Основная литература - Пермский государственный технический

Министерство образования РФ
Пермский государственный технический университет
Утверждаю
Проректор по учебной работе
Н.Н.Матушкин
«
«
2001 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине « Теоретические основы технологии неорганических
веществ»
Направление: 550800 - Химическая технология и биотехнология
Специальность 250200 - Химическая технология неорганических веществ
Факультет
химико-технологический
Кафедра
химической технологии неорганических веществ
Курс
третий
Семестр
шестой
Трудоемкость
132 часа
Аудиторные занятия
102 часа
В том числе:
лекции
68 часов,
практические занятия
34 часа,
Самостоятельная работа:
30 часов.
Виды контроля : экзамен, зачет - шестой семестр.
Пермь, 2001 г.
Программа разработана в соответствии с государственными требованиями к
минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по направлению
подготовки дипломированных специалистов 250200 - Химическая технология
неорганических веществ и на основе «Примерной программы дисциплины
‘Теоретические основы технологии неорганических веществ’»
Программу составила:
кандидат химических наук, доцент
Тюленева Г.Е.
Рабочая программа рассмотрена и утверждена на заседании кафедры
«Технология неорганических веществ»
“
“
2001г.
Заведующий кафедрой ТНВ
доктор технических наук, профессор
Островский С.В.
Требования ГОСа высшего профессионального образования к обязательному
минимуму содержания основной образовательной программы по направлению
подготовки 550800 - «Химическая технология и биотехнология» для специальности
250200 - «Химическая технология неорганических веществ».
Теоретические основы технологии неорганических веществ
Общие закономерности протекания основных процессов химической
технологии неорганических веществ, обоснование оптимальных технологических
параметров и показателей, термодинамика обратимых и необратимых процессов
(твердофазных взаимодействий и газожидкостных превращений), основы физикохимического анализа гетерогенных фазовых равновесий в одно-, двух-, трех- и
четырехкомпонентных системах, физико-химические основы методов переработки
веществ в неорганической технологии: гетерогенный и гомогенный катализы
(механизмы, кинетика), сорбция, ионный обмен, экстракция, растворение, плавление,
кристаллизация из растворов и расплавов, гранулирование, обжиг, прокаливание и др.
1.Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе
1.1.Цель преподавания дисциплины - научить студентов использовать
теоретические закономерности химико-технологических процессов для оптимизации
технологических параметров при анализе работы действующих химических
производств и создании новых процессов.
1.2.Задачи изучения дисциплины
Предметом изучения данной дисциплины являются следующие объекты:
- гомогенные и сложные гетерогенные химико-технологические процессы, в
которых протекают химические и фазовые превращения,
- качественные и количественные методы оценки предельно возможного
протекания различных химико-технологических процессов,
- методы повышения скорости химико-технологических процессов,
-физико-химическая оптимизация технологических параметров промышленных
процессов.
В результате изучения дисциплины студент должен :
знать теоретические основы химико-технологических процессов,
уметь проводить термодинамический, статический и кинетический анализы
химико-технологических процессов,
уметь пользоваться диаграммами растворимости для обоснования
технологических параметров процессов переработки растворимого природного
сырья,
грамотно, с учетом термодинамических и кинетических закономерностей, а
также экономических и экологических показателей проводить оптимизацию
основных параметров технологического режима,
знать особенности работы реакторов различного типа и принципы расчета их
размеров.
2.Содержание дисциплины
2.1. Наименование тем, их содержание, объем в часах лекционных занятий
(общий объем 68 часов)
2.1.1.Значение курса «Теоретические основы ТНВ» в подготовке инженеров
химиков-технологов. Общие закономерности протекания основных
процессов
химической технологии неорганических веществ. Роль теоретического анализа в
обосновании оптимальных параметров химико-технологических процессов. - 2 часа.
Современные проблемы химической технологии и требования к химикотехнологическим процессам. Технико-экономические и экологические критерии, их
связь с технологическими характеристиками химико-технологических процессов
(ХТП) - 2 часа.
2.1.2.Термодинамика обратимых и необратимых
гомогенных и
гетерогенных процессов - 14 часов.
2.1.2.1.Применение первого начала термодинамики в технологических
расчетах. Методы расчета теплоты химических реакций и теплоты фазовых
превращений, протекающих в различных системах. Оценка энергоемкости химико-
технологических процессов. Принципы создания малоэнергоемких технологий.
2 часа.
2.1.2.2.Применение второго начала термодинамики для определения
направления протекания ХТП. Приближенные и точные методы расчета изменения
энтропии при протекании химических превращений в различных системах. - 2 часа.
2.1.2.3.Термодинамические потенциалы как мера осуществимости химического
превращения. Величина изменения энергии Гиббса - критерий самопроизвольного
протекания изобарно-изотермического процесса в системах: газ, жидкость,твердое-газ
(жидкость). Приближенные и точные методы расчета энергии Гиббса - 2 часа.
2.1.2.4.Константа равновесия процессов химического взаимодействия и
способы ее расчета по термодинамическим данным. Способы выражения константы
равновесия через концентрации, мольные доли, парциальные давления. - 2 часа.
2.1.2.5.Расчет равновесного состава газовой смеси при заданных условиях с
использованием начального состава газа. Определение равновесной степени
превращения и равновесного выхода продукта для идеальных газовых систем. 2 часа.
2.1.2.6.Расчет химического равновесия в неидеальной газовой системе с
использованием коэффициентов летучести. - 2 часа.
2.1.2.7.Принципы расчета сложного химического равновесия в условиях
одновременного протекания нескольких химических реакций. - 2 часа.
2.1.3.Физико-химический анализ гетерогенных фазовых равновесий в
одно-, двух-, трех- и четырехкомпонентных системах - 28час
2.1.3.1.Графическое изображение равновесия в двух- и трехкомпонентных
системах жидкость - пар. Методы разделения жидких или газовых смесей и их
практическое применение в технологии. Физико-химические основы разделения
воздуха, концентрирования
H2SO4, концентрирования HNO3 в присутствии
водоотнимающего реагента.. - 4 часа.
2.1.3.2.Механизм процессов, протекающих в системах жидкость - газ.Понятие
движущей силы процессов абсорбции и десорбции. Применение законов Генри и
Рауля для описания равновесия в идельных системах жидкость - газ. - 2 часа.
2.1.3.3.Особенности физической и химической абсорбции. Обоснование
оптимальных условий протекания физической и химической абсорбции. Примеры:
физико-химические основы производства минеральных кислот - 2 часа.
2.1.3.4.Физико-химический анализ процессов в двухкомпонентных системах
твердое - жидкость. Диаграммы растворимости солей, кристаллизующихся в
безводной форме, а также в форме конгруэнтно и инконгруэнтно плавящихся
кристаллогидратов. Графическое моделирование процессов растворения, испарения,
кристаллизации, и их расчет на диаграммах растворимости. - 2 часа.
2.1.3.5.Политерма растворимости в трехкомпонентной системе твердое жидкость.Получение изотермических сечений пространственной диаграммы и их
свойства. - 2 часа.
2.1.3.6.Графическое моделирование процессов растворения, испарения и
кристаллизации на изотермических сечениях диаграмм трехкомпонентных систем
следующих типов: 1) при кристаллизации солей в безводной форме, 2) при
кристализации устойчивых кристаллогидратов, 3) при образовании неустойчивых
кристаллогидратов, 4) при образовании конгруэнтно растворяющихся двойной
безводной или гидратированной соли, 5) при образовании инконгруэнтно
растворяющихся двойной безводной или гидратированной соли. - 4 часа.
2.1.3.7.Физико-химический анализ технологий, основанных на гетерогенных
процессах в трехкомпонентных системах: производство хлорида калия из сильвинита
и карналлита. - 4 часа.
2.1.3.8.Изображение пространственных изотерм простых четверных систем в
треугольной призме. Получение ортогональных водной и безводной проекций
изотерм
растворимости. Моделирование процессов испарения воды и
кристаллизации солей на водной и безводной проекциях изотерм растворимости. 4 часа.
2.1.3.9.Изображение пространственной изотермы четырехкомпонентной
взаимной системы в квадратной призме. Определение устойчивой пары солей.
Физико-химические основы технологий, основанных на диаграммах растворимости в
четырехкомпонентных взаимных системах: производство нитрата калия,
производство бихромата калия, производство сульфата калия - 4 часа.
2.1.4.Кинетический анализ химико-технологических процессов - 22 часа.
2.1.4.1.Кинетический
анализ
как
метод
интенсификации
химикотехнологических процессов. Связь скорости процесса с технико-экономическими
показателями. Методы выражения скорости различных химико-технологических
процессов. Кинетические уравнения как математическая зависимость скорости
химико-технологических процессов от технологических параметров. - 4 часа.
2.1.4.2.Кинетический анализ гомогенных процессов.
Механизм и кинетические уравнения гомогенных химических процессов.
Гомогенный катализ. Характеристика реакторов для гомогенных процессов и режим
их работы.Общие принципы расчета реакторов. Методика расчета изотермических
реакторов: реактора идеального смешения периодического действия, реактора
идеального смешения непрерывного действия и реактора идеального вытеснения.
Выбор реаторов для гомогенных процесов. - 6 часов.
2.1.4.3.Кинетический анализ гетерогенно-каталитических процессов
Механизм гетерогенно-каталитических процессов. Выбор кинетических
уравнений в зависимости от лимитирующей стадии. Классификация реакторов для
гетерогенно-каталитических процессов и их сравнительная характеристика. Расчет
каталитических реакторов. - 6 часов.
2.1.4.4.Кинетический анализ гетерогенных некаталитических процессов
Механизм и кинетика высокотемпературных процессов, протекающих в
системах твердое – газ (жидкость): прокаливание, обжиг, плавление, кристаллизация
.Механизм и кинетика низкотемпературных процессов в системах твердая фазараствор: растворение (плавление), кристаллизация, ионный обмен. Механизм и
кинетика процессов в системах газ-жидкость (тверлое): абсорбция, адсорбция,
десорбция. Принципы расчета реакторов для гетерогенных процессов: химического
превращения, абсорбции-десорбции, растворения-кристаллизации. - 6 часов.
2.2.Практические занятия ( 34 часа)
2.2.1.Методика расчета материального и теплового баланса. Пример расчета
конкретного промышленного процесса. Решение индивидуальных задач. – 2часа.
2.2.2.Качественный термодинамический анализ химических превращений,
протекающих в сложной гетерогенной системе с участием конденсированных фаз.
Пример: производство соединений бария путем восстановительного обжига
баритового сырья. – 2часа.
2.2.3.Вывод уравнения для расчета равновесного состава газовой смеси при
заданном начальном составе идеального реакционного газа в случае протекания
одной химической реакции. Контрольная аудиторная работа – по идивидуальным
заданиям.- 2часа.
2.2.4.Количественный термодинамический анализ химического превращения в
идеальной газовой системе на примере окисления SO2 в SO3. Расчет равновесной
степени окисления в зависимости от исходного состава газовой смеси, температуры и
давления. Оптимизация технологических параметров по данным термодинамического
анализа. 2 – часа.
Выдача индивидуальных заданий для выполнения термодинамического
анализа с расчетом на ПК.
2.2.5.Методика расчета химического равновесия в неидеальной газовой
системе. Пример расчета.- 2 часа.
2.2.6.Расчет сложного химического равновесия в условиях протекания
нескольких химических реакций. Контрольная работа: вывод системы уравнений для
расчета сложного химического равновесия по индивидуальным заданиям. - 2 часа.
2.2.7.Построение диаграмм по справочным данным в системах жидкость – пар.
Решение задач по равновесию на основе диаграмм.- 2 часа.
2.2.8.Статический анализ процессов абсорбции в производстве минеральных
кислот с использованием справочных данных в виде диаграмм и таблиц. Примеры
решения технологических задач. Контрольная работа по индивидуальным заданиям.2 часа.
2.2.9.Построение индивидуальных диаграмм растворимости по справочным
данным в двухкомпонентной системе соль – вода. Выбор рационального способа
получения целевого продукта из раствора и его графическое изображение на
диаграмме с использованием изотермической и политермической кристаллизации и
возврата маточника. Расчет материального баланса процесса, определение выхода
продукта. – 2 часа аудиторная работа (Расчеты – домашняя работа).
2.2.10.Построение индивидуальных диаграмм растворимости (изотерм) по
справочным данным в трехкомпонентных системах: две одноионные соли – вода.
Графическое моделирование различных вариантов получения целевого продукта на
диаграмме с организацией циклов. Выбор способа, обеспечивающего максимальный
выход, наилучшее качество, минимальное количество отходов.Оценка возможности
использования отходов. Расчет материального баланса процессов переработки сырья,
выхода продукта, потерь ценного компонента сырья с отходами.- 4 часа.
2.2.11.Построение
ортогональных
водной
и
безводной
проекций
пространственной изотермы простой четырехкомпонентной системы три соли –
вода. Графическое изображение процесса изотермического испарения воды из
раствора и определение последовательности кристаллизации солей путем
совместного рассмотрения водной и безводной проекций . Выполнение
индивидуальной аудиторной работы. – 2 часа.
2.2.12.Пример технологии, основанной на использовании диаграммы
растворимости четырехкомпонентной взаимной системы при переработке сырья в
цикле.- 2 часа.
2.2.13.Расчет скорости химического процесса по известным кинетическим
уравнениям при заданном составе реакционной массы и степени превращения. –
2 часа.
2.2.14.Решение задач по расчету изотермических реакторов идеального
смешения периодического и непрерывного действия. – 2 часа.
2.2.15.Решение задач по расчету изотермических реакторов идеального
вытеснения и каскада реакторов идеального смешения. – 2 часа.
2.2.16.Контрольная работа – расчет времени пребывания и реакционного
объема изотермических идеальных реакторов различного типа по индивидуальным
заданиям. – 2 часа.
2.3.Самостоятельная работа (30 часов)
2.3.1.Расчет равновесия химического превращения в газовой системе с
использованием персонального компьютера. Определение равновесной степени
превращения при изменении исходного состава газа, температуры и давления с целью
оптимизации технологических параметров.
2.3.2.Расчет материального баланса процессов переработки растворов в
двухкомпонентных системах соль – вода.
2.3.3.Расчет процесов переработки растворимого сырья в трехкомпонентных
системах с образованием двойных солей.
3. Учебно-методические материалы
Основная литература
1.Амирова С А , Островский С.В. Основы теоретического анализа химикотехнологических процессов. Ч.1. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 1992.
183 стр.
2.Амирова С.А., Островский С.В. Основы теоретического анализа химикотехнологических процессов. Ч.2. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 1992.
239 стр.
3.Позин М.Е., Зинюк Р.Ю. Физико-химические основы неорганической
технологии. С.-П.: Химия, 1993. 438 стр.
4.Широков Ю Г. Теоретические основы технологии неорганических веществ.
Иваново: Ивановский химико-технологический университет, 2000. 336 стр
5.Расчеты химико-технологических процессов /Под ред. И.П. Мухленова. - Л.:
Химия, 1976. 300 стр.
Дополнительная литература
1. Краткий справочник физико-химических величин /Под ред. А.А. Равделя и
А.М. Пономаревой - Л.: Химия, 1983. 232 стр.
2.Карапетьянц М.Х., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические
константы неорганических и органических веществ. - М.: Химия, 1968. 470 стр.
3.Физико-химические свойства галургических растворов. Справочник /Под ред.
Ю.В.Букши и Н.Е. Шестакова. - С.-П.: Химия, 1997. 512 стр.
4.Ксензенко В.И., Кононова Г.Н. Теоретические основы процессов переработки
галургического сырья. - М.: Химия, 1982. 328 стр.
5.Викторов М.И. Графические расчеты в технологии неорганических веществ. Л.: Химия, 1972. 462 стр.
6.Казанская А.С., Скобло В.А. Расчеты химических равновесий. - М.: Высшая
школа, 1974. 288 стр.
7.Широков Ю.Г., Смирнов Н.Н., Прокофьев В.Ю. Теоретические основы .
технологии неорганических веществ. Сборник лабораторных работ с применением
ЭВМ. - Иваново: Ивановский химико-технологический университет, 1999. 116 стр.
8.Справочник по растворимости солевых систем. Т.1. Кн. 1 и 2. /Под ред. А.Д.
Пельша. - Л.: Химия, 1973. 1070 стр.