Теоретичні основи науки про процеси

     1.2. Теоретичні основи науки про процеси.

     В історії техніки відомо чимало пропозицій і ідей по поліпшенню технологічних процесів і удосконалюванню апаратів, що не були реалізовані в промислових масштабах унаслідок того, що їхнє вивчення не було довершено створенням надійних рівнянь для інженерних розрахунків. Без таких рівнянь неможливе подолання бар'єра масштабного переходу, здійснення моделювання, перенесення даних з лабораторних апаратів на апарати промислові. Тому очевидним представляється важливість наукових досліджень, що дозволяють установити кількісні співвідношення між параметрами процесів і представити їхній математичний опис, на якому повинна базуватися методика інженерних розрахунків.

     Характерною рисою теорії процесів і апаратів хімічної технології є узагальнений розгляд закономірностей, сутності основних процесів і їхнього апаратурного оформлення поза залежністю від конкретного продукту чи виробництва, тобто загальний методологічний підхід до її вивчення.

     Однак у даний час цього підходу недостатньо – потрібний ще апарат і арсенал засобів по створенню принципово нових високоінтенсивних процесів, економічних і енергозберігаючих технологій. Виникла необхідність у створенні загальної теорії інтенсифікації технологічних процесів, що дозволяє на основі широких наукових узагальнень вирішувати конкретні прикладні задачі.

     Таким чином, виникає також необхідність у подальшій фундаменталізації процесної науки при максимальному використанні обчислювальної техніки, гнучких виробничих систем і мікропроцесорів.

     Теорія процесів і апаратів як наука розвивається шляхом інтеграції різних наук. Базою для неї є: статистична фізика (принцип Ле-Шателье, правило фаз Гіббса, принцип фугітивності, рівняння Нернста, Гіббса-Дюгема, Маргуліса); механіка (принцип найменшої дії Гамильтона, рівняння Лагранжа, Больцмана, Гамільтона, закони Майєра, Ребіндера, Кіка, Бонда); фізична хімія (закони Дальтона, Рауля, Генрі, Авогадро-Жирара); нерівноважна термодинаміка (теорія Онзагера, поняття ентропії, принцип Кюрі); квантова механіка (квантовомеханічний зв'язок, парахор); мінералогія (закон Грельса, імовірність утворення з'єднань); гідромеханіка (рівняння Стокса, Нав’є-Стокса, Рейнольдса, Прандтля, Мізеса, Франкля, теорії фільтрування, осадження, турбулентності, кавітації); теорія теплопровідності (закони Фур'є, Ньютона); теорія масопереносу (закони Фіка, Щукарєва, теорії дифузійного пограничного шару, плівкова, поновлення поверхні, поновлення градієнта, проникнення, квазістаціонарна й ін.); молекулярна фізика (поняття осмосу, діалізу, теорія в'язкості, кінетична теорія рідин і газів) і інші науки.

     Теорія процесів і апаратів відноситься до областей знань, що постійно розвиваються,  тому особливо важливого значення набуває і створення її власної методологічної бази: аксіом, тверджень, теорем, методів теоретичного дослідження, теорії експерименту, методів математичного моделювання, оптимізації, теорії інтенсифікації, що дозволяє використовувати широкі наукові узагальнення, розробляти методи аналогій і систематизації.

     Теоретичним фундаментом науки про процеси й апарати хімічної технології є наступні основні закони природи.

     1. Закони збереження маси, енергії й імпульсу допускають тільки такі перетворення, при яких суми маси, енергії й імпульсу усередині системи залишаються незмінними. Закони збереження приймають форму балансових рівнянь (рівняння матеріального, енергетичного, теплового балансу), складання яких є важливою частиною аналізу і розрахунку хіміко-технологічних процесів.  

    2. Закони термодинамічної рівноваги визначають умови, при яких процес переносу будь-якої субстанції (маси, енергії, імпульсу) приходить до свого завершення. Стан системи, при якому необоротний процес переносу субстанції відсутній, називають рівноважним. Знання умов рівноваги дозволяє визначити напрямок процесу переносу і границі його проведення, а також розрахувати рушійну силу процесу.

     3. Закони переносу маси, енергії й імпульсу визначають густину потоків кожної з цих субстанцій у залежності від градієнта сполучених з ними потенціалів переносу, що представляють собою питомі (віднесені до одиниці об'єму потоку) масу, енергію чи кількість руху. Потенціалом переносу у випадку переносу маси є густина ρ або концентрація С, переносу енергії – ентальпія (), переносу імпульсу – кількість руху одиниці об'єму рідини . Таким чином, закони переносу визначають інтенсивність хіміко-технологічних процесів і в кінцевому рахунку - продуктивність устаткування, у якому вони реалізуються.