На главную

 
Аспирантура
Книги и пособия
Кафедра катализа и адсорбции
Кафедра физической химии
Версия для печати | Главная > Образование > Аспирантура > Информация для обучающихся аспирантов > Кандидатские экзамены > Кандидатские экзамены по специальностям

ВЫСШАЯ АТТЕСТАЦИОННАЯ КОМИССИЯ

ПРОГРАММЫ-МИНИМУМ

для аспирантов и соискателей Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН


Образец заявления для сдачи кандидатского экзамена по специальности

Подробнее


Программа кандидатского экзамена по специальности 1.4.4 «Физическая химия»

Подробнее


Программа кандидатского экзамена по специальности 1.4.14 «Кинетика и катализ»

Подробнее


Программа кандидатского экзамена по специальности 2.6.13 «Процессы и аппараты химических технологий»

2.6.13 “Процессы и аппараты химических технологий”

по техническим, химическим и физико-математическим наукам

Введение

В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: системный анализ и математическое моделирование процессов химической технологии; физико-химическая гидродинамика; механика твердых дисперсных систем; теория тепло - и массопереноса, теория химических реакторов; химическая термодинамика; неравновесная термодинамика необратимых процессов.

1.    Системный анализ процессов химической технологии

Основные принципы системного анализа; взаимосвязь явлений в отдельных процессах и аппаратах; иерархия явлений и их соподчиненность в изучении процессов и аппаратов; иерархическая структура химического производства; взаимовлияние аппаратов. Математическое моделирование как современный метод анализа и синтеза химико-технологических процессов и химико-технологических систем. Сущность и цели математического моделирования объектов химической технологии, формы представления информации о процессе (управления, регрессии, дифференциальные уравнения, интегральные уравнения, конечные и конечно-разностные уравнения). Постановка задачи математического описания процесса. Два подхода к составлению математической модели процесса: детерминированный и стохастический. Их возможности и сферы использования. Теория подобия и анализ размерностей. Подобные преобразования, физическое моделирование, метода характеристических масштабов. Основы теории переноса количества движения, энергии, массы; гидродинамика и гидродинамические процессы: основные уравнения движения жидкостей, гидродинамическая структура потоков.

2.    Типовые модели структуры потоков в аппаратах непрерывного действия

Модель идеального смешения. Вывод дифференциального уравнения модели. Условия реализуемости принятых допущений в приложении к аппаратам химической технологии. Модель идеального вытеснения. Вывод дифференциального уравнения модели. Сравнительная оценка идеальных моделей. Диффузионная модель. Последовательное и параллельное включение ячеек идеального смешения и вытеснения.

3.    Химическая термодинамика

Система. Состояние системы. Уравнения состояния. Энергия. Работа. Теплота. Нулевой и первый законы термодинамики. Основные законы термохимии. О равновесных и обратимых процессах. Второй и третий законы термодинамики. Переменные состояния. Экстенсивные и интенсивные свойства. Характеристические уравнения состояния. Закрытые системы. Открытые системы, химический потенциал. Определение. Парциальные мольные величины. Реальные системы. Фугитивность, активность. Уравнения состояния. Гомогенные и гетерогенные системы. Фаза.

Химическое равновесие. Закон действующих масс. Условия химического равновесия. Математическая модель химического равновесия. Константа химического равновесия, различные формы ее выражения и связь между ними. Основы расчета равновесного состава многокомпонентной реагирующей смеси без использования детерминированных химических реакций. Балансовые ограничения. Расчет равновесного состава с использованием детерминированных химических реакций. Балансовые ограничения. Зависимость равновесного состава от температуры и давления. Изотермическое и адиабатическое равновесие.

Термодинамика фазовых равновесий. Идеальные и реальные системы. Законы Генри, Рауля, области их применимости. Молярная свободная энергия Гиббса и фугитивность чистого компонента. Современные уравнения состояния реальных газов и жидкостей. Химический потенциал чистого компонента и компонентов смеси. Расчет термодинамических свойств многокомпонентной смеси (энтальпии, теплоемкости, энтропии) с использованием современных уравнений состояния. Фазовые диаграммы многокомпонентной смеси на плоскости P-T и на плоскости P-V. Характерные граничные линии (бинодаль, спинодаль), их физический смысл и практическое значение. Характерные особые точки (критическая точка).

4.      Тепловые процессы

Основные понятия и определения. Температура. Теплообмен. Теплопроводность. Конвективный перенос тепла. Тепловой поток. Уравнение Фурье. Коэффициенты теплопроводности и теплоотдачи. Свободная конвекция. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Критерии подобия процессов конвективного теплообмена. Теплоотдача в дисперсных системах с твердой фазой. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния веществ (кипение и испарение, конденсация).

Теплообменные аппараты. Назначение и классификация. Основные типы. Аппараты с рубашками. Змеевиковые теплообменники. Кожухотрубные теплообменники. Поверхностные и смесительные теплообменники. Уравнения теплового баланса. Движущая сила стационарного процесса. Прямоток и противоток.

5.    Массообменные процессы.

Основы процессов массообмена. Общие понятия и определения. Фазовое равновесие. Материальные балансы массообменных процессов. Механизм массообменных процессов. Коэффициенты массоотдачи и массопередачи. Дифференциальные уравнения и критерии подобия массообменных процессов. Движущая сила.

Абсорбция. Устройство и принцип работы абсорберов. Поверхностные, барботажные и распылительные абсорберы. Технологические варианты процесса физической абсорбции. Неизотермическая абсобция. Регенерация абсорбентов (десорбция). Абсорбция, сопровождаемая химической реакцией (хемосорбция).

Дистилляция и ректификация. Общие понятия.

Адсорбция. Общие понятия. Промышленные адсорбенты и их основные характеристики. Периодическая и непрерывная адсорбция

6.    Диффузионные процессы

Математическое описание процессов диффузии. Однофазная неподвижная среда. Стационарная диффузия в движущихся средах. Диффузия в многокомпонентных системах. Диффузионный потенциал. Массопередача в диффузионных процессах. Модели массопередачи.

   7.    Химические реакторы

7.1.        Классификация и типы реакторов.

По принципу действия: Реакторы закрытого и полузакрытого типа. Области их применения. Проточные реакторы непрерывного действия. Реакторы емкостного и колонного типа.

По числу фаз: Гомогенные (однофазные) реакторы. Гетерогенные (многофазные) реакторы газ-твердое, газ-жидкость. Трехфазные реакторы газ-жидкость-твердый материал (катализатор, инертная насадка). Области их применения.

По состоянию фаз: Реакторы с неподвижным слоем катализатора. Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора. Барботажные реакторы. Реакторы с орошаемым слоем катализатора. Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора (газ-твердое и газ-жидкость-твердое).

По гидродинамическому режиму: Режим идеального вытеснения, идеального смешения, смешанные режимы с учетом неидеальности (напр. продольной диффузии).

По тепловому режиму: Изотермические и адиабатические реакторы. Промежуточный отвод/подвод тепла.

7.2.        Гомогенные химические реакторы

Гомогенные изотермические реакторы. Классификация реакторов по гидродинамическому признаку. Реактор периодического действия. Проточный реактор с мешалкой. Каскад реакторов идеального смешения. Оптимальное соотношение объемов реакторов в каскаде. Реактор с продольным перемешиванием потока (ламинарный и турбулентный режимы). Выбор типа реактора с учетом селективности реакции. 

Гомогенные неизотермические реакторы. Классификация реакторов по энергетическому признаку. Адиабатические и политропические реакторы. Сравнение эффективности адиабатических и изотермических реакторов. Адиабатические и политропические реакторы с продольным перемешиванием.

 7.3.        Гетерогенные химические реакторы

Гетерогенные каталитические реакторы, классификация каталитических реакторов по конструктивному и гидродинамическим признакам. Одно- и многослойные реакторы со стационарным слоем катализатора. Квазигомогенная и гетерогенная модели. Автотермические каталитические реакторы. Реакторы с псевдоожиженным слоем катализатора. Двухфазная и трехфазная модели реактора. Реакторы с движущимся слоем катализатора. Учет изменения активности катализатора в реакторах с псевдоожиженным и движущимся слоем катализатора. Понятие о многофазных каталитических реакторах. Примеры построения математических моделей расчета некоторых типов промышленных каталитических реакторов. Газожидкостные и жидкость-жидкостные реакторы. Классификация по конструктивному и гидродинамическим признакам. Реактор с мешалкой. Тарельчатые и насадочные реакторы. Модель идеального вытеснения в газовой и жидкой фазах. Особенности составления математической модели многофазного реактора. Примеры составления математических моделей и расчета некоторых типов газожидкостных реакторов. Реакторы для проведения процессов в системах газ – твердое тело. Классификация промышленных реакторов по конструктивному и гидродинамическому признакам.

 8.    Моделирование химических процессов в реакторах

Макрокинетика. Определение понятия “макрокинетика”. Составные части макрокинетической модели. Основные этапы построения. Формализм макрокинетики, основные понятия и определения. Компоненты. Фазы. Стехиометрические реакции. Сложная реакция как совокупность простых стехиометрических стадий. Стехиометрическая и атомная матрица. Баланс химических элементов. Скорость реакции и плотность источника компонента. Связь между ними. Независимые (ключевые) и зависимые источники. Связь между ними. Уравнения скорости. Закон действующих масс. Более сложные выражения для скорости реакции, выводимые на основе детального механизма. Смысл параметров кинетической модели, их зависимость от температуры. Феноменологические модели. Обратимые реакции, термодинамическая константа равновесия. Термодинамическая согласованность кинетического уравнения. Макрокинетический эксперимент, лабораторные микрореакторы, их математическое описание. Статистическая корректировка экспериментальных данных.

Идентификация кинетических моделей, параметрическая и структурная. Классические вычислительные и математические методы идентификации. Адекватная модель. Статистические свойства оценок параметров.

Процессы на пористых зернах. Модели пористой структуры. Эффективный коэффициент диффузии. Математические описания стационарного изотермического процесса для плоской пластины, шара и цилиндра на основе квазигомогенной модели. Граничные условия. Внешнедиффузионный процесс. Наблюдаемая скорость реакции. Степень использования внутренней поверхности. Влияние размера зерна. Аналитические выражения для наблюдаемой скорости и степени использования в случае простых реакций. Сложные и обратимые реакции. Диффузионная стехиометрия. Неизотермический процесс. Влияние процессов теплопереноса на степень использования внутренней поверхности.

Базовые уравнения математических моделей. Законы сохранения массы, тепла и импульса. Обобщенные уравнения Дамкелера, их физический смысл. Частные случаи, используемые на практике.

Основные принципы составления математического описания любого реактора на основе мольных балансов потоков. Переход к различным интенсивным переменным состояния (парциальным давлениям, мольным долям, массовым долям, мольным концентрациям).

Понятия объемная скорость (space velocity), условного времени контакта (space time), способы их выражения. Выбор основных независимых переменных модели (длины реактора, условного времени контакта). Учет изменения мольного, объемного потока по мере развития реакции.

 

Литература:

Основная

1.     Hayes R.E. Introduction to chemical reactor analysis. Gordon and Breach Science Publishers. 2001.

2.     Бенедек П., Ласло А. Научные основы химической технологии. Л.: Химия, 1979. -376 с.

3 . Бесков В.С., Сафронов В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. –М.: Химия, 1999. – 472 с.

4. Гельперин Н.И. Щсновные процессы и аппараты химической технологии. Книги 1 и книга 2. Москва, Химия, 1981.

5. Йоффе И.И., Письмен Л.М. Инженерная химия гетерогенного катализа. – Л.: Химия, 1972. – 462 с.

6. Арис Р. Анализ процессов в химических реакторах. – Л.: Химия, 1967. – 328 с.

7. Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов. М.: Химия, 1969. – 260 с.

8. Кафаров В.В., Глебов М.Б. Математическое моделирование основных процессов химических производств. – М.: Высшая школа, 1991, - 400 с.

9. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – М.: Наука, 1967, - 492 с.

10. Карапетянц М.Х. Химическая термодинамика. Изд. 3-е, пер. и доп. М.: Химия, 1975. – 584 с.

11. Термодинамика равновесия жидкость-пар. Под ред. А.Г. Морачевского. Л.:Химия, 1989, - 344 с.

12. Малиновская О.А., Бесков В.С., Слинько М.Г. Моделирование каталитических процессов на пористых зернах. Изд. Наука, Сибирское отделение. 1975

13. Ермакова А. Методы макрокинетики, применяемые при математическом моделировании химических процессов и реакторов. Учебное пособие. Новосибирск, Институт катализа РАН им. Г.К. Борескова. 2001 г. 184 С.

14. Ермакова А. Методы прикладной термодинамики, применяемые при математическом моделировании химических процессов и реакторов. Учебное пособие. Новосибирск, Институт катализа РАН им. Г.К. Борескова. 2002 г. 213С.

15. R. Aris, Ends and beginnings in the mathematical modelling of chemical engineering systems, Chemical Engineering Science, v. 48, No 14, pp. 2507-2517, 1993.


Расписание подготовительных семинаров к кандидатскому экзамену по специальности

Подробнее



Copyright © catalysis.ru 2005-2023
Политика конфиденциальности в отношении обработки персональных данных