МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
Д. К. Проскурин
«___»________________2014__ г.
Дисциплина для учебного плана направления 240100 - «Химическая технология»
подготовки бакалавра
Кафедра: _Технологии строительных материалов, изделий и конструкций ___________________________________________________________________
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
«Моделирование химико-технологических процессов»
Разработчик УМКД: _____д.т.н., проф. Шмитько Е.И. Воронеж, 20_14
СОГЛАСОВАНО:
Заведующий кафедрой разработчика УМКД ______________/ ___В.В. Власов /
(подпись) (Ф.И.О.)
Протокол заседания кафедры № _____ от «___» ________________20 14___ г.
Заведующий выпускающей кафедрой _________________/В.В.Власов ___________________/
(подпись) (Ф.И.О.)
Протокол заседания кафедры № ______ от «___» _______________ 2014__ г.
Председатель Методической комиссии факультета _________________/Г.С.Славчева ____________/
(подпись) (Ф.И.О.)
Протокол заседания Методической комиссии факультета № __ от «__»__________2014__г.
Начальник учебно-методического управления Воронежского ГАСУ __________________ / Л.П._Мышовская_________________ /
(подпись)
(Ф.И.О.)
Министерство образования и науки РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра Технологии строительных материалов, изделий и конструкций
УТВЕРЖДАЮ
|
Декан Строительно-техноло-гического факультета
|
______________ Власов В. В.
|
«____»___________2014 г.
|
Рабочая программа дисциплины
«Моделирование химико-технологических процессов»
Направление подготовки: 240100 - «Химическая технология»
Профиль: «Технология силикатных и полимерных композиционных материалов»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Нормативный срок обучения: 4 года
Форма обучения: очная
Автор программы Шмитько Е.И., д.т.н., проф.
Программа обсуждена на заседании кафедры Технологии строительных материалов, изделий и конструкций «____» ________ 2014 года Протокол №
Зав. кафедрой______________________ ВласовВ.В.
Воронеж 2014
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель преподавания дисциплины состоит в формировании у обучающихся общих подходов к содержанию и структуре строительных химико-технологических процессов, как объектов исследования и моделирования целью разработки научно-технических предпосылок управления ими. (компетенции ПК-1, ПК-7, ПК-8, ПК-9, ПК-11, ПК-17, ПК-21, ПК-27).
Задачами освоения дисциплины являются:
- рассмотреть структуру технологического процесса как объекта исследования и управления;
- дать оценку параметров технологического процесса, их взаимной связи и обусловленности;
- рассмотреть общие принципы современных методов моделирования технологических процессов;
- рассмотреть общие принципы оптимизации технологических процессов;
- рассмотреть количественные модели для элементарных процессов, отражающих химическую, механическую, гидромеханическую, сущность строительно-технологических процессов;
- преломить общие принципы моделирования, оптимизации и управления на конкретные задачи строительных технологий.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
Дисциплина «Моделирование химико-технологических процессов» относится к базовой части профессионального цикла дисциплин. При ее освоении используется знания и компетенции следующих дисциплин.
Философия: материя и основные формы ее существования; познание как отражение действительности; диалектика как учение о всеобщей связи и развитии (ОК-1, ОК-2,ОК-12).
Математика: определители и системы уравнений; введение в анализ функции одного переменного; дифференциальное исчисление функции одной переменной; исследование функции и построение графика; приближенное решение уравнений; интегральное исчисление; дифференциальные уравнения; основы теории вероятности; элементы математической статистики (ПК-5, ПК-8).
Химия (неорганическая, органическая, физическая, коллоидная):: химическая кинетика и равновесие; химическая связь; вода и формы связанной воды; химическая термодинамика, второе начало термодинамики; химическое равновесие; фазовое равновесие и учение о растворах; дисперсные системы; поверхностная энергия; коллоидное состояние (ПК-23, ПК-24).
Физика: инерция, масса, импульс (количество движения), сила; законы сохранения; силы упругости и трения; силы тяготения; механика жидкостей и газов; колебания; молекулярная физика и термодинамика; жидкости, характеристики жидкого состояния; теплопроводность (ПК-1).
Строительные материалы: неорганические (минеральные вяжущие вещества), органические (лаки, краски и пластмассы), бетоны на неорганические и органических вяжущих веществах и изделия на их основе (ПК-7, ПК-11).
Знания, полученные при изучении дисциплины «Процессы и аппараты химической технологии» используются в дальнейшем при изучении специальных дисциплин в части идентификации определяющих параметров технологического процесса, моделирования и управления технологическими процессами.
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
После освоения дисциплины студент должен приобрести следующие знания, умения и навыки, соответствующие компетенциям ООП.
Студент должен знать:
- пути использования основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности (ПК-1);
- современную физическую картину мира, пространственно-временные закономерности (ПК-2);
- строение вещества, природу химических связей в различных классах химических соединений (ПК-3);
- значение информации в развитии современного информационного общества (ОК-4);
- основные методы, способы и средства получения информации (ПК-5).
Студент должен уметь:
- использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности (ПК-1);
- применять методы моделирования при решении практических задач (ПК-1);
- составлять математические модели химико-технологических процессов, находить способы их решения (ПК-8).
Студент должен владеть, иметь навыки:
- анализировать химико-технологический процесс как объект управления (ПК-17);
- владеть методами проведения инженерных изысканий относительно химико-технологических процессов (ПК-7);
- владеть методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации (ПК-5).
- создавать математические модели химико-технологических процессов и применять их на практике (ПК-8).
4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Общая трудоемкость дисциплины «_Моделирование химико-технологических процессов» составляет __4_ зачетные единицы.
Вид учебной работы
|
Всего
часов
|
Семестры
|
5
|
_6_
|
|
|
Аудиторные занятия (всего)
|
72
|
|
72
|
|
|
В том числе:
|
|
|
|
|
|
Лекции
|
36
|
|
36
|
|
|
Практические занятия (ПЗ)
|
18
|
|
18
|
|
|
Лабораторные работы (ЛР)
|
18
|
|
18
|
|
|
Самостоятельная работа (всего)
|
72
|
|
72
|
|
|
В том числе:
|
|
|
|
|
|
Курсовая работа
|
26
|
|
26
|
|
|
Контрольная работа
|
|
|
|
|
|
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
|
экзамен
|
|
экзамен
|
|
|
Общая трудоемкость час
зач. ед.
|
144
|
|
144
|
|
|
4
|
|
4
|
|
|
5. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1. Лекционный курс
№ п/п
|
Наименование модулей, содержание
|
Кол-во лекционных часов
|
Кол-во часов на самост. подготовку
|
М-1
1.1.
М-2
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
М-3
3.1.
М-4
4.1.
М-5
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
|
Задачи дисциплины в плане подготовки современного инженера
Главная задача – идентификация модели управления технологическим процессом
Гидродинамика: инженерные задачи
Общеинженерные задачи гидродинамики: измерения и расчеты скоростей в трубах и каналах, расчет потерянного напора, определение скорости осаждения твердых частиц
Смешанные задачи гидродинамики: фильтрация жидкости через слой зернистого материала, состояние псевдоожижения, пневмотранспорт. Практические задачи
Разделение двухфазных потоков: под действием силы тяжести, под действием центробежной силы. Пылеосадительные камеры, пневмо- и гидроциклоны
Аппараты для перемещения жидкостей и газов: насосы, компрессоры, вентиляторы
Течение в трубах высококонцентрированных паст типа строительных бетонов и растворов. Бетононасосы, растворонасосы
Перемешивание жидких и жидкообразных масс. Гидромеханическое перемешивание: механизмы, математические модели, их применение в бетоноведении.
Процессы вибрационного формования бетонных и железобетонных изделий: механизм процессов, пути создания математических моделей и возможности оптимального управления процессами
Управление тепловыми процессами
Тепловые процессы в строительных технологиях. Основные уравнения теплопереноса. Тепловое подобие. Инженерные задачи теплопереноса
Управление массопереносными процессами
Вид массопереносных процессов в строительных технологиях. Уравнения массопереноса. Массообменные подобия. Использование критериев подобия в инженерных задачах
Процессы совмещенного тепло- и массопереноса
Общие представления о процессах совмещенного тепло- и массопереноса. Технологические примеры. Уравнения совмещенного тепло- и массопереноса и возможности их практического использования
Управление процессами сушки строительных материалов и изделий. Основные характеристики и параметры конвективного способа сушки. Скорость процесса.
Распределение влаги в высушиваемом материале. Режимы сушки. Расчет и управление сушильным процессом.
Конструкции и принципы работы сушилок, реализующих конвективный способ сушки
Расчет процесса сушки с помощью I-x – диаграммы. Расход сушильного агента. Тепловой баланс процесса. Расход тепловой энергии и топлива
|
0,5
2
2
2
2
3
3
3
4
3
2
2,5
2
2
3
|
0,5
2
2
2
2
3
3
3
4
3
2
2,5
2
2
3
|
5.2. Перечень практических занятий
-
№ п.п.
|
Тема занятия
|
К-во часов
|
Аудит.
|
самост
|
ПЗ-1
ПЗ-2
|
Инженерные задачи гидростатики
Основные характеристики гидродинамических потоков
|
6
12
|
6
12
|
5.3. Лабораторные работы
-
сем. обуч.
|
№ л.р.
|
Наименование лаборат работ
|
Количество часов
|
аудиторн.
|
самостоят. р.
|
6
|
ЛЗ-1
ЛЗ-2
ЛЗ-3
|
Моделирование процесса перемешивания в смесителе гидромеханического типа
Моделирование процесса виброуплотнения бетонной смеси
Моделирование процесса сушки в псевдоожиженном слое
|
6
6
6
|
6
6
6
|
5.4. Темы и содержание курсовых проектов, объем.
Темы курсовых работ
|
Объем
|
|
Курсовой проект имеет целью закрепление материала курса и получение практических навыков расчетов технологических процессов и аппаратов. Объектом проектирования является технология получения одного из видов вяжущего вещества по заданной программе. Итогом проектной разработки должны быть: технологический регламент производственного процесса с детальным технологическим расчетом одного из основных аппаратов запроектированной технологии.
Объем проекта:
Пояснительная записка
Чертеж, включающий пооперационную, технологическую и операторную схемы технологического процесса, схематическое изображение подвергнутого расчету аппарата с обозначением материальных и энергетических потоков
|
20-30 стр.
1 лист
ф. А1
|
5.5. Контрольные вопросы к экзамену
1. Гидродинамика: основные термины, понятия, характеристики.
2. Распределение скоростей и расход жидкости при установившемся ламинарном потоке.
3. Распределение скоростей в турбулентном потоке.
4. Уравнение неразрывности (сплошности) потока в дифференциальной и интегральной форме.
5. Дифференциальное уравнение движения идеальной жидкости – уравнение Эйлера.
6. Дифференциальное уравнение движения реальной жидкости – уравнение Навье-Стокса.
Гидродинамика. Уравнение Бернулли для идеальной жидкости.
Гидродинамика. Уравнение Бернулли для реальной жидкости.
Принципы измерения скоростей и расходов жидкостей с применением уравнения Бернулли.
Измерение скорости течения жидкости в трубопроводе с помощью пневмометрических трубок и дифференциального манометра.
Измерение скоростей и расходов жидкостей с помощью дроссельных приборов.
Расчет скорости истечения жидкости из резервуара через донные отверстия.
Расчет гидравлических сопротивлений в трубах и каналах при ламинарном течении жидкости.
Расчет гидравлических сопротивлений в трубах и каналах при турбулентном течении жидкости.
Расчет потери напора на преодоление местных сопротивлений. Определение полных потерь.
Общие закономерности процессов движения тел в жидкостях.
Осаждение твердых частиц в жидкой или газовой среде. Скорость осаждения.
Основные три типа смешанных задач гидродинамики: общая характеристика.
Движение жидкости через зернистые и пористые слои.
Гидродинамика псевдоожиженного слоя.
Пневмо-и гидротранспорт частиц зернистого материала: необходимые условия, расчетные формулы.
Особенности работы пневмотранспорта (практические вопросы).
Особенности работы гидротранспорта (практические вопросы).
Разделение двухфахных систем под действием гравитационных сил. Гидроотстойники и пылеосадительные камеры.
Разделение двухфазных систем под действием центробежных сил. Пневмоциклоны и гидроциклоны.
Общие сведения о насосах, насосы общего пользования.
Насосы для подачи бетонных и растворных смесей.
Основные расчетные характеристики насосов.
Общие сведения о компрессорах и вентиляторах.
Устройство и основные характеристики вентиляторов.
Применение вентиляторов в технологических процессах.
Основные расчетные характеристики вентиляторов.
Реология высококонцентрированных паст типа глиняной массы, цементного теста, бетона.
Особенности течения по трубам вязкопластичных жидкостей типа цементного и глиняного теста, строительного раствора.
Расчет скорости течения в трубе вязкопластичной жидкости.
Насосы для транспортирования по трубам бетонных и растворных смесей.
Значение, виды и характеристики процессов перемешивания.
Общие характеристики процессов гидромеханического перемешивания, типы мешалок и течений.
Общие принципы моделирования процесса гидромеханического перемешивания. Условия геометрического подобия.
Приближенное моделирование процесса перемешивания.
Сущность и значение процессов уплотнения бетонной смеси при формовании изделий.
Сущность процессов вибрационного уплотнения бетонных смесей. Механизм процесса.
Способы реализации вибраций в технологии бетонных и железобетонных изделий.
Общие предпосылки построения математической модели процесса уплотнения бетонной смеси.
Основные понятия и уравнения гармонических колебаний материальной точки, используемые при количественном представлении процесса виброуплотнения бетонной смеси.
Модель упруго-вязкой системы как прототип модели виброуплотнения бетонной смеси.
Приближенное моделирование процесса виброуплотнения бетонной смеси: дифференциальное уравнение колебательного процесса применительно к бетонной смеси.
Контроль и управление процессом виброуплотнения бетонной смеси.
Теплоперенос. Основные термины и понятия. Движущая сила процесса.
Основное уравнение теплопередачи.
Температурное поле и температурный градиент в строительных изделиях и конструкциях.
Передача теплоты теплопроводности в неподвижной сплошной среде.
Дифференциальное уравнение теплопереноса в неподвижной среде, в том числе в объеме строительного изделия: уравнение Фурье.
Некоторые частные случаи решения дифференциального уравнения теплопереноса - уравнение Фурье применительно к строительным изделиям.
Уравнения, описывающие распределение температуры в конвективно движущемся носителе – уравнение Фурье-Киргхгофа.
Перенос теплоты на границе между конвективно движущемся теплоносителем и поверхностью строительного изделия. Пограничный слой.
Уравнение поверхностной теплоотдачи – уравнение Ньютона.
Критерии теплового подобия и критериальные уравнения теплопереноса.
Основные виды и общие характеристики массопереноса.
Закон переноса вещества диффузией. Сущность коэффициента диффузии.
Дифференциальное уравнение массопереноса в неподвижной среде.
Уравнение переноса вещества в конвективно движущейся среде.
Перенос вещества на границе раздела сред. Уравнение поверхностной массоотдачи.
Критерии массообменного подобия, критериальные уравнения.
Уравнение совместного тепло-и массопереноса в капиллярно-пористых телах.
Процессы сушки строительных материалов и изделий: сущность, назначение и виды сушки.
Три влажностные состояния материала.
Структура строительного материала и его влажностное состояние.
Тепло-и массоперенос в процессе сушки. Распределение влаги в объеме высушиваемой частицы материала в зависимости от режима сушки.
Кинетика высушивания капиллярно-пористых материалов. Периоды сушки.
Кинетика высушивания капиллярно-пористых материалов. Скорость и продолжительность сушки.
Внешний тепло-и массоперенос в процессе сушки строительных материалов и изделий.
Механизм внутреннего массопереноса в процессе сушки строительных материалов и изделий.
Туннельная сушилка для штучных материалов. Схемы, потоки, параметры, режим работы, оценки эффективности.
Барабанная сушилка для сыпучих материалов. Схемы, потоки, параметры, режимы работы, оценки эффективности.
Башенная распылительная сушилка. Схемы, потоки, режимы работы, оценки эффективности.
Сушка в псевдоожиженном слое. Схемы, потоки, режимы работы, оценки эффективности.
Расчетные параметры сушильного агента. Использование в расчетах I-х диаграмм.
73. Расчетные параметры высушиваемого материала.
74.Количество сушильного агента, необходимое для сушки.
75.Тепловой баланс процесса конвективной сушки. Определение расхода топлива на процесс сушки.
5.6. Состав учебно-методического обеспечения, рекомендации по использованию информационных технологий.
5.6.1.. Список учебной литературы
Учебная литература основная
Шмитько Е. И. Поцессы и аппараты технологии строительных материалов и изделий: Учебное пособие – С.-Петербург: Изд-во «Проспект науки». – 2010. – 736 с.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. 14-е издание стереотипное. Перепечатка с девятого издания 1973 г. – М.; ООО ИД «Альянс», 2011. – 753 с.
Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под редакцией чл.-корр. АН России П.Г. Романкова. - 14-е изд., стереот. Перепечатка с издания 1987 г. - М.: ООО ИД «Альянс», 2010. – 576 с.
Учебная литература дополнительная
1. Шмитько Е.И. Процессы и аппараты в технологии строительных изделий (расчеты аппаратов). Учебное пособие.- Воронеж, ВИСИ, 2006.
Методические указания, пособия, программы
Шмитько Е. И. Процессы и аппараты в технологии строительных материалов и изделий: лабораторные практикум/Е.И. Шмитько, Д.Н. Коротких, В.В. Мысков.- Воронеж: Изд-во ВГАСУ, 2015.
Шмитько Е.И. Комплексный курсовой проект оп дисциплинам «Вяжущие вещества», «Процессы и аппараты технологии строитльных материалов и изделий», «Механическое оборудование предприятий стройиндустрии»: Учебное пособие/Е.И. Шмитько, А.В.Крылова, В.С. Кабанов, С.П. Козодаев.-Воронеж: Изд-во ВГАСУ, 2008.
6. Перечень форм и методов контроля знаний с указанием применения по видам занятий, требований к уровню усвоения материала, перечнем критериев, устанавливающих требования к оценке знаний на экзаменах и зачетах (пример заполнения).
№
п.п
|
Форма
контроля
|
Метод контроля
|
Вид занятий, по которым осуществляется контроль
|
Критерии
|
1
|
Проверка готовности к очередным занятиям
|
Контрольные вопросы
|
Лекции, практические и лабораторные занятия
|
Знание основных теоретических и практических положений по теме занятия
|
2
|
Отчет по лабораторным работам
|
Защита письменного отчета
|
Лабораторные занятия
|
Знание методики, интерпретация полученных результатов
|
3
|
Промежуточная аттестация
|
Учет посещаемости и успеваемости
|
Лекции, практические и лабораторные занятия
|
Оценка успеваемости и общего отношения к учебе
|
4
|
Экзамен
|
Письменно-устный ответ
|
Лекционные, практические, лабораторные занятия и самостоятельная работа
|
Знания, навыки и умения в вопросах моделирования и оптимизации технологических процессов
|
|
