УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Первый заместитель
Министра образования
Республики Беларусь
А.И.Жук
_ «_» _ 20 г.
Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05.02.13. «Машины, агрегаты и процессы нефтехимических и химических производств»
СОГЛАСОВАНО
Председатель ученого Совета Учреждения образования «Белорусский государственный технологический университет»проф. И.М.Жарский Протокол от «_» 20 г. № Минск Сведения о разработчиках:
Левданский Э.И., д.т.н., профессор кафедры «Машины и аппараты химических и силикатных производств» Белорусского государственного технологического университета Плехов И.М., д.т.н., профессор кафедры «Машины и аппараты химических и силикатных производств» Белорусского государственного технологического университета Вайтехович П.Е.,доцент,заведующий кафедрой «Машины и аппараты химических и силикатных производств» Белорусского государственного технологического университета Рецензенты:
Бородуля В.А., чл. – корр. НАНРБ, д.т.н., профессор, заведующий лабораторией Института тепло- и массообмена, член Совета Д.02.08. Абаев Г.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой химической техники Полоцкого государственного университета, член Совета
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОГРАММЫ
Программа кандидатского экзамена очерчивает круг вопросов, составляющих специальность. Кандидатский экзамен по специальности должен выявить знание соискателем общих философских концепций в данной области науки, истории формирования и развития данной науки, е теоретических основ, основных проблем этой науки и путей их решения.Соискатель должен показать профессиональные знания по своей специальности — фактический материал соответствующих разделов науки, теоретический аппарат, показать владение современными методами исследований. Соискатель должен знать основные печатные работы по своей специальности, периодические издания, быть знакомым с основными справочными и справочно-нормативными материалами.
Программа кандидатского экзамена по специальности состоит из двух частей. Первая часть представляет собой единую типовую программу-минимум, которая исходит из того, что соискатель обладает знанием в объме соответствующих вузовских программ и позволяет квалифицировать его как профессионала по данной специальности.
В основу второй части программы кандидатского экзамена должны быть положены новые разделы науки и техники, связанные с конкретной отраслью. Вторая часть программы разрабатывается в соответствии с особенностями аспирантского плана (темой диссертации) и утверждается учным советом по месту сдачи кандидатского экзамена по специальности.
В основу типовой программы-минимум по специальности 05.02.13.
«Машины, агрегаты и процессы нефтехимических и химических производств» положены следующие вузовские дисциплины типового учебного плана по специальности Т 05.03.00. «Машины и аппараты химических производств и предприятий строительных материалов»:
1. Процессы и аппараты химических производств.
2. Машины и аппараты химических производств.
3. Расчт и конструирование машин и агрегатов.
4. Моделирование и оптимизация технологических процессов и оборудования.
5. Технология химического машиностроения.
ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ЗНАНИЙ.
В результате освоения программы аспиранты и соискатели должны:- иметь представление о тенденциях развития химической промышленности, о кинетике физических и химических процессов их моделировании и оптимизации - знать и уметь использовать особенности типовых процессов химической технологии и методику технологического и прочностного расчета машин и аппаратов с оптимизацией конструктивных решений - владеть методами теоретических и экспериментальных исследований процессов и аппаратов и обработки экспериментальных данных с получением математических и экспериментально – статистических моделей.
СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
Роль и место химических и нефтехимических производств в экономике республики и повышении жизненного уровня народа.Краткая история развития отечественной химической и нефтехимической промышленности, роль в этом развитии учных и инженеров.
Основные направления научно-технического прогресса в химической промышленности и химическом машиностроении.
1. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Основные показатели качества химической техники. Система управления качеством продукции. Сущность и значение стандартизации. Методические основы стандартизации. Государственная система стандартизации и международная стандартизация.Точность и е роль в повышении качества и экономичности химического оборудования. Исходные положения государственной системы допусков и посадок, используемые при конструировании и производстве изделий. Анализ и синтез отклонений точности.
Общие организационно-методические вопросы обеспечения наджности на этапах проектирования, изготовления и эксплуатации машин и агрегатов. Номенклатура и нормы показателей наджности. Методы испытаний и контроль наджности.
Принцип технологичности конструкции как основа техникоэкономического анализа изделий. Альтернативный и количественный методы оценки технологичности изделий на стадии проектирования.
Взаимозаменяемость и е роль в повышении качества оборудования.
Расчт уровня унификации изделий и практика е применения в отрасли.
Экономические аспекты агрегатирования и его связь с взаимозаменяемостью. Метод селективной обработки и сборки деталей. Научные основы диагностики машин химических производств.
2. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ
НОВОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Разработка принципиальной схемы производства. Оптимальные условия осуществления технологического процесса и его основные показатели. Проектирование как основной этап создания эффективных машин и агрегатов химических производств. Постановка задачи оптимизационного проектирования.Задачи моделирования химико-технологических процессов. Основные понятия и принципы моделирования. Физическое и математическое моделирование. Этапы моделирования. Моделирование как основа оптимизации технологических процессов.
Подобные явления, геометрическое и физическое подобие. Теория подобия как аппарат моделирования. Критерии подобия, критериальные уравнения. Метод анализа размерностей. Метод аналогии. Использования физического моделирования для исследования объектов и масштабного перехода от моделей к промышленным аппаратам.
Особенности использования математического моделирования в исследовании технологических процессов. Типы математических моделей, аналитические и экспериментально-статистические модели. Составление и алгоритмизация математических моделей. Адекватность математических моделей. Структура потоков в аппаратах как основа для составления математических моделей. Модели структуры потоков. Типы дифференциальных уравнений, используемые для описания технологических процессов, методы их составления и решения.
Методы регрессионного и корреляционного анализа. Виды регрессий, уравнения регрессий. Критерии значимости коэффициентов уравнений регрессии, коэффициенты корреляции. Переход от уравнений регрессии к натуральному масштабу.
Оптимизация технологических процессов и оборудования. Общая постановка задач оптимизации. Формулировка задачи оптимизации. Критерии оптимизации. Оптимизационные факторы и ограничения. Целевая функция. Характеристика методов оптимизации.
Методы исследования функций классического анализа. Экстремум функции одной переменной, глобальный и локальный экстремум. Экстремумы функций многих переменных. Примеры использования аналитических методов для оптимизации процессов и аппаратов.
Линейное программирование. Постановка задачи линейного программирования, е графическое отображение. Преобразование ограничений. Ограничения типа равенств и неравенств. Симплексный метод решения задач линейного программирования, алгоритм симплексного метода.
Нелинейное программирование. Основные понятия. Целевая функция. Геометрическая интерпретация целевой функции и ограничений. Градиентные методы. Методы релаксации, градиента, наискорейшего спуска.
Оптимум при известном аналитическом выражении градиента. Безградиентные методы. Метод локализации экстремума функции одной переменной. Оптимизация с использованием чисел Фибоначчи, метод «золотого сечения». Методы сканирования и последовательного изменения переменных. Метод случайных направлений. Сравнение различных методов.
Экспериментально-статистическая оптимизация. Планирование экспериментов. Полный факторный эксперимент, дробные реплики. Оптимизация методом крутого восхождения по поверхности отклика. Исследование поверхности отклика. Симплексный метод планирования эксперимента.
Динамическое программирование. Многостадийные процессы.
Принцип оптимальности. Комбинаторные модели, решение комбинаторных задач. Математическая формулировка принципа оптимальности для дискретных процессов. Вычислительные аспекты динамического программирования. Оптимальное распределение реакционных объемов в каскаде реакторов.
Современные методы измерения основных режимов и конструктивных параметров машин и агрегатов химических производств, перемещения, скорости, деформации и напряжений, давления, расхода энергии, крутящего момента и т.д.
3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИЧЕСКИХ РАСЧЁТОВ
И КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН И АГРЕГАТОВ
Принцип определения структуры технологических машинавтоматов. Основные циклы функционирования машин-автоматов. Выбор структуры и типа исполнительного механизма. Управление и циклограммы технологических машин химических производств. Расчт параметров циклограмм и их связь с параметрами технологического процесса.Механические колебания элементов химического оборудования.
Поперечные свободные и вынужденные колебания стержней с одной степенью свободы без учета и с учетом сил сопротивления. Приближенные методы определения частоты собственных колебаний конструкций. Виброизоляция оборудования и основы ее конструирования. Динамические уравнения колебаний. Критические скорости вращающихся валов. Виброустойчивость вала. «Жесткие» и «гибкие» валы. Влияние различных факторов (осевой силы, гироскопического эффекта, упругости опор) на критическую скорость вала. Учет собственной массы вала при определении критической скорости на ЭВМ для горизонтального и вертикального вала с несколькими закрепленными на нем массами. Методика расчета быстровращающихся валов с учетом их главных критериев работоспособности:
прочности, жесткости и виброустойчивости.
Быстровращающиеся диски. Расчет дисков простейших профилей (постоянной толщины, конических, гиперболических). Анализ напряженного состояния дисков. Конические и цилиндрические оболочки центрифуг.
Устройство вращающихся барабанных аппаратов. Барабан, бандажи, опорные и опорно-упорные станции, венцовое колесо. Расчет на прочность обечайки вращающегося барабанного аппарата. Определение контактных напряжений в бандаже и роликах. Расчет бандажей на изгиб. Выбор конструктивных решений.
Типы и конструкции уплотняющих устройств вращающихся деталей. Уплотнения валов и штоков: лабиринтные, сальниковые, торцевые, манжетные. Особенности их конструкций и расчетов. Область применения отдельных уплотняющих устройств в зависимости от условий эксплуатации (давление, температура, свойства обрабатываемой среды).
Особенности конструирования стальной сварной, биметаллической, гуммированной и футерованной аппаратуры. Общие сведения о пластинах и оболочках. Основные понятия и положения. Рабочее, расчетное условное и пробное давления. Допускаемые напряжения с учетом свойства материала и коррозионного воздействия обрабатываемой среды. Коэффициенты прочности сварных и паяных соединений. Прибавки к расчетным толщинам. Общие уравнения оболочек, нагруженных симметрично.
Напряженное состояние материала упругих осесимметричных оболочек. Безмоментная теория оболочек. Условия прочности. Вывод формул для расчета цилиндрических, эллиптических, конических и сферических оболочек. Особенности расчета отбортованных конических и сферических днищ. Вывод формул для расчета плоских днищ и крышек. Расчет плоских днищ, подкрепленных ребрами жесткости. Расчет элементов аппарата, нагруженных гидростатическим давлением. Примеры оптимального конструктивного решения. Влияние свойств материала на конструкцию аппаратов.
Виды неразъемных соединений. Основные уравнения моментной теории расчета тонкостенных оболочек. Понятие о «длинных» и «коротких» цилиндрических оболочках. Понятие о краевой задаче. Причины появления краевых нагрузок. Изгиб цилиндрической оболочки краевыми нагрузками. Методика расчета на прочность аппаратов с учетом краевых сил и моментов. Алгоритм решения краевой задачи. Основы конструирования цельносварной аппаратуры. Границы применения различных расчетных методов.
Особенности расчета оболочек, находящихся под действием наружного давления. Понятие об устойчивости. Местная и общая устойчивость.
Выводы формул для расчета толщины стенки длинной цилиндрической оболочки. Расчет коротких цилиндрических оболочек. Определение оптимальной толщины стенки при расчете короткой обечайки. Критерий оптимальности. Расчетная длина обечаек, кольца жесткости. Расчет на устойчивость под действием осевых сил и изгибающих моментов. Устойчивость сферических, эллиптических и конических днищ.
Расчет колонных аппаратов. Расчетные усилия от ветровой нагрузки и сейсмического воздействия. Устойчивость и прочность корпуса колонного аппарата. Основы конструирования корпусов колонных аппаратов с точки зрения их прочности и устойчивости. Основные принципы крепления контактных устройств в корпусах колонных аппаратов, расчет на прочность несущих элементов.
Прочноплотные разъемные соединения. Конструкции соединений и область их применения. Фланцевые соединения. Конструкции фланцев.
Герметичность соединения и расчет его конструктивных элементов на прочность.
4. ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ И СОВРЕМЕННАЯ ТЕХНИКА
ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Классификация основных процессов химической и нефтехимической технологии. Кинетические закономерности процессов. Общие принципы расчта машин и аппаратов. Периодические и непрерывные процессы.4.1. Механические процессы и оборудование. Классификация механических процессов химической технологии. Теоретические основы процессов измельчения. Физико-механические свойства измельчаемых материалов. Физические основы процессов измельчения. Дефекты в кристаллической рештке, причины их возникновения и распространения. Теоретическая и реальная прочность, критический размер частиц. Кинетика измельчения. Сущность механической активации и перспективы е использования. Энергомкость процессов измельчения, законы измельчения.
Критерии качества измельчения и методы их определения, степень измельчения. Классификация машин для измельчения тврдых материалов.
Дробилки раздавливающего действия. Щковые, конусные, валковые дробилки, бегуны. Методика определения оптимальных размеров и скорости движения рабочих органов. Расчт производительности и энергозатрат на проведение процесса измельчения. Дробилки ударного действия. Теория ударного разрушения, скорость разрушения, оптимальная частота вращения вала дробилок. Роторные, молотковые дробилки, конструктивные особенности и методика расчта.
Машины для тонкого измельчения (помола) материалов. Барабанные мельницы. Классификация и основные конструктивные схемы. Режимы движения мелющих тел. Теоретические основы расчта оптимальной кинетики барабанных мельниц. Типовые узлы и детали мельниц и их конструктивные особенности. Работа мельниц по открытому и замкнутому циклам. Энергозатраты на помол и пути их снижения. Мельницы ударного действия. Шахтные, аэробильные мельницы, дезинтеграторы, дисмембраторы. Среднеходные мельницы, области их использования и расчт основных параметров. Мельницы сверхтонкого помола. Вибромельницы, струйные и каскадные мельницы. Сухой и мокрый помол. Новые способы измельчения. Использование физических эффектов для разрушения материалов. Технологическое обоснование использования мельниц сверхтонкого помола.
Способы классификации тврдых материалов. Механическая классификация, основы теории механической классификации. Вероятность прохождения материалов через отверстие сита, тяжлые и лгкие частицы.
Эффективность и производительность грохочения, влияние различных факторов. Кинетика грохочения.
Устройство и принцип действия грохотов. Плоские качающиеся и вибрационные грохоты, области их использования. Расчт оптимальной частоты вращения вибраторов. Барабанные грохоты. Режимы работы, расчт конструктивных и технологических параметров барабанных грохотов.
Дуговые грохоты.
Пневматическая классификация материалов. Основы теории пневматической классификации. Принципиальные схемы классификации. Определение границы разделения и скорости витания. Гравитационные, центробежные и роторные классификаторы. Расчт основных параметров классификаторов.
Гидравлическая классификация тврдых материалов. Основы теории гидравлической классификации, определение границ разделения. Устройство и принцип действия гидравлических классификаторов.
Машины для перемешивания сыпучих и пастообразных материалов.
Основы теории смешения. Критерии качества смешения, коэффициент вариации. Кинетика и режимы смешения. Общий подход к определению энергозатрат на перемешивание. Механическое перемешивание материалов. Гравитационные, лопастные и центробежные смесители. Определение критической частоты вращения и мощности привода смесителей. Пневматическое, циркуляционное и пульсационное перемешивание материалов.
Системы аэрации. Основы расчта пневматических смесителей.
Основы теории прессования. Таблеточные машины. Грануляторы.
Машины для переработки полимерных материалов и изделий.
4.2. Гидромеханические процессы и аппараты. Основы аэро- и гидродинамики. Поле скоростей в потоке. Уравнение расхода. Уравнение неразрывности потока. Дифференциальные уравнения движения жидкости.
Уравнение Бернули и его энергетический смысл. Режимы движения. Гидродинамика многофазных потоков. Движение тврдых частиц, капель жидкости и пузырьков в средах. Гидродинамика кипящих зернистых слов. Классификация оборудования гидромеханических процессов.
Отстаивание и осаждение в поле сил тяжести. Механизм протекания процессов. Определение скорости осаждения частиц дисперсной фазы в сплошной при различных гидродинамических режимах движения. Влияние формы частиц, температуры и давления на скорость осаждения. Стесненное осаждение. Типы отстойных аппаратов для суспензий и эмульсий и пылеосадительных камер для запыленных газов.
Процессы разделения неоднородных систем под действием разности давлений на фильтровальных перегородках. Характеристика фильтровальных перегородок и осадков. Вывод кинетического уравнения фильтрования. Режимы фильтрования при постоянной движущей силе и постоянной скорости процесса. Определение констант фильтрования и производительности. Типы фильтров для разделения жидких неоднородных систем:
фильтрпрессы, листовые, барабанные, ленточные, карусельные и др.
Фильтры для очистки запыленных газов. Способы выгрузки осадка. Расчт фильтров.
Процессы разделения неоднородных систем в поле действия центробежных сил. Сравнение скорости гравитационного и центробежного разделения. Фактор разделения в циклонном процессе и при центрифугировании. Закономерности движения среды в циклонах и определение их основных характеристик. Закономерности разделения в отстойных центрифугах. Закономерности разделения в фильтрующих центрифугах. Типы отстойных и фильтрующих центрифуг. Способы выгрузки осадка из центрифуг. Расчт центрифуг.
Процессы перемешивания в жидких средах. Физическая сущность процессов и их применение в химической технологии. Интенсивность и эффективность перемешивания. Закономерности механического перемешивания. Расход энергии на перемешивание. Критерии мощности. Конструкции мешалок: лопастные, пропеллерные, турбинные, якорные и рамные. Уплотнение валов мешалок. Расчт мешалок.
Гидродинамические характеристики взаимодействия потоков газа или жидкости с зернистым слоем в аппаратах. Влияние соотношения фаз в системе на состояние зернистого слоя. Порозность слоя и пределы ее изменения. Определение скоростей начала псевдоожижения слоя и начала уноса частиц из слоя. Гидравлическое сопротивление зернистого слоя при различных состояниях. Аппараты кипящего слоя. Конструкции газораспределительных устройств.
4.3. Тепловые процессы и аппараты. Основы теории теплопередачи.
Виды переноса теплоты, их характеристика. Понятие о температурном поле, изотермической поверхности, температурном градиенте. Теплопроводность. Уравнение теплопроводности. Тепловое излучение. Теплообмен при излучении. Тепловое излучение газов. Конвекция и теплоотдача. Профиль температур в потоке. Тепловой пограничный слой. Закон Ньютона (уравнение теплоотдачи). Дифференциальное уравнение конвективного переноса теплоты (уравнение Фурье-Кирхгофа). Подобие процессов теплоотдачи. Критериальное уравнение теплоотдачи.
Теплопередача. Уравнение теплопередачи для плоской и цилиндрической стенок при постоянных и переменных температурах теплоносителей. Связь между коэффициентом теплопередачи и коэффициентами теплоотдачи (уравнение аддитивности термических сопротивлений). Уравнение теплопередачи при переменных температурах теплоносителей. Определение средней движущей силы при прямоточном, противоточном, смешанном и перекрестном направлении движения теплоносителей. Выбор направления движения теплоносителей. Влияние гидродинамической структуры потоков на среднюю движущую силу процесса теплопередачи.
«