ПАХТ Лекция 1 Введение. Основные понятия и соотношения

ПАХТ Лекция 1 Введение. Основные понятия и соотношения к. с. -х. н. , доцент Горькова И. В.

Учебник Айнштейн В. Г.

План. 1) История развития (самостоятельно стр. 35 -38, ПАХТ, Айнштейн!) 2) Классификация ХТП. 3) Модели гидродинамической структуры потоков. 4) Общие принципы анализа и расчёта ХТП. 5) Теоретические основы процессов химической технологии (закон сохранения и переноса массы, энергии, закон термодинамического равновесия).

Определение Процессы и аппараты химической технологии (ПАХТ) – наука о принципах организации и расчетах химико-технологических процессов и принципах конструирования технологической аппаратуры. Цель ПАХТ – анализ технологических приемов и функционирования типичных аппаратов. Задачи: 1) 2) Изучение закономерностей и математическое описание технологических приемов и их совокупностей, разработка расчетных методов перехода от процесса в лабораторной установке к крупным промышленным аппаратам; Усовершенствование существующих и разработка новых технологических приемов, создание методики их расчета.

Признаки классификации основных процессов химической технологии Скорость протекания и движущая сила Способ организации Изменение параметров во времени

Классификация ХТП по скорости протекания и движущей силы ОПХТ Гидромеханические Тепловые Массообменные Химические Механические

Классификация ХТП по изменению параметров во времени По изменению параметров во времени ОПХТ Установившиеся (стационарные) Неустановившиеся (нестационарные)

Классификация ХТП по способу организации ОПХТ Периодические Непрерывные Периодический процесс характеризуется единством места протекания отдельных его стадий и неустановившимся состоянием во времени. Непрерывный процесс характеризуется единством времени протекания всех его стадий, установившимся состоянием и непрерывным отбором конечного продукта. Комбинирова нные Комбинированный процесс представляет собой либо непрерывный процесс, отдельные стадии которого проводятся периодически, либо такой периодический процесс, одна или несколько стадий которого проводятся непрерывно.

Непрерывные процессы имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с периодическими и комбинированными. К таким преимуществам в первую очередь относятся: возможность осуществления полной механизации и автоматизации, что позволяет сократить до минимума применение ручного труда; однородность получаемых продуктов и возможность повышения их качества; компактность оборудования, необходимого для осуществления процесса, что позволяет сократить как капитальные затраты, так и расходы на ремонт. Поэтому в настоящее время во всех отраслях техники стремятся перейти от периодических к непрерывным производственным процессам.

Системы единиц Участвующие в технологических процессах вещества обладают различными физическими свойствами (плотностью, вязкостью и др. ), а их состояние и условия проведения процессов характеризуются различными параметрами (скоростью, температурой, давлением и др. ). Эти физические величины и параметры могут измеряться в различных единицах. При построении системы единиц исходят из трех основных, независимых друг от друга единиц, а именно: единиц длины, времени, массы или силы. По действующему государственному стандарту допускается применение трех систем единиц для измерения механических величин: 1) система МКС, основными единицами которой являются метр, килограмм (масса), секунда; 2) система СГС, основными единицами которой являются сантиметр, грамм (масса), секунда; 3) система МКГСС, основными единицами которой являются метр, килограмм, сила, секунда. В технике практически чаще всего приходится пользоваться системой единиц МКГСС. Допускается также применение внесистемных единиц измерения, являющихся кратными или дольными от основных и производных единиц.

Модели гидродинамической структуры потоков Модель - это такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе изучения замещает объекторигинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его черты. Моделированием называется воспроизведение процесса или явления, подобного тому, которое должно быть исследовано. моделирование физическое математическое

Математическое моделирование основано на том, что одна и та же система уравнений может выражать различные физические явления в зависимости от того, какой смысл придаётся символам, входящим в уравнения. Например, a 1 x 1+b 1 x 2=c 1 a 2 x 2+b 2 x 2=c 2 Что скрывается за этими знаками? Математик: “Это система двух линейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными. Но что именно она выражает, сказать не могу”. Инженер-электрик: “Это уравнения электрического напряжения или токов с активными напряжениями”. Инженер-механик: “Это уравнения равновесия сил для системы рычагов или пружин”. Инженер-строитель: “Это уравнения, связывающие силы деформации в какой-то строительной конструкции”. Инженер-плановик: “Это уравнения для расчета загрузки станков”.

Физическое моделирование – это воспроизведение изучаемого процесса или явления (оригинала) с сохранением его физической природы. Экспериментальные исследования на моделях проводятся, когда рассматриваемые явления не изучены и нет возможности описать их математически при помощи уравнений, формул, зависимостей и т. д. Или если уравнения, описывающие данное явление, настолько сложны, что их невозможно решить аналитически или они при решении требуют такого значительного упрощения, при котором результаты расчетов не отвечают действительности.

При моделировании явлений возникают задачи о том, как выбрать модель, адекватно отражающую физическую картину изучаемого явления или процесса, как провести экспериментальные исследования быстро и экономно, а также как обобщить результаты, полученные на моделях, и перенести их на реально существующие объекты или аналогичные явления. Большинство из этих задач решается с помощью теории подобия. Основу теории подобия составляют три теоремы подобия и анализ размерностей. Сущность самого метода размерностей состоит в том, чтобы размерности левых и правых частей уравнений были одинаковыми.

Первую теорему подобия сформулировал в 1848 г. член французской академии Дж. Бертран. Она гласит: физически подобными называются явления одного и того же физического характера, протекающие в системах геометрически подобных, если величины, обусловливающие ход процесса, являются во всех сходственных точках обеих систем пропорциональными. Вторая теория подобия была выведена русским учёным А. Федерманом в 1911 г. и американским учёным Бэкингемом 1914 г. : безразмерные комплексы, полученные из дифферинциальных уравнений и их интегралов, равны между собой. Советские учёные М. В. Кирпичев и А. А. Гухман сформулировали необходимые и достаточные условия подобия как третью теорему подобия: необходимым и достаточным условием подобия двух явлений является равенство всех безразмерных критериев, включая критерии, полученные из граничных и начальных условий.

Из теории подобия вытекают следующие правила моделирования: 1. Модель должна быть геометрически подобна оригиналу. 2. Процессы, протекающие в модели и в оригинале, должны принадлежать к одному классу явлений, то есть они описываются одинаковыми дифференциальными уравнениями. 3. Начальные и граничные условия в модели, выраженные в безразмерной форме, в числовом виде должны быть тождественны безразмерным условиям оригинала. 4. Одноимённые безразмерные критерии должны быть численно равны в модели и в оригинале.

Общие принципы анализа и расчёта ХТП Принципы: Иерархичность Комплексность Иерархичная соподчиненность

Уровни иерархии: Микроуровень– процессы и Микроуровень Макроуровень ХТС Уровень предприятия Компания или объединение явления описываются без учета влияния закономерностей движения потоков фаз в аппаратах. Макроуровень –ФХС (физико- химическая система) – секции аппарата или насадка аппарата. Все процессы записываются с учетом движения потока фаз. ХТС – технологическая схема процесса – уровень химического производства. аппаратов, связанных между собой материальными, тепловыми, Совокупность информационными потоками. • Уровень предприятия – несколько производств, объединенных цепью функционирования. Действуют экономические закономерности. • Компания или объединение.

Иерархичная соподчиненность – учитываются наиболее приоритетные процессы, которые протекают на более низких ступенях. Комплексность, требующая всестороннего изучения явления и процесса, т. е. раскрывающая их основное содержание, факторы формирования, рассматривающая их во взаимосвязи и взаимообусловленности. Особо следует отметить, что комплексность требует обоснования и использования информации, необходимой о достаточной для реализации поставленной цели анализа.

Теоретические основы процессов химической технологии Теоретические основы химической технологии — учение о процессах и аппаратах и химическая кибернетика. Технология - наука о наиболее экономичных способах и процессах производства промышленных продуктов из природного сырья. Способ производства - это совокупность всех операций, которые проходит сырье до получения из него продукта. Совокупность операций представляет собой химикотехнологическую систему (ХТС). Описание ХТС называют технологической схемой.

Технологию делят на механическую химическую • В механической технологии рассматривают процессы, в которых изменяются форма или внешний вид и физические свойства материала • в химической - процессы коренного преобразования состава, свойств и внутреннего строения вещества.

Основные законы: 1) 2) 3) Сохранения массы: общая масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна общей массе продуктов реакции. При этом под массой понимали величину, характеризующую количество материи. Сохранения массы закон сформулировал А. Лавуазье в 1789. Закон сохранения энергии — основной закон природы, заключающийся в том, что энергия изолированной (замкнутой) системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть в никуда, она может только переходить из одной формы в другую. Закон сохранения энергии встречается в различных разделах физики и проявляется в сохранении различных видов энергии. Закон термодинамического равновесия: процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, то есть теплота не может перейти от холодного тела к горячему без каких либо других изменений в системе. Это явление называют рассеиванием или дисперсией энергии.

Спасибо за внимание!