1. Классификация основных процессов химической технологии может.В зависимости от основных законов, определяющих скорость процессов:1. Гидромеханические процессы, скорость которых определяется законами гидродинамики - науки о движении жидкостей и газов. К этим процессам относятся перемещение жидкостей, сжатие и перемещение газов, разделение жидких и газовых неоднородных систем в поле сил тяжести (отстаивание), в поле центробежных сил (центрифугирование), .а. также под действием разности давлений при движении через пористый слой (фильтрование) и перемешивание жидкостей2. Тепловые процессы, протекающие со скоростью, определяемой законами теплопередачи – науки о способах распространения тепла. Такими процессами являются нагревание, охлаждение, выпаривание и конденсация паров,процессы охлаждения до температур более низких, чем температура окружающей среды (процессы умеренного и глубокого охлаждения.Скорость тепловых процессов в значительной степени зависит от гидродинамических условий (скоростей, режимов течения)), при которых осуществляется перенос тепла м/у обменивающимися._: теплом средами.3. Массообменные (диффузионные) процессы, характеризующиеся переносом одного или нескольких компонентов исходной смеси из одной фазы в другую через поверхность раздела фаз. Наиболее медленной и поэтому обычно лимитирующей стадией массообменных процессов, является молекулярная диффузия распределяемого вещества. К этой группе процессов относятся абсорбция, перегонка (ректификация), экстракция из растворов; растворение.Протекание процессов массообмена тесно связано с гидродинамическими условиями в фазах и на границе их раздела и часто - с сопутствую­щими массообмену процессами переноса тепла (теплообмена).4. Химические (реакционные) процессы, которые протекают со скоростью, определяемой законами химической кинетики. Однако химическим реакциям обычно сопутствует перенос массы и энергии, и соответственно скорость химических процессов зависит также от гидродинамических условий. Вследствие этого скорость реакций подчиняется законам макрокинетики и определяется наиболее медленным из последовательно протекающих химического взаимодействия и диффузии.5.Механические процессы, описываемые законами механики твердых тел. Эти процессы применяются в основном для подготовки исходных твердых материалов и обработки конечных твердых продуктов, а также для транспортирования кусковых и сыпучих материалов.Относятся измельчение, транспортирование, сортировка (классификация) и смешение твердых веществ.

По способу организации 1)Периодические процессы проводятся в аппаратах, в которые через определенные промежутки времени загружаются исходные материалы; после их обработки из этих аппаратов выгружаются конечные продукты. По окончании разгрузки аппарата и его повторной загрузки процесс повторяется снова. Все его стадии протекают в одном месте(в одном аппарате),но в разное время.2)Непрерывные процессы осуществляются в проточных аппаратах. Поступление исходных материалов в аппарат и выгрузка конечных продуктов производятся одновременно и непрерывно. Следовательно, непрерывный процесс характеризуется тем, что все его стадии протекают одновременно, но разобщены в пространстве, т. е. осуществляется в различных частях одного аппарата или же в различных аппаратах, составляющих данную установку.3)комбинированные процессы. К ним относятся непрерывные процессы, отдельные стадии которых проводятся периодически, либо периодические процессы, одна или несколько стадий которых протекают непрерывно.

По распределению времен пребывания различают две теоретические модели аппаратов непрерывного действия: идеального вытеснения и идеального смешения.

В аппаратах идеального вытеснения все частицы движутся в заданном направлении, не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади частицами и полностью вытесняя находящиеся впереди частицы потока. Все частицы равномерно распределены по площади поперечного сечения такого аппарата и действуют при движении подобно твердому поршню. Время пребывания всех частиц в аппарате идеального вытеснения одинаково.

В аппаратах идеального смешения поступающие частицы сразу же полностью перемешиваются с находящимися там частицами, т. е. равномерно распределяются в объеме аппарата. В результате во всех точках объема мгновенно выравниваются значения параметров, характеризующих процесс. Время пребывания частиц в аппарате идеального смешения неодинаково. .

2. Цель расчета процессов и аппаратов: а) определение условий предельного, или равновесного, состояния системы; б) вычисление расходов исходных материалов и количеств получаемых продуктов, а также количеств потребной энергии (тепла) и расхода теплоносителей; в) определение оптимальных режимов работы и соответствующей им рабочей поверхности или рабочего объема аппаратов; г) вычисление основных размеров аппаратов.

Материальный баланс. По закону сохранения массы масса поступающих веществ ∑G_H должна быть равна массе веществ ∑G_K, получаемых в результате проведения процесса, т. е. без учета потерь. ∑G_H=∑G_K.Однако в практических условиях неизбежны необратимые, потери веществ, обозначая которые через ∑G_п, находим следующее общее выражение материального баланса:

∑G_H=∑G_к+∑G_п Материальный баланс составляют для процесса в целом или для отдельных его стадий. Так, материальный баланс процесса сушки составляют как по всему влажному материалу, поступающему на сушку, так и по одному из его компонентов - массе абсолютно сухого вещества или массе влаги, содержащейся в высушиваемом материале. Баланс составляют либо за единицу времени, например за 1 ч, за сутки (или за одну операцию в периодическом процессе) либо в расчете на единицу массы исходных или конечных продуктов.На основе материального баланса определяют выход продукта, под которым понимают выраженное в процентах отношение полученного количества (массы) продукта к максимальному, т. е. теоретически возможному.

Энергетический баланс. Этот баланс составляют на основе закона сохранения энергии, согласно которому количество энергии, введенной в процесс, равно количеству выделившейся энергии, т. е. приход энергии равен ее расходу. Проведение химико-технологических процессов обычно связано с затратой различных видов энергии - механической, электрической и др. Эти процессы часто сопровождаются изменением энтальпии системы, в частности, вследствие изменения агрегатного состояния веществ (испарения, конденсации, плавления и т. д.). В химических процессах очень большое значение может иметь тепловой эффект протекающих реакций.

Частью энергетического баланса является тепловой баланс, который в общем виде выражается уравнением ■

∑Q_H=∑Q_к+∑Q_п При этом вводимое тепло: ∑Q_H=Q₁+Q₂+Q₃ где Q₁ - тепло, вводимое с исходными веществами; Q₂ - тепло, подводимое извне теплоносителем, обогревающим аппарат; Q₃ - тепловой эффект физических или химических превращений.Отводимое тепло ∑Q_к складывается из тепла,удаляющегося с конечными продуктами и отводимого с теплоносителем (с охлаждающим агентом).

В энергетическом балансе, кроме тепла, учитываются приход и расход всех видов энергии, например затраты механической энергии на перемещение жидкостей или сжатие и транспортирование газов.

На основании теплового баланса находят расход водяного пара, воды и других теплоносителей, а по данным энергетического баланса - общий расход энергии на осуществление процесса.

3. Моделирование и оптимизация процессов и аппаратов. Исследование процессов и аппаратов в масштабах и условиях промышленного производства - сложный процесс. В связи с этим большое значение имеет моделирование — изуче­ние закономерностей процессов на моделях

Заключительным этапом моделирования процессов является их оптимизация — выбор наилучших, или оптимальных, условий проведения процесса. Определение этих условий связано с выбором критерия оптимизации, который может зависеть от оптимальных значений ряда параметров (например, температуры, давления, степени извлечения и др. Задача оптимизации сводится к нахождению наиболее выгодного компромисса между значениями параметров влияющих на процесс.

Наиболее универсальны экономические критерии оптимизации, интегрально отражающие (в стоимостном выражении) не только основные технические характеристики, но и затраты на энергию, рабочую силу и т. д. Оптимизация на основе экономических критериев связана с наличием гибкой системы цен, оперативно отражающих изменение стоимости продуктов (в том числе промежуточных) с развитием науки и технического прогресса.

В зависимости от конкретных условий применяют также технологические, термодинамические, статистические и другие критерии оптимизации.

Для оптимизации процессов широко используют кибернетические методы и при экспериментальном изучении - статистические методы планирования экспериментов, позволяющие на основе предварительного математического анализа сократить число опытов до минимально необходимого.

Типы моделей

Модели можно различать по ряду признаков: характеру моделируемых объектов, сферам приложения, глубине моделирования, средствам моделирования. По последнему признаку методы моделирования делятся на две группы: материальное (предметное) и идеальное.

Материальное моделирование, основывающееся на материальной аналогии моделируемого объекта и модели, осуществляется с помощью воспроизведения основных геометрических, физических, других функциональных характеристик изучаемого объекта. Частным случаем материального моделирования является физическое моделирование, по отношению к которому, в свою очередь, частным случаем является аналоговое моделирование. Оно основано на аналогии явлений, имеющих различную физическую природу, но описываемых одинаковыми математическими соотношениями. Пример аналогового моделирования – изучение механических колебаний с помощью электрической системы, описываемой теми же дифференциальными уравнениями. Так как эксперименты с электрической системой обычно проще и дешевле, она исследуется в качестве аналога механической системы.

Идеальное моделирование отличается от материального принципиально. Оно основано на идеальной, или мыслимой, аналогии. В экономических исследованиях это основной вид моделирования. Идеальное моделирование, в свою очередь, разбивается на два подкласса: знаковое (формализованное) и интуитивное.

Интуитивное моделирование встречается в тех областях науки, где познавательный процесс находится на начальной стадии или имеют место очень сложные системные взаимосвязи. Такие исследования называют мысленными экспериментами. В экономике до последнего времени в основном применялось интуитивное моделирование; оно описывает практический опыт работников.

При знаковом моделировании моделями служат схемы, графики, чертежи, формулы. Важнейшим видом знакового моделирования является математическое моделирование, осуществляемое средствами логико-математических построений.

5. Конста и inv. Подобия. Критерии подобия

Константа подобя выражает отношения различных одноимённых величин в модели и оригенале для различных сходственных точек подобных систем, в измененяются в зависимости от размеров модели и оригинала.inv подобия – отношению некоторых велечин в относительных ед.

Критерий подобия – inv который выражается комплексами , получ при образ диф у-ний описыв данный проц.:

1) определяющие – критерий которые составлены только из величин , входящих в условие однозначности. 2)определяемое – критер которые включ величины не являющиеся необходимым для однозначности ха-ки и зависит от условий.физич смысл – являются мерой соотнош между 2мя эффектами.(силами , энергиями.)

7. Гидростатика.

Это раздел гидравлики , в котором изуч равновес и воздействие жидкости на погружаемые в неё тела.основн задача – изучение распределения давления а жид.диф Ур-е эллера.-определяет соотношение между силами действующих на жидкость ,которая наход в состоянии покоя и определения условий равновесия жидкости.

Основное Ур-е гидростатики из Ур-я эллера следует что давление жид-ти находящ в покое изменяется по вертикале.,т.е.

Основное Ур-е гидростатики является частным случаем заков сохранения энергии и утверждает что удельная потенц энергия покоющейся во всех точках жидкости есть величина постоянная

практич применение основного Ур-я гидростатики

Давление жидкости на дно и стенки сосуда

Таким образом давление на горизонтальное дно сосуда не зависит от формы сосуда и v-ма жидкости в нём,определяется лиш высотой столба жидкости в сосуде.

8. Основные хар – ки движ жидкости.

1) Скорость потока и расхода жидкости расход это колич жид ,протекающий через поперечное сечение трубопровода в единицу времени:

-объёмныйV=w*s(M³/сек)

-массовый –М=р*w*s(кг/сек)

метная скорость изменяется по сечению

Средняя скорость : W=V/S

2)гидравлический радиус и эквивалентный диаметр гидравлич радис – отношении площади затопленного сечения тркбопровода к смоченному периметру r_г=s/п.

d_э=4s/п

3.)режим движ жидкости R_e<2320 –ламинарный (> 10000 – турбулентный.

4)установившийся и не установившиеся потоки движение жид являются установиш ,или стационарным если скорость частиц потока и другие факторы (Т Р плотность) не изменяются во времени в каждой фиксированной точке пространства

для нестационарных

Закон внутрен трения ньютона. напряжение внутрен трения возникает между слоями жидк и её течением прямо пропорционально градиенту скорости –-динам коэф вязкости

Закон вязкости (внутреннего трения) Ньютона — математическое выражение, связывающее напряжение внутреннего трения τ (вязкость) и изменение скорости среды v в пространстве  (скорость деформации) для текучих тел (жидкостей и газов):

,

где величина η называется коэффициентом внутреннего трения или динамическим коэффициентом вязкости (единица СГС — пуаз)- с физической точки зрения представляет собой удельную силу трения при градиенте скорости равном единице. Кинематическим коэффициентом вязкости называется величина μ = η / ρ (единица СГС — Стокс, ρ − плотность среды).

Закон Ньютона может быть получен аналитически приемами физической кинетики, где вязкость рассматривается обычно одновременно с теплопроводностью и соответствующим законом Фурье для теплопроводности. В кинетической теории газов коэффициент внутреннего трения вычисляется по формуле

,

где  — средняя скорость теплового движения молекул,  − средняя длина свободного пробега.

9 - 10. режимы движения жидкости

R_e=(мера соотнош между силами вязкости и инерции в движ потоке)

>10000 – турбулентное – не упоряд движ ,при котором отдельные частиц жид жвижутся по запутанным траекториям,в то время как вся масса жид перемещ в одном направлении

<2320 –ламинарное – движ при котор все чатиц жид движ по паралельн траекториям.

Wсреднее= 0,,5 Wмакс ламинарное wсред =0,8,,0,5Wмакс-турбулентное .границы между ядром потока турбулентного движения и подслоем ламинарного движения наз погранич динам слоем

2320<R_e<10000-переходный режим.

Основные хар – ки движ жидкости.

1) Скорость потока и расхода жидкости расход это колич жид ,протекающий через поперечное сечение трубопровода в единицу времени:

-объёмный V=w*s(M³/сек)

-массовый – М=р*w*s(кг/сек)

метная скорость изменяется по сечению

Средняя скорость : W=V/S

2)гидравлический радиус и эквивалентный диаметр гидравлич радис – отношении площади затопленного сечения тркбопровода к смоченному периметру r_г=s/п.

d_э=4s/п

3.)режим движ жидкости R_e<2320 –ламинарный (> 10000 – турбулентный.

4)установившийся и не установившиеся потоки движение жид являются установиш ,или стационарным если скорость частиц потока и другие факторы (Т Р плотность) не изменяются во времени в каждой фиксированной точке пространства

для нестационарных

Закон внутрен трения ньютона. напряжение внутрен трения возникает между слоями жидк и её течением прямо пропорционально градиенту скорости –-динам коэф вязкости

При движении вдоль трубы у стенок образуется гидродинамический пограничный слой, толщина которого постепенно нарастает. Нарастание толщины пограничного, слоя приводит к слиянию пограничных слоев, и в трубе устанавливается постоянное распределение скоростей, характерное для данного режима тече – ния.

11. Уравне́ния Навье́ — Сто́кса — система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая движение вязкой ньютоновскойжидкости. Уравнения Навье — Стокса являются одними из важнейших в гидродинамике и применяются в математическом моделировании многих природных явлений и технических задач. Названы по имени французского физика Анри Навье и британского математика Джорджа Стокса.

Система состоит из двух уравнений:

• уравнения движения,

• уравнения неразрывности.

В векторном виде для несжимаемой жидкости они записываются следующим образом:

где  — оператор Гамильтона,  — оператор Лапласа,  — время,  — коэффициент кинематической вязкости,  — плотность,  — давление,  — векторное поле скоростей,  — векторное поле массовых сил. Неизвестные  и  являются функциями времени  и координаты , где ,  — плоская или трёхмерная область, в которой движется жидкость.

Применение Будучи дополненной уравнениями переноса тепла и переноса массы, а также соответствующих массовых сил, система уравнений Навье — Стокса может описывать конвекцию,термодиффузию в жидкостях, поведение многокомпонентных смесей различных жидкостей и т. п.

Если же в уравнение в качестве массовой силы ввести силу Лоренца, и дополнить систему уравнениями Максвелла для поля в сплошной среде, то модель позволяет описывать явления электро- и магнитогидродинамики. В частности, такие модели успешно применяются при моделировании поведения плазмы, межзвёздного газа.

Одним из применений системы уравнений Навье — Стокса является описание течений в мантии Земли («проблема динамо»).

Также вариации уравнения Навье — Стокса используются для описания движения воздушных масс атмосферы, в частности при формировании прогноза погоды. Для описания реальных течений в различных технических устройствах приемлемую точность численного решения можно получить только при такой расчётной сетке, ячейки которой меньше самого мелкого вихря. Это требует очень больших затрат расчётного времени на современных компьютерах. Поэтому были созданы различные модели турбулентности, упрощающие расчёт реальных потоков.

12. Уравнение Эйлера — одно из основных уравнений гидродинамики идеальной жидкости. Названо в честь Л. Эйлера, получившего это уравнение в 1752 году (опубликовано в 1757 году). По своей сути является уравнением движения жидкости.  уравнение Эйлера для движения идеальной жидкости в поле тяжести:

где  — плотность жидкости,  — давление в жидкости,  — вектор скорости жидкости,  — вектор напряжённости силового поля,  — оператор набла для трёхмерного пространства.