УТВЕРЖДАЮ Проректор-директор ФТИ ___________ О.Ю. Долматов «___» ____________2013 г.

УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ФТИ
___________ О.Ю. Долматов
«___» ____________2013 г.
БАЗОВАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Технология редких элементов
Направление (специальность) ООП: 240501 Химическая технология материалов современной энергетики
Профиль подготовки (специализация) Химическая технология материалов
ядерно-топливного цикла
Квалификация (степень): Дипломированный специалист
Базовый учебный план приема: 2013 г.
Курс: 5 семестр: 10
Количество кредитов: 4
Код дисциплины: С3.Б14.2
Виды учебной
деятельности
Лекции, ч
Практические занятия, ч
Лабораторные занятия, ч
Аудиторные занятия, ч
Самостоятельная работа, ч
ИТОГО, ч
Временной ресурс по очной форме обучения
48
0
24
72
81
153
Вид промежуточной аттестации
Обеспечивающее подразделение
экзамен
каф. ХТРЭ ФТИ ТПУ
Заведующий кафедрой ХТРЭ ФТИ
Дьяченко А.Н.
Руководитель ООП
Дьяченко А.Н.
Преподаватель
Оствальд Р.В.
2013 г.
1. Цели освоения дисциплины
Код
цели
Ц1
Цели освоения дисциплины
«Технология редких элементов»
Формирование способности осуществлять технологические процессы в технологии редких элементов в
соответствии с технологическими
регламентами при эффективном использовании сырья и оборудования.
Ц2
Формирование способностей, связанных
с
анализом
научнотехнической литературы и проведением патентного поиска, разработки
программ и методик проведения исследований, проведения техникоэкономического анализа в области
технологии редких элементов и
вновь получаемых материалов на их
основе.
Ц3
формирование способностей к проектированию новых технологических
схем, анализу и оценке альтернативных
вариантов технологических
схем.
Формирование навыков самостоятельного поиска и анализа информации в отечественных и международных научных изданиях.
Ц5
Цели ООП
Подготовка выпускников к производственно-технологической деятельности в
специальной и междисциплинарных областях, связанной с эксплуатацией и модернизацией существующих, внедрением
новых наукоемких технологий материалов современной энергетики, к активному участию в инновационной деятельности предприятия или организации.
Подготовка выпускников к научноисследовательской деятельности в области химической технологии материалов
современной энергетики, интегрированию новых идей, применению естественнонаучных, математических и специальных знаний и умений к решению
инновационных задач, связанных с получением, изучением свойств веществ, разработкой и оптимизацией производственных установок и технологических
схем
Подготовка выпускников к проектной
деятельности в области разработки технологических процессов предприятий
ЯТЦ и редкометалльной промышленности
Подготовка выпускников к поиску и получению новой информации, необходимой для решения инженерных и научных
задач в области технологии материалов
современной энергетики, интеграции
знаний применительно к своей области
деятельности, к самообучению и постоянному профессиональному самосовершенствованию.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Технология редких элементов» относится к базовой части
профессионального цикла ООП.
Пререквизиты: химия С2.Б4.0, процессы и аппараты химической технологии С3.Б6, общая химическая технология С3.Б3, химия редких элементов
С2.В5.1, химия рассеянных элементов С2.В5.2, химия урана, тория, плутония
С2.В6.
Кореквизиты: основы проектирования химических производств С3.В10,
преддипломная практика, выпускная квалификационная работа дипломированного специалиста.
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины направлено на формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т.ч. в соответствии с ФГОС:
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении данной дисциплины
Результаты
обучения
(компетенции из
ФГОС)
Составляющие результатов обучения
Ко
д
Знания
З1.1
Основных понятий и определений химии редких
элементов
Р1
КлассификаДемонстрировать
ции редких
глубокие
естеэлементов, их
ственнонаучные,
положение в
математические и
З1.2 периодической
инженерные знания
таблице, знаи детальное поничение для
мание
научных
науки и технипринципов профески
сиональной
деяХимии оксительности
дов, галогенидов, сульфаЗ1.3 тов, нитратов
и других соединений редких элементов
Технологию
Р6
Разрабатывать ноизвлечения,
вые технологичепереработки,
ские схемы, рас- З2.1 рафинировасчитывать и выбиния и металрать оборудование,
лургии редких
применять средства
элементов
Код
У1.
1
У1.
2
Умения
Представить все
этапы химических
процессов и химического анализа в
виде уравнений ре
акций.
Использовать основные химические законы, термодинамические
справочные данные для решения
задач выделения и
разделения редких
элементов.
У1.3
Проводить расчеты, необходимые
для проведения
химических реакций заданного вещества
У2.
1
Составлять технологические схемы
переработки различного сырья содержащего редкие
металлы.
Код
Владение
опытом
В1.
1
Основных
расчётов в
технологии
редких элементов
В2.
1
Выбора оборудования,
подходящего
для осуществления
процессов с
учётом спе-
автоматизации,
анализировать технические задания и
проекты с учетом
ядерного законодательства
Р8
Воспринимать, обрабатывать, анализировать и обобщать
научнотехническую
информацию, передовой отечественный
У3.1
и зарубежный опыт
в области изучения
свойств, методов и
технологий получения и переработки материалов современной энергетики
цифики исходного типа
сырья
Основных типов источников поиска
научнотехнической
информации
У2.
2
Выбрать необходимые для выделения редких металлов реагенты
У3.
1
Выбора наиболее
оптимального источника информации для решения
конкретного типа
технологической
задачи
В3.
1
Работы с
учебной,
справочной,
технической и
научной литературой
В результате освоения дисциплины «Технология редких элементов»
студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины
Код результата
РД1
РД2
РД3
Результат освоения дисциплины
Демонстрировать глубокие естественнонаучные, математические и инженерные знания и детальное понимание научных принципов технологии редких металлов
Рассчитывать процессы и выбирать оборудование для
производства различных типов продуктов на основе соединений редких элементов
Воспринимать, обрабатывать, анализировать и обобщать
научно-техническую информацию, содержащую данные
для решения конкретных технологических задач и проектирования оборудования
4. Структура и содержание дисциплины
Раздел 1. Химическая технология тория
Раздел включает вопросы применения тория его нахождение в природе,
обогащение ториевых руд, получение монацитового концентрата, рассматривает гидрометаллургическую технологию тория (методы вскрытия, извлечения тория и РЗЭ из сернокислых растворов, гидрометаллургический аффинаж тория, химизм, общие технологические схемы, описывает способы получения основных соединений тория оксида, безводных фторида и хлорида тория, а также получения металлического тория, химизм, аппаратурное оформление, получение компактного тория и товарного продукта из него.
Раздел 2. Технология получения группы легких металлов
В разделе рассмотрены физико-химические свойства, применение,
нахождение лития в природе лития и бериллия. Описаны основные технологические операции, связанные с обогащением руд, переработкой концентратов лития и бериллия. Представлены технологические аспекты, касающиеся
получения безводных галогенидов, а также рассмотрена металлургия лития и
бериллия и вопросы получения компактных металлов из них.
Раздел 3. Технология получения редкоземельных элементов
В разделе представлены физико-химические свойства редкоземельных
элементов (РЗЭ), применение РЗЭ, нахождение РЗЭ в природе, рассмотрена
технология обогащение руд, содержащих РЗЭ, представлена гидрометаллургическая технология вскрытия бастнезизитового концентрата и переработка
аппатита, показана принципиальная схема разделения сопутствующих РЗЭ
на цериевую итриевую группы, а также с получением индивидуальных РЗЭ,
рассмотрены технологические операции по получению основных соединений
РЗЭ оксидов, безводных хлоридов и фторидов, описаны методы получения
металлов РЗЭ.
Раздел 4. Технология получения тугоплавких металлов
В разделе рассмотрены технологические аспекты получения тугоплавких металлов и их соединений на примере циркония, гафния, титана, ниобия
и тантала. Рассмотренные технологические стадии включают в себя следующие темы:
• физико-химические свойства тугоплавких металлов, вопросы их применение, нахождение в природе,
• технологические стадии разделения коллективного концентрата и обогащения руд тугоплавких элементов,
• технология переработки циркониевых концентратов;
• способы вскрытия и гидрометаллургической переработки концентратов
тугоплавких элементов,
• основные способы получения оксидов и галогенидов тугоплавких металлов,
• пирометаллургические технологии и методы получения тугоплавких
металлов в чистом виде, вопросы, связанные с аффинажем и рафинированием тугоплавких металлов,
• методы получения компактных тугоплавких металлов.Перечень лабораторных работ по курсу:
- «Изучение процессов вскрытия циркона сплавлением с карбонатом
кальция»
- «Плавка редких металлов»
- «Изучение процессов натрий-термического восстановления тетрафторида циркония»
5. Образовательные технологии
Методы и формы организации обучения дисциплине «Технология редких элементов» представлены в виде матрицы в таблице 3.
Таблица 3
Методы и формы организации обучения
Методы
Практические занятия
СРС
Дискуссия
+
Вербальный
+
Рефлексия
+
+
Систематизация
+
+
Синергетика
+
+
Прогнозирование
+
+
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
1. Домашняя работа (задания тренировочного характера с целью закрепления ранее изученного материала), выполнятся в следующих формах:
1.1. Задания на ознакомление с содержанием следующего занятия;
1.2. Работа с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме
1.3. Самостоятельная работа, предполагающая изучение тем, вынесенных
на самостоятельную проработку;
2. Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа включает следующие виды работы:
2.1. Поиск, анализ, структурирование и презентация информации, анализ
научных публикаций по определенной теме исследований;
2.2. Анализ статистических и фактических материалов по заданной теме,
проведение расчетов, составление схем и моделей на основе статистических материалов;
2.3. Исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах.
6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине
1. Перечень тем для творческой самостоятельной работы
№ п/п Тема
1
Известковый способ разложения сподуменового концентрата с
получением гидроксида лития
2
Вакуумтермическое восстановление оксида лития
3
Фторидный способ переработки бериллового концентрата
4
Металлотермические способы восстановления фторида, хлорида бериллия
5
Комплексные методы разделения редкоземельных элементов
6
Хлоридный способ переработки рутилового концентрата и титановых шлаков
7
Металлотермическое восстановление четырёххлористого титана, очистка титановой губки
8
Разложение цирконового концентрата сплавлением с фторосиликатом калия
9
Разделение циркония и гафния способами фракционной кристаллизации, избирательного восстановления и экстракции
10
Способы получения компактных металлов редких элементов.
Теоретические основы, аппаратурное оформление электроннолучевой плавки
2. Темы, выносимые на самостоятельную проработку
№ п/п Тема
1
Оценка конъюнктуры и перспективы развития рынка редких
металлов России
2
Динамика состояния минерально-сырьевой базы редких металлов
3
Химические свойства редких металлов и их основных соединений
6.3. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство
двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателя.
Самоконтроль зависит от определенных качеств личности, ответственности за результаты своего обучения, заинтересованности в положительной
оценке своего труда, материальных и моральных стимулов, от того насколько
обучаемый мотивирован в достижении наилучших результатов. Задача преподавателя состоит в том, чтобы создать условия для выполнения самостоятельной работы (учебно-методическое обеспечение), правильно использовать
различные стимулы для реализации этой работы (рейтинговая система), повышать её значимость, и грамотно осуществлять контроль самостоятельной
деятельности студента (фонд оценочных средств).
Контроль выполнения тренировочных заданий на закрепление содержания занятия, а также заданий на ознакомление с содержанием следующего
занятия осуществляется как преподавателем, так и студентами (при наличии
ключей к тренировочным заданиям и указаний для самоконтроля).
Контроль выполнения творческой самостоятельной работы, выполняемой по инициативе студента, осуществляется преподавателем совместно с
научным руководителем студента.
7. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия
Результаты обучения по дисциплине
Коллоквиум
РД1, РД2, РД3
Выполнение и защита индивидуальных заданий
РД1, РД2, РД3
Экзамен
РД1, РД2, РД3
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных
средств):
 Примеры вопросов, выносимых на коллоквиум:
- получение безводных галогенидов бериллия: общие технологические
схемы, химизм, описание стадий,
- сернокислотный метод переработки монацита. Химизм, об-щие технологические схемы,
- разделение циркония и гафния экстракцией.
 Пример индивидуального домашнего задания:
Задание №1. Рассчитать какое количество металла выделится на катоде
при электролизе раствора или расплава соли Fe2(SO4)3 силой протекающего
тока 3 А за время 17 минут.
Задание №2. Рассчитать вещественный состав концентрата монацитового песка, если элементный состав, выраженный через оксиды (% масс.), следующий:
Состав концентрата
ThO2
Ce2O3
U3O8
P2O5
TiO2
ZrO2
Fe3O4
SiO2
H2O
5,9
55,2
0,43
26,10
1,82
3,21
4,78
2,16
0,40
Задание №3. Рассчитать материальный баланс сернокислотного разложения концентрата состава, указанного в домашнем задании 2. Количество
концентрата 1,4 т. Расход 93% - ной H2SO4 200% от cтехиометрического количества. Результаты расчёта представить в виде таблицы.
Задание №4. Рассчитать объём газовой фазы после хлорирования 185 кг
титанового шлака элементным хлором, взятым с избытком 16,5 %, в присутствии углерода при температуре 765 º С. Результаты расчёта представить в
виде таблицы материального баланса с указанием объёмов газообразных веществ.
Состав
шлака
TiO2
Fe2O3
SiO2
MgO
CaO
% мас.
77,0
19,4
1,5
1,3
0,8
m, кг
142,45
35,89
2,775
2,405
Кол- во
Избыток
шлака, кг
хлора, %
185
16,5
Т, °С
765
1,48
 Пример экзаменационного билета:
1. Электростатический метод разделения коллективного концентрата
монацитового песка. Принципиальные схемы аппаратов.
2. Предложите схему переработки титанового шлама Ti 60 %, Fe 30 %,
Nb 5 %, Cr 5 %.
3. Рассчитать объем газообразных продуктов реакции хлорирования в
присутствии углерода 200 кг TiO 2 элементным хлором, взятым с избытком 12 %.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и
итоговой аттестации студентов Томского политехнического университета»,
утвержденными приказом ректора № 77/од от 29.11.2011 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
 текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем
и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах
(максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент
должен набрать не менее 33 баллов);
 промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце
семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене (зачете) студент должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов,
полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный
итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
 основная литература
1. А.А. Маслов, Р.В. Оствальд, В.В. Шагалов. Химическая технология
ниобия и тантала. – Томск: Издательство ТПУ, 2010. – 96 с. – ISBN
978-5-98298-767-9.
 дополнительная литература
1. А.Н. Зеликман. Металлургия редких металлов. Учебник для ВУЗов – М.: Металлургия, 1991. – 431 с.
2. С.С. Коровин, Г.В. Зимина, А.М. Резник и др. Редкие и рассеянные
элементы. Химия и технология. В 3-х книга. Книга I: Учебник для
ВУЗов под ред. С.С. Коровина – М.: «МИСИС», 1999. – 376 с.
3. С.С. Коровин, Д.В. Дробот, П.Н. Федорова. Редкие и рассеянные
элементы. Химия и технология. В 3-х книга. Книга II: Учебник для
ВУЗов под ред. С.С. Коровина – М.: «МИСИС», 1999. – 464 с.
 электронные издания:
1. Р.В. Оствальд. Электронное учебное пособие по курсу «Химическая
технология редких металлов в атомной технике». – Томск: ТПУ. –
Режим доступа: http://e-le.lcg.tpu.ru.
2. Р.В. Оствальд. Комплект презентаций по курсу. – Томск: ТПУ. –
Режим доступа:
http://portal.tpu.ru/SHARED/o/OSTVALD/Education/5course
3. Н.П. Лякишев, М.И. Гасик, В.Я. Дашевский. Металлургия ферросплавов. Часть 2. Металлургия сплавов вольфрама, молибдена, ванадия, титана, щелочноземельных и редкоземельных металлов, ниобия, циркония, алюминия, бора. Учебное пособие. – М.: МИСИС,
2006. – 117 с.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
При изучении основных теоретических разделов дисциплины требуется компьютерное и мультимедийное оборудование. При проведении лабораторных занятий необходимы следующие реактивы, материалы и оборудование:
- тигли или чаши керамические 100-150 мл;
- тигли стеклоуглеродные 150 мл;
- печь муфельная 1100 ºС;
- фильтровальная установка;
- весы 0,1-100 г;
- рентгенофлуоресцентный анализатор жидкофазных и твердофазных
образцов;
- печь для металлотермического восстановления (вакуум до 0,005 атм,
давление инертного газа до 1,5 атм)
- концентрат циркона;
- сода, квалификация ХЧ;
- серная кислота концентрированная;
- гидроксид аммония, квалификация ХЧ;
- кальций, квалификация ХЧ.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению подготовки: 240501 «Химическая технология материалов современной энергетики».
Программа одобрена на заседании кафедры ХТРЭ ФТИ
(протокол № ______ от «____» ___________ 2013 г.)
Автор:
Доцент каф. ХТРЭ ФТИ, к.х.н.
Р.В. Оствальд