Химическая технология редких и благородных металлов

1. Цели освоения дисциплины
Код
цели
Ц1
Цели освоения дисциплины
«Химическая технология редких и
благородных металлов»
Формирование способности осуществлять технологические процессы в технологии редких и благородных металлов 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 и благородных
металлов 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 «Химическая технология редких и благородных металлов»
относится к вариативной части цикла ООП.
Пререквизиты: химия С1.БМ2.5, процессы и аппараты химической технологии С1.ВМ4.9, общая химическая технология С1.ВМ4.16, химия редких
элементов С1.ВМ4.18.1, химия рассеянных элементов С1.ВМ4.18.2.
Кореквизиты: основы проектирования химических производств
С1.ВМ4.27, производственная 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)
Р1
Р3
Р6
Составляющие результатов обучения
Код
Знания
З1.1
Основных понятий и определений химии редких элементов
З.1.2
Классификации
редких элементов, их положение в периодической таблице,
значение для
науки и техники
Химии оксидов,
галогенидов,
сульфатов, нитЗ.1.3
ратов и других
соединений редких элементов
Технологию извлечения, переработки, рафиЗ.3.1
нирования и металлургии редких
элементов
Химизм и
аппаратурное
оформление проЗ6.1
цессов извлечения, переработки, рафинирова-
Код
У1.1
У.1.2
Умения
Код
Представить все этапы химических процессов и химического
анализа в виде уравнений ре акций.
В1.1
Владение
опытом
Основных
расчётов в
технологии
редких и благородных металлов
Использовать основные химические законы, термодинамические справочные данные для решения задач выделения и разделения редких метал
лов.
У.1.3
Проводить расчеты,
необходимые для
проведения химических реакций заданного вещества
У6.1
Составлять технологические схемы переработки различного
сырья содержащего
редкие металлы.
В6.1
Выбора оборудования,
подходящего
для осуществления процессов с учётом
ния и металлургии редких элементов
специфики
исходного типа сырья
У6.2
Р8
У8.1
Основных типов
источников поиска научнотехнической информации
У8.1
Выбрать необходимые для выделения
редких металлов реагенты
Выбора наиболее оптимального источника
информации для решения конкретного
типа технологической
задачи
В8.1
Работы с
учебной, справочной, технической и
научной литературой
В результате освоения дисциплины «Химическая технология редких и
благородных металлов» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины (модуля)
Код
Результат освоения дисциплины
результата
РД1
Демонстрировать глубокие естественнонаучные, математические и инженерные знания и детальное понимание научных принципов технологии редких и благородных металлов
РД2
Рассчитывать процессы и выбирать оборудование для производства различных типов продуктов на основе соединений
благородных и редких элементов
РД3
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 золота и серебра
Раздел включает вопросы связанные с технологическими процессами
получения золота и серебра. Затрагивает свойства, применение и нахождение
золота и серебра в природе. Знакомит студентов с общей технологической
схемой переработки руд, амальгамации концентратов, содержащих золото и
серебро. Рассматривает технологические аспекты процессов вскрытия руд и
концентратов цианированием, перкаляционный, агитационный методы цианирования и сорбционное выщелачивание из руд и концентратов, основные
гидрометаллургические процессы, сорбционные процессы, осаждение золота
и серебра из растворов цементацией, осаждение из тиомочевинных растворов
электролизом. Также включает аспекты металлургической переработки,
электролитический аффинаж золота и серебра, хлоридный аффинаж. С точки
зрения экологической безопасности рассмотрены вопросы обеззараживания
сточных вод и отходов золотоизвлекательных фабрик.
Перечень лабораторных работ по курсу:
- «Изучение процессов растворения золота и серебра с применением
кислотосодержащих растворителей»
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 данном разделе рассматриваются физико-химические свойства редкоземельных элементов, их применение, нахождение в природе, а также следующие основные технологии обогащения и переработки руд РЗЭ:
- Технология вскрытия бастнезизитового концентрата, переработка аппатита;
- Принципиальная схема разделения РЗЭ. Технология разделения РЗЭ
(методы дробной кристаллизации, дробного осаждения);
- Технология разделения РЗЭ (методы избирательного окисления и восстановления, дробного разложения солей, ионообменной хроматографии,
экстракции);
- Технология получения безводных галогенидов РЗЭ;
- Методы получения металлов РЗЭ;
Раздел 4. Технология получения тугоплавких металлов
В данном разделе рассматриваются следующие основные вопросы и темы:
- Физико-химические свойства циркония и гафния. Применение циркония и гафния. Нахождение циркония и гафния в природе. Технология обогащения циркониевых руд;
- Технология переработки циркониевых концентратов;
- Технология разделения циркония и гафния;
- Методы получения металлического циркония: электролитическое получение, термическая диссоциация. Методы получения компакт-ного циркония;
- Физико-химические свойства титана. Применение титана, нахождение
титана в природе. Методы обогащения титановых руд;
- Сернокислотное разложение ильменита. Хлорирование рутилового
концентрата и шлаков;
- Магнийтермическое восстановление хлорида титана. Рафинирование
титана;
- Методы получения компактного титана;
- Физико-химические свойства ниобия и тантала. Применение ниобия и
тантала. Нахождение ниобия и тантала в природе. Технология обогащения
руд;
- Общая схема переработки танталониобиевых концентратов;
- Технология разделение ниобия и тантала;
- Методы получения металлов ниобия тантала;
- Методы получения компактных металлов ниобия тантала.
Перечень лабораторных работ по курсу:
- «Изучение процессов вскрытия циркона сплавлением с карбонатом
кальция»
- «Плавка редких металлов»
5. Образовательные технологии
Методы и формы организации обучения дисциплине «Химическая технология редких и благородных металлов» 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
Выполнение и защита индивидуальных заданий
Экзамен
Результаты обучения по
дисциплине
РД1, РД2, РД3
РД1, РД2, РД3
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных
средств):
 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
1,48
Кол- во
Избыток
шлака, кг
хлора, %
185
16,5
Т, °С
765
 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 дея-
тельности (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 «____» ___________ 2014 г.)
Автор:
Доцент каф. ХТРЭ ФТИ, к.х.н.
Р.В. Оствальд