Теория расчета процессов и аппаратов

1. Предмет и задачи курса. Классификация биотехнологических производств. Классификация и общая характеристика процессов и аппаратов химической технологии. Требования к оборудованию.

2. Основные физические закономерности, определяющие протекание процессов (принцип Ле Шателье, правило фаз Гиббса, законы сохранения массы и энергии, феноменологический метод).

3. Общие кинетические закономерности, описывающие протекание основных процессов химической технологии. Общие принципы расчета процессов и аппаратов.

4. Модельный метод и основные положения теории подобия. Условие подобия процессов. Подобие условий однозначности. Теорема Федермана –Букингема. Числа подобия и их основной физический смысл. Метод анализа размерностей и π – теорема.

5. Основные физико-химические и теплофизические свойства сред, участвующих в процессе (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, удельная теплоемкость, теплопроводность, удельная теплота фазового перехода).

6. Жидкости реальные и идеальные. Динамическая и кинематическая вязкость. Закон вязкого течения Ньютона. Классификация реальных жидких сред. Зависимость реологических свойств жидких сред от температуры, давления и скорости деформации.

7. Основное уравнение гидростатики (уравнение Эйлера) и закон Паскаля. Понятия геометрического, пьезометрического и скоростного напоров. Поверхности равного уровня и плоскости отсчета. Способы и приборы для измерения давления. Давления: абсолютное, атмосферное манометрическое и вакуумметрическое. Гидростатический эффект и принцип действия гидравлического пресса.

8. Дифференциальные уравнения движения вязкой жидкости (уравнение Навье - Стокса) и их физический смысл. Силы объемные и поверхностные. Запись уравнения для газовых сред и идеальных жидкостей. Уравнение неразрывности потока.

9. Уравнение гидродинамики (уравнение Бернулли) для идеальной и реальной жидкости. Гидродинамическое сопротивление. Потеря напора по длине трубы и на местных сопротивлениях. Способы измерения статического, динамического и полного напора. Режимы движения жидкости.

10. Критериальные уравнения движения вязкой жидкости. Критерии гидродинамического подобия (Эйлера, Рейнольдса, Фруда, гомохронности и параметрический). Режимы движения жидкости (ламинарный, переходный и турбулентный). Уравнение Пуазейля.

11. Уравнение Дарси–Вейсбаха. Коэффициент гидравлического сопротивления. Принципы расчета трубопроводов.

12. Классификация гетерогенных систем. Назначение и классификация гидромеханических процессов. Материальный баланс процессов разделения. Эффект разделения. Кинетика и режимы отстаивания и осаждения. Критериальные уравнения, описывающие эти процессы. Физический смысл числа Архимеда.

13. Отстаивание и осаждение. Отстаивание под действием гравитационного поля. Расчет отстойников (удельной производительности отстойника и площади поверхности отстаивания). Осаждение под действием центробежных сил. Фактор разделения. Расчет производительности центрифуг.

14. Фильтрование. Движущие силы процесса. Кинетическое уравнение фильтрования (уравнение Дарси). Расчет производительности фильтров для условий постоянного давления и постоянной скорости фильтрования. Расчет производительности центробежных фильтров.

15. Псевдоожижение. Кривая псевдоожижения. Скорости начала псевдоожижения и уноса. Число псевдоожижения. Порозность подвижного и неподвижного слоев. Расчет перепада давления в псевдоожиженном слое и критических скоростей (начала псевдоожижения и уноса частиц).

16. Сущность и общая характеристика теплообменных процессов в биотехнологии. Виды теплообмена и их характеристика. Промышленные теплоносители. Уравнение теплового баланса. Основное уравнение теплопередачи.

17. Теплопроводность. Основной закон теплопроводности и дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент теплопроводности. Вычисление теплопотоков в случае однослойной и многослойной плоских стенок.

18. Лучистый теплообмен. Законы Стефана-Больцмана и Кирхгофа. Лучеиспускательная и лучепоглощательная способности идеальных и реальных тел. Вычисление теплопотоков в случае параллельных тел.

19. Конвективный теплообмен. Основной закон теплоотдачи (закон Ньютона). Коэффициент теплоотдачи. Дифференциальное уравнение конвективного переноса тепла (Фурье-Кирхгофа). Уравнение подобия конвективного переноса тепла. Критерии теплового подобия..

20. Сложный теплообмен. Коэффициент теплопередачи. Вычисление коэффициента теплопередачи при распространении тепла одновременно теплопроводностью и конвекцией, конвекцией и излучением. Расчет толщины теплоизоляции аппаратов.

21. Основное уравнение теплопередачи. Движущая сила тепловых процессов. Вычисление средней разности температур при прямоточном и противоточном движении теплоносителей.

22. Выпаривание. Физическая сущность процесса. Технические процессы выпаривания растворов. Материальный и тепловой балансы при простом выпаривании. Температурный график выпарного аппарата. Полезная разность температур. Температурные потери. Температурная депрессия.

23. Сущность и классификация массообменных процессов. Основной закон массопередачи. Физический смысл коэффициента массопередачи. Текущие и равновесные концентрации распределяемого вещества. Материальный баланс массообменных процессов.

24. Движущая сила массообменных процессов. Рабочая и равновесная линии процесса. Число и высота единицы переноса. Ступень изменения концентрации. Модифицированные уравнения массопередачи. Определение числа единиц переноса при линейной и нелинейной равновесной зависимостях.

25. Основные законы массопередачи (законы Фика, конвективной диффузии, массоотдачи). Коэффициенты диффузии и массоотдачи. Критерии диффузионного подобия и критериальные уравнения. Вычисление коэффициента массопередачи при линейной равновесной зависимости по известным коэффициентам массоотдачи.

26. Абсорбция. Фазовое равновесие в системе «жидкость – газ». Законы Генри, Дальтона и Рауля. Зависимость растворимости газов в жидкостях от давления и температуры. Константа фазового равновесия. Материальный баланс и принципиальные схемы процессов абсорбции, применяемые в промышленности.

27. Массообмен в биохимических процессах. Влияние аэрации. Массопередача кислорода из воздуха в культуральную жидкость. Основные стадии переноса кислорода от газового пузырька в скопление клеток. Схема массопередачи через поверхность раздела фаз системы «воздух-культуральная жидкость». Уравнения массоотдачи и массопередачи.

28. Процессы разделения жидких однородных смесей. Фазовое равновесие в системе «жидкость – пар». Диаграммы фазового равновесия для идеальных и реальных бинарных смесей. Определение составов жидкости и пара для идеальных смесей. Аналитическое описание равновесной кривой бинарной системы «пар – жидкость».

29. Ректификация. Физическая сущность процесса и принципиальная схема процесса ректификации. Материальный баланс процесса. Минимальное и рабочее флегмовые числа. Коэффициент избытка флегмы.

30. Уравнения рабочих линий для верхней и нижней частей ректификационной колонны. Определение рабочего флегмового числа. Влияние коэффициента избытка флегмы на качество работы ректификационной колонны. Тепловой баланс процесса ректификации.

31. Графоаналитический метод расчета ректификационных колонн. Коэффициент полезного действия тарелки. Порядок расчета барботажных ректификационных колонн.

32. Сушка. Классификация процессов сушки. Движущая сила процессов сушки по периодам процесса. Кинетика сушки и кинетические уравнения для двух периодов сушки.

33. Материальный и тепловой балансы при контактной и воздушной сушке. Определение удельных расходов сухого воздуха и тепла при воздушной сушке.

34. Свойства влажного воздуха. Диаграмма «энтальпия – влагосодержание» для влажного воздуха (диаграмма Рамзина). Основные особенности диаграммы: линии относительной влажности, изотерм, энтальпий, парциальных давлений водяного пара, температур мокрого термометра.

35. Построение рабочих линий теоретических (идеальных) процессов сушки с помощью диаграммы Рамзина: нагревания и охлаждения воздуха, взаимодействия с влажным материалом, смешения двух потоков воздуха различной влажности. Определение «точки росы». Предельная температура охлаждения воздуха.

36. Построение рабочей линии реального процесса сушки. Принципиальные схемы процессов сушки (простой, с промежуточным подогревом воздуха, с частичным возвратом отработанного воздуха, с замкнутой циркуляцией сушащего газа) и их рабочие линии.

37. Классификация мембранных процессов. Сорбционная теория мембранного разделения. Осмотическое давление; концентрационная поляризация; селективность мембран. Основное уравнение концентрационной поляризации. Методы борьбы с концентрационной поляризацией. Материальный баланс процесса. Расчет рабочей поверхности мембранного аппарата