неорганических веществ Термодинамические параметры системы. Уравнение состояния. Изменение энтропии в

1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
1.1. Термодинамический анализ обратимых и необратомых процессов технологии неорганических
веществ
Термодинамические параметры системы. Уравнение состояния. Изменение энтропии в
обратимых и необратимых процессах. Энтропия как критерий равновесия и самопроизвольности
процессов. Связь энтропии и термодинамических параметров. Общие условия равновесия. Термодинамические потенцииалы. Характеристические функции. Химический потенциал. Равновесие
устойчивое и неустойчивое. Равновесное существование фаз. Физико-химические предпосылки
переноса вещества и энергии.
1.2. Химическое равновесие в сложных системах
Константы химического равновесия. Методы расчета констант химического равновесия для газовых и
гетерогенных реакций. Факторы, влияющие на состояние равновесия: температура, давление, исходные
сотношения между реагентами. Реальные степени приближения к равновесию.
1.3. Эксергия и эксергетический анализ химико-технологических систем
Эксергетический баланс. Эксергетический коэффициент полезного действия. Расчет эксергетического
коэффициента полезного действия. Классификация потерь эксергии в системах под давлением, при высоких,
средних и низких температурах.
1.4. Термодинамика газожидкостных превращений в неорганической технологии
Реальные газы. Уравнение состояния реальных газов и смесей. Критическое состояние вещества.
Параметры, характеризующие критическое состояние. Изменение состояния реального газа. Сжимаемость газов.
Коэффициенты сжимаемости. Летучесть. Влияние давления и температуры на летучесть.
Туманообразование. Условия образования тумана. Конденсация паров в объеме газа. Седиментация и
агрегация тумана. Туманообразование в производстве термической фосфорной кислоты. Туманообразование в
производстве серной кислоты.
1.5. Термодинамика криогенных процессов
Классификация практических методов получения низких температур. Изоэнтальпийное расширение
газа. Дифференциальный и интегральный дроссельный эффекты. Изоэнтропийное расширение газа с отдачей
внешней работы. Термодинамические диаграммы.
Криогенные циклы. Классификация циклов криогенных установок. Идеальный цикл сжижения газа.
Теоретически минимальная работа сжижения газа. Реальные циклы глубокого охлаждения.
1.6. Термодинамика растворов
Развитие представлений о природе реальных растворов. Межмолекулярное взаимодействие в
растворах. Разбавленные растворы. Концентрированные растворы электролитов.
Физико-химические и термодинамические параметры растворов. Способы выражения концентраций.
Активность компонентов растворов. Зависимость термодинамических функций от состава растворов. Уравнение
Гиббса-Дюгема.
Растворение вещества в воде. Теплота растворения. Смешение растворов, теплота смешения растворов.
Теплота кристаллизации.
Особенности равновесия в системе насыщенный пар - раствор. Закон Рауля-Генри. Законы ГиббсаКоновалова. Влияние давления на растворимость.
Пересыщенные и насыщенные растворы. Термодинамика пересыщенных растворов. Физическая
сущность пересыщения.
Влияние химических взаимодействий на физико-химические свойства растворов.
1.7. Термодинамика твердофазных взаимодействий
Классификация взаимодействий. Термодинамическая оценка твердофазных взаимодействий.
Термодинамические параметры важнейших твердофазных реакций. Физико-химические факторы,
определяющие механизм твердофазных реакций. Активное состояние реагентов и его роль в твердофазных
процессах. Активирование твердофазных реагентов. Структурные и фазовые превращения твердых тел при
высоком давлении. Фазовые превращения при высоких давлениях с участием инициаторов.
1.8. Гетерогенные фазовые равновесия в многокомпонентных системах Равновесие гетерогенных
систем. Правило фаз.
Способы выражения концентраций многокомпонентных систем. Классификация фазовых диаграмм.
Методы расчета по фазовым диаграммам.
Однокомпонентные системы. Диаграммы состояния воды, серы, фосфора.
Двухкомпонентные системы. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем: политерма, полибара.
Поля кристаллизации. Эвтектика. Правила соединительной прямой и рычага. Кривые растворимости и плавкости
с явными и скрытыми максимумами. Процессы испарения, кристаллизации, охлаждения и нагревания.
Трехкомпонентные системы. Диаграммы состояния трехкомпонентных систем: политерма, изобара,
изотерма. Объемы и поля кристаллизации. Эвтоника. Изображение состава систем. Системы с образованием
кристаллогидратов. Двойные соли: конгруэнтно и неконгруэнтно растворяющиеся. Процессы растворения и
испарения.
Четырехкомпонентные системы. Типы четырехкомпонентных систем: простая система, взаимная пара
солей. Центральная и ортогональная проекции изотермы. Солевые и водные проекции. Объемы и поля кристаллизации. Процессы испарения и растворения.
1.9. Поверхностные явления и физико-химические основы адсорбции на твердых телах
Термодинамика поверхностных явлений. Адсорбционное равновесие. Модели и уравнения изотерм
адсорбции на однородной и неоднородной поверхности. Особенности физической адсорбции из газовой фазы и
растворов. Хемосорбция. Теплота адсорбции. Методы расчета теплоты адсорбции.
Кинетика адсорбции. Кинетическая кривая. Коэффициент диффузии. Характер диффузионного потока.
Механизм переноса вещества в пористых адсорбентах. Энергия активации внутридиффузионного процесса.
Динамика адсорбции. Основные модели уравнения динамики адсорбции.
1.10. Кинетика и катализ в технологии неорганических веществ
Кинетика сложных химических процессов: обратимых, параллельных, последовательных. Стадии
протекания сложных реакций. Лимитирующая стадия. Расчет скоростей реакций и протекания процессов.
Влияние температуры и давления на скорость реакций. Особенность кинетики химических реакций,
протекающих в потоке.
Кинетика гетерогенных реакций. Кинетические основы процессов растворения и кристаллизации.
Влияние температуры и дисперсности фаз на скорость растворения и кристаллизации. Диффузионное сопротивление.
Применение каталитического метода ускорения химических превращений в технологии неорганических
веществ. Виды катализа. Гомогенный катализ. Гетерогенный катализ. Механизм гетерогенного катализа.
Лимитирующие стадии катализа. Кинетика гетерогенных каталитических реакций. Влияние температуры,
давления и концентрации реагентов на скорость гетерогенно-каталитических реакций.
2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕРАБОТКИ ИСХОДНОГО СЫРЬЯ И ПОЛУПРОДУКТОВ
В ТЕХНОЛОГИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
2.1. Каталитические процессы
Систематизация каталитических процессов. Теоретические предпосылки подбора и приготовления
катализаторов. Основные физико-химические характеристики промышленных катализаторов. Основные методы
приготовления катализаторов в производствах аммиака, серной и азотной кислот, конверсии углеводородных
газов, для очистки промышленных и выхлопных газов. Каталитические яды и их роль в изменении активности
катализаторов.
2.2. Термохимические процессы
Процессы термической переработки без доступа воздуха (коксование, крекинг и др.). Газовая фаза в
процессах коксования, ее состав, возможность использования содержащихся в ней компонентов (водорода, азота
и др.) в процессах основного неорганического синтеза.
Окислительно-восстановительные процессы переработки исходного сырья - газификация твердых и
жидких топлив, обжиг колчедана, сжигание серы и сероводорода, конверсия (риформинг) углеводородов,
конверсия оксида углерода. Составы получаемых газовых смесей и пути их дальнейшей переработки.
Плазмохимические процессы синтеза неорганических веществ. Классификация плазмохимических
процессов. Равновесные и неравновесные плазмохимические процессы. Основные закономерности плазмохимических процессов синтеза оксидов азота, ацетилена, цианистого водорода.
Применение термохимических циклов для переработки природного сырья с получением водорода.
2.3. Электрохимические процессы
Электролитическое разложение воды с получением водорода и кислорода. Подготовка воды к
электролизу. Теоретические основы процесса электролиза воды. Технологическая схема процесса, конструкции
электролитических ванн (электролизеров), их характеристика и сравнение.
Электролиз водных растворов (рассолов) хлоридов натрия и калия. Характеристика природных и
искуственных рассолов, их подготовка к процессу электролиза. Теоретические основы процесса электролиза
растворов хлоридов натрия и калия. Газовая фаза, образующаяся при электролизе и возможности ее
использования для процессов основного неорганического синтеза. Конструктивные особенности электролизеров
для разложения водных растворов хлоридов. Пути снижения энергетических затрат.
2.4. Электротермические процессы
Роль электротермических процессов в создании интенсивных технологий. Классификация
электротермических процессов. Особенности протекания электортермических процессов: образование
реакционных зон в рудно-термических печах, условия формирования зон, характеристика процессов в каждой
зоне. Материальные и тепловые балансы.
Строение расплавов. Строение шлаков. Стеклообразное состояние и способность к стеклообразованию.
Физико-химические и электрохимические свойства шлаков и расплавов. Электоротермическая переработка
фосфатных руд.
2.5. Сорбционные процессы разделения газовых и жидких смесей и их очистка от примесей
Методы разделения и очистки газов и жидкостей, используемые в неорганической технологии. Очистка
от механических примесей. Физико-химические основы процессов обеспыливания. Основные конструкции
пылеуловителей, их сравнение по степени обеспыливания и энергозатратам.
Адсорбционные методы очистки и разделения газов и жидкостей. Характеристика и методы получения
адсорбентов - активных углей, силикагелей, цеолитов, хемосорбентов и др. твердых поглотителей. Методы
регенерации насыщенных адсорбентов. Адсорбционная осушка газов. Адсорбционное разделение воздуха.
Рекуперация летучих растворителей. Адсорбционная очистка отходящих газов от оксидов углерода, серы, азота.
Адсорбционная очистка бытовых, технологических и сточных вод.
Абсорбционные методы очистки и разделения газов. Абсорбенты и их характеристика - вода, растворы
щелочей, органические растворители, аминоспирты, аммиак и др. Абсорбционная очистка газов от оксидов
углерода, соединений серы и фтора. Очистка технологических газов от соединений селена и мышьяка.
Диффузионные методы разделения газов и жидкостей в неорганической технологии. Влияние
технологических параметров на эффективность разделения. Виды мембран и материалы для их изготовления.
Конструктивные особенности основных аппаратов.
Особенности использования ионообменных процессов. Типы ионитов и их синтез. Свойства ионитов: термохимическая стабильность,
механическая прочность. Термодинамика ионообменного равновесия.
Динамика ионного обмена. Применение ионного обмена в очистке сточных вод в неорганической
технологии.
2.6. Обогащение химического сырья
Влияние концентрации полезного компонента сырья на скорость процесса. Классификация процессов
обогащения твердого сырья. Флотация - основной метод обогащения твердого сырья в технологии неорганических веществ. Механизм флотации. Флотационные реагенты. Основные методы флотации. Механохимические приемы обогащения фосфатного сырья.
2.7. Разделение жидких однородных смесей
Характеристика двухфазных систем жидкость - пар. Классификация бинарных систем. Простая
перегонка. Виды простой перегонки:фракционная перегонка, перегонка с водяным паром, перегонка с
инертным газом.
Ректификация. Принцип ректификации. Классификация процессов ректификации. Низкотемпературная
ректификация.
2.8. Экстракция
Применение экстракции в технологии неорганических веществ. Основные достоинства процесса
экстракции перед другими процессами разделения жидких смесей. Фазовое равновесие в системах жидкость жидкость. Законы распределения. Селективность. Методы экстракции.
2.9. Растворение твердых веществ
Виды процессов растворения. Выщелачивание. Скорость растворения и пути ее повышения. Процессы
растворения фосфатных руд при производстве удобрений сернокислотным и азотнокислотным методами.
2.10. Выпаривание водных растворов кислот и солей
Термодинамический анализ процесса выпаривания. Физико - химические явления при выпаривании.
Примеры выпаривания растворов и суспензий.
2.11. Кристаллизация
Стадии процесса кристаллизации: образование зародышей, рост кристаллов. Кинетика кристаллизации.
Интенсификация процессов кристаллизации. Промышленные методы кристаллизации. Кристаллизация солей из
растворов и расплавов. Свойства кристаллических тел.
2.12. Гранулирование
Гранулирование - основной метод улучшения физических свойств порошкообразных материалов.
Структурно - механические свойства гранулированных продуктов. Гигроскопичность и слеживаемость неорганических солей и удобрений. Промышленные методы гранулирования: гранулирование из пульп,
гранулирование из расплавов, гранулирование прессованием. Механизм процесса гранулирования.
2.13. Высокоинтенсивные процессы
Лазерохимические процессы. Классификация видов излучения. Квантовое усиление и генерация.
Оптические резонаторы. Оптические квантовые генераторы. Особенности взаимодействия излучения с веществом. Классификация лазерохимических процессов и особенности их реализации.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). Теоретические основы СВС.
Технологические особенности процессов на основе СВС.
3. ТЕХНОЛОГИЯ ВАЖНЕЙШИХ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ПРОДУКТОВ
Значение промышленности неорганических веществ в экономике. Важнейшие неорганические
продукты: промышленные газы, кислоты, щелочи, удобрения, соли и др. Много- и малотоннажные производства.
Особенности технологии неорганических продуктов.
Основные тенденции в развитии современной промышленности неорганических веществ. Вовлечение в
переработку новых видов сырья, его комплексное использование. Создание агрегатов большой единичной
мощности, энерготехнологических систем. Создание эффективных малоотходных и безотходных технологий.
Новейшие достижения фундаментальной химической науки и перспективы внедрения новых процессов
в технологии неорганических веществ.
3.1. Сырье для производства важнейших неорганических веществ
Природные источники сырья для получения промышленных газов:воздух, вода, твердое, жидкое и
газообразное топливо, минеральные руды. Вторичные ресурсы. Значение промышленных газов как сырья для
производства различных неорганических и органических продуктов.
Характеристика основных видов сырья для производства серной кислоты, минеральных удобрений,
неорганических солей, щелочей.
Перспективы развития отечественной сырьевой базы. Проблема комплексного использования
природного сырья.
3.2. Технология промышленных газов
Основные промышленные и синтез-газы в неорганической технологии. Их свойства, применение.
Физико-химические основы разделения воздуха методом глубокого охлаждения. Принципы создания эффективных технологических схем получения азота, кислорода и редких газов из атмосферного воздуха. Методы
получения водорода: газификация топлив, конверсия углеводородов, выделение из промышленных газовых
смесей, электро- и термохимическое разложение воды. Эффективные комбинированные схемы производства
водорода, синтез газов и других продуктов.
3.3. Технология связанного азота
Методы фиксации атмосферного азота. Развитие промышленности синтетического аммиака как
основного технического метода фиксации азота. Физико-химические основы синтеза аммиака из азота и водорода. Катализаторы синтеза. Системы синтеза. Пути и проблемы создания энерго-технологических схем.
Особенности работы агрегатов большой единичной мощности. Комбинирование производства аммиака, метанола
и других продуктов как метод создания энерго- и ресурсосберегающих систем. Получение азотной кислоты.
Современные энерготехнологические крупнотоннажные агрегаты, особенности работы, пути совершенствования.
Перспективные энергосберегающие методы получения карбамида из аммиака и диоксида углерода. Получение
цианамида кальция и цианистых соединений.
3.4. Технология серной и других неорганических кислот
Классификация промышленных методов получения серной кислоты.Особенности получения серной
кислоты из серы и колчедана. Производство серной кислоты контактным способом. Очистка обжигового газа.
Физико-химические основы каталитического окисления SO2 в SO3. Абсорбция сернистого ангидрида.
Энерготехнологические схемы получения серной кислоты.
Производство соляной и других минеральных кислот.
3.5. Технология минеральных удобрений и солей
Классификация минеральных удобрений, эффективность их использования.
Сырье для производства азотных удобрений. Производство аммиачной селитры, сульфата аммония,
жидких азотных удобрений.
Характеристика калийных удобрений. Получение хлористого калия из сильвинита методами галургии и
флотации, гравитационной и электростатической сепарацией. Технология карналита. Производство сульфата
калия. Проблема комплексного использования калийных руд.
Виды фосфорсодержащих удобрений. Получение экстракционной и термической фосфорной кислоты.
Основные направления интенсификации процессов в производствах фосфорной кислоты. Полифосфорные кислоты. Производство односторонних фосфорных удобрений и кормовых фосфатов.
Производство твердых и жидких комплексных удобрений. Технология микроудобрений. Новые виды
эффективных сложных удобрений.
Производство некоторых минеральных солей (соли натрия, хрома, бора, фтора, меди, бария).
3.6. Технология щелочей и глинозема
Производство неорганических щелочей и их применение. Характеристика способов производства
квльцинированной соды. Физико-химические основы аммиачного метода. Интенсификация производства соды.
Тенденции в развитии электрохимических и химических способов получения гидроксида натрия.
Производство глинозема из бокситов, физико-химические основы и принципы создания технологических схем.
Комплексное использование нефелина для получения глинозема, цемента, соды, поташа как пример создания
эффективной безотходной технологии.
3.7. Технология продуктов тонкого неорганического синтеза, чистых веществ и реактивов
Классификация продуктов тонкого неорганического синтеза и области их применения. Классификация
методов технологии тонкого неорганического синтеза. Физико-химические аспекты выбора метода синтеза.
Синтез неорганических веществ осаждением и соосаждением Синтез неорганических соединений в специальных
средах. Синтез неорганических веществ криохимическим методом. Синтез неорганических веществ при высоких
температурах. Синтез при сверхвысоких давлениях.
Классификация неорганических веществ по степени их чистоты. Формы примесей. Нормирование
примесей. Теоретические основы очистки вещества и классификация методов очистки. Термодинамические основы очистки веществ. Коэффициент разделения (распределения) примесей. Классификация методов очистки
веществ. Сравнительная оценка возможностей методов.
3.8. Технология карбида кальция и абразивных материалов
Физико-химические основы синтеза и производство карбида кальция. Получение плавленных оксидов
методами электроплавки, плазменнго синтеза. Методы выращивания монокристаллов из расплава.
Классификация, свойства, технология, применение абразивных материалов.
3.9. Рекуперация отходов в технологии неорганических веществ и принципы создания
малоотходных производств
Проблема создания безотходной технологии. Разработка новых технологических процессов,
исключающих выбросы вредных веществ. Экономические аспекты ликвидации вредных выбросов.
Характеристика твердых, жидких и газовых веществ, выбрасываемых в атмосферу. Удаление из газов
твердых частиц. Методы очистки газов от оксидов серы, азота, углерода, галогенов, соединений фосфора и
аммиака. Очистка промышленных газов от летучих растворителей.
Классификация сточных вод по их назначению. Предельно допустимые концентрации вредных веществ
в водоемах. Методы очистки сточных вод и оборудование для очистки.