум-фильтра.

Центрифугирование. Классификация аппаратов, использующих центробежную силу. Центробежная сила и фактор разделения. Процессы в отстойных и фильтрующих центрифугах. Устройство и работа периодических центрифуг. Центробежные сепараторы. Методика расчета отстойных центрифуг.

Классификация неоднородных газовых систем и методы их разделения. Осаждение и очистка газов под действием инерционных сил. Основные закономерности процессов, классификация и устройство пылеосадителей и пылеуловителей.

Центробежное осаждение. Классификация, устройство и принцип работы циклонов.

Очистка газов фильтрованием. Основные закономерности процесса, устройство и принцип действия фильтров с гибкими и жесткими пористыми перегородками. Электрическая очистка газов. Основные закономерности процесса, устройство и принцип действия электрофильтров. Сравнительная характеристика и выбор газоочистительной аппаратуры. Методика технологического расчета циклона. Перемешивание в жидких средах. Назначение, цели и показатели эффективности перемешивания. Способы перемешивания.

Механическое перемешивание. Движение тел в жидкостях: режимы движения твердых тел, движение жидкости в окрестности вращающейся лопасти, мощность на перемешивание, выбор числа оборотов мешалки. Механические перемешивающие устройства: состав, устройство, работа, типы и сравнительная характеристика исполнительных устройств (мешалок), затраты энергии на перемешивание.

Циркуляционное и пневматическое перемешивание: организация процесса, перемешивающие устройства, сравнительная характеристика методов. Методика расчета перемешивающих устройств.

Литература: 1, с. 196 – 265; 5, с. 93 – 149; 7, с. 63 – 86; 8, с. 172 – 207; приложение Д.

Тема 9. Массо - и теплообменные процессы. Процессы теплообмена и массообменные процессы в химической промышленности. Общие сведения о процессах.

Литература: 1, с. 265 – 266; 5, с. 323 – 324. с. 422; приложение А.

При подготовке к лекциям необходима проработка следующих вопросов:

Тема 1.

1) Введение. Место дисциплины, связь со специальными дисциплинами специальности [3, с.13-18, 1., с.15-16];

Тема 2

2) Основные обозначения. Величины и размерности [2, с.5-15, 3, с. 23-27];

3) Основные физические свойства капельных жидкостей [1, с.16-22];

4) Расчёт основных физических свойств (констант) жидкостей и газов [7, с.17-25];

5) Закон сохранения массы, энергии [3, с.19-23];

Тема 3

6) Предмет и задачи технической гидравлики [1, с.15-16];

Тема 4

7) Элементы теории подобия [3, с.145-152];

Тема 5

8) Ньютоновские и неньютоновские жидкости [1, с.20-21];

Тема 6

9) Основные физические свойства капельных жидкостей [1, с.16-22];

Тема 7

10) Основные физические свойства газов [1, с.16-22];

Тема 8

11) Неоднородные смеси. Общие понятия и определения [1, с.196-198].

После лекции для глубокого понимания материала желательно изучить вопросы:

1) Гидростатическое давление в точке покоящейся жидкости и форма поверхности уровня [1, с.24-25];

2) Гидростатическое давление и поверхность уровня в случаях относительного покоя жидкости [1, с.25-28];

3) Сила гидростатического давления на стенки сосуда [1, с.28-30];

4) Дифференциальные уравнения гидродинамики [1, с.33-39];

5) Гидродинамическое подобие [1, с.42-45];

6) Плёночное течение жидкостей под действием силы тяжести [1, с.62-64];

7) Истечение жидкостей через отверстия, насадки и водосливы [1, с.64-68];

8) Насосы других типов (роторные, вихревые, струйные, газлифт) [1, с.128-134];

9) Вакуум-насосы (поршневые, ротационные, других типов, для создания глубоко вакуума) [1, с.169-177];

10) Сравнение и области применения насосов, компрессоров различных типов [1, с.28-30, 167-169];

11) Расход энергии на перемешивание в жидких средах механическими мешалками. Определение рационального рабочего режима механических мешалок [1, с.184-192].

Содержание практических занятий

Тема 2. Теоретические основы процессов химической технологии. Общие принципы анализа и расчёта процессов и аппаратов (материальный и тепловой балансы). Физико-химические свойства жидкостей и газов.

Тема 3. Закон термодинамического равновесия. Расчет абсолютного, избыточного, остаточного давлений.

Тема 5. Гидравлические процессы. Определение режимов движения потоков. Энергия потока и уравнение Бернулли. Определение скорости течения жидкости (скоростная трубка Пито-Прандтля). Истечение жидкости через отверстия и насадки. Потери напора (линейные, местные). Подбор оптимального диаметра трубопровода.

Тема 6. Перемещение жидкостей. Определение основных характеристик насоса. Расчёт и подбор центробежного насоса.

Тема 8. Гидродинамические процессы. Осаждение. Фильтрование. Центрифугирование. Механическое перемешивание. Пневматическое перемешивание

Для подготовки к практическим занятиям предлагаются следующие вопросы:

Тема 2

1) Основные физические свойства капельных жидкостей [1, с.16-22];

2) Закон сохранения массы, энергии [3, с.19-23].

Тема 3

3) Понятие "давление" [1, с.15-16];

Тема 5

4) Режимы движения жидкости [1, с.20-21];

5) Измерение скорости течения жидкости (трубка Пито, трубка Прандтля, трубка Вентури) [14, с.36-37];

6) Истечение жидкостей через отверстия, насадки и водосливы [1, с.64-69];

Тема 6

7) Основные физические свойства капельных жидкостей [1, с.16-22];

Тема 8

8) Неоднородные смеси. Общие понятия и определения [1, с.196-198].

Содержание лабораторных занятий

Тема 8. Гидродинамические процессы.

1) Лабораторная работа № 1. Определение величины угла ссыпания и угла естественного откоса зернисто-кускового материала;

2) Лабораторная работа № 2. Определение степени заполнения пространства зернисто-кусковой массой;

3) Лабораторная работа № 3. Определение скорости осаждения.

При подготовке к лабораторным занятиям необходимо проработать вопросы:

Тема 8

1) Неоднородные смеси. Общие понятия и определения [1, с.196-198];

2) Гравитационное осаждение [1, с.198-214].

Темы, вынесенные на самостоятельное изучение студентом дисциплины

1) Введение. Краткие исторические сведения о развитии курса процессов и аппаратов химической технологии. Вклад ученых Казахстана и других зарубежных стран в науку о процессах и аппаратах химической технологии [периодические издания];

2) Теоретические основы процессов химической технологии. Основы теории подобия и анализа размерностей. Общие принципы анализа и расчёта процессов и аппаратов [2, с. 9-13; 7, с. 17-25];

3) Закон термодинамического равновесия. Основное уравнение переноса субстанций (количество движения, теплоты и массы). Движущие силы процессов переноса. Уравнение переноса теплоты (дифференциальное уравнение конвективного теплообмена). Уравнение переноса массы (дифференциальное уравнение конвективной диффузии), уравнение переноса количества движения (уравнение Навье-Стокса). Аналогия процессов переноса. [1, с. 30-35; 4, с.11-26];

4) Моделирование химико-технологических процессов. Физическое моделирование. Метод обобщенных переменных (основы теории подобия). Критерии (числа) подобия. Преобразования дифференциальных уравнений методами подобия. Обобщенные критериальные уравнения (уравнения подобия). Подобия гидродинамических процессов. Анализ размерностей. Теорема Бэкингема. Математическое моделирование. Понятие о математической модели и принципах ее построения. Сравнительная характеристика физического и математического моделирования [3, с.145-152; 4, с.76-94];

5) Гидравлические процессы. Давления: абсолютное, избыточное, остаточное, гидростатическое. Давление жидкости на дно и стенки сосуда. Основные приложения уравнения гидростатики. Истечение жидкостей и газов при постоянном и переменном напоре [1, с.16-30; 4, с.29-76; 2, с. 9-63];

6) Перемещение жидкостей. Основные параметры насосов. Напор, высота всасывания, подача, мощность, КПД, характеристики насосов (центробежного, поршневого). Параллельная и последовательная работа центробежного насосов. Работа на сеть и управление работой насоса. Типовая схема и основные характеристики насосной установки. Насосы других типов: осевые, плунжерные, пластинчатые и другие; принцип действия, краткая техническая характеристика, применение.

Газлифты и струйные насосы: устройство, принцип действия, сравнительная характеристика, применение.

Сравнительная характеристика и области применения насосов различных типов, выбор типа насоса [1, с.102-133; 2, с.64-88; 4, с.144-170];

7) Перемещение и сжатие газов. Компрессоры. Классификация компрессоров.

Поршневые компрессоры: устройство, принцип действия, классификация и краткая характеристика машин разных типов. Рабочий цикл одноступенчатого компрессора, индикаторная диаграмма, степень сжатия, производительность, коэффициент подачи, удельная энергия на сжатие, КПД. Многоступенчатое сжатие. Оптимальное распределение степени сжатия по ступеням компрессора. Основные схемы многоступенчатых машин.

Управление работой поршневого компрессора. Центробежные компрессоры: классификация, устройство, принцип действия, напор, производительность, характеристика, мощность на валу.

Управление работой центробежного компрессора.

Типовая схема и основные характеристики компрессорной установки.

Компрессоры других типов: ротационные, осевые, винтовые и другие: принцип действия, краткая техническая характеристика, применение.

Вентиляторы и газодувки: классификация, краткая характеристика, применение.

Сравнительная характеристика и области применения машин для сжатия газов различных типов, выбор типа машины [1, с.134-173; 2, с.64-88; 4, с.170-172];

8) Гидродинамические процессы. Классификация жидких неоднородных систем. Осаждение. Фильтрование. Центрифугирование. Классификация неоднородных газовых систем. Центробежное осаждение. Очистка газов фильтрованием. Механическое перемешивание. Движение тел в жидкостях: режимы движения твердых тел, движение жидкости в окрестности вращающейся лопасти, мощность на перемешивание, выбор числа оборотов мешалки. Циркуляционное и пневматическое перемешивание [1, с.196-261; 2, с.89-145; 4, с.172-207].

Литература

Основная литература

1) Гельперин процессы и аппараты химической технологии. Кн.1,2.М.: Химия, 1981.-812 с.

2) , , Носков и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие для вузов / Под ред. чл.-корр. АН СССР . 9-е изд. Л.: Химия, 1981.-560с.

3) , Николаев и аппараты химической технологии и нефтехимической технологии. 3-е изд. М.: Химия, 19с.

4) Фролов по курсу «Процессы и аппараты химической технологии». – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2003.-608с.

Дополнительная литература

5) , , Костанян курс процессов и аппаратов химической технологии: Учебник для вузов: в 2 кн. М.: Химия, 1999 (кн.1, 888с.; кн.2, 872с.)

6) Дытнерский и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Ч 1,2. М.: Химия, 1981.-812с.

7) Иоффе процессов и аппаратов химической технологии. – Л. : Химия, 1991. – 352 с.

8) Касаткин процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд. М.: Химия, 1973.-750 с.

9) Коган основы типовых процессов химической технологии. Л.: Химия, 1977.-592с.

10) Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи / , , и др. Под общ. ред. . – Л.: Машиностроение, 1982. – 384 с.

11) Основные процессы и аппараты химический технологии (Пособие по проектированию). Под ред. . - М.: Химия, 19с.

12) , Курочкина процессы химической технологии. 3-е изд. Л.: Химия, -288с.

13) Справочник химика. М.: Химия, тс., т, -974с.

14) Черняк теплотехники и гидравлики. - М.: Высшая школа, 19с.

Контроль знаний: темы, график

Вид СРС	Наименование тем	Содержание	Рекомендуемая литература
Подготовка материала по теме	Введение	Вклад ученых Казахстана в науку о процессах и аппаратах химической технологии	периодические издания
Изучение материала по теме. Решение задач	Теоретические основы процессов химической технологии	Системы единиц измерения физических величин. Определение и расчёт основных физических свойств (констант) жидкостей и газов. Основы теории подобия и анализа размерностей. Общие принципы анализа и расчёта процессов и аппаратов	2, с. 9-13; 7, с. 17-25
Контрольная работа – 3 неделя (К1)
Изучение материала по теме. Решение задач	Закон термодинамического равновесия	Силы, действующие в реальной жидкости (объемные силы: силы инерции, центробежные силы, поверхностные - силы давления, силы внутреннего трения). Движущие силы процессов переноса.	4, с.11-26
Изучение материала по теме	Моделирование химико-технологических процессов	Метод обобщенных переменных (основы теории подобия). Критерии (числа) подобия. Математическое моделирование. Сравнительная характеристика физического и математического моделирования.	4, с.76-94
Изучение материала по теме. Решение задач	Гидравлические процессы	Давления: абсолютное, избыточное, остаточное, гидростатическое. Режим движения жидкости. Трубопроводы. Гидравлические сопротивления в трубопроводах. Гидравлический удар. Истечение жидкостей и газов при постоянном и переменном напоре. Гидродинамика кипящего слоя. Пневмотранспорт в разряженном и плотном слое твердой фазы.	4, с.29-76; 2, с. 9-63
Контрольная работа – 7 неделя (К2)
Подготовленный материал по индивидуальным темам (глоссарий, кроссворд) – 7 неделя (И1)
Изучение материала по теме. Выполнение технологического расчёта	Перемещение жидкостей	Классификация насосов. Основные параметры насосов. Напор, высота всасывания, подача, мощность, КПД, характеристики насосов. Сравнительная характеристика и области применения насосов различных типов, выбор типа насоса. Расчёт центробежного насоса: - выбор диаметра трубопровода; - определение потерь на трение и местные сопротивления; - выбор насоса; - расчёт предельной высоты всасывания.	2, с.64-88; 4, с. 144-170
Расчётное задание – 10 неделя (К3)
Изучение материала по теме. Решение задач	Перемещение и сжатие газов	Классификация машин для сжатия и перемещения газов. Термодинамические основы процесса сжатия газов. Изображение процесса сжатия на диаграммах. Работа сжатия и потребляемая мощность. Сравнительная характеристика и области применения машин для сжатия газов различных типов, выбор типа машины.	2, с.64-88; 4, с.170-172
Изучение материала по теме. Выполнение технологического расчёта	Гидродинамические процессы	Классификация жидких неоднородных систем и методы их разделения. Осаждение. Фильтрование. Центрифугирование. Центробежное осаждение. Очистка газов фильтрованием. Механическое перемешивание. Циркуляционное и пневматическое перемешивание	2, с.89-145; 4, с.172-207
Расчётное задание – 12 неделя (К4)
Контрольное задание (решённое, оформленное в соответствие с МИ ПГУ 4.01.3-09 «Правила оформления учебной документации. Общие требования к текстовым документам») – 14 неделя (И2)