Ответы: Теоретические основы химической технологии (ответы на билеты)

1. Химико-технологическая система (ХТС), ее элементы, модули, аппараты. Критерии эффективности ХТС. Интегральные уравнения материального, элементного, и энергетического балансов для стационарной ХТС с произвольным числом входов материальных и тепловых потоков и одним входом квалифицированной энергии.
2. Преобразование тепловой энергии в работу. Обратимый цикл Карно, машина Карно. Машина Карно с идеальным газом в качестве рабочего тела, к.п.д. и теорема Карно для этой машины. Независимость к.п.д. машины Карно от типа рабочего тела, обобщение теоремы Карно. Температурная шкала Кельвина.
3. Первое Начало термодинамики, его математическая формулировка. Второе начало термодинамики в формулировках Клаузиуса и Кельвина, их эквивалентность. Фундаментальное неравенство, характеризующее циклическое преобразование закрытого тела. Энтропия. Математическая формулировка Второго начала термодинамики. Обратимые и необратимые (реальные) процессы, возрастание энтропии в необратимом процессе. Понятие о «некомпенсированной» теплоте, неравенство Р.Клаузиуса, формула Т.ДеДонде.
4. Квалифицированная и неквалифицированная энергии, их энтропийная трактовка. Примеры: механическая, электрическая, тепловая энергии, энергия солнечного излучения. Особенности взаимного преобразования квалифицированной и неквалифицированной энергии.
5. Понятие о процессе в термодинамике, обратимые и необратимые процессы. Квазиравновесные и квазистатические процессы на примере теплообмена двух тел и на примере расширения идеального газа. Источники энтропии в реальной химикотехнологической системе. Уравнение баланса энтропии для химико-технологической системы с произвольным числом входов материальных и тепловых потоков.
6. Эксергия, отличие эксергии от потенциала Гиббса. Основные положения эксергетического анализа ХТС. Уравнение баланса эксергии для химико-технологической системы (ХТС) с произвольным числом входов материальных и тепловых потоков и одним входом квалифицированной энергии. Максимальная полезная работа, которую система может передать потребителю. Теорема Гюи – Стодолы. Диаграммы Грассмана – Шаргута на примере электрогенерирующей установки.
7. Понятие об энергопреобразующем устройстве (ЭПУ), примеры ЭПУ. Принципиальная схема ЭПУ. Энергетический и энтропийный балансы ЭПУ, к.п.д. стационарного ЭПУ. К.п.д. идеальных ЭПУ на примерах: фотоэлектрический преобразователь, топливный элемент, механический генератор электрической энергии.
8. Тепловая машина, примеры тепловой машины. Схема реальной тепловой машины. Основное отличие тепловой машины от машины Карно. Адекватная схема тепловой машины. Принцип максимальной мощности А.И.Алиханова. К.п.д. адекватной тепловой машины: формула И.И.Новикова как обобщение формулы С.Карно. Задача.
9. Принцип действия и назначение теплового насоса (ТН). Основные типы ТН, схемы энергетических потоков. Энергетический и энтропийный балансы ТН. Эффективность ТН, используемых как нагреватель и как холодильник, эффективность идеальных тепловых насосов.
10. Теплообменный аппарат, технологическое назначение. Прямоточные и противоточные теплообменные аппараты. Уравнения материального, энергетического и энтропийного балансов теплообменного аппарата с двумя теплоносителями. Эффективность теплообменного аппарата. Математическая модель противоточного теплообменного аппарата. Безразмерная математическая модель противоточного теплообменного аппарата, эффективность противоточного теплообменного аппарата.
11. Элементы механики сплошной среды. Потоки жидких и газовых масс в химической технологии. Описание движения по Лагранжу и Эйлеру. Субстанциональная производная. Закон сохранения массы (уравнение неразрывности). Условия несжимаемости среды, выраженное через поле скорости.
12. Особенности движения многокомпонентных гомогенных сред. Уравнение баланса массы компонента среды. «Эффективная» среда. Представление потоков компонентов суммой диффузионной и конвективной составляющих, линейная зависимость диффузионных потоков. Представление диффузионных потоков законом Фика, проблема линейной зависимости диффузионных потоков по Фику. Уравнение конвективной диффузии компонента среды.
13. Силы в механике сплошных сред. Тензор напряжений как сумма тензора давлений и тензор вязких напряжений. Дивергентная сила. Закон сохранения импульса и уравнения движения,. Уравнение Навье – Стокса движения вязкой несжимаемой жидкости (поясните по схеме). Граничные условия «прилипания». Число Рейнольдса (физический смысл). Стационарное течение вязкой жидкости в цилиндрическом канале. Коэффициент гидравлического сопротивления. Качественное объяснение экспериментальной зависимости коэффициента гидравлического сопротивления трубы от числа Рейнольдса.
14. Уравнения Эйлера движения идеальной жидкости (поясните по схеме). Баротропное движение идеальной жидкости, интеграл Бернулли. Формулы Бернулли и Торричелли. Интеграл Бернулли для изоэнтропического течения газов, взаимное превращение тепловой и кинетической энергии, температура торможения газового потока.
15. Уравнение звуковой волны, скорость звука при изотермическом и изоэнтропическом режимах распространения звуковой волны. Применение звука в химической технологии для улучшения грануляционного состава порошкообразных удобрений. Число Маха. Задача Гюгонио о течении газа в трубе переменного сечения. Переход от дозвукового к сверхзвуковому течению (сопло Лаваля).
16. Ударная волна в химически инертном газе. Уравнения баланса массы, импульса и энергии при прохождении газом ударной волны. Адиабата Гюгонио и предел сжатия газа в ударной волне. Различие адиабат Пуассона и Гюгонио.
17. Детонационная волна. Структура детонационной волны. Уравнения баланса массы, импульса и энергии на фронте детонационной волны. Детонационная адиабата. Отличие детонационной адиабаты от адиабаты Гюгонио. Волна Чепмена – Жуге. Октановое число топлива.
18. Теория Л.Прандтля о формировании пограничного слоя при набегании равномерного вязкого несжимаемого потока на полубесконечную пластину. Уравнения Прандтля. Задача Блаузиуса о сопротивлении, оказываемой пластиной потоку жидкости (качественное объяснение). Результат Блаузиуса: зависимость толщины пограничного слоя от скорости потока, вязкости и расстояния от края пластины.
19. Элементарные стадии процесса. Характерное время стадии. Безразмерные критерии как отношение характерных времен стадий процесса. Лимитирующая и превалирующая стадии, приведите примеры. Диффузионно-контролируемая бимолекулярная безактивационная реакция. Физический смысл числа Рейнольдса, числа Дамкеллера, числа Франк-Каменецкого, теплового и диффузионного чисел Пекле.
20. Отличие горения в открытом и закрытом пространствах. Эффект Махе как обоснование возможности образования оксида азота в двигателе внутреннего сгорания. Объяснение эффекта Махе с помощью двухкамерной модели из адиабатического материала с перемещающейся перегородкой.
21. Режимы горения, фронт горения. Медленное горение, механизм поджига смеси в условиях медленного горения. Диффузионное горение, математическая модель диффузионного горения. Линия горения.
22. Проблема масштабного перехода в химической технологии. Понятие о высоте единицы переноса на примерах газожидкостного абсорбера и теплообменного аппарата. Число единиц переноса. Коэффициент масштабного перехода. Продольная дисперсия, основные факторы, формирующие продольную дисперсию. Коэффициент продольной дисперсии Тейлора. Поясните парадоксальный характер зависимости продольного коэффициента диффузии от величины молекулярного коэффициента диффузии.
23. Функции Данквертса, I-кривые и E-кривые. Два определения среднего времени пребывания, их тождественность. Технологическое значение второго момента E-кривой. Определение аппаратов идеального вытеснения и идеального перемешивания, I-кривые и E- кривые аппаратов идеального вытеснения и идеального перемешивания. E-кривая каскада аппаратов идеального перемешивания. Преимущество разбиения технологического аппарата на несколько ячеек идеального перемешивания (на примере аппарата идеального перемешивания).
24. Классификация твердых тел по реакции на нагрузку. Закон Гука и модуль Юнга. Коэффициент Пуассона на примере растяжения/сжатия цилиндрического образца однородного материала. Предельные типы реакций на приложенную нагрузку, модели Фойхта и Максвелла, их отличие.
25. Прочность твердого тела. Расчет теоретической прочности с помощью потенциала Морзе. на примере разрыва C-C связей в углеродном материале (алмаз). Объясните значительное расхождение теоретической и экспериментально наблюдаемой прочности твердых тел. Дефекты: точечные и дислокации.
26. Энергетическая теория разрушения твердых тел А.Гриффитса, формула Гриффитса. Уточнение формулы Гриффитса с учетом вязкой реакции материала на нагрузку. Кинетическая теория разрушения твердых тел С.Н.Журкова. Физическое подобие формул С.Н.Журкова и Я.И.Френкеля.
27. Композиционные материалы, классификация. Эффективный модуль Юнга композиционного материала на примере задачи о растяжении-сжатии цилиндра, армированного волокнами, расположенными перпендикулярно и параллельно образующей. Критерии качества композиционных материалов.
28. Основные причины деформации твердого тела. Понятие о тензоре деформации. Деформация малой окрестности однородного материала, матрица тензора деформации. Главные оси тензора деформации. Использование главных осей для вычисления относительного удлинения и относительного объемного расширения при малой деформации.
29. Напряжения в статичном теле, тензор напряжений. Главные оси тензора напряжений. Дивергентная сила. Условие механического равновесия деформированного тела. Сопоставьте результаты экспериментов академика С.Н.Журкова с понятием о механическом равновесии тела под нагрузкой. Термодинамика деформации: работа сил внутреннего напряжения при малой деформации, свободная энергия и ее зависимость от деформации вблизи равновесия. Коэффициенты Ламе. Обобщенный закон Гука.

---

1. Показатели эффективности действующих производств. Технологические и экономические показатели. Ресурсы предприятия, формирование затрат на производство, калькуляция себестоимости продукции. Структура цены товарной продукции, модели ценообразования. Анализ порога безубыточности.
2. Показатели эффективности инвестиционных проектов. Инвестиции, инвестиционный проект, денежные потоки проекта и их соотношение. Дисконтирование разновременных затрат, коэффициент дисконтирования, норма дисконта. Показатели эффективности, инвестиционный " климат" России.
3. Физико-химические основы интеркалирования графита. Технологическая схема получения окисленного графита.
4. Физико-химические основы терморасширения окисленного графита. Технологическая схема получения пенографита. Материалы на основе пенографита.
5. Основные технологии материалов на основе углерода. Преимущества и недостатки материалов на основе углерода.