ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего  профессионального образования

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический факультет

 

Кафедра органической химии

 

 

 

УТВЕРЖДАЮ

 

Проректор по учебной работе

 

________________В.П. Гарькин

 

«____»_______________ 2006 г.

 

 

 

 

 

 

 

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

 

Химическая  технология

 

(блок  «Общепрофессиональные  дисциплины»;   раздел  «Федеральный  компонент»;  

основная  образовательная  программа  специальности  020101 Химия)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самара

2006

Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования специальности 020101 Химия, утвержденного 10.03.2000 года (номер государственной регистрации 127 ЕН/СП) и типовой (примерной) программы дисциплины «Химическая  технология», одобренной Советом по химии УМО по классическому университетскому образованию 29.10.2002 года

 

Составители рабочей программы: к.х.н., доцент В. П. Гарькин, к.х.н., доцент И. И  Журавлева, к.х.н., доцент З. П. Белоусова

 

Рецензент: к.х.н., доцент В.П. Зайцев

 

Рабочая программа утверждена на заседании кафедры органической химии

 

(протокол №    1   от «  31  »  августа    2006 г.)

                                                          

 

Заведующий кафедрой

²_01_² ___09________ 2006 г.  _______________   П.П. Пурыгин

 

 

СОГЛАСОВАНО

 

Декан

факультета

²__29² ____09_______ 2006 г.  _______________   С.В. Курбатова

 

 

СОГЛАСОВАНО

 

Начальник

методического отдела

²_29_² ___09________ 2006 г.      _______________ Н.В. Соловова

 

ОДОБРЕНО

Председатель

методической

комиссии факультета

 

²_28_² ___09________ 2006 г.  _______________   И.В. Лобачева

 

 

1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе, требования к уровню освоения содержания дисциплины

 

1.1.     Цели и задачи изучения дисциплины

 

Цель дисциплины  – изучение теоретических закономерностей основных процессов химической технологии, знакомство с теорией химических реакторов и общими принципами разработки химико-технологических процессов на основе системного подхода

 

Задачи дисциплины:

 

·        раскрыть роль процессов переноса импульса, тепла и массы в решении проблемы интенсификации химико-технологических процессов

·        рассмотреть основные примеры термодинамических расчетов химико-технологических процессов и использования законов химической кинетики при выборе технологического режима и моделировании этих процессов

·        проанализировать общие принципы построения моделей процессов и аппаратов  химической технологии, установить границы применимости этих моделей

·        показать перспективность новой технологической идеологии, основанной на системном подходе, рассматривающем в единстве физико-химический, физико-математический, инженерно-технический, экономический, экологический и социальный аспекты организации производства

 

1.2.     Требования к уровню подготовки студента, завершившего изучение данной дисциплины:

 

Студенты, завершившие изучение данной дисциплины, должны:

 

Иметь представление:

 

·        о многоуровневом и многокритериальном характере задач создания новых технологий

·        о необходимости привлечения в процессе экспертизы технологических решений универсальных критериев, вытекающих из фундаментальных законов природы

 

Знать:

 

·        базовую терминологию, относящуюся к основным процессам и аппаратам химической технологии

·        основные понятия и законы  гидродинамики, процессов тепло- и массообмена

·        основные технологические критерии эффективности химико-технологического процесса и их математическое выражение

·        структуру математической модели химического реактора и приемы ее упрощения

·        основные положения математической теории эксперимента.

 

Уметь:

 

·        работать со справочной литературой (таблицами, расчетными диаграммами и номограммами), предназначенной для решения инженерных задач

·        производить расчет термодинамических и кинетических характеристик типовых процессов химической технологии

·        решать задачи по расчету параметров технологического режима и определяющих размеров  основных аппаратов химической технологии

·        моделировать химико-технологические процессы с целью их расчета и оптимизации

 

1.3. Связь с предшествующими дисциплинами

 

Курс химической технологии базируется на знании обучаемым основных положений физики (разделы – механика и молекулярная физика), неорганической, органической и физической химии, его владении навыками дифференциального и интегрального исчисления.

 

1.4. Связь с последующими дисциплинами:

 

Понятия и подходы, введенные в курсе химической технологии будут использоваться в курсах «Техногенные системы и экологический риск», «Высокомолекулярные соединения», при составлении отчетов по химико-технологической практике.

 

2. Содержание дисциплины

 

2.1. Объем дисциплины и виды учебной работы (в часах)

 

Дневная форма обучения, 7-й семестр - зачет, 8-й семестр – экзамен

 

Вид учебных занятий

Количество часов

7 семестр

8 семестр

Всего часов аудиторных занятий

50

70

Лекции

20

20

Семинары

16

20

Лабораторные занятия

14

30

Всего часов самостоятельной работы

50

50

Подготовка к отчетам по лабораторным

работам

20

20

Решение задач

30

-

Подготовка к экзамену

-

30

Всего часов по дисциплине

100

120

 

 

2.2. Разделы дисциплины и виды занятий

 

№ п/п

Название раздела
дисциплины

Количество часов

Лекции

Практические занятия

Лабораторные работы

1

Введение

2

-

2

2

Гидромеханические процессы

8

4

6

3

Тепловые процессы

6

4

-

4

Массообменные процессы

4

4

6

5

Химико-технологические процессы

8

6

16

6

Химические реакторы

8

4

-

7

Моделирование и оптимизация

4

6

14

8

Контрольные работы

 

8

 

 

Итого:

40

36

44

 

2.3. Лекционный курс

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Состояние и тенденции развития химической промышленности,  ее сырьевые и  экологические  проблемы.  Области  и  направления  приоритетных исследований в химии и химической технологии.

            Технология механическая,  химическая и биологическая. Основные процессы химической технологии.  Методика  расчетов процессов и аппаратов химической технологии.

 

ТЕМА 1.   ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ  ПРОЦЕССЫ

 

Основы  гидравлики. Физические свойства жидкостей.  Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера. Основное уравнение гидростатики и его практическое значение.

            Основные характеристики движения жидкости. Установившийся и  неустановившийся потоки.  Субстанциональная  производная.  Режим движения жидкости. Распределение скоростей и расход жидкости при установившемся ламинарном потоке. Уравнение  неразрывности потока.  Дифференциальные уравнения движения Эйлера. Уравнение Бернулли и его  практическое  значение.  Дифференциальные уравнения движения Навье-Стокса.

            Основы теории подобия. Условия и теоремы подобия. Метод анализа размерности. Гидродинамическое   подобие.   Подобное   преобразование   уравнений Навье-Стокса. Критерии гидродинамического подобия.

            Гидравлические сопротивления  в  трубопроводах.  Сопротивление  трения. Местные сопротивления.  Движение тел в вязких жидкостях. Сопротивление движению тел в вязких жидкостях.  Осаждение частиц под действием силы тяжести. Движение жидкостей через неподвижные зернистые и пористые слои.  Гидравлика кипящего (псевдоожиженного) зернистого слоя.

 

ТЕМА 2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

 

Виды передачи тепла. Тепловые балансы. Передача тепла теплопроводностью.  Закон Фурье. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Уравнение теплопроводности плоской и цилиндрической стенки.

            Конвективный теплообмен.  Закон  охлаждения  Ньютона.  Дифференциальное уравнение конвективного теплообмена Фурье-Кирхгофа.  Критерии теплового подобия.

            Теплопередача при постоянных температурах теплоносителя (плоская и  цилиндрическая стенки).  Теплопередача при переменных температурах теплоносителей. Уравнение теплопередачи (при прямотоке  и  противотоке  теплоносителей). Выбор взаимного направления движения теплоносителей.

            Тепловое излучение. Закон Стефана-Больцмана. Закон Кирхгофа. Теплообмен лучеиспусканием между телами.  Совместная передача тепла конвекцией и лучеиспусканием.

 

ТЕМА 3.  МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ

 

Виды процессов массопередачи. Способы выражения состава фаз.  Фазовое равновесие.  Материальный баланс  процессов массопередачи. Рабочие линии. Молекулярная диффузия и конвективный перенос.  Дифференциальное уравнение конвективной диффузии.

            Механизм процессов массопереноса.  Уравнение массоотдачи.  Подобие процессов массообмена. Диффузионные критерии подобия. Уравнение массопередачи. Зависимость между коэффициентами массопередачи и массоотдачи.  Средняя  движущая  сила процессов массопередачи и методы ее расчета.

 

ТЕМА 4.  ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ПРОЦЕССЫ

 

Понятие  о химико-технологическом процессе.  Классификация  химико-технологических  процессов.  Стехиометрия химических реакций. Технологические критерии эффективности  химико-технологического процесса.

Термодинамические расчеты химико-технологических процессов. Расчет равновесия по термодинамическим данным. Оценка энергетической эффективности химико-технологических процессов. Методы синергетики в химической технологии.

            Использование законов химической кинетики при выборе технологического режима и моделировании технологических процессов. Формальная кинетика. Кинетические уравнения. Способы изменения скорости простых и сложных реакций.

Гетерогенные процессы. Макрокинетика. Диффузионное торможение. Гетерогенно-каталитические процессы.

 

ТЕМА 5.  ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

 

Уровни анализа, описания и расчета химических процессов, протекающих в химических реакторах. Структура математической модели химического реактора. Уравнение материального баланса реактора. Классификация химических реакторов и режимов их работы.

Химические реакторы с идеальной структурой потока в изотермическом режиме. Реактор  идеального смешения (периодический и проточный). Реактор идеального вытеснения. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Каскад реакторов идеального смешения.

Химические реакторы с неидеальной структурой потоков. Распределение времени пребывания в проточных реакторах.

            Теплоперенос в химических реакторах. Уравнение теплового  баланса реактора.  Тепловые режимы химических реакторов: изотермический, адиабатический, промежуточный (политермический, политропический).   Устойчивость теплового режима работы реактора. Параметрическая чувствительность. Оптимальный температурный режим и способы его осуществления.

 

ТЕМА. 6.  МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ

 

Моделирование и модели.  Способы моделирования. Понятие системы. Математическое описание системы и подходы к его созданию.  Формулирование  задачи  оптимизации  и  методы  ее  решения. Классификация химико-технологических процессов с  точки  зрения  постановки задачи оптимизации. Экономические критерии оптимальности. Энерготехнологии.

Математическая теория эксперимента.  Пассивный и активный  эксперимент. Предварительная обработка опытных данных.  Планирование эксперимента. Оптимальные планы первого порядка. Полный и дробный факторный эксперимент. Композиционные планы второго порядка. Экспериментальный поиск оптимума.

 

2.4. Практические (семинарские) занятия

 

№

п/п

Номер темы

Количество часов

Тема практического

занятия

1

2

2

Ошибки вычислений. Физические свойства жидкостей

2

2

2

Гидродинамическое подобие. Расчет гидравлического сопротивления сети трубопроводов

3

3

 

2

Тепловые балансы. Передача тепла теплопроводностью. Теплопроводность плоской  и цилиндрической стенки

4

3

2

Тепловое подобие. Теплоотдача. Теплопередача

5

3

2

Контрольная работа №1. Расчет теплообменника

6

4

2

Способы выражения состава фаз. Фазовые диаграммы. Рабочие линии. Массоотдача.

7

4

2

Уравнение массопередачи. Зависимость между коэффициентами массопередачи и массоотдачи.  Средняя  движущая  сила процессов массопередачи и методы ее расчета

8

4

2

Контрольная работа №2. Расчет основных размеров массообменных аппаратов

9

5

2

Стехиометрия химических реакций

 

10

5

2

Расчет технологических критериев эффективности  химико-технологического процесса

11

5

2

Формальная кинетика. Кинетические уравнения.

12

5

2

Контрольная №3. Материальные расчеты химико-технологических процессов

13

6

2

Химические реакторы с идеальной структурой потока в изотермическом режиме. Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Каскад реакторов идеального смешения

14

6

2

Тепловые режимы химических реакторов: изотермический, адиабатический, промежуточный (политермический, политропический).  

15

6

2

Контрольная работа №4. Расчет параметров оптимального температурного режима работы химического реактора

16

7

2

Предварительная обработка опытных данных.

 

17

7

2

Планирование эксперимента. Оптимальные планы первого порядка

18

7

2

Композиционные планы второго порядка. Экспериментальный поиск оптимума

 

2.5. Лабораторный практикум

 

№

п/п

Номер темы

Количество часов

Названия лабораторных работ

1

1

2

Ошибки прямых и косвенных измерений

 

2

2

6

Изучение гидравлики псевдоожиженного слоя

 

3

4

6

Ректификация смеси н-гептан – толуол

 

4

5

16

Карбонизация аммиачно-солевого раствора

(2 занятия)

5

5, 7

14

Этерификация стеариновой (пальмитиновой) кислоты этиленгликолем (2 занятия)

 

3. Организация текущего и промежуточного контроля знаний

 

3.1. Контрольные работы

 

Тематика

контрольных работ

Сроки проведения

 

Темы

дисциплины

Гидромеханические процессы. Тепловые процессы

5-е практическое занятие,

8-я лекция

2, 3

Массообменные процессы

8-е практическое занятие,

10-я лекция

4

Химико-технологические процессы

12-е практическое занятие,

14-я лекция

5

Химические реакторы

15-е практическое занятие,

18-я лекция

6

 

3.2. Контроль знаний с использованием тестовых заданий

 

Тематика

тестовых заданий

Сроки проведения

 

Темы

дисциплины

Производство соды

4-е лабораторное занятие,

12-я лекция

5

Моделирование, оптимизация, планирование эксперимента

6-е лабораторное занятие,

20-я лекция

7

 

3.3. Самостоятельная работа

 

3.3.1. Поддержка самостоятельной работы

 

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 2004.

            2. Смирнов Н.Н., Волжинский А.И. Химические реакторы в примерах и задачах. Л.: Химия, 1986.

            3. Гарькин В.П. Методические указания к решению задач по теме "Химические реакторы". Самара: Универс-групп, 2005.

            4. Гарькин В.П. Планирование эксперимента. Самара: Универс-групп, 2005. (Задания для самостоятельной работы).

            5. Белоусова З.П., Гарькин В.П. Химическая технология: методические указания к лабораторным работам. Самара: Универс-групп, 2005.

 

3.3.2. Тематика рефератов

Написание рефератов не предусмотрено.

 

3.4. Курсовая работа, её характеристика; примерная тематика

Курсовая работа не предусмотрена.

3.5. Вид и содержание аттестации по курсу

 

Аттестация по курсу проводится в виде зачета в 7 семестре и в виде экзамена в  в 8 семестре. Зачет ставится на основании  результата отчёта по лабораторным работам, а также положительных результатов выполнения контрольных работ №1 и №2. Допуск к экзамену осуществляется на основании  результата отчёта по лабораторным работам, выполняемым в 8 семестре. Экзаменационная оценка ставится на основании письменного и устного ответов по экзаменационному билету, содержащему расчетные задания по темам 5, 6 и 7. Положительные результаты выполнения контрольных работ №3 и №4 по желанию студента учитываются при выставлении экзаменационной оценки.

4.Технические средства обучения и контроля, использование ЭВМ

·        Компьютерный класс, используемый при проведении тестирования знаний студентов перед выполнением лабораторных работ 8 семестра

·        «REKT» - программа-симулятор процесса периодической ректификации бинарной смеси  н-гептан - толуол (автор Гарькин В.П., Quick Basic Compiler 4.5)

·        «SODA» - программа, содержащая тестирующий и расчетный модули (автор Гарькин В.П., Quick Basic Compiler 4.5)

·        «MODEL» - программа, содержащая тестирующий и расчетный модули (автор Гарькин В.П., Quick Basic Compiler 4.5)

 

5. Активные методы обучения (деловые игры, научные проекты)

·        Выполнение лабораторных работ с элементами исследования.

·        Решение задач исследовательского характера на практических занятиях.

6.  Материальное обеспечение дисциплины

Оборудование для выполнения лабораторных работ:

·        лабораторная установка для изучения гидравлики псевдоожиженного слоя;

·        лабораторная установка для периодической ректификации бинарной смеси;

·        рефрактометр ИРФ-454Б2М;

·        лабораторная установка для проведения карбонизации аммиачно-солевого раствора;

·        баллон со сжиженным углекислым газом;

·        титриметрическая установка Т-108;

·         электронные весы CAS MW 150T;

·        аналитические весы ВЛР-200г-М;

·        лабораторный реактор (смешения, периодический, изотермический).

 

7. Литература

7.1. Основная (одновременно изучают дисциплину 100 человек).

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 2004. (73 экземпляра 2004 года издания,  15 экземпляров 1973 года издания)

2. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. (гриф Минобразования; 125 экземпляров)

 

7.2. Дополнительная

 

1. Закгейм А.Ю. и др. Введение в моделирование химико-технологических процессов. М.: Химия, 1982.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 2004.

3. Смирнов Н.Н., Волжинский А.И. Химические реакторы в примерах и задачах. Л.: Химия, 1986.

 

7.3. Учебно-методические материалы по дисциплине

 

            1. Гарькин В.П. Методические указания к решению задач по теме "Химические реакторы". Самара: Универс-групп, 2005.

            2. Гарькин В.П. Планирование эксперимента. Самара: Универс-групп, 2005. (Задания для самостоятельной работы).

            3. Белоусова З.П., Гарькин В.П. Химическая технология: методические указания к лабораторным работам. Самара: Универс-групп, 2005.