ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
"ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ"*

Курс "Химическая технология" замыкает в университетском образовании базовую подготовку студентов по химическим дисциплинам. Он имеет целью сформировать основы технологического мышления, раскрыть взаимосвязи между развитием химической науки и химической технологии, подготовить выпускников университетов к активной творческой работе по созданию перспективных процессов, материалов и технологических схем.

Отличительная особенность переживаемого периода в развитии цивилизации – осознание глубины глобального экологического кризиса и необходимости радикальных изменений как в основных технологиях преобразования природных энергетических и сырьевых ресурсов, так и всей структуры техносферы. Направленность этих изменений – более рациональное использование сырья, энергосбережение, снижение экологического риска. Технологии нового поколения - это наукоемкие технологии. Всё более краткие сроки разделяют научные открытия и их технологическое использование.

В соответствии с этими мировыми тенденциями и в ожидании возрождения отечественной топливно-химической и химической индустрии на новом технологическом уровне, курс химической технологии должен обеспечить понимание выпускником университета многоуровневого и многокритериального характера задач создания новых технологий, предоставить ему знания и навыки, необходимые для грамотного отыскания точек приложения новых научных результатов, а также экспертизы технологических решений на основе универсальных критериев, вытекающих из фундаментальных законов природы. С этой целью значительное место в курсе отведено методологическим вопросам науки о химико-технологических процессах (ХТП): обоснованию и применению критериев термодинамического совершенства ХТП; физико-химическим принципам классических технологических операций и их базовым математическим моделям; методологии анализа и синтеза технологических систем сложной иерархической структуры. Выделены те общие проблемы технологии, прогресс в решении которых в наибольшей степени определяется текущим уровнем фундаментальных исследований.

Особенностью университетского курса химической технологии является активное использование и углубление тех знаний, которые студенты приобретают при изучении предшествующих курсов, включая многие разделы математики, физики, химической термодинамики, химической кинетики и катализа, химии неорганических и органических соединений.

Важную функцию в изучении предмета химической технологии, помимо лекционного курса, несут лабораторные и семинарские занятия. Лабораторный практикум призван дать выпускникам конкретные знания об "инструментарии" химической технологии. Путем выполнения экспериментальных работ на модельных установках студенты изучают основные закономерности классических технологических процессов и приобретают навыки использования базовых математических моделей процессов при интерпретации экспериментальных данных. На семинарские занятия целесообразно вынести ключевые для экспертизы технологических решений вопросы составления и анализа материальных, энергетических и эксергетичесих балансов химико-технологических систем, а также наиболее сложные в теоретическом отношении вопросы построения математических моделей.

Самостоятельным этапом в изучении дисциплины является учебно-производственная практика студентов на химических предприятиях или опытных производствах научно-исследовательских институтов. Практика призвана закрепить знания, полученные студентами на лекционных, семинарских и лабораторных занятиях; познакомить их с реальными методами контроля и управления сложными ХТП; приблизить к актуальным проблемам действующих химических производств. На учебно-производственную практику целесообразно вынести вопросы современной экономики химических производств и маркетинга. Учебно-педагогический процесс на производственной практике строится по специальной учебной программе.

По сравнению с другими химическими дисциплинами, курс "Химическая технология" должен быть наиболее адаптирован к местным условиям университетов, их традициям и направленности подготовки выпускников, экологической и социально-экономической ситуации в регионе. Поэтому степень детализации проработки вопросов, включенных в программу, может корректироваться самими университетами.

В особенности это относится к последнему разделу программы, посвященному технологическим схемам химических производств. Основательное рассмотрение вопросов структуры химического производства, связей между типовыми процессно-аппаратурными модулями, общего материального и энергетического баланса производства целесообразно провести на примере некоторых из важнейших производств. Право их выбора остается за лектором курса. Этот раздел может быть дополнен рядом других производств, изучение которых необходимо студентам данного региона.

Для университетов, осуществляющих подготовку химиков-педагогов для средней школы, дифференцированный подход к содержанию лекционного курса подразумевает сокращенное изложение вопросов теоретического описания и моделирования технологических процессов.

Общие вопросы химической технологии

Роль и масштабы использования химических процессов в различных сферах материального производства. Сырьевая и энергетическая база химических производств. Тенденции развития техносферы и возрастающее значение проблем ресурсо- и энергосбережения, обеспечения безопасности химических производств, защиты окружающей среды.

Химическое производство как сложная система. Основные этапы создания химико-технологических систем (ХТС); принципы и общая стратегия системного подхода. Структурная иерархия технологических систем: молекулярные процессы – макрокинетика – аппараты – производства – глобальные проблемы развития техносферы. Роль математического моделирования в решении задач проектирования и эксплуатации ХТС.

Фундаментальные критерии эффективности использования сырья и энергоресурсов в ХТП. Интегральные уравнения баланса материальных потоков в технологических системах. Показатели расхода различных видов сырья; относительный выход продукта. Интегральные уравнения баланса потоков энергии. Сопоставление масштабов изменения различных форм энергии в типовых процессах. Коэффициенты преобразования энергии. Термодинамическая неравноценность различных форм энергии; термодинамическая шкала качества тепловой энергии. Интегральное уравнение баланса энтропии; рост энтропии в технологическом процессе. Эксергия как мера потенциальной работоспособности системы. Уравнение баланса эксергии; связь между потерями эксергии и производством энтропии. Коэффициенты преобразования эксергии. Основные источники производства энтропии в технологических процессах; общее выражение скорости производства энтропии через потоки субстанций и их движущие силы. Основные направления повышения эффективности использования сырьевых и энергетических ресурсов. Комплексное использование сырья. Энерготехнологические схемы и их сущность.

Критерии интенсивности ХТП и компактности технологических устройств. Конкурирующий характер показателей интенсивности (компактности) и термодинамического совершенства. Фундаментальный характер проблем управления абсолютными скоростями процессов.

Химическая технология и материаловедение. Современная систематика материалов по составу, свойствам и функциональному назначению. Материалы как важная категория продуктов химической технологии. Воспроизводимость свойств материалов как ключевая проблема материаловедения. Функциональные материалы в химической технологии: катализаторы, адсорбенты, электроды, мембраны, сенсоры и др. Параметры ныне применяемых функциональных материалов и прогнозируемые характеристики. Ресурс функциональных материалов - один из важнейших критериев их использования в технологии. Конструкционные материалы как фактор, лимитирующий применение экстремальных физических воздействий в технологии. Химическое сопротивление металлических и неметаллических материалов. Методы защиты металлов и сплавов от коррозии. Основные виды неметаллических конструкционных материалов. Роль новых материалов в синтезе эффективных технологических схем и интенсификации технологических процессов.

Экономические показатели эффективности химических производств. Технико-экономические особенности химической промышленности. Основные производственные фонды, оборотные средства и трудовые ресурсы производств. Критерии эффективности их использования. Структура затрат на производство и реализацию продукции. Себестоимость продукции, прибыль и ценообразование в химической промышленности. Оценка эффективности инвестиционных проектов.

Макроскопическая теория физико-химических явлений - теоретическая база химической технологии. Основные макроскопические переменные параметры, характеризующие перенос и превращение вещества, импульса и энергии в распределенных неравновесных системах. Обобщенная форма дифференциальных уравнений баланса, связывающих функции плотности, потока и источника субстанции. Конвективный и кондуктивный перенос субстанции. Классические законы пропорциональности кондуктивных потоков химического компонента, импульса и теплоты градиентам концентрации, скорости и температуры. Характеристика коэффициентов переноса в различных средах. Конкретные частные формы дифференциальных уравнений баланса вещества, импульса и энергии.

Элементы механики газов и жидкостей. Представление о множестве экспериментально наблюдаемых режимов обтекания сплошной средой тела правильной формы в зависимости от интервала изменения критерия гидродинамического подобия Рейнольдса. Режимы течения сплошной среды в каналах и при фильтрации через плотные слои гранулированных материалов. Расчет профиля скорости и перепада давления в прямолинейном канале (щелевом или цилиндрическом). Течения, обус-ловленные градиентами плотности и поверхностного натяжения. Значение экспериментальных и теоретических методов механики сплошных сред для химической технологии.

Способы и устройства для измерения скорости и расхода движущейся среды. Краткие сведения о насосах , компрессорных машинах и турбинах. Методы смешения фаз и разделения гетерогенных систем.

Тепловые процессы в химической технологии. Способы распространения теплоты: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение; соответствующие уравнения теплопереноса. Технологические способы нагревания и охлаждения. Теплообменные аппараты. Математическое моделирование процессов теплообмена. Коэффициенты теплопереноса; полуэмпирические критериальные соотношения. Представление о сложении термических сопротивлений и лимитирующем сопротивлении. Пути интенсификации процессов теплообмена и повышения их термодинамической эффективности.

Массообменные процессы. Основные принципы массообменных процессов в системах газ - жидкость, жидкость - жидкость, газ - твердое тело, жидкость - твердое тело. Равновесные, кинетические и механические факторы в организации процессов межфазного массообмена. Моделирование стационарного процесса абсорбции. Аналогия с теплообменом. Коэффициенты массопереноса; полуэмпирические критериальные соотношения. Средства интенсификации массообмена. Регенерация абсорбентов, экстрагентов и адсорбентов. Критерии построения оптимальных сорбционно-десорбционных циклов.

Математическое моделирование нестационарных процессов адсорбции в колоннах с неподвижным слоем сорбента. Математическое описание внутридиффузионного режима сорбции (десорбции) вещества в пористых гранулах адсорбента. Явление формирования фронта сорбции; условия установления режима параллельного переноса фронта в колонне.

Аппаратурное оформление и моделирование процессов разделения смесей веществ методом ректификации. Другие аналогичные процессы разделения, осуществляемые по схеме с обращением потока смеси. Расчет требуемой высоты колонны для заданной степени разделения в стационарном безотборном режиме работы колонны. Связь между глубиной разделения и производительностью колонны. Основные источники энергозатрат в ректификации и пути их снижения.

Мембранная технология разделения смесей веществ. Равновесные и кинетические факторы, определяющие эффективность мембранного разделения. Иерархическая структура современных мембранных материалов. Теоретическая минимальная работа разделения. Конструкция мембранных аппаратов. Многоступенчатые каскады разделительных модулей.

Области применения различных методов разделения смесей веществ.

Химические реакторы. Основные типы химических реакторов; примеры их использования в технологии важнейших химических продуктов. Принципы построения многоуровневых математических моделей процессов в гетерогенных каталитических реакторах. Кинетические модели химических реакций. Диффузионно-кинетические режимы протекания реакции в пористой грануле катализатора. Изменение наблюдаемого кинетического порядка реакции. Факторы, определяющие эффективность использования катализатора. Явление множественности стационарных режимов, области их притяжения и устойчивость (области "зажигания" и "гашения" реакции) на примере экзотермической каталитической реакции. Моделирование проточных реакторов с неподвижным слоем катализатора и реакторов идеального перемешивания. Способы сопряжения химического превращения с процессами разделения продуктов реакции.

Химико-технологические процессы как объект управления. Входные и выходные параметры системы; параметры состояния, конструкционные и управляющие параметры; функциональный оператор системы. Задача выбора адекватной математической модели и параметрической идентификации объекта.

Статиcтические данные о масштабах мирового производства важнейших групп химических продуктов в тоннажном и стоимостном выражении, удельном энергопотреблении, стоимости и сроках службы основных видов оборудования. Прогнозные данные о сырьевом обеспечении крупномасштабных промышленных химических процессов, включая переработку первичных энергоресурсов во вторичные, производство металлов и полимерных материалов, минеральных удобрений, серной кислоты и т.д. Общие сведения об основных источниках промышленных отходов и выбросов, их воздействие на окружающую среду. (Полнее эти вопросы излагаются в курсе "Охрана природы".)

Сложность и многовариантность решения задачи синтеза и оптимизации технологической схемы крупного химического производства. Принцип многостадийного осуществления химического преобразования исходного сырья в конечные продукты с оптимальным варьированием вдоль траектории процесса температуры и давления, точек ввода реагентов и вывода побочных продуктов химических превращений, использованием вспомогательных рабочих веществ селективного действия (катализаторов, абсорбентов и т.д.), организацией местных рециклов материальных потоков. Структурная организация процессов теплообмена и вспомогательных потоков теплоносителей в современных технологических системах, направленная на утилизацию теплоты (термической эксергии) экзотермических стадий процесса при проведении его эндотермических стадий. Необходимость оптимизации не отдельных стадий, а технологической схемы производства в целом. Вода как сырье и компонент химических производств; процессы водоподготовки и подсистемы водооборота в промышленности. Подсистемы контроля и управления технологическими процессами. Виды технологического анализа на химических предприятиях. Перспективы использования суперкомпьютеров для анализа динамического поведения многоступенчатых технологических систем и оптимального управления действующими производствами.

Анализ технологических схем некоторых важнейших химических производств. (Выбор представительных схем химических производств может быть изменен в соответствии с региональной ориентацией химической технологии. Для специализированных групп студентов в эту часть курса могут быть включены разделы технологии конструкционных и функциональных материалов и биотехнологии, за счет сокращения списка рассматриваемых крупнотоннажных производств.)

Ключевое значение технологии связывания атмосферного азота в производстве продовольствия. Структура современного производства аммиака из природного газа: основные блоки и связи. Гибкое использование гетерогенных катализаторов в многоступенчатой схеме приготовления и очистки азотоводородной смеси. Наиболее важные схемные решения, направленные на энергосбережение: сопряжение эндотермической реакции конверсии метана и экзотермических процессов окисления топлива в шахтном реакторе; последовательное снижение температуры на стадиях конверсии оксида углерода; распределенный по высоте абсорбера ввод абсорбента (раствора МЭА) с различной степенью регенерации и соответственно распределенный отвод регенерированного раствора из десорбера; инфраструктура потоков теплоносителей - воды и пара. Особенности циркуляционной схемы синтеза аммиака; физико-химические основы выбора оптимальной схемы синтеза аммиака; профилирование температуры по высоте колонны синтеза. Утилизация "продувочных" газов. Оценка потерь эксергии и капитальных затрат на различных стадиях производства аммиака и современные тенденции в его оптимизации.

Структура и основные особенности современной технологической схемы производства азотной кислоты. Физико-химические основы и аппаратурное оформление процессов селективного каталитического окисления аммиака, окисления оксидов азота и их абсорбции. Схемы каталитического обезвреживания отходящих газов. Причины низкой эксергетической эффективности производства азотной кислоты.

Производство нитрата аммония. Использование теплоты нейтрализации. Производство карбамида.

Перспективы биотехнологии в решении проблемы фиксации азота в почвах.

Виды фосфорсодержащего сырья: апатиты и фосфориты, мировые запасы и основные месторождения. Различия минералогического состава и свойств, определяющие выбор способа технологической переработки: кислотного, термического, гидротермического, плазмохимического. Механохимическая активация фосфорсодержащего сырья.

Современное состояние производства и потребления фосфора и фосфорных кислот. Экстракционная кислота как основа производства минеральных удобрений. Электротермический способ получения элементарного фосфора и термической фосфорной кислоты.

Физико-химические основы разложения природных фосфатов серной, азотной и фосфорной кислотами. Политермический анализ фазовых равновесий в растворах многокомпонентных систем - основа выбора технологических параметров процесса комплексной переработки апатита. Дегидратный, полугидратный и ангидритный способы разложения. Совершенствование аппаратурного оформления процесса: переход от каскада реакторов с перемешиванием к лабиринтному типу непрерывного экстрактора. Фильтрация и отмывка фосфогипса. Состав и концентрация образующейся фосфорной кислоты в зависимости от температуры и способа разложения апатита. Выделение и утилизация фтористых газов. Баланс по фтору в производстве фосфорной кислоты и удобрений.

Производство экстракционной фосфорной кислоты и удобрений – основной потребитель мирового производства серной кислоты. Современное состояние производства серной кислоты из различных видов сырья (природная сера, колчедан, серосодержащие отходящие газы переработки полиметаллических руд, сера и сероводород из нефтей и природного газа). Фосфогипс - отход производства экстракционной фосфорной кислоты - потенциальный источник сырья для получения серной кислоты и построения замкнутых циклов в производстве удобрений.

Мировые запасы нефти, основные показатели распространенности и потребления нефти по странам. Дефицит нефти. Основные целевые продукты нефтепереработки. Первичные и вторичные процессы нефтепереработки. Глубокая переработка нефти с использованием каталитических процессов - основа ресурсосбережения и получения высококачественных моторных топлив, смазочных масел и широкого ассортимента сырья для нефтехимического и микробиологического синтеза.

Каталитический крекинг - важнейший многотоннажный технологический процесс переработки нефтяных фракций. Химические основы процесса и целевые продукты. Многовариантный состав керосино-газойлевых фракций - основного сырья процесса каталитического крекинга и методы его подготовки (гидрообессеривание и гидроочистка).

Алюмосиликатные катализаторы крекинга (от природных глин до современных цеолитсодержащих синтетических катализаторов). Роль аморфной алюмосиликатной матрицы. Синергизм в системе цеолит - матрица. Гибкость процесса по сырью за счет целенаправленного модифицирования катализатора (введение матрицы, полизарядных катионов, ультрастабилизация), придание устойчивых механических и гидромеханических свойств (микросферизация, введение баритов и пр.). Изменение свойств катализатора (активности и селективности) в процессе крекинга и необходимость регенерации катализатора. Роль процессов массопереноса в осуществлении каталитического крекинга.

Эволюция технологического оформления процесса каталитического крекинга: стационарный слой катализатора, псевдоожиженный слой микросферного катализатора, движущийся слой гранулированного катализатора, движущийся слой шарикового катализатора с соосным расположением реактора и регенератора с пневмотранспортом, крекинг в лифт-реакторе с дожигом СО в СО₂ и улавливанием сернистых соединений в регенераторе.

Основные технологические параметры современного процесса: температура, давление, объемная скорость подачи сырья, кратность циркуляции катализатора и его характеристика. Влияние массовых потоков в реакторе и регенераторе на устойчивость температурных режимов каталитического крекинга и эффективность процесса в целом. Совершенствование процесса: повышение активности и прочности катализаторов, ческого крекинга с другими каталитическими процессами - каталитичеприменение схем с полусквозным потоком катализатора, сопряжение каталитиский реформинг, платформинг, висбрекинг и др.

Основные типы реакций образования полиэтилена (ПЭ): радикальная и ионная полимеризации этилена. Роль катализатора в ионной полимеризации этилена. Способы осуществления реакций полимеризации этилена: в газовой фазе, в растворе, в суспензии. Преимущества и недостатки этих способов. Свойства, определяющие качество ПЭ: плотность, степень кристалличности, молекулярная масса.

Сырье для производства ПЭ. Промышленный способ получения этилена. Технологическая схема подготовки сырья для производства ПЭ.

Промышленное получение ПЭ. Сравнение различных технологических схем получения ПЭ. Получение ПЭ низкой плотности. Основные особенности технологической схемы радикальной полимеризации этилена при высоком давлении в газовой фазе в трубчатых реакторах. Получение ПЭ высокой плотности. Особенности технологической схемы полимеризации этилена при средних давлениях в органическом растворителе на оксидных катализаторах. Особенности технологической схемы полимеризации этилена при низких давлениях в газовой фазе на катализаторах Циглера - Натта в аппаратах с псевдоожиженным слоем. Сравнительный эксергетический анализ организации тепловых потоков в различных технологических схемах производства ПЭ.

Технология переработки и области применения ПЭ и изделий из него.

Химическая модификация ПЭ как метод промышленного получения полимеров с принципиально новыми эксплуатационными свойствами. Хлорированный полиэтилен (ХПЭ). Основные эксплуатационные свойства ХПЭ. Особенности радикальной реакции хлорирования ПЭ в растворе. Понятие о композиционной неоднородности ХПЭ. Влияние общего содержания хлора и композиционной неоднородности ХПЭ на его эксплуатационные свойства. Технологическая схема получения ХПЭ в реакторе барботажного типа со съемом тепла "на кипу" или во внешнем циркуляционном контуре. Хлорсульфированный полиэтилен (ХСПЭ). Основные эксплуатационные свойства ХСПЭ. Особенности радикальной реакции сульфохлорирования ПЭ в растворе. Механизмы вулканизации ХСПЭ.

Экологические аспекты производства ПЭ и изделий на его основе.

Физико-химические основы процесса электролиза водных растворов и расплавов хлоридов щелочных металлов. Баланс напряжения и расход электроэнергии на электролиз. Выход по току. Материальный и тепловой балансы электролизера. Основы теории переноса в диафрагмах и ионообменных мембранах. Распределение газосодержания в межэлектродном пространстве. Анализ влияния неоднородностей распределения тока и фильтрации электролита на выход по току побочных продуктов.

Типы промышленных электролизеров. Электролизеры с твердым катодом: диафрагменный и мембранный. Электролизер с ртутным катодом. Реактор для разложения амальгамы. Электролизер для электролиза расплавов хлоридов щелочных металлов.

Основные стадии производства хлора и каустической соды. Приготовление и очистка рассола. Электролиз водных растворов и расплавов. Физико-химические основы конденсации жидкого хлора. Осушка, компримирование и конденсация жидкого хлора. Хранение и транспортировка жидкого хлора. Осушка и перекачка водорода. Выпарка и плавка каустической соды.

Сравнительный анализ тепловых потоков и потерь эксергии в различных технологических схемах получения хлора и каустической соды.

Экологические проблемы производства хлора и каустической соды.

Основная

Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: В 2 кн. М.: Химия, 1995.

Кузнецов Л.Д. и др. Синтез аммиака. М.: Химия, 1982.

Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. М.: Высш. шк., 1990.

Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1988.

Основы технологии переработки пластмасс/Под ред. В.Н. Кулезнева, В.К. Гусева. М.: Химия, 1995.

Дополнительная

Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е. Явления переноса. М.: Химия, 1974.

Биотехнология. Принципы и применение / Под ред. И.Хиггинса, Д.Беста, Дж. Джорнса. М.: Мир, 1988.

Вест А. Химия твердого тела (теория и приложения): В 2 т. М.: Мир, 1988.

Вольфкович С.И. и др. Общая химическая технология: В 2 т. Л., 1952. Т.1; Л.,1959. Т.2.

Кутепов А.М. и др. Химическая гидродинамика: Справочное пособие. М.,1996.

Сафонов М.С. Критерии термодинамического совершенства технологических систем. М.: МГУ, Химфак, 1998.

Третьяков Ю.Д., Можаев А.П., Олейников Н.Н. Основы криохимической технологии. М.: Высш. шк., 1987.

Франк – Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука,1987.

Шервуд Т., Пигфорд Р.Л., Уилки Ч. Массопередача. М.: Химия, 1982.

Якименко Л.М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов. М.: Химия, 1974.

М.С. Сафонов, проф.;
Л.В. Кубасова, доц.
(Московский государственный университет)

Рецензенты программы:
А.М. Кутепов, акад.
(Государственная академия химического машиностроения);
З.Д. Белых, доц.
(Пермский государственный университет)