Программа курса «химическая технология»

VIII семестр 2010 года

Часть I. Анализ энергоэффективности химико-технологических систем

(6 лекций)

Раздел 1. Принципы анализа химико-технологических систем

1. Понятие о химико-технологической системе (ХТС), основные типы преобразований

материального объекта в ХТС. Принцип многостадийности.

2. Материальные и энергетические потоки в ХТС. Энергосберегающие технологии.

Снижение качества энергии в технологических операциях, причины снижения качества энергии.

3. Основные критерии, характеризующие эффективность ХТС: критерий эффективности преобразования энергии, критерий эффективности использования сырья, критерий компактности (интенсивности) 4. Критерий устойчивого развития ноосферы.

Раздел 2. Генерация энтропии в простых системах 1. Аксиомы термодинамики, температура и энтропия 2. Генерация энтропии в простых системах.

2.1. Установление теплового равновесия. Медленный необратимый теплообмен через тонкую перегородку. Обратимый теплообмен.

2.2. Установление равновесия при изотермическом смешении газов. Медленное необратимое смешение газов через тонкий капилляр. Обратимое смешение газов.

2.3. Установление равновесия при газофазной химической реакции. Медленное самопроизвольное протекание реакции. Обратимое протекание химической реакции.

Раздел 3. Генерация энтропии в реагирующих потоках 1. Некоторые полезные соотношения из векторного анализа.

2. Баланс массы и уравнение неразрывности. Диффузионное приближение.

3. Баланс импульса и уравнение движения 4. Баланс кинетической и потенциальной энергий. Сумма кинетической и потенциальной энергии.

5. Сохранение полной энергии, тепловой поток.

6. Балансы внутренней энергии и энтропии.

8. Общее выражение для расчета генерации энтропии в реагирующих потоках.

Раздел 4. Интегральные критерии эффективности химикотехнологических систем.

1. Интегральные уравнения баланса вещества, энергии и энтропии в ХТС. Источники энтропии в химико-технологических системах.

2. Понятие эксергии и ее применение для оценки энергетической эффективности химикотехнологических систем.

3. Теорема Гюи-Стодолы, диаграммы Грассмана-Шаргута. Эксергетический коэффициент полезного действия.

Часть II. Введение в теорию химических реакторов (4 лекции) Раздел 1. Элементы механики сплошной среды.

1. Движения невязкой жидкости. Уравнение Эйлера.

1.1. Стационарное движение невязкой жидкости. Уравнение Бернулли 1.2. Скорость звука.

1.3. Стационарное движение газа по трубе переменного сечения.

1.4. Ударная волна и адиабата Гюгонио.

2. Элементы теории горения.

2.1. Медленное горение, фронт пламени.

2.2. Быстрое горение, детонация и ударная волна.

3. Движения вязкой жидкости. Уравнение Навье-Стокса 3.1. Парадокс Даламбера, как пример, демонстрирующий ограниченность модели стационарных движений невязкой жидкости.

3.2. Уравнение Навье-Стокса и их применение к анализу стационарного движения несжимаемой вязкой жидкости.

3.4. Критерий Рейнольдса. Устойчивость и турбулентность. Коэффициент сопротивления. Сопротивление при фильтрации флюидов.

4. Понятие о гидродинамическом пограничном слое. Задача Блазиуса.

Раздел 2. Элементы теории химических реакторов 1.Проблема масштабного перехода в химической технологии.

2. Продольная дисперсия, основные факторы, влияющие на продольную дисперсию, формула Ван-Димтера.

3. Анализ распространения примеси в неравномерных потоках, теория Тейлора.

4. Модельное описание структуры потоков в химических реакторах. Распределение времени пребывания в объеме химического аппарата, I, E – кривые, реакторы идеального перемешивания и вытеснения, каскад реакторов идеального перемешивания.

4. Выбор оптимальной реакторной схемы для разных типов реакций.

Часть III. Введение в теорию прочности твердых тел (6 лекций) Раздел 1. Напряжение и деформация 1. Описание деформированного состояния тела в механике сплошной среды. Вектор деформации, тензор деформации, геометрический смысл его компонент, инварианты тензора деформации. Тензор напряжений, его симметричность и определение главных осей.

2. Определение изотропного, ортотропного и трансверсально-изотропного тела.

Формулировка закона Гука применительно к каждому типу среды. Модуль Юнга и коэффициент Пуассона в случае изотропной среды, их обобщение на случай анизотропного материала.

3. Два примера расчета деформаций.

3.1. Простое растяжение (сжатие) стержня при заданной нагрузке, расчет деформаций. Одностороннее сжатие стержня, расчет деформаций. Сравнение изменения свободных энергий в обоих случаях.

3.2. Задача Ламе об определении деформаций в стенках круглой трубы при заданном перепаде давлений в трубе и окружающем пространстве.

4. Критерий неустойчивости стержня в условиях сжимающей продольной нагрузки, расчет возможной формы стержня после потери устойчивости.

Раздел 2. Особенности разрушения твердых тел.

1. Типы разрушения твердых тел.

1.1. Хрупкое разрушение. Концентраторы напряжений. Увеличение напряжения в окрестности газового пузырька в материале в сравнении с заданным средним растягивающим напряжением.

1.2. Вязкое разрушение. Пластическая деформация. Критерии прочности Треска и 2. Энергетическая модель разрушения Гриффитса. Критический размер трещины.

Формула Гриффитса.

3. Кинетическая теория Журкова.

4. Влияние температуры и скорости нагружения на характер разрушения. Диаграмма растяжения – сжатия металлов. Влияние пластического деформирования на упрочнение материала (наклеп).

Раздел 3. Структурированные наноматериалы.

1. Атомистические модели наноматериалов. Потенциалы Морзе, Ленарда – Джонсона, гармонические потенциалы, расширенный потенциал Дж. Че и их области применения.

Параметры потенциала Морзе для атомов углерода и расчет деформаций на его основе.

2. Углеродные нанотрубки, их получение и свойства. Хиральность нанотрубок и ее влияние на механические и электрические свойства материала.

3. Трансверсально – изотропная модель деформирования нанотрубок. Модуль Юнга нанотрубок, сравнение с известными материалами. Особенности потери устойчивости нанотрубок при сжатии, сравнение с ранее рассмотренной задачей о неустойчивости стержня в условиях сжимающей нагрузки.

4. Дефекты в нанотрубках типа 5 – 7. Влияние хиральности на образование дефектов 5 – в условиях растягивающего напряжения. Механизм разрушения нанотрубок.

Раздел 4. Композитные материалы.

1. Основные проблемы технологии получения композитных материалов.

2. Ортотропная и трансверсально – изотропная модели композитных материалов.

3. Композитные материалы с использованием нанотрубок, их преимущество в сравнении с обычным углеволокном.

Часть IV. Основные химико-технологические процессы и технологии материалов (8 лекций).

1. Технологии получения углеродных материалов (2 лекции).

2. Технологии получения неорганических материалов (2 лекции).

3. Технологии переработки нефти (2 лекции).

4. Технологии разделения и очистки газов (2 лекции).

Лекторы:

доцент, к.ф.м.н. Зеленко В.Л.

ведущий научный сотрудник, д.ф.м.н. Хейфец Л.И.

профессор Авдеев В.В.

профессор Лазоряк Б.И.

профессор Алентьев А.Ю.

ЛИТЕРАТУРА

Химия, 1995.

2. Кузнецов Л.Д., Дмитренко Л.М., Рабина П.Д., Соколинский Ю.А., Синтез аммиака.

М.: Химия, 1982.

3. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г., Общая химическая технология.

М.: Высш. шк., 2003.

4. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтеорганического синтеза. М.: Химия, 1988.

5. Основы технологии перерабортки пластмасс/ под рад. В.Н. Кулезнева, В.К. Гусева.

М.: Химия, 1995.

6. Технология пластических масс. Под редакцией В.В.Коршака. М. Химия. 1985.

7. Технология переработки нефти. Под редакцией О.Ф. Глаголевой, В.М. Капустина.

М. Химия. 2006.

1. Биотехнология. Принципы и применение/ Под ред. И. Хиггинса, Д.Беста, Дж.

Джорнса. М.: Мир, 1988.

2. Вольфкович С.И., Егоров А.П., Эпштейн Д.А. Общая химическая технология. Л.:

Госхимиздат, 1953; Т.1.

3. Вольфкович С.И., Роговин З.А., Руденко Ю.П., Шманенков И,В., Общая химическая технология, М.: Госхимиздат, 1959; Т.2.

4. Избранные главы химической технологии:

- вып.1. Сафонов М.С. Критерии термодинамического совершенства технологических систем. М. : Хим. фак. МГУ, 1998.

- вып. 3. Сафонов М.С. Дифференциальные уравнения сохранения массы, импульса и энергии. М.: Хим. фак. МГУ, 2001;

5. Якименко Л.М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов. М.: 1974.