Учебное пособие создано в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом по направлениям подготовки «Химия» (квалификация «бакалавр», «магистр»), «Фундаментальная и прикладная химия» (квалификация «специалист»).
Рассмотрены эксергетический метод оценки эффективности химикотехнологических систем, элементы физико-химической гидродинамики и макрокинетики. Изложена формальная теория химических реакторов и основы материаловедения. Использованы понятия и методы, принятые в термодинамике, физической химии, механике сплошной среды.
| Предисловие научного редактора |
|
3 |
| Предисловие |
|
4 |
РАЗДЕЛ I
ВВЕДЕНИЕ В ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
|
| Глава 1. Общие сведения из термодинамики |
|
6 |
| 1.1. Основные начала термодинамики |
| 6 |
| 1.2. Оператор Карно |
|
16 |
| 1.3. Второе начало и термодинамика простых тел |
| 20 |
| 1.4. Экспериментальное подтверждение второго начала |
| 27 |
| 1.5. Неравенство Клаузиуса |
| 29 |
| 1.6. Квалифицированная и неквалифицированная энергии |
| 34 |
| 1.7. Практическое измерение температуры |
| 36 |
| Глава 2. Обратимые энергопреобразующие устройства |
|
38 |
| 2.1. Предельная эффективность энергопреобразующих устройств. |
| 38 |
2.2. Предельные значения коэффициента полезного действия
некоторых энергопреобразующих устройств |
| 41 |
| Глава 3. Необратимость в энергопреобразующих устройствах |
|
49 |
| 3.1. Максимально достижимая эффективность |
| 49 |
| 3.2. Максимально достижимая эффективность адсорбционного теплового насоса |
| 50 |
3.3. Максимально достижимая эффективность разделения газовой
смеси
по способу безнагревной короткоцикловой адсорбции . |
| 56 |
| Глава 4. Эксергетический анализ |
|
68 |
| 4.1. Эксергия |
| 68 |
4.2. Критерии эффективности химико-технологических систем
и интегральные балансы |
| 74 |
| 4.3. Процедура оценки энергетической эффективности химикотехнологической системы |
| 80 |
| Глава 5. Потери эксергии в простых технологических операциях |
|
86 |
| 5.1 Квазистатические и обратимые пепехолы в системе |
| 86 |
| 5.2. Потери эксергии при теплообмене |
| 87 |
| 5.3. Потери эксергии при смешении газов |
| 90 |
| 5.4. Потери эксергии при газофазной реакции |
| 94 |
| 5.5. Самопроизвольные переходы в системе |
| 103 |
| Глава 6. Потери эксергии в технологиях получения водорода |
|
105 |
| 6.1. Методы получения водорода |
| 105 |
| 6.2. Потери эксергии при получении водорода парофазной
конверсией метана |
| 106 |
6.3. Потери эксергии при получении водорода электролизом воды
в изотермических условиях |
| 114 |
6.4. Потери эксергии при получении водорода вытеснением
из водных растворов кислот |
| 117 |
РАЗДЕЛ II
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДВИЖЕНИЯ ЖИДКИХ
И ГАЗОВЫХ МАСС
|
| Глава 7. Локальные уравнения движения гомогенных сред |
| 120 |
| 7.1. Особенности движения гомогенных сред |
| 120 |
| 7.2. Математические модели движения гомогенных сред |
|
125 |
| Глава 8. Движение идеальной жидкости |
|
132 |
| 8.1. Уравнения Эйлера движения идеальной жидкости |
| 132 |
| 8.2. Интеграл Бернулли и уравнение Лапласа |
| 133 |
| 8.3. Струйные течения |
| 140 |
| 8.4. Практическое значение интеграла Бернулли |
| 143 |
| Глава 9. Волновые движения в идеальной несжимаемой
жидкости |
|
148 |
| 9.1. Интеграл Коши - Лагранжа |
| 148 |
| 9.2. Гравитационные волны на поверхности слоя жидкости |
| 148 |
| 9.3. Капиллярные волны на поверхности жидкости |
| 155 |
| 9.4. Внутренние волны в барботажных реакторах с высоким
слоем жидкости |
| 157 |
| Глава 10. Эффекты, обусловленные сжимаемостью идеальной
жидкости |
| 165 |
| 10.1. Распространение малых возмущений. Звуковая волна |
| 165 |
10.2. Распространение конечных возмущений. Ударная волна
в химически инертном газе. Адиабата Гюгонио |
| 168 |
| 10.3. Течение Гюгонио |
| 172 |
| 10.3. Течение Гюгонио |
| 175 |
| Глава 11. Основные закономерности движения вязкой жидкости |
| 179 |
| 11.1. Уравнения Навье - Стокса |
| 179 |
11.2. Несколько примеров, иллюстрирующих особенности
движения вязкой жидкости |
| 183 |
| 11.3. Гидродинамический пограничный слой |
| 191 |
| 11.4. Задача Блазиуса |
| 196 |
| 11.5. Отрыв потока от поверхности и турбулизаиия пограничного слоя |
| 200 |
| 11.6. Турбулентность. Свойства турбулентных потоков |
| 204 |
| 11.7. Фильтрация |
| 210 |
| Глава 12. Диффузионные модели в химической технологии |
| 213 |
| 12.1. Математические модели движения многокомпонентной
жидкости |
| 213 |
| 12.2. Уравнение конвективной диффузии |
| 221 |
РАЗДЕЛ III
МАКРОКИНЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ В ХИМИЧЕСКОЙ
ТЕХНОЛОГИИ
|
| Глава 13. Принципы макрокинетического анализа |
| 227 |
13.1. Структурные неоднородности, возникающие в системах
с химическими и фазовыми превращениями |
| 227 |
| 13.2. Основные понятия, используемые в макрокинетическом анализе |
| 229 |
13.3. Характерные времена разных стадий процесса
и безразмерные критерии |
| 233 |
13.4. Макрокинетика процессов в гомогенных системах
с химическими превращениями |
| 240 |
13.5. Макрокинетика процессов в гетерогенных системах
с химическими превращениями |
| 246 |
| Глава 14. Диффузионный пограничный слой |
| 251 |
| 14.1. Массоперенос между твердым телом и покоящейся жидкостью |
| 251 |
| 14.2. Массоперенос между твердым телом и потоком невязкой жидкости |
| 254 |
| 14.3. Задача Левича |
| 260 |
| Глава 15. Задача Гретца |
| 267 |
15.1. Постановка задачи о теплообмене между потоком
теплоносителя и твердой поверхностью |
| 267 |
| 15.2. Макрокинетический анализ задачи Гретца |
| 271 |
| 15.3. Сравнение модели Гретца с моделью Нуссельта |
| 276 |
| Глава 16. Макрокинетика процессов горения в гомогенных средах |
| 281 |
| 16.1. Молекулярная энергетика процесса горения |
| 281 |
| 16.2. Эффект Махе |
| 285 |
| 16.3. Диффузионное горение |
| 291 |
| 16.4. Медленное горение. Фронт пламени |
| 297 |
| 16.5. Быстрое горение. Детонационная волна |
| 301 |
РАЗДЕЛ IV
ФОРМАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
И ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ АППАРАТОВ
|
Глава 17. Математические модели структуры потоков
в химических реакторах |
| 307 |
| 17.1. Характеризация интенсивности перемешивания в объеме реактора |
| 307 |
| 17.2. Перемешивание в модельных реакторах |
| 313 |
| 17.3. Экспериментальное исследование структуры потока
в аппаратах |
| 320 |
Глава 18. Масштабный эффект и продольная дисперсия
в химических аппаратах |
| 325 |
| 18.1. Коэффициент масштабного перехода |
| 325 |
| 18.2. Гидродинамический фактор |
| 329 |
18.3. Совместный вклад гидродинамического и «диффузионного»
факторов в перемешивание в объеме реактора |
| 332 |
| 18.4. Продольная дисперсия в реальных технологических
аппаратах |
| 336 |
Глава 19. Принципы описания тепло- и массообменных процессов
в химической технологии |
| 341 |
| Глава 20. Математические модели теплообменных аппаратов |
| 350 |
| 20.1 Математические модели теплообменных аппаратов
идеального вытеснения |
| 350 |
| 20.2. Анализ математических моделей теплообменных аппаратов |
| 354 |
| 20.3. Эксергетическая эффективность теплообменных
аппаратов |
| 359 |
| Глава 21. Математические модели массообменных аппаратов |
| 362 |
| 21.1. Математическая модель газожидкостной абсорбционной колонны |
| 362 |
| 21.2. Математическая модель дистилляционной колонны |
| 369 |
РАЗДЕЛ V
ВВЕДЕНИЕ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
|
| Глава 22. Элементарные понятия материаловедения |
| 374 |
| Глава 23. Элементы теории упругости |
| 382 |
| 23.1. Свойства вещественной симметричной матрицы |
| 382 |
| 23.2. Деформации в твердом теле |
| 383 |
| 23.3. Напряжения в твердом теле |
| 387 |
| 23.4. Свободная энергия деформируемого тела |
| 394 |
| 23.5. Простые задачи по теории упругости |
| 396 |
| Глава 24. Элементы теории разрушениях |
| 402 |
| 24.1. Прочность твердых тел |
| 402 |
| 24.2. Энергетическая теория разрушения Гриффитса |
| 414 |
| 24.3. Кинетическая теория разрушения |
| 418 |
| 24.4. Критерии прочности |
| 421 |
| Глава 25. Углеродные материалы со структурой графита |
| 423 |
| 25.1. Углеродные нанотрубки |
| 423 |
| 25.2. Низкоплотные углеродные материалы |
| 426 |
| Глава 26. Композиционные материалы |
| 441 |
| 26.1. Структура композиционных материалов и особенности
их деформирования |
| 441 |
| 26.2. Критерии качества композиционных материалов |
| 446 |
| 26.3. Углеродные волокна |
| 448 |
| Приложения |
| 451 |
| Список литературы |
| 457 |
Дисциплина «Химическая технология» завершает в классическом университетском образовании базовую подготовку студентов по химическим дисциплинам.
Она формирует основы технологического
мышления, раскрывает взаимосвязи между развитием химической
науки и химической технологии, готовит выпускников университетов к активной творческой работе по созданию перспективных процессов, материалов и технологических схем.
В отличие от ситуации в технологических вузах химико-инженерной направленности курсу химической технологии в программе
химических факультетов классических университетов отведен лишь
один семестр, а смежные инженерные курсы вовсе отсутствуют. Попытка детального изложения конкретных технологий приводит к
тому, что в голове у студентов остается фрагментарный набор слабо
связанных между собой фактов. В этой связи авторы предпочли другой путь, насыщая технологическим содержанием как те знания, которые студенты уже получили в области химической термодинамики
и кинетики, так и приводя необходимые дополнительные сведения
по гидрогазодинамике и теории тепло- и массопереноса. Это позволяет подходить к разным объектам химической технологии с единых
позиций и обеспечивает понимание выпускником университета многоуровневого и многокритериального характера задач создания новых и совершенствования существующих технологий, предоставляет ему знания и навыки, необходимые для грамотного отыскания точек
приложения новых научных результатов, а также экспертизы технологических решений на основе универсальных критериев, вытекающих из фундаментальных законов природы,
включая основной экологический принцип «Не навреди»
В этой книге предлагается необходимый минимум сведений для
студентов химических специальностей классических университетов
при изучении курса химической технологии. Учебное пособие может
оказаться полезным студентам и аспирантам других естественных
факультетов университетов и всем, кто желает попробовать свои силы
в необъятной области химической технологии.
Современная химическая технология - это обширная область научных знаний и производственного опыта, простирающаяся от сугубо практических вопросов,
связанных, например, с утилизацией
упаковочной тары, до гуманитарных проблем существования и развития человеческой цивилизации. Последовательное изложение технологии конкретных
производств вряд ли поможет выпускнику классического университета при его неизбежном столкновении с новыми
проблемами. Однако подробный пересказ процессов не позволяет
сосредоточиться на таких общих и весьма важных для технологии
понятиях, как термодинамическая эффективность, коэффициент
масштабного перехода или распределение времени пребывания в аппарате. В результате, несмотря на внешнюю техническую эрудицию,
студенту не становится более понятной и доступной техническая литература. Более того, невозможно за короткое время изложить в
деталях весь материал, имеющий отношение к химической технологии.
По этой причине целесообразно сосредоточиться на изложении тех
разделов теории, которые в наибольшей степени отражают физикохимическую общность технологических процессов.
В разделе I наряду с общими вопросами термодинамики рассмотрены специфические для технологии понятия квалифицированной
и неквалифицированной энергии, предельного значения коэффициента полезного действия. Вводятся понятия эксергии и ее потерь,
являющиеся критериями эффективности технологических процессов. Процедура вычисления потерь эксергии применена к трем разным способам получения водорода:
к парофазной конверсии метана,
электролизу воды, вытеснению водорода из водных растворов кислот.
В разделе II рассматриваются математические модели движения
жидких и газовых масс. Он включен в книгу в связи со следующим
обстоятельством: в отличие от химиков-технологов инженерных специальностей, которые слушают обширный курс процессов и аппаратов,
студенты химических факультетов университетов мало осведомлены о закономерностях движений жидкостей и газов. В то же
время для решения вопросов масштабного перехода и вообще для
оценки производительности аппарата необходимо знакомство с элементами гидро- и газодинамики.
Раздел III посвящен применению макрокинетического анализа в
задачах химической технологии. Показано, как на основе пространственных неоднородностей и характерных времен процесса
формируются безразмерные комплексы. Анализируются диффузионный
пограничный слой и теплообмен между потоком и твердой поверхностью. Рассмотрены вопросы горения.
В разделе IV представлены формальные модели химических реакторов, не использующие законы гидро- и газодинамики и
основанные на таких понятиях, как интенсивность перемешивания, время и распределение времени пребывания. Эти модели, несмотря на
свою, в некотором смысле, оторванность от реальных течений жидких и газовых масс в аппаратах, весьма широко применяются при
проектировании реакторов. По этой причине материал по ним изложен достаточно полно. Анализируются масштабный эффект и продольная дисперсия в каналах и аппаратах.
Диффузия Тейлора рассматривается на основе модели случайного блуждания, что существенно упрощает задачу, сохраняя при этом все существенные
черты явления. Представлены математические модели тепло- и массообменных аппаратов.
Раздел V посвящен материаловедению. Изложение начинается с
элементов теории упругости. Рассмотрена задача Ламе о распределении напряжений в стенке трубы при заданном перепаде давлений
внутри и вне ее. Изложены сведения об энергетической модели образования трещин по Гриффитсу, а также теория усталостной прочности Журкова.
Рассмотрена теоретическая прочность материалов.
Показана связь разных технологий упрочнения материала с механизмами торможения дислокаций. Дано представление об углеродных
нанотрубках, низкоплотных углеродных материалах и углеродных волокнах. При анализе композиционных материалов детально изучен
вопрос о перераспределении напряжений в материале. Приведены
критерии прочности композиционных материалов.
В основу книги положены лекции по курсу химической технологии, которые авторы читают на химическом факультете и факультете
фундаментальной физико-химической инженерии Московского
государственного университета им. М.В.Ломоносова.
