| стр.
|
Введение
| 4
|
1. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю), соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы (компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины)
| 4
|
2. Место дисциплины в структуре образовательной программы
| 4
|
3. Объем дисциплины (модуля) в зачетных единицах с указанием количества академических часов, выделенных на контактную работу (во взаимодействии с преподавателем) обучающихся (по видам учебных занятий) и на самостоятельную работу обучающихся
| 5
|
4. Содержание дисциплины (модуля), структурированное по темам (разделам) с указанием отведенного на них количества академических часов и видов учебных занятий
| 5
|
4.1 Содержание модулей и разделов дисциплины
| 5
|
4.2 Разделы дисциплин и виды занятий
| 10
|
4.3 Тематический план лекций
| 10
|
4.4 Лабораторный практикум
| 12
|
4.5 Самостоятельная работа студентов
| 13
|
5. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы обучающихся по дисциплине (модулю)
| 14
|
6. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации обучающихся по дисциплине (модулю)
| 14
|
7. Перечень основной и дополнительной учебной литературы, необходимой для освоения дисциплины (модуля)
| 18
|
8. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», необходимых для освоения дисциплины (модуля)
| 19
|
9. Перечень методических указаний для обучающихся по освоению дисциплины (модуля)
| 19
|
10. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем (при необходимости)
| 19
|
11. Описание материально-технической базы, необходимой для осуществления образовательного процесса по дисциплине (модулю)
| 20
|
12. Критерии оценки знаний студентов
| 20
|
Семестр 4 (количество модулей 2)
|
Модуль I. Основные закономерности процессов и общие принципы расчета аппаратов биотехнологии
Цель: формирование основных принципов составления математических описаний, анализа и расчета процессов и аппаратов.
В результате усвоения данного модуля формируются компетенции ОК-9, ПК-16.
|
№
п/п
| Наименование раздела дисциплины, входящей в данный модуль.
| Содержание раздела
|
аудиторная работа
| СРС
|
1
| Непрерывные и периодические процессы; их характеристики и области рационального применения в биотехнологии.
| Теория явлений переноса - основа анализа механизмов, моделирования и разработки обобщенных методов расчета гидромеханических, тепловых и массообменных процессов и аппаратов. Аналогия между переносом импульса (количества движения), теплоты и массы. Особенности явлений переноса в потоках газов, жидкостей и в твердых телах. Молекулярный и турбулентный перенос. Общие закономерности гидродинамики, теплопередачи и массопередачи.
| Уравнения сохранения импульса, теплоты и массы. Дифференциальные уравнения, описывающие поля скоростей, температур и концентраций. Методы анализа этих уравнений. Материальные и энергетические (тепловые) балансы; определение массовых потоков и энергетических затрат. Условия равновесия и определение направления процессов переноса. Общий вид уравнений скорости процессов; движущие силы и кинетические коэффициенты. Методы воздействия на лимитирующие стадии.
|
2
| Методы исследования процессов и аппаратов биотехнологии.
| Место и роль теоретических и экспериментальных исследований, вычислительного эксперимента с использованием компьютеров. Системный подход к изучению и созданию новых процессов и аппаратов. Исследование процессов на микро- и макроуровнях.
Использование методов получения обобщенных переменных.
| Принципы подобия и анализа размерностей; их применение при постановке опытов на модельных системах и установках, обработке и обобщении экспериментальных результатов. Физический смысл безразмерных обобщенных переменных - критериев подобия. Сочетание математического и физического моделирования для решения химико-технологических задач.
Технико-экономическая оптимизация при сопоставлении и выборе соответствующих процессов и аппаратов.
|
Модуль I I. Гидромеханические процессы и аппараты биотехнологии
Цель: научиться анализировать и применять гидромеханические процессы.
В результате усвоения данного модуля формируются компетенции ОК-12, ПК-15.
|
№
п/п
| Наименование раздела дисциплины, входящей в данный модуль.
| Содержание раздела
|
аудиторная работа
| СРС
|
1
| Основы гидромеханики
| Гидростатика и гидродинамика. Капельные и упругие жидкости. Представление о жидкостях как о сплошных средах. Действие в них сил тяжести, сил давления, вязких сил; силы межфазного натяжения. Понятие об идеальной жидкости. Ньютоновские и неньютоновские жидкости.
Гидродинамические режимы течения - ламинарный и турбулентный. Критерий Рейнольдса и его критические значения. Механизмы ламинарного и турбулентного течений. Основные уравнения гидродинамики. Применение к сплошным средам законов сохранения массы, энергии и импульса. Уравнение неразрывности (сплошности) потока. Уравнения Эйлера для движения идеальной и Навье-Стокса - для движения реальной жидкости.
Уравнение Бернулли для идеальной и для реальной жидкостей с учетом повода механической энергии извне. Практические приложения уравнения Бернулли.
Гидравлическое сопротивление.
| Гидростатика. Дифференциальное уравнение равновесия и распределение давления в покоящихся средах. Практические приложения основного уравнения гидростатики (закона Паскаля). Гидродинамика; ее внутренняя, внешняя и смешанная задачи. Описание полей скоростей в стационарных и нестационарных потоках. Выражения субстанциональных производных скорости и ее составляющих. Течение в трубах и каналах. Определяющий поперечный размер потока в каналах произвольной формы: гидравлический радиус, эквивалентный диаметр. Уравнение постоянства расхода. Принципы измерения скоростей и расходов жидкости дроссельными приборами и пневматическими трубками. Определение расходов при истечении жидкостей через отверстия или насадки. Проектный расчет диаметра трубопроводов или аппаратов; выбор оптимальных значений скоростей потоков. Перемещение жидкостей и газов по трубопроводам и сетям с помощью машин, повышающих давление.
|
2
| Течение жидкостей и газов в аппаратах биотехнологических производств
| Течение через неподвижные зернистые слои. Расчет гидравлического сопротивления слоя. Гидравлическое сопротивление слоев насадок промышленных массо- и теплообменных аппаратов.
Гидродинамика псевдоожиженных (кипящих) слоев.
Пленочное гравитационное течение жидкости по твердой поверхности; режимы течения пленки: ламинарные - безволновой и волновой, турбулентный.
Перемешивание в жидких средах.
Устройство аппаратов для механического перемешивания и основные типы мешалок: лопастные, пропеллерные, турбинные. Расчет затрат энергии на перемешивание.
| Значение гидродинамики зернистых слоев в процессах фильтрования, тепло- и массообмена, гетерогенного катализа и др. Основные характеристики этих слоев: дисперсность, удельная поверхность, порозность, эквивалентный диаметр каналов. Основные характеристики псевдоожиженного состояния. Режимы течения потоков в насадочных колоннах. Барботаж в системах газ (пар)-жидкость и движение капель одной жидкости в другой. Методы диспергирования газов и жидкостей. Промышленные способы получения смесей жидкостей с твердыми частицами, газами и другими жидкостями. Принципы моделирования перемешивающих устройств.
|
3
| Разделение гетерогенных смесей.
| Использование гидромеханических процессов их разделения для технологических целей.
Основные принципы, на которых базируются методы разделения гетерогенных систем: осаждение и фильтрование. Материальный баланс периодических и непрерывных процессов разделения.
Процессы отстаивания и устройство отстойников для суспензий, эмульсий и пылей, работающих под действием силы тяжести. Расчет поверхности осаждения и производительности. Устройство и действие циклонов (простых и батарейных), гидроциклонов, отстойных центрифуг; сепараторы для отделения брызг жидкости от газа.
Классификация и устройство основных типов непрерывно и периодически работающих фильтров. Схемы фильтровальных установок. Принципы устройства и действия фильтрующих центрифуг.
| Оценка эффективности, сопоставление и преимущественные области применения различных процессов и аппаратов для разделения гетерогенных смесей.
Принципы осаждения пылей и туманов в электрическом поле; устройство и действие электрофильтров.
Фильтрование суспензий и очистка газов от пылей на фильтрах. Специфика поведения осадков как зернистых слоев: сжимаемые и несжимаемые осадки. Виды фильтровальных перегородок. Факторы, влияющие на скорость фильтрования. Фильтрование при постоянной скорости фильтрования. Мокрая очистка газов от пылей и туманов; назначение и принцип метода, устройство и действие аппаратов.
|
Семестр 5 (количество модулей 2)
|
Модуль I I I. Тепловые процессы и аппараты биотехнологии
Цель: научиться анализировать процессы, происходящие при нагревании и охлаждении, конденсации паров и испарении жидкостей.
В результате усвоения данного модуля формируются компетенции ОК-9, ОК-12.
|
№
п/п
| Наименование раздела дисциплины, входящей в данный модуль.
| Содержание раздела
|
аудиторная работа
| СРС
|
1
| Основы теплопередачи
| Дифференциальное уравнение теплопроводности.
Расчет стационарного переноса теплоты теплопроводностью через плоские и цилиндрические стенки (одно- и многослойные) аппаратов.
Дифференциальное уравнение стационарного и нестационарного переноса теплоты в потоке (уравнение Фурье-Кирхгофа).
| Конвективный перенос теплоты (совместно- теплопроводностью и конвекцией). Механизмы продольного и поперечного конвективного переноса в ламинарном и турбулентном потоках.
Тепловое подобие; безразмерные переменные -критерии теплового подобия (Нуссельта, Пекле, Прандтля, Грасгофа, Фурье), их физический смысл.
|
2
| Теплопередача в аппаратах биотехнологических производств
| Теплопередача в поверхностных теплообменниках через плоские и цилиндрические (одно- и многослойные) стенки. Коэффициенты теплопередачи; аддитивность термических сопротивлений.
| Средняя движущая сила теплопередачи; влияние взаимного направления движения теплоносителей. Учет структуры потока при расчете скорости теплопередачи. Теплообмен при непосредственном соприкосновении теплоносителей.
|
3
| Промышленные способы подвода и отвода теплоты в химической аппаратуре
| Классификация способов подвода и отвода теплоты. Требования, предъявляемые к теплоносителям. Нагрев водяным паром и парами высокотемпературных органических теплоносителей (ВОТ), водой и высококипящими жидкостями (ВОТ, минеральными маслами и др.); схемы установок. Нагревание топочными газами. Способы электрообогрева.
| Отвод теплоты водой, воздухом и низкотемпературными теплоносителями. Водооборотные циклы химических производств. Тенденция к расширению применения воздуха в качестве хладоагента в химической аппаратуре.
Рациональность энерготехнологических решений проблем промышленного теплообмена; использование технологических потоков в качестве теплоносителей.
|
4
| Теплообменные установки и аппараты
| Теплообменные аппараты; их классификация. Основные типы поверхностных теплообменников.
Расчет основных размеров теплообменных аппаратов и оптимальных режимов их работы. Проектный и поверочный расчет; использование компьютеров при оптимальном проектировании. Выпаривание растворов. Классификация и основные конструктивные типы выпарных аппаратов.
| Нестационарныцй теплообмен в регенеративных теплообменниках. Сравнительные характеристики, принципы выбора и преимущественные области применения теплообменных аппаратов различных конструкций. Основные тенденции совершенствования конструкций теплообменников.
Способы экономии тепловой энергии: многокорпусное выпаривание и выпаривание с термокомпрессией вторичного пара (с «тепловым насосом»); их сопоставление и преимущественные области применения
|
Модуль IV. Циклы тепловых двигателей
Цель: научиться выполнять расчеты массообменных процессов биотехнологии.
В результате усвоения данного модуля формируются компетенции ОК-7, ПК-15.
|
№
п/п
| Наименование раздела дисциплины, входящей в данный модуль.
| Содержание раздела
|
аудиторная работа
| СРС
|
1
| Основы массопередачи
| Физико-химические основы массобменных процессов. Молекулярная диффузия в жидкостях, газа (парах) и твердых телах. Массопередача между двумя фазами. Моделирование и расчет массообменных процессов и аппаратов для систем с одним распределяемым компонентом.
| Равновесные условия и определение направления переноса вещества из фазы в фазу. Понятие о массопередаче и массоотдаче.
|
2
| Массообмен в аппаратах биотехнологии
| Материальный баланс непрерывного установившегося процесса при различных способах выражения составов фаз и их расходов; уравнения рабочих линий.
Анализ массообменных процессов и расчет аппаратов методом «теоретических ступеней».
Основные методы интенсификации массообмена в системах со свободной границей раздела фаз
| Рациональный выбор взаимного направления движения фаз и организации потоков в массообменных аппаратах. Аппараты с непрерывным и ступенчатым контактом фаз. Определение (численное и графоаналитическое) числа теоретических ступеней; использование понятий высоты, эквивалентной теоретической ступени, среднего коэффициента полезного действия ступени.
|
3
| Массообменные процессы и аппараты
| Абсорбционные и экстракционные аппараты и установки Основные типы абсорберов: насадочные и тарельчатые колонны, аппараты со сплошным и секционированным барботажным слоем, аппараты с разбрызгиванием жидкости. Дистилляция. Простая и фракционная перегонка Ректификация. Моделирование и расчет процессов и аппаратов при непрерывной ректификации бинарных систем.
| Схема абсорбционно-десорбционных установок: одноступенчатые и многоступенчатые; с рециркуляцией (для обеспечения внешнего теплосъема) и без рециркуляции. Схемы экстракционных установок: одно- и многоступенчатые смесительно-отстойные; противо- и перекрестноточные; с регенерацией экстрагента (реэкстракцией, ректииификацией и др.)
|
4
| Массообменные процессы с участием твердой фазы
| Элементы массопередачи в системах с твердой фазой. уравнение массопроводности Диффузионные критерии Био и Фурье для массопередачи с твердой фазой.
Сушка твердых материалов. Методы сушки: конвективная, контактная, специальные.
Принципиальные схемы установок для конвективной сушки горячим воздухом, топочными и технологическими газами. Основные конструкции конвективных и контактных сушилок для сушки штучных, кусковых и сыпучих, пастообразных материалов, для получения сыпучих продуктов непосредственно из растворов.
| Нестационарность массопереноса в твердых телах. Расчет скорости процесса; его лимитирующие стадии и способы интенсификации массопередачи.
Состояние высушиваемых материалов; формы связи влаги с материалами и методы удаления влаги из них. Материальный и тепловой балансы контактной сушки; расчет потребного расхода теплоносителя.
Краткие сведения о промышленном проведении процессов адсорбции газов и растворенных веществ, ионного обмена, растворения и экстрагирования из твердой фазы (выщелачивания), кристаллизации из растворов и расплавов и о принципах устройства соответствующей аппаратуры.
|
5
| Мембранные процессы и аппараты
| Общие сведения о мембранных процессах. Методы очистки (регенерации) мембран. Моделирование и расчет мембранных процессов и аппаратов.
| Типы мембран. Основные представления о механизмах мембранного разделения. Основные конструкции мембранных аппаратов, их сопоставление и выбор.
|