166316 (Прикладная химия)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.Г. БЕЛИНСКОГО

Принято на заседании Ученого совета Естественно-географического факультета протокол № ___от «___» _________2004 г.

Декан факультета ________________

Л.В. Кривошеева УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

______________________________

М.А. Пятин

УЧЕБНАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине «Прикладная химия»

для специальности

032300.00 – «Биология» с дополнительной специальностью «Химия»

Факультет естественно-географический

Кафедра химии и биохимии

Пенза, 2004 год

Программа дисциплины «Прикладная химия»

Объяснительная записка

Курс «Прикладная химия» должен ознакомить студентов с основными областями применения химии в народном хозяйстве и с применением продуктов конкретных химических и биохимических производств.

Целью курса «Прикладная химия» является подготовка высококвалифицирован­ных учителей химии, способных освещать в школьном курсе во­просы химической и биологической технологии на уровне современного состояния науки и промышленности.

Курс «Прикладная химия» включает лекции, лабораторный практикум, производственную практику на предприятиях.

Лекционный курс должен ознакомить студентов с общими положениями и теоретическими основами прикладной химии, а также с особенностями важнейших, наиболее типичных производств, в первую очередь из числа тех, которые включены программы по химии средних общеобразовательных школ.

Поскольку химическое производство включает обычно три стадии: подготовку сырья, химические превращения и выделение целевых продуктов, то к общим вопросам прикладной химии в первую очередь относятся сырьевые и энергетические проблемы: выбор и комплексное использование сырья и энергии для производственных процессов, роль воды в химической промышленности и ее подготовка. Необходимо приводить в лекции, обобщающие сведения по охране природы и очистке промышленных выбросов. При изложении материала должно быть обращено внимание на современное состояние соответствующей отрасли химической технологии, сырьевые источники и перспек­тивы совершенствования производств.

Известно, что современные промышленные предприятия представляют собой сочетание производств различного профиля. На химических заводах и комбинатах осуществляются разнообразные химико-технологические процессы, требующие сложной аппаратуры, протекающие в широком диапазоне режимных условий: при высоких и низких температурах и давлениях, с применением катализаторов и без них, с применением электрического тока, ультразвука, фотохимических, радиационных, биохимических и других процессов. Характерно и важно то, что наряду с развитием химических производств происходит их типизация, т.е. применение аналогичных технологических приемов, способов производства и типов реакторов.

Теперь создаются новые технологические процессы и системы управления ими не эмпирически, а на основании рационального научного подхода. В связи с этим изучение химико-технологи­ческих процессов и производств базируется на теоретических основах химической технологии. Поэтому важной частью лекционного курса «Химическая технология» служит его вторая часть «Теоретические основы химической технологии», в которой излагаются научные основы химической технологии.

Химико-технологический процесс — это совокупность явлений: диффузии, массо- и теплообмена, гомогенных и гетерогенных химических реакций. Методом изучения этого сложного комплек­са явлений служит условное расчленение процесса на стадии и анализ закономерностей каждой из них. В соответствии с таким подходом в разделе «Основные закономерности химической технологии» рассматриваются диффузионные процессы, тепло- и массообмен в гетерогенных системах, химическое равновесие и возможности его смещения, микрокинетика простых и сложных гомогенных химических реакций, основы макрокинетики химических превращений. Прежде всего, процессы классифицируются по фазовому состоянию реагентов, так как этот признак определяет в значительной мере теоретические основы процессов и их аппаратурное оформление. Также важна классификация по значениям параметров технологического режима: степени перемеши­вания, температуре, давлению, концентрации реагентов и приме­нению катализаторов. Изучая раздел «Основные закономерности химической технологии», студент знакомится с видами технологических схем и важнейшими типами аппаратов.

Поскольку большинство современных химических произ­водств связано с использованием катализаторов, то в отдельный раздел выделены основы промышленного катализа и типы реакторов для каталитических процессов.

В третьей части лекционного курса «Химическая технология» изучаются основы важнейших, наиболее типичных хими­ческих производств. На конкретных примерах этих производств необходимо выявить основные задачи, решаемые химической технологией, ознакомить студентов с важнейшими химическими производствами и аппаратами, обсуждать современные требования к химическим производствам экономического, структурного и экологического характера.

Особое внимание следует уделить проблемам химической технологии в области создания новых конструкционных материалов с заданными химическими и физическими свойствами. Обсудить возможности и перспективы синтеза таких материалов на основе органических и неорганических полимеров.

Прикладная химия неотделима и от социально-бытовой сферы общества. В лекциях необходимо знакомить студентов с областями применения продуктов химических производств. Это расширит кругозор студентов, даст возможность без труда ориентироваться в связях науки с повседневной жизнью.

Отдельную часть курса следует посвятить проблемам биотехнологии. Детально разобрать основные методы культивирования микроорганизмов, получение микробной биомассы как основного источника продуктов питания, производство биологически активных веществ, ферментов, гормонов, регуляторов роста. Дать понятие направленного синтеза биологически важных продуктов на молекулярном и клеточном уровнях, разобрать основные методы создания трансгенных организмов.

В лабораторном практикуме студенты выполняют экспериментальные работы по изучению типовых химико-технологических процессов; исследования проводят на установках, моделирующих производственные. Цель лабораторного практикума: за­крепить и углубить знания, полученные в лекционном курсе; приобрести практические умения в проведении исследования и количественной обработке результатов опыта; ознакомить сту­дентов с современными методами анализа химического сырья и получаемых продуктов. В связи с этим лабораторный практи­кум должен включать работы по всем основным разделам курса — подготовке и анализу сырья, осуществлению типовых про­цессов неорганической и органической технологии (гетерогенных некаталитических, каталитических, электрохимических). По­скольку в химической промышленности большое значение имеет проблема коррозии и защиты реакторов, то целесообразно вклю­чить в практикум соответствующие работы.

Перед экспериментом студенты читают литературу по заданию преподавателя и участвуют в коллоквиуме по определенному разделу курса, а при выполнении технологических работ изучают влияние факторов технологического режима и аппаратурных параметров на показатели исследуемого процесса – выход продукта, скорость, селективность и др. Результаты опытов обсчитывают с применением формул, изученных в лекционной части курса. Количество лабораторных работ должно быть достаточно велико, чтобы обеспечить их выбор в соответствии со спецификой и возможностями данного педагогического института.

Поскольку новым учебным планом не предусмотрен теоретический практикум по химической технологии, то целесообразно на занятиях лабораторного практикума давать студентам задания для домашней работы: решение задач, составление графиков и диаграмм, изготовление чертежей, принципиальных схем химических производств.

На заводской практике студентам предоставляется возможность наглядно ознакомиться с химическими производствами, в первую очередь из числа тех, которые они изучали в курсе «Прикладная химия». Цель заводской практики: расширение технологического кругозора; получение правильных представлений об устройстве аппаратов, о ходе производственного процесса, о свойствах химического сырья, о внешнем виде готовых продуктов, о принципах организации и экономики производства.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом Высшего профессионального образования для студентов, обучающихся по специальности 032300.00 – «Биология» с дополнительной специальностью «Химия».

По учебному плану этой специальности на курс «Прикладная химия» отводится 216 часов, из них 108 часа на аудиторную и 108 часа на самостоятельную работу. Из 108 часов аудиторной работы 54 часов — лекции и 54 часов — лабораторные занятия. По курсу предусмотрены зачет (9 семестр) и экзамен (10 семестр).

Содержание программы

I. Общие вопросы химической технологии

1. Введение

Учение о химическом производстве, основные задачи, решаемые химической технологией Современные требования к химическим производствам экономического, структурного и экологического характера. Технологические и технико-экономические показатели химического производства – производительность и интенсивность работы аппаратов, выход продукта, качество готового продукта и его соответствие ГОСТу или техническим условиям (ТУ), расходные коэффициенты по сырью, топливу, электроэнергии, пару, себестоимость продукта. Пути снижения себестоимости химических продуктов, повышение качества продукта и получение продуктов высокой степени чистоты.

Роль изучения вопросов химической технологии в системе подготовки учителей химии.

2. Сырье, энергия, вода

Понятие о сырье, промежуточном продукте (полупродукте), готовом продукте, отходах производства, комплексном использовании сырья.

Виды и классификация сырья: растительное, минеральное, животное, твердое, жидкое, газообразное, природное и искусственное. Запасы сырья. Подготовка сырья к переработке. Обогащение твердых материалов: методы измельчения, сортировки и обогащения твердого сырья. Флотация, флотационные машины. Концентрированно жидкого сырья. Регенерация отходов производства. Комбинирование производства на основе комплексного использования сырья. Замена пищевого и растительного сырья минеральным. Безотходная технология.

Виды и источники энергии, применяемой в химических производствах. Экономия и пути рационального использования энергии и теплоты реакций.

Вода и ее использование в химической промышленности. Характеристика природных вод и примесей, содержащихся в них. Временная и постоянная жесткость воды, ее солесодержание, окисляемость. Требования, предъявляемые к качеству питьевой и промышленной воды. Очистка питьевой воды на водопроводных станциях. Подготовка воды к использованию в химической промышленности: отстаивание, фильтрация, коагуляция, смягчение химическими и физико-химическими способами, обессоливание, деаэрация. Устройство ионитных фильтров. Необходимость сокращения расхода воды в промышленности. Оборотная вода, ее охлаждение. Очистка сточных вод для повторного использо­вания. Применение воды в радиационно-химических процессах. Замкнутые системы.

3. Экологические проблемы химической технологии. Охрана природы и очистка промышленных выбросов

Проблема охраны почвы, воздушного и водного бассейнов от промышленных выбросов. Характеристика газообразных выбросов и стоков химической промыш­ленности. Санитарные нормы содержания вредных веществ в атмосфере и водоемах, установленные в России. Рациональная организация производственного процесса и безотходные технологические схемы – радикальный метод защиты окружающей среды от промышленных загрязнений. Очистка производственных сточных вод. Методы очистки газообразных выбросов химической промышленности.

II. Теоретические основы химической технологии

1. Основные закономерности химической технологии. Реакторы

Понятие о химико-технологическом процессе. Классификация химико-технологических процессов по фазовому состоянию реагентов и продуктов реакции, по характеру химических реакций, по методам обработки и параметрам технологического режима и другим признакам.

Равновесие в химико-технологическом процессе и оценка возможностей его смещения. Применение принципа Ле Шателье и правила фаз для определения параметров технологического режима.

Гомогенные процессы. Влияние температуры на скорость реакций. Теоретический и практический выход продукта. Влияние концентраций реагирующих веществ на скорость химико-технологического процесса и выход целевого продукта в гомогенных и гетерогенных процессах.

Влияние гидродинамической обстановки на скорость процесса. Деление процессов и реакторов по степени перемешивания реагирующих смесей. Типы реакторов и уравнения скоростей процесса. Идеальное вытеснение. Полное смешивание. Реальные процессы и реакторы. Адиабатические, изотермические, политермические процессы и соответствующие им реакторы.