Pytania MPT - zaoczni.doc

SU 1695  Rozdział I

MODELOWANIE PROCESÓW I OPERCJI W PRODUKCJI WYROBÓW CERAMICZNYCH 

1)   Przedstaw założenia różnych sposobów wyznaczania punktu pracy linii produkcyjnej.

Analizę procesu produkcji niezbędną do określenia punktu pracy linii produkcyjnej można prowadzić trzema sposobami:

1) sekwencyjno-modularnym,

2) sposobem dwupoziomowym,

3) układu równań.

Najkorzystniejszym sposobem określenia punktu pracy linii technologicznej jest sposób sekwencyjno-modularny. Pozostałe sposoby mogą być stosowane jedynie w przypadkach technologii, takich jak np. produkcja betonu, galanterii betonowej, szyb samochodowych - czyli technologii charak­teryzujących się niewielką liczbą procesów i operacji. Można je opisać układem równań o prostym i efektywnym rozwiązaniu oraz stosować w modelowaniu właśnie sposób układu równań lub sposób dwupoziomowy.

Koncentrując się na sposobie sekwencyjno-modularnym analizy procesu technologicz­nego, należy mieć na uwadze, że jego cechami są:

- widoczne powiązania pojedynczego składnika systemu z innymi jego składnikami,

- łatwość programowania obliczeń i ich optymalizacji,

- możliwość szybkiej weryfikacji prawidłowości wyników obliczeń.

Wadą tego sposobu analizy pracy linii technologicznej jest jego zastosowanie do stanów ustalonych pracy linii, a w zakresie obliczeń projektowych konieczność prowadzenia obli­czeń przy użyciu kolejnych iteracji. Niemniej w zakresie technologii ceramicznych sposób sekwencyjno-modulamy jest powszechnie stosowany.

2)    Podaj i objaśnij podstawowe równanie modelu matematycznego przepływu tłokowego.

Przepływ tłokowy strumienia substancji charakteryzuje się tym, że nie występuje w nim mieszanie wzdłuż strumienia, a rozkład substancji czy energii w kierunku prostopadłym do kierunku przepływu strumienia substancji jest równomierny. Czas przepływu cząstek substancji będących w przepływie tłokowym jest jednakowy. Równanie opisujące omawiany model :

gdzie:                       

Ci -  stężenie substancji,                                                                                      

-  czas,                                                                                                          

v -  prędkość przepływu,

x -  współrzędna w kierunku przepływu.

W technologii chemicznej przykładem reaktora z przepływem tłokowym substancji ceramicznych jest piec szybowy do produkcji wapna palonego.

3)   Podaj i objaśnij podstawowe równanie modelu matematycznego idealnego wymieszania i cechy charakterystyczne modelu.

Model ten stosuje się dla procesów zachodzących w reaktorach zbiornikowych, cylin­drycznych o sferycznej dennicy i idealnym mieszaniu. Przyjmuje się, że w modelu idealnego wymieszania rozkład substancji (energii) jest równomierny w całym strumieniu. Równanie opisujące  ten model przedstawia się następująco:

gdzie:                       

V1-  stężenie substancji,                                                                                      

-  objętość aparatu

we, wy – wejście, wyjście

4)   Podaj i objaśnij podstawowe równanie modelu matematycznego przepływu dyspersyjnego i cechy charakterystyczne modelu.

Do opisu przepływu dyspersyjnego wprowadza się współczynnik dyspersji wzdłuż­nej DL. Współczynnik ten jest stały w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu płynu, a jego wartość dla przypadku mieszania doskonałego wynosi DL = ∞ i dla przypadku, gdy mieszanie nie występuje DL = 0. Zatem przepływ płynu, w którym nie ma różnic stężeń na kierunku poprzecznym do kierunku przepływu, a występuje mieszanie wzdłuż osi przepływu, nazywa się przepływem dyspersyjnym.
Przyjmując założenia, że:

- zmiana stężenia substancji Ci jest ciągłą funkcją współrzędnej na osi przepływu płynu w reaktorze;

- stężenie substancji w kierunku poprzecznym do kierunku przepływu jest stałe;

- wartości prędkości przepływu strumienia v i współczynnika dyspersji wzdłużnej DL mierzone zarówno wzdłuż    kierunku przepływu płynu, jak i w kierunku poprzecznym są niezmienne.

Model matematyczny takiego przepływu jest zapisywany równaniem:

5)   Jaka zasada jest podstawą bilansu masowego procesu i dlaczego?

Podstawą do sporządzania każdego bilansu jest prawo zachowania masy, które mówi, że masa surowców wprowadzona do procesu technologicznego musi być równa masie substancji otrzymanych w wyniku dokonanych przemian.

6)   Jaka zasada jest podstawą bilansu energetycznego procesu i dlaczego?

Podstawą bilansu energetycznego jest zasada zachowania energii stwierdzająca, że w układzie izolowanym suma wszystkich rodzajów energii układu jest stała (nie zmienia się w czasie). W konsekwencji, energia w układzie izolowanym nie może być ani utworzona, ani zniszczona, może jedynie zmienić się forma energii.

7)   Jaki model lepkości płynu stosowany jest w wyprowadzeniu równań Naviera-Stokesa?

Równanie Naviera-Stokesa, opisuje ruch rzeczywistego, ale nieściśliwego płynu wynikający z działania sił składowych w kierunku trzech osi prostopadłych. W wyprowadzeniu równań Naviera-Stokesa stosowany jest model lepkości kinematycznej. Lepkość kinematyczna to wielkość fizyczna wyrażona wzorem: ν =η/ρ, gdzie: η - współczynnik lepkości (lepkość), ρ - gęstość cieczy.
Lepkość kinematyczna jest wprost proporcjonalna do stopnia laminarności przepływu (laminarny przepływ).

8)   Czy lepkość jest własnością czynnika zależną od ciśnienia, temperatury i składu?

Lepkość cieczy zależy od rodzaju cieczy, temperatury cieczy oraz ciśnienia. Wraz z podwyższeniem temperatury lepkość cieczy silnie maleje. Ze wzrostem ciśnienia lepkość rośnie.

9)   W równaniach Naviera-Stokesa pojawia się niekiedy człon konwekcyjny. Podaj powód, dla którego jest on wprowadzany?

Do opisu transportu ciepła i masy w zasilaczu służą jeszcze inne układy równań, które w równaniu ruchu dla osi pionowej Y uwzględniają jeszcze człon konwekcyjny, gdyż skutkiem różnic temperatur w płynącej strudze masy szklanej występują w masie szklanej również prądy ; konwekcyjne. Człon taki ma postać: -gρ0β(T-T0) .

Dla modelu pracy zasilacza uwzględniającego człon konwekcyjny rozwiązanie układu równań uzyskuje się po wprowadzeniu funkcji prądu i wirowości.

10)   Na czym polega recyrkulacja ciepła lub masy? Odpowiedź uzasadnij przy użyciu wykresu.

11)   Dlaczego stosuje się modelowanie procesu produkcyjnego w trakcie sporządzania pro­jektu procesowego?

Projekt procesowy stanowi fundament wdrożenia praw i zasad technologii chemicznej do organizacji linii produkującej żądany wyrób chemiczny. Modelowanie jest doświadczalną metodą procesów technicznych, fizycznych, chemicznych, biologicznych i innych, jak również rozwiązywania zagadnień matematycznych, wykorzystującą model układu rzeczywistego do prowadzenia doświadczeń zamiast wykorzystywania w tym celu obiektu rzeczywistego. Dzięki temu obniża się koszty badań, zapewnia większe bezpieczeństwo prowadzenia doświadczeń, stwarza możliwość wykorzystania różnorodnych technik pomiarowych. Do modelowania zalicza się modelowanie empiryczne, analogowe, fizyczne, matematyczne. Modelowanie wykorzystuje arkusz przepływów w systemie, który odwzorowuje zespół urządzeń zestawionych badaną metodą wytwarzania przy użyciu schematu blokowego. Każde urządzenie systemu przedstawione jest na arkuszu w postaci prostokąta.

12)   Jakie znasz części opisu procesu produkcyjnego? Czy arkusz przepływów w systemie stanowiącym linię technologiczną jest podstawą bilansów materiałowych i cieplnych?Proces produkcyjny (proces produkcji, produkcja) – całokształt działań związanych z przekształceniem surowców i materiałów w produkty gotowe (z przeznaczeniem dla zewnętrznego odbiorcy). Efektem ekonomicznym procesu produkcyjnego jest wartość dodana. W skład procesu produkcyjnego wchodzą:
- proces badań i rozwoju,
- proces wytwórczy (podstawowy, pomocniczy oraz obsługowy)
- proces dystrybucji i obsługi klienta.

Zazwyczaj arkusz przepływów w systemie jest przeznaczony do opisu stanów stacjonarnych procesu produkcyjnego, przy czym stany te wyrażone są poprzez liniowe bądź nieliniowe równania tworzące układ równań. W układzie równań opisujących stan analizowanego systemu zawarte są zwykle równania bilansów masy i ciepła oraz równania termodynamiczne. Zasadniczo na arkuszu przepływów odwzorowywane są strumienie masy, choć z drugiej strony wraz z przepływem strumienia masy następuje przepływ np. entalpii i egzergii. Pełny opis procesu produkcyjnego przedstawiony na arkuszu przepływów w systemie zawiera:

·         Strumienie surowców opisane poprzez ich charakterystyki (skład chem., temp., ciśnienie, itd.) 

·         Strumienie produktów opisane poprzez ich charakterystyki

·         Procesy chemiczne i operacje jednostkowe wykonywane w procesie produkcyjnym

SU 1695  Rozdział II

1. Podaj i omów założenia strefowej metody obliczeń wymiany ciepła.

Piec komorowy stanowi zwykle układ zamknięty powierzchni nieizotermicznych, wypełniony gazem emitująco – absorbującym promieniowanie. W celu wyznaczenia rozkładu strumieni ciepła wnikających do ścian komory pieca i wsadu stosuje się metodę strefową Hottela.
W metodzie strefowej zmienne ciągłe np. temperatury ścian, temperaturę gazu wypełniającego komorę pieca zastępuje się zmiennymi nieciągłymi (dyskretnymi) co wynika z podziału komory pieca na skończone objętości elementarne.

Następnym założeniem w metodzie strefowej obliczeń wymiany ciepła jest przyjęcie, że:

•          ściany rzeczywiste są szare,

•          temperatura gazu zmienia się od punktu do punktu,

•          skład chemiczny gazu wypełniającego komorę nie zmienia się w objętości komory pieca.

2. Sformułuj założenia modelu wymiany ciepła w piecu komorowym.

Obliczenia wymiany ciepła podczas nagrzewania wsadu w komorze pieca można prowadzić w dwóch różnych przypadkach stacjonarnych:

1) gdy dany jest rozkład temperatury gazu  i powierzchni ograniczających  - wówczas strumień ciepła wnikający do i – tej powierzchni wyznacza się stosując równanie

gdzie:  

Fi -  jest powierzchnią ściany,   

Ji -  gęstością strumienia jasności,

Pki -  przeźroczystością bryły gazowej na drodze promienia między powierzchnią k – tą a i –tą.

2) gdy określana jest wielkość strumienia ciepła wnikająca z układu do otoczenia, co zapisuje się wzorem

gdzie:

ki - jest współczynnikiem przenikania ciepła od i – tej objętości elementarnej,

Tgi -  temperaturą gazu w i – tej objętości elementarnej,

T0 -  temperaturą otoczenia.

Z technologicznego punktu widzenia zazwyczaj rozpatruje się zagadnienie wyznaczania rozkładu strumieni ciepła wewnątrz układu (pieca komorowego). Drugi przypadek obliczeń wykorzystywany jest zwykle do analizy konstrukcji pieca i jej optymalizacji z punktu widzenia efektywności energetycznej.

3. Na czym polegają uproszczenia stosowane w uproszczonym modelu matematycznym nagrzewania wsadu w komorze pieca?

Uproszczenia stosowane w uproszczonym modelu matematycznym nagrzewania wsadu w komorze pieca polegają na tym, że:

- gęstość emisji gazu do wsadu i ścian komory jest jednakowa, co wyraża się równością

              egl=eg2

- wartość przezroczystości bryły gazowej jest taka sama dla promieniowania docierającego od ścian do wsadu i od ścian do ścian, co zapisuje się równością

              P­2-1=P2-2=Pg2

i oznaczając

              P1-2=Pg1.

4. W metodzie powierzchni pozornych obliczeń wymiany ciepła stosowane są bilanse ciepła. Wyjaśnij sposób układania tych bilansów.

W obliczeniach wykonywanych według metody powierzchni pozornych, wprowadza się podział komory pieca oraz przypisuje się powierzchniom rzeczywistym i bryłom gazowym rozkład temperatury, emisyjności, refleksyjności i absorpcyjności w następującej formie:

- temperatury gazu Tg­=Tg(SDV), gdzie SDV jest środkiem objętości elementarnej

- temperatury powierzchni rzeczywistych T=T(i,j,k), gdzie (i,j,k) są współrzędnymi środka powierzchni;

- emisyjności powierzchni ograniczających e=e (Ti,j,k);

- refleksyjności powierzchni ograniczających R=R(Ti,j,k)

- emisyjności gazu eg= eg(Tg);

Absorpcyjności gazu ag=ag(Tg,T).

Powierzchnie pozorne są przeźroczyste dla promieniowania.

W obliczeniach rozpisuje się równania jasności i opromieniowania dla każdej powierzchni pozornej i rzeczywistej ograniczającej układ. Dalej rozpisywane są związki między jasnością i opromieniowaniem rozpatrywanej powierzchni pozornej w analizowanym kierunku osi współrzędnych, przy czym w zadanym kierunku osi współrzędnych jasność powierzchni pozornej równa się jej opromieniowaniu w tym kierunku. Natomiast jasność powierzchni rzeczywistej jest sumą emisji własnej powierzchni rzeczywistej oraz odbitego oporomieniowania. 

5. Wyróżnia się dwa przypadki stosowania na przykład metody powierzchni pozornych w obliczeniach wymiany ciepła. Wymień te przypadki.

W metodzie powierzchni pozornych do obliczania wymiany ciepła można wyróżnić dwa przypadki:

1) metoda powierzchni pozornych przy zadanych temperaturach gazu i ścian komory

2) metoda powierzchni pozornych w przypadku braku rozkładów temperatur gazu i powierzchni komory – metoda ta stwarza możliwość określenia nieznanych rozkładów temperatury. W tym celu wykorzystuje się dla powierzchni rzeczywistych równanie:

określające sposób oddziaływania układu z otoczeniem. Ponadto rozpisuje się równania bilansu opromieniowania bryły gazowej dla każdej ściany otaczającej bryłę gazową.

6. Od czego zależy emisyjność płomienia?

Emisyjność płomienia jest funkcją jego temperatury, stężenia i średnicy cząstek węgla. Zależna jest również od grubości warstwy płomienia. Zastępczą emisyjność płomienia oblicza się ze wzoru:

ep=ep∞ [1-exp(-kL)]

gdzie:

ep∞ - emisyjność nieskończonej warstwy płomienia,

k – współczynnik absorpcji,

L – średnia droga płomienia.

7. Podaj wzór na obliczenie temperatury płomienia. Zinterpretuj wielkości wchodzące do wzoru.

Temperaturę płomienia Tp wyznacza się ze wzoru

gdzie:

Tp – adiabatyczna temperatura spalenia paliwa

Tf – temperatura spalin opuszczających komorę pieca.

Adiabatyczną temperaturę spalenia wyznacza się na podstawie bilansu cieplnego izolowanej komory spalania, zakładając że nie zachodzi przepływ ciepła z komory do otoczenia i spaliny nie wykonują pracy technicznej.

8. Czy adiabatyczna temperatura spalenia charakteryzuje spalane paliwo?

Temperaturę adiabatycznego spalenia stosuje się w technice jako wielkość charakterystyczną dla danego rodzaju paliwa. Temperaturę adiabatycznego spalenia paliwa wyznacza się przy założeniu całkowitego i zupełnego spalenia paliwa ze współczynnikiem nadmiaru powietrza l =1 w doskonale izolowanej komorze spalania bez wykonania pracy technicznej przez spaliny.

...