Химические реакторы

1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины специалист приобретает знания,
умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц1 и Ц2 основной
образовательной программы 240501 Химическая технология материалов
современной энергетики и необходимые для научно-исследовательской,
проектной,
производственно-технологической
и
организационноуправленческой деятельности специалиста:

Приобретение знаний, умений и навыков из области
производственно-технологической
деятельности
связанной
с
проектированием химической аппаратуры;

Подготовка выпускников к применению естественнонаучных,
математических и специальных знаний и умений к решению инновационных
и других задач связанных с разработкой и оптимизацией производственных
химических реакторов;
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к базовой части профессионального цикла
(С3.Б8), из-за ознакомления обучаемых с наиболее распространенными
моделями химических реакторов и принципом их работы.
Для успешного освоения курса обучающийся должен обладать
удовлетворительными базовыми знаниями, полученными при изучении
дисциплин (пререквизитов):
«Физика» С2.Б3.1;
«Химия» С2.Б4.2;
«Математика» С2.Б1.3;
«Процессы и аппараты химической технологии» С3.Б6.
Содержание разделов дисциплины дисциплины «Химические
реакторы» согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно
(КОРЕКВИЗИТЫ):
«Материаловедение» С3.Б7;
«Прикладная химическая термодинамика» С2.Б9.2.
2
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины направлено
на формирование у студентов следующих компетенций (результатов
обучения), в т.ч. в соответствии с ФГОС:
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении данной
дисциплины
Результат
ы
обучения Код
Р2
Составляющие результатов обучения
Знания
Код
Умения
Код
Владение опытом
основы теории процесса в
произвести выбор типа
химическом реакторе,
реактора и произвести
методологию
расчет технологических
исследования
параметров для
взаимодействия
заданного процесса,
процессов химических
определить параметры
превращений и явлений
наилучшей
З.2.1. переноса на всех
У.2.1 организации процесса в
масштабных уровнях,
химическом реакторе,
методику выбора
технологическую
реактора и расчета
эффективность
процесса в нем, основные
реакционные процессы и
реакторы химической
технологии
методами расчета и
анализа процессов в
химических реакторах,
определения
В.6.1.
технологических
показателей, методами
выбора химических
реакторов
Р6
Р8
Работать с
У.8.1. литературными
источниками
В результате освоения дисциплины «Химические реакторы» студентом
должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины (модуля)
№ п/п
РД1
РД2
Результат
Знать общие закономерности химических процессов; основы теории
процесса в химическом реакторе; методологию исследования
взаимодействия процессов химического превращения и явлений переноса
на всех масштабных уровнях, методику выбора реактора и расчета
процесса в нем; основные реакционные процессы и реакторы химической
и нефтехимической технологии.
Обладать системой навыков расчета реакторов необходимых в
дальнейшем при изучении специальных дисциплин и обладать уменьем,
анализировать модели идеальных реакторов
3
4. Структура и содержание дисциплины
4. Структура и содержание дисциплины
4.1.
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Структура дисциплины по разделам, формам организации и
контроля обучения
Название
раздела/темы
Введение
Классификация
химических
реакторов
Основные типы
конструкций
химических
реакторов
Математические
модели
химических
реакторов
Роль структуры
потоков в
осуществлении
процесса
Идеальные
модели
Периодический
реактора и
непрерывные
Каскады
реакторов
смешения
Промежуточная
аттестация
Итого
Аудиторная работа
(час)
Лек Практ./
Лаб.
ции семинар
зан.
1
1
1
СРС
(час)
Итого
Формы текущего
контроля и
аттестации
2
1
4
Конспект
Промежуточный
отчет
1
2
4
7
Промежуточный
отчет
1
3
5
9
Домашняя работа
№1
1
2
4
7
Промежуточный
отчет
1
3
5
8
1
2
5
8
Домашняя работа
№2
Устный отчет
1
3
5
9
Контрольная работа
Зачет
8
16
-
30
54
При сдаче отчетов и письменных работ проводится устное собеседование.
4.2.
Содержание разделов дисциплины
Раздел №1. Основные определения и положения. Структурные элементы химического
реактора. Требования к химическим реакторам.
Раздел №2. Классификация химических реакторов по различным признакам.
Раздел №3. Основные типы конструкций химических реакторов.
Раздел №4. Математические модели химических реакторов. Основные закономерности
лежащие в основе моделей реакторов. Методика создания моделей.
4
Раздел №5. Роль структуры потоков в осуществлении процесса в химическом реакторе.
Описание структуры потоков. Кривые отклика.
Раздел №6. Идеальные модели: Реактор идеального смешения (РИС) и реактор
идеального вытеснения (РИВ).
Раздел №7. Периодический реактор идеального смешения (РИС-П).
Материальный баланс (характеристическое уравнение). Особенности режимов работы.
Области использования. Расчет параметров реактора.
Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИС-Н). Материальный баланс.
Распределение параметров по объему. Кривые отклика.
Реактор идеального вытеснения непрерывного действия (РИВ). Материальный баланс.
Распределение параметров по объему. Кривые отклика. Расчет параметров реактора.
Сравнение параметров РИВ и РИС-Н при работе в идентичных режимах. (распределение
концентраций, степень превращения, выход).
Раздел №8. Каскад реакторов идеального смешения.
– Химические реакторы со структурой потоков, отличной от идеальных. Ячеечная и
диффузионные модели реакторов и области их применения.
– Неизотермические процессы в реакторах. Тепловые балансы РИВ и РИС. Распределение
температур в РИВ и РИС. Связь температуры и степени превращения в реакторах обоих
типов.
– Количество и устойчивость стационарных режимов в РИС в реакторе с внешним
теплообменом.
– Типовые конструкции промышленных химических реакторов.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую
проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний
студента, развитие практических умений и включает:
 работе обучаемых с лекционным материалом, поиск и анализ литературы и
электронных источников информации по заданной проблеме,
 выполнении домашних заданий,
 переводе материалов из тематических информационных ресурсов с
иностранных языков,
 изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку,
 подготовке к зачету.
6.3. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим
образом:
● Проведение контрольных работ;
● Устная беседа при сдаче домашней работы;
5
7. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения
дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам
следующих контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия
Контрольная работа
Домашнее задание
Зачет
Результаты
обучения по
дисциплине
РД1, РД2
РД2
РД1, РД2
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении
контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд
оценочных средств):
 индивидуальные домашние задания,
 варианты контрольной работы,
 вопросы для зачета.
Примеры ИДЗ
Задание 1
Используя термодинамические данные рассчитать константу равновесия
реакции по варианту и четырех температурах. Термодинамические данные
взять из справочников. Решение оформить согласно приложению.
1. 7U  6 H 2O( пар)  3UO2  4UH 3 100; 150; 200; 250° С
2. UO2  2H 2 SO4  U (SO4 ) 2  2H 2O 100; 150; 200; 250° С
3. UO2  4HNO3  UO2 ( NO3 ) 2  2H 2O  2 NO2 45; 70; 95; 120° С
4. UO3  2HCl  UO2Cl2  H 2O 45; 70; 95; 120° С.
Задание 2
Исходя из соотношения компонентов руды, составить уравнения реакций,
посчитать материальный баланс в час по заданной производительности и
составить стандартную таблицу материального баланса.
1.
Давидит. Расход 100 кг/час концентрата.
Cостав: 52% TiO2, 17% FeO, 18% Fe2O3, 2% UO3, 5% Nd2O3, 1% SiO2, 3 %
V2O5, 2% ThO2. Выщелачивание ведут 0,2 М раствором H2SO4. Диоксид
титана растворяется на 30 % с образованием сульфата титанила, диоксид
кремния и тория не реагируют, пятиокисьдиванадия реагирует на 10 % с
образованием дисульфата ванадия. Железо (II) окисляется кислородом
воздуха до железа(III).
Вопросы к зачету:
1. Основные требования к промышленным реакторам.
2. Дифференциальное. уравнения материального баланса.
3. Реактор идеального вытеснения. Графическое отображение параметров
процесса и изменение концентрации от длинны аппарата.
6
4. Характеристическое уравнение реактора идеального вытеснения для
реакции А→D, nА+mB→qM+rR, nА+mB↔dD и с изменением объема.
5. Реактор полного смешения проточный. Графическое отображение
параметров процесса и изменение концентрации от объема.
6. Характеристическое
уравнение
реактора
полного
смешения
проточного.
7. Каскад реакторов полного смешения. Определение числа ступененей.
8. Реактор периодического действия.
9. Сравнение реакторов РИВ и РИС.
10. Сравнение одиночного РИС и каскада из РИС.
11. Сравнение реакторов периодической и непрерывной работы.
12. Выбор реактора и селективность
13. Температурные режимы реакторов. Адиабатические реакторы, его
тепловой баланс.
14. Температурные режимы реакторов. Изотермические реакторы.
15. Температурные режимы реакторов. Политермические реакторы, его
тепловой баланс.
16. Устойчивость работы реактора. Температурная устойчивость и
параметрическая чувствительность.
17. Отклонение реальных реакторов от моделей реакторов.
18. Методика термодинамического расчета. Назначение.
19. Методика составления материального баланса.
20. Методика составления теплового баланса.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и
промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с
«Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости,
промежуточной
и
итоговой
аттестации
студентов
Томского
политехнического университета», утвержденными приказом ректора № 77/од
от 29.11.2011 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
 текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического
материала (ответы на вопросы и др.) и результаты практической
деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем и
др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах
(максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент
должен набрать не менее 33 баллов);
 промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце
семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене
(зачете) студент должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов,
полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный
итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
7
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Общая химическая технология: учебник для вузов / А. М. Кутепов, Т.
И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. – 3-е изд., перераб. – Москва:
Академкнига, 2004. – 528 с.: ил. – Учебники для вузов. – Библиогр.: с.
524.. – ISBN 5-94628-079-1.
2. Оборудование химических производств: учебник для вузов / А. И.
Леонтьева. – Москва: Химия, 2008. – 479 с.: ил.: 22 см.. – Для высшей
школы. – Библиогр. в конце разделов.. – ISBN 978-5-98109-061-5
((Химия) (в пер.)). – ISBN 978-5-9532-0492-7 ((КолосС)).
3. Химические реакторы в примерах и задачах : учебное пособие / Н. Н.
Смирнов, А. И. Волжинский, В. А. Плесовских. – 3-е изд., перераб. и
доп. – СПб.: Химия, 1994. – 276 с.: ил.
Дополнительная литература:
1. Общая химическая технология. Под редакцией профессора Мухленова
И.П. том. 1 . – М.: Альянс, 2009
2. Соколов Р.С. Практические работы по химической технологии:
учебное пособие для вузов / Р. С. Соколов. – Москва: Владос, 2004. –
271 с.: ил. – Практикум для вузов. – ISBN 5-691-01179-0.
3. Практикум по общей химической технологии : учебное пособие / Под
ред. И. П. Мухленова. – 3-е изд., перераб. и доп. – Москва: Высшая
школа, 1979. – 421 с.
4. Основные методы расчета химических реакторов: учебное пособие / Г.
Н. Иванов, В. М. Сутягин. – Томск: Изд-во ТПИ, 1986. – 89 с.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
При проведении лекционных занятий используются корпоративная сеть
НИ ТПУ, Ноутбук ASUS
Мультимедийный проектор TOSHIBA TDR-T95(Мультимедийный проектор
CANON LW-5500)
№
п/п
1
Наименование (компьютерные классы, учебные
лаборатории, оборудование)
Лекционная аудитория – оснащена ТСО
Корпус, ауд.,
количество
установок
10 корп., ауд.332
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ФГОС по направлению 240501 Химическая технология
материалов современной энергетики
Программа одобрена на заседании кафедры «Химической технологии
редких элементов» (протокол № ____ от «___»
201 г.).
Автор
Ассистент кафедры ХТРЭ ________________ Кантаев А.С.
Рецензент доцент каф. ХТРЭ _______________Брус И.Д.
8