МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
УТВЕРЖДАЮ
Ректор профессор В.С. Литвиненко
ПРОГРАММА
вступительного испытания при поступлении в магистратуру по направлению подготовки 18.04.01 «ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ»по магистерской программе «Химия и технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза»
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
Программа вступительного экзамена в магистратуру по направлению 18.04. «Химическая технология» по магистерской программе «Химия и технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза» разработана на основании Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования бакалавриата в соответствии приказом Министерства образования и науки Российской Федерации в соответствии с рабочими программами дисциплин: органическая химия; общая химическая технология; процессы и аппараты химической технологии; моделирование химико-технологических процессов;химическая технология органических веществ для бакалавров и утверждена на заседании кафедры химических технологий (протокол №. 1. от 1 сентября 2014 г.).
Методические указания к программе вступительного экзамена Основной целью вступительного экзамена в магистратуру по направлению 18.04.01 «Химическая технология» по магистерской программе «Химия и технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза» является выявление следующих компетенций:
1. Знание:
о строении вещества, природе химической связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире;
основные понятия, термины и законы химической термодинамики и методы анализа химико-технологических процессов;
о современной физической картине мира, пространственно-временных закономерностях, строении вещества для понимания окружающего мира и явлений природы;
состояния и перспектив развития сырьевой базы, общие закономерности и принципы переработки различных видов углеродсодержащего сырья для получения органических продуктов;
технологических схемы переработки нефти и умение принятия конкретного технического решения при разработке технологических процессов;
выбора технических средств и химических технологий с учетом экологических последствий их применения.
2. Понимание:
сущности и значения химической информации в развитии современного комплексной переработки органического сырья, разработки научных основ безотходных технологий, возникающие в этом процессе, соблюдения основных требований, возникающих в этом процессе.
основных методов, способов и средств получения, хранения, переработки химической информации, навыков работы с компьютером как средством управления химико-технологическим процессом;
способности и готовности осуществлять химико-технологический процесс в соответствии с технологическим регламентом и использование технических и аналитических средств для измерения основных параметров технологического процесса, свойств сырья и продукции.
3. Умение:
составлять математические модели химико-технологических процессов, находить способы их решений и интерпретировать научные данные полученных химических экспериментов;
применять аналитические и численные методы решения поставленных задач, использовать современные информационные технологии, проводить обработку химической информации с использованием прикладных программных средств, используемых для расчета технологических параметров процесса;
систематизировать и обобщать химическую информацию по комплексной переработке минерального сырья и созданию безотходной технологии;
выполнять физические и химические эксперименты, проводить математическую обработку научных результатов и оценивать погрешности полученных результатов;
решать типовую задачу в общем виде, применяя общие закономерности (термодинамика, кинетика, диаграммы состояния органических веществ) к конкретным химическим процессам, которые являются определяющими на химических предприятиях.
моделировать физические и химические процессы и явления, выдвигать рабочую гипотезу процесса и устанавливать границы их применения;
4. Владение:
основными методами защиты производственного персонала и населения от возможных последствий аварий, катастроф, стихийных бедствий;
способностью и готовностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;
знанием основных физико-химических теорий химико-технологических процессов для решения возникающих задач при создании безотходных комплексов, перерабатывающих природные органические ресурсы;
самостоятельно изучать научно-техническую химическую информацию, отечественный и зарубежный опыт по тематике научных исследований.
Содержание и структура вступительного испытания Структура экзамена Программа включает основные разделы химической технологии, соответствующие уровню знаний бакалавриата, знание которых необходимо для последующего освоения дисциплин магистерской программы. В процессе экзамена поступающие должны показать свою подготовленность к продолжению образования в магистратуре.
Экзамен проводится в письменной форме по экзаменационным билетам, в которых содержится три вопроса, включающих в себя модули следующих учебных дисциплин:
органическая химия;
химическая технология органических веществ;
общая химическая технология;
процессы и аппараты химической технологии;
Моделирование химико-технологических процессов.
Продолжительность экзамена -2 (два) астрономических часа Разделы по дисциплине «Органическая химия», рассматриваемые в ходе экзамена.
Раздел 1. Общие вопросы теоретической органической химии Предмет органической химии. Причины выделения ее в самостоятельную науку. Роль органической химии в современном обществе. Сырьевые источники органических веществ.
Теория химического строения А.М. Бутлерова. Классификация органических соединений: ряды, классы. Функциональные группы. Понятие о гомологических рядах. Эмпирические и структурные (полные и сокращенные) формулы органических соединений.
Изомерия. Структурная изомерия, ее разновидности. Пространственная изомерия (стереоизомерия): геометрическая, оптическая. Асимметрические атомы углерода. Хиральные соединения. Энантиомеры, рацематы. Способы изображения энантиомеров. Зависимость числа изомеров от числа асимметрических атомов углерода Природа и типы химических связей в органических соединениях.
Электростатическая связь: ион-ионные, ион-дипольные и диполь-дипольные взаимодействия. Ковалентная связь. Структуры Льюиса и формальный заряд атомов. Гибридизация (sp3-, sp2-, sp-гибридизации). Свойства ковалентных связей:
длина, полярность, энергия, валентные углы. Взаимное влияние атомов в молекуле.
Индуктивный и мезомерный эффекты, эффект сопряжения. Теория резонанса и мезомерии.
Классификация органических реакций: по характеру химических превращений (изомеризация, отщепление, присоединение, замещение), по способу разрыва связей (гомолитические, гетеролитические, перициклические). Радикальные и ионные реакции, электрофильные и нуклеофильные реагенты. Понятие о строении промежуточных частиц: свободных радикалов, карбкатионов, карбенов. Понятие о механизмах органических реакций Раздел 2 АЛКАНЫ (парафины, предельные углеводороды) Общая формула, гомологический ряд. Изомерия. Первичный, вторичный, третичный атомы углерода. Номенклатура: рациональная и JUPAC. Алкильные радикалы, их названия.
Физические свойства. Валентные углы. Характеристика связей С-С и С-Н, sp -cостояние атома углерода. Конформация алканов: способы изображения (перспективные формулы, клиновидные проекции, формулы Ньюмена), относительная устойчивость конформеров. Закономерности изменения температур кипения плавления, плотности. Растворимость.
Химические свойства. Общая характеристика. Термические превращения:
механизм реакций и продукты термического крекинга. Понятие о цепных реакциях.
Каталитический крекинг, каталитический риформинг. Окисление. Механизм реакций окисления кислородом (воздухом), продукты окисления. Галогенирование алканов: свободно-радикальный механизм замещения (SR), связь между строением алкана и его реакционной способностью. Строение и относительная устойчивость углеводородных свободных радикалов. Нитрование алканов: парофазное и жидкофазное (по М.И. Коновалову). Механизм реакции нитрования.
Природные источники алканов, Природный и попутный газы, нефть.
Понятие о переработке нефти.
Способы получения. Промышленные: синтез из оксида углерода (II) и водорода, крекинг тяжелых нефтяных фракций, гидрирование угля. Лабораторные синтезы: из галогеналканов (восстановление и синтез Вюрца), из карбоновых кислот (декарбоксилирование и электрохимический синтез Кольбе), гидрированием алкенов.
Применение. Использование алканов в органическом синтезе. Алканы в качестве топлива.
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная литература 1. Ахметов А.Ф., Кондрашева Н.К., Герасимова Е.В. Основы нефтепереработки. - Том 4. - СПб.:Недра, 2012. - 280 с 2. Магарил Р.З. Теоретические основы химических процессов переработки нефти. М.: Химия, 2010. – З26 с.
3. Петров М.Л., Кривчун М.Н. Стереохимия органических соединений: Учеб. Пособие.
СПбГТИ(ТУ). СПб, 2005. 57 с.
4. Альбицкая В.М., Серкова В.И. Задачи и упражнения по органической химии. Изд. 2-е. М.:
Высш. шк., 2004. 206 с.
5. Петров А.А., Бальян Х.В., Трощенко А.Т. Органическая химия. СПб: Иван Федоров, 2002. - 6. Ким А.М. Органическая химия. – Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2001. – 7. Березин Б.Д., Березин Д.Б. Курс современной органической химии. – М.: Высшая школа, 2001.с.
8. Нейланд О.Я. Органическая химия – М.: Высшая школа, 1990. – 750 с.
Разделы по дисциплине «Общая химическая технология», Понятие о химическом производстве как о совокупности взаимосвязанных потоками машин и аппаратов, в которых осуществляют химические превращения и физические процессы.
Химическое производство как функциональная единица промышленности и ее химических отраслей. Общая технологическая структура химического производства - собственно химическое производство, хранение сырья и продукции, транспорт, системы контроля и безопасности.
Основные операции в химическом производстве – подготовка сырья, химическое превращение, выделение продуктов, обезвреживание и утилизация отходов, тепло- и энергообеспечение, водоподготовка, система управления.
Основные технологические компоненты - сырье, вспомогательные материалы, основной и дополнительный продукты, отходы, энергоресурсы, оборудование и приборы. Роль и функции производственного персонала.
Раздел 2. Сырьевые источники химического производства Характеристика и классификация сырья и вспомогательных материалов по происхождению, агрегатному состоянию, химической природе. Возобновляемые и невозобновляемые источники сырья.
Отходы производства как источник вторичных материальных ресурсов. Перспективные и альтернативные источники сырья. Подготовка сырья в химикотехнологическом процессе: сортировка, измельчение, смешение, агломерация, концентрирование, очистка.
Вода и воздух как сырье и вспомогательный компонент химического производства. Источники воды.
Требования к качеству воды. Промышленная водоподготовка. Комплексное использование сырья и комбинирование предприятий. Замена пищевого сырья непищевым и растительного - минеральным.
Потребление энергии и энергоснабжение в химическом производстве. Общая характеристика и классификация энергетических ресурсов в химической технологии. Источники энергии в химическом производстве. Перспективные и альтернативные источники энергии.
Рациональное использование энергии. Способы энерготехнологического комбинирования в химической технологии и использование энергетического потенциала сырья, теплоты экзотермических реакций.
Вторичные энергоресурсы, их классификация, основные направления утилизации (получение пара, преобразование в механическую, электрическую и тепловую энергию, рекуперация теплоты, теплоснабжение, трансформация в холод и т.д.).
Раздел 4. Методологические основы химической технологии Иерархическая организация в химическом процессе (П), химикотехнологический аппарат (ХТА), химико-технологический процесс (ХТП), химическое производство (ХП), производственное объединение (ПО).
Их определения. Методологические основы химической технологии как науки-системный анализ сложных систем и взаимодействие их элементов, математическое моделирование объектов химического производства на основе глубокого изучения физико-химических закономерностей, явлений переноса тепла, вещества и импульса.
Понятие системы. Системный анализ как основной метод изучения химикотехнологических систем.
Содержание системного анализа и связь с математическим моделированием.
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная литература 1. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология.Учебник для технических вузов. - М.: Высш. шк., 2005. - 448 с.
2. О.В. Кулинич. Общая химическая технология: Учебно-методический комплекс /Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». О.В. Кулинич, А.А.
Алексеев, А.И. Алексеев. 2013, 153 с.
3. Общая химическая технология. Учебник для химико-техн. спец. вузов. В 2-х т. / И.П. Мухленов, А.Я. Авербух, Д.А. Кузнецов и др.; Под ред. И.П. Мухленова. - изд. - М.: Высш. шк., 1984. - 263 с.
4. Смирнов Н.Н., Волжинский А.И. Химические реакторы в примерах и задачах:
Учебное пособие для вузов. - 2 изд., перераб. - Л.: Химия, 1986. - 224 с.
5. Расчеты химико-технологических процессов. Учебное пособие для вузов / Туболкин А.Ф., Тумаркина Е.С., Тарат Э.Я. и др.; Под редакцией И.П. Мухленова - изд. 2е - Л.: Химия, 1982. - 248 с.
Разделы по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии», Раздел 1. Основы теории переноса импульса, теплоты и массы Законы сохранения массы, энергии и импульса. Материальный и энергетический балансы. Условия термодинамического равновесия. Определение направления и движущей силы процессов. Поля переноса скоростей, температур и концентраций.
Потенциал переноса. Основные характеристики потока.
Дифференциальные уравнения переноса количества движения, теплоты и массы. Аналогия процессов переноса. Теория физического и математического моделирования процессов переноса. Инварианты и критерии подобия. Теоремы подобия.
Критериальные уравнения. Метод анализа размерностей. Гидродинамическая структура потоков и распределение времени пребывания потока в аппарате. Модели идеального вытеснения и идеального смешения. Комбинированнные модели структуры потоков.
Основные физические свойства жидкостей и газов. Понятия идеальной и реальной жидкостей. Гидростатика. Дифференциальные уравнения равновесия Эйлера. Основное уравнение гидростатики. Практические приложения основного уравнения гидростатики. Гидродинамика. Ньютоновские и неньютоновские жидкости.
Основные характеристики движения жидкостей. Режимы движения реальной жидкости. Уравнение неразрывности потока. Распределение скоростей по сечению потока. Дифференциальные уравнения движения Эйлера. Уравнение Бернулли и его практические приложения.
Дифференциальные уравнения движения реальной жидкости (уравнения Навье-Стокса). Преобразование уравнений Навье-Стокса методами теории подобия.
Гидродинамические критерии подобия и их физический смысл. Закон сопротивления при движении потока.
Потери давления на трение и местные сопротивления. Определение расхода энергии на транспортирование жидкостей и газов по трубам. Движение жидкости через слои зернистых материалов и насадок. Пленочное течение жидкостей. Гидродинамика барботажа. Псевдоожижение. Гидродинамика взвешенного слоя.
Способы переноса тепла: теплопроводность, конвекция, тепловое излучение.
Тепловой баланс. Температурное поле и температурный градиент. Передача тепла теплопроводностью.
Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Теплопроводность однослойных и многослойных стенок при установившемся тепловом потоке. Конвективный теплообмен. Тепловой пограничный слой. Уравнение теплоотдачи.
Дифференциальное уравнение конвективного переноса теплоты (уравнение Фурье-Кирхгофа). Тепловое подобие. Общий вид критериальной зависимости при конвективном теплообмене.
Теплоотдача без изменения агрегатного состояния. Теплоотдача при естественной конвекции и вынужденном движении теплоносителей в трубах. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния. Теплоотдача при конденсации насыщенных паров. Теплоотдача при кипении жидкостей. Теплопередача. Основное уравнение теплопередачи.
Движущая сила и общее термическое сопротивление. Коэффициент теплопередачи. Выбор направления потоков теплоносителей. Средняя разность температур.
Определение температур стенок. Теплопередача при непосредственном контакте теплоносителей.
РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основная литература 1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Альянс, 2006. с.2. Цветков С.К. Основы проектирования и оборудования: учеб. пособие / С.К. Цветков, Е.Е.
Смирнова / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб., 2013. 143 с.
3. Алексеев А.И. Основы проектирования заводов органических и неорганических производств:
учеб. пособие / Л.П. Рамзаева, А.Н. Серов. СПб., 2006. 133 с.
4. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов. Изд. 3-е.
в 2-х кн: часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. - М.: Химия, 2002. - 400 с.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. 12-е изд. - М., 2005. - 576 с.
6. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии, 3-е изд. - М., Химия, 1987. - 540 с.
7. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии, 3-е изд. - Л., Химия, 1982. - 288 с.
Разделы по дисциплине «Химическая технология органических веществ», Раздел 1. Технологическое оформление процессов органического синтеза Характеристика отрасли органического синтеза, особенности и направления развития. Важнейшие продукты органического синтеза, их характеристика и области применения. Технология органических веществ. Показатели качества технологических процессов. Назначение и технологическое оформление стадии подготовки исходных веществ. Необходимость и способы очистки реагентов от примесей, варианты аппаратурного оформления узлов очистки. Узел подогрева исходных веществ.
Классификация химических реакторов. Аппаратурное оформление реакционной стадии основных процессов органического синтеза. Назначение и технологическое оформление стадии разделения и переработки продуктов реакции. Показатели качества технологических процессов. Конверсия. Селективность. Выход продукта.
Раздел 2. Исходные вещества органического синтеза Алканы, их свойства и источники. Методы и технология выделения алканов из газов и нефтяных фракций. Алкены, их свойства. Методы получения алкенов. Производство этилена и других алкенов методом пиролиза. Производство пропилена и бутенов методом деструктивной переработки нефтяных фракций.
Арены, их свойства и источники. Производство аренов. Каталитический риформинг бензинов. Ацетилен и его свойства. Методы получения ацетилена. Особенности технологии выделения и очистки ацетилена. Оксид углерода и синтез-газ, их свойства. Получение синтез-газа газификацией угля. Химия и технология каталитической конверсии углеводородов и термической газификации топлива. Технология очистки синтез-газа и выделения чистого оксида углерода.
Назначение процессов и основные продукты Назначение процессов и основные продукты. Классификация процессов галогенирования и их термодинамическая характеристика. Галогенирующие агенты. Техника безопасности в процессах галогенирования.
Радикально-цепное хлорирование. Химия и теоретические основы радикально-цепного хлорирования алканов, алкенов и аренов. Технология жидкофазного и газофазного хлорирования.
Основные продукты, получаемые данными методами. Основные типы реакторов. Проблема использования хлористого водорода и процесс окислительного хлорирования.
Ионно-каталитическое галогенирование. Химия и теоретические основы присоединения галогенов по ненасыщенным связям, получаемые продукты. Технология процесса.
Химия и технология процесса хлоргидринирования. Химия и теоретические основы, получаемые продукты и технология гидрохлорирования алкенов и алкинов.
Производство хлористого винила из ацетилена.
Научные основы, продукты и технология процесса ионно-каталитического галогенирования аренов.
«