05.17.18 «Мембраны и мембранные технологии

05.17.18 «Мембраны и мембранные технологии» по техническим, физикоматематическим и химическим наукам
ПРОГРАММА-МИНИМУМ
кандидатского экзамена по специальности
05.17.18 «Мембраны и мембранные технологии»
по техническим, физико-математическим и химическим наукам
Введение
В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: процессы и аппараты химических
технологий, химическая термодинамика.
Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования
Российской Федерации по химии (по химической технологии) при участии Ивановского государственного
химико-технологического университета совместно с Московским химико-технологическим университетом
им. Д.И. Менделеева.
1. Основные уравнения переноса массы, энергии и импульса
Законы сохранения массы, энергии и импульса.
Основное уравнение переноса субстанций. Уравнение неразрывности потока. Уравнение переноса теплоты
(дифференциальное уравнение конвективного теплообмена).
Уравнение переноса массы (дифференциальное уравнение конвективной диффузии).
Уравнение переноса количества движения (уравнение Навье-Стокса).
Условие термодинамического равновесия. Правило фаз. Уравнения и линии равновесия.
Идеализированные модели гидродинамической структуры потоков. Модели гидродинамической структуры
неидеальных потоков.
Движение жидкости через слои зернистого материала и через пористую перегородку.
2. Мембраны, свойства мембран
Мембраны. Уплотняющиеся (полимерные) мембраны. Структура и характеристика свойств мембран.
Мембраны с жесткой структурой. Нанесенные мембраны. Металлические мембраны. Напыленные
мембраны. Осажденные мембраны. Динамические мембраны. Жидкие мембраны. Определение пористости
и размера пор мембран.
Гидравлическое сопротивление мембран и дренажа.
3. Обратный осмос, ультра- и микрофильтрация, дистилляция
Осмотическое давление разбавленных растворов и электролитов.
Концентрационная поляризация. Методы расчета концентрационной поляризации. Баромембранные
процессы.
Взаимодействие разделяемой системы с мембраной. Обратный осмос. Ультра- и микрофильтрация.
Расчеты баромембранных процессов и аппаратов на основе уравнений конвективной диффузии и
массопередачи. Расчет процесса диафильтрации. Расчет ультрафильтрационного фракционирования.
Метод Кимуры и Сурираяна. Мембраны для обратного осмоса и ультрафильтрации.
Насыщение мембраны диффундирующим веществом.
Неустановившиеся потоки через мембрану.
Диффузия при наличии сорбции или химических реакций.
Диффузия и мгновенная абсорбция по линейному закону.
Диффузия и нелинейная абсорбция.
Диффузия и обратимая химическая реакция.
Диффузия и необратимая химическая реакция.
Диффузионный перенос через многослойную мембрану.
Нестационарная диффузия в многослойных мембранах.
Диффузия в мембранах с непроницаемыми наполнителями и в армированных мембранах.
Статистические методы расчета процессов диффузии в гетерогенной мембране.
Диффузия в бипористой и дисперсной мембранах.
Испарение через мембрану.
Мембранная дистилляция. Влияние
использованием различных мембран.
основных
факторов
на
процессы
разделения,
испарения
с
Выбор материала мембраны процесса испарения.
Разделение водных растворов электролитов. Электромембранные процессы. Разделение водных растворов
спиртов.
Аппаратурное оформление процессов ультрафильтрации и обратного осмоса.
Расчет аппаратов проточного типа. Аппараты с плоскокамерными элементами. Аппараты с трубчатыми
элементами. Расчет аппаратов с мешалками.
Гидравлический расчет мембранных аппаратов.
Предварительная очистка воды. Очистка сточных вод. Обессоливание воды.
4. Мембранное разделение газов
Мембранное разделение газов. Термодинамика и кинетика мембранных процессов.
Энергетическое сопряжение процессов в мембране. Термодинамические критерии
неравновесных систем. Кинетическая модель мембранного процесса вдали от равновесия.
устойчивости
Массоперенос в пористых мембранах. Поверхностные явления в пористых средах. Адсорбция газов в
пористых средах. Селективность сорбционного процесса.
Проницаемость и селективность газодиффузных и сорбционно-диффузионных мембран.
Влияние поверхностной диффузии. Влияние концентрационной диффузии фильтрационного переноса.
Массоперенос газов в непористых мембранах. Структурно-морфологические особенности непористой
матрицы. Растворимость и диффузия газов. Сорбция и диффузия газов в однородных и неоднородных
мембранах.
Проницаемость полимерных мембран. Влияние свойств матрицы мембраны на селективность проницания.
Массоперенос в мембранах с кристаллической и жидкой аморфной структурой.
Массообмен в каналах мембранных элементов. Уравнения массообмена.
Расчет мембранных газоразделительных аппаратов. Принципы расчета мембранного модуля. Расчет
модулей на основе изотропных мембран для разделения бинарных смесей. Расчет модуля с полыми
волокнами.
Расчет модуля на основе асимметричных и композиционных мембран для разделения как бинарных, так и
многокомпонентных смесей газов.
Основные типы мембранных аппаратов. Одно и многоступенчатые установки. Каскадные установки с
рециркуляцией.
Энергетика мембранного разделения газов. Термодинамический анализ процессов разделения газов в
мембранном модуле. Энергетический КПД. Стоимостные показатели эффективности мембранных
установок.
Мембранные процессы выделения водорода в производстве аммиака и в процессах нефтехимического и
основного органического синтеза.
Очистка газов от СО2 и Н2S.
Мембранное разделение воздуха. Разделение изотопов и радиоактивных газов. Концентрирование SО 2 в
газах. Извлечение гелия из природных и нефтяных газов.
Основная литература
1. Kesting R.E. Syntetie Polimeric membranes. New York: Mc. Craw-Hill, 1971.
2. Membranes Science and Technology Ed. by J.Flinn New York: Plenum Press, 1970.
3. Sun-Tak Hwang, Kammermeyer K. Membranes in separation. New York: J. Wiley & Sons, 1975.
4. Берд Р., Стьюарт В., Лайфут Б. Явления переноса. М.: Химия, 1974.
5. Брок Т. Мембранная фильтрация. М.: Мир, 1987.
6. Гроот С., Мазур П. Неравновесная термодинамика. М.: Мир, 1964.
7. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчет. М.: Химия, 1986.
8. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М.: Химия, 1975.
9. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. М.: Химия, 1978.
10. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.1. Теоретические основы
химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты; Ч.2:
Массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995.
11. Дытнерский Ю.И., Быков В.П., Каграманов Г.Г. Мембранное разделение газов. М.: Химия, 1991.
12. Ерошенко В.М., Зайчик Л.И. Гидродинамика и теплообмен на проницаемых поверхностях. М.:
Наука, 1984.
13. Ивков В.Г., Берестовский Г.Н. Липидный бислой биологических мембран. М.: Наука, 1982.
14. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984.
Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. М.: Энергия, 1972.
Мембраны: ионные каналы / Под ред. Ю.А. Чизмаджева. М.: Мир, 1981.
Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. М.: Химия, 1980.
Теория теплообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: Высш. шк., 1979.
Технологические процессы с применением мембран / Под ред. Р. Лейси и С. Лёб. Пер. с англ. М.:
Мир, 1976.
Тимашев С.Ф. Физико-химия мембранных процессов. М.: Химия, 1988.
Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения. Пер. с англ. М.: Химия, 1981.
Хейвуд Р. Термодинамика равновесных процессов. М.: Мир, 1983.
Химическая гидродинамика: Справочное пособие / А.М. Кутепов и др. М.: Бюро Квантум, 1996.
Чалых А.Е. Диффузия в полимерных системах. М.: Химия, 1987.
Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. М.: Химия, 1982.
Дополнительная литература
1. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры устойчивости и флуктуаций. М.:
Мир, 1973.
2. Кеплен С.Р., Эссиг Э. Биоэнергетика и линейная термодинамика необратимых процессов. М.: Мир,
1986.
3. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979.
4. Пригожин И., Дефей Р. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука, 1966.
5. Пригожин И., Стенгере И. Порядок из хаоса. М.: Прогресс, 1986.
6. Рудобашта С.П. Массоперенос в системах с твердой фазой. М.: Химия, 1980.
7. Филд Р., Бургер М. Колебания и бегущие волны в химических системах. М.: Мир, 1988.
8. Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. М.: Мир, 1967.
9. Хакен Г. Синергетика. Иерархии неустойчивости в самоорганизующихся системах и устройствах. М.:
Мир, 1985.
10. Шлихтинг. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974.