7 Математическое моделирование хим процессов Word

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СТЕРЛИТАМАКСКИЙ ФИЛИАЛ
ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО
УЧРЕЖДЕНИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Башкирский государственный университет»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
ДИСЦИПЛИНЫ (ОД.А.06)
Математическое моделирование химических
процессов
модуль образовательной программы послевузовского профессионального образования подготовки
аспирантов (ООП ППО)
по специальности научных работников
020003
Органическая химия
Шифр
наименование научной специальности
Оглавление
1. Общие положения ............................................................................................. 3
2. Цели изучения дисциплины ............................................................................. 3
3. Результаты освоения дисциплины .................................................................. 4
4. Объем дисциплины и количество учебных часов ......................................... 4
4.1. Объем дисциплины и количество учебных часов………………………..5
5. Содержание дисциплины ................................................................................. 5
5.1
Содержание лекционных занятий ............................................................ 5
5.2
Самостоятельная работа аспиранта ..................................................... 7
7. Образовательные технологии .......................................................................... 7
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины ........ 7
8.1
Основная литература (год издания не должен быть более 5 лет): ...... 7
8.2
Дополнительная литература .................................................................... 8
8.3
Программное обеспечение и Интернет-ресурсы.................................... 9
9. Материально-техническое обеспечение ......................................................... 9
1. Общие положения
1.
Настоящая
Рабочая
программа
дисциплины
«Математическое
моделирование химических процессов» - модуль основной образовательной
программы послевузовского профессионального образования (ООП ППО)
разработана на основании законодательства Российской Федерации в системе
послевузовского профессионального образования, в том числе: Федерального
закона РФ от 22.08.1996 № 125-ФЗ «О высшем и послевузовском
профессиональном
педагогических
образовании»,
и
научных
Положения
кадров
в
о
подготовке
системе
научно-
послевузовского
профессионального образования в Российской Федерации, утвержденного
приказом Министерства общего и профессионального образования РФ от
27.03.1998 № 814 (в действующей редакции); составлена в соответствии с
федеральными государственными требованиями к разработке, на основании
Приказа Минобрнауки России №1365 от 16.03.2011г. «Об утверждении
федеральных
государственных
профессиональной
требований
образовательной
к
структуре
программы
основной
послевузовского
профессионального образования (аспирантура)» и инструктивного письма
Минобрнауки России от 22.06.2011 г. № ИБ-733/12.
1.
Цели изучения дисциплины
Целью преподавания дисциплины «Математическое моделирование
физико-химических процессов» является ознакомление студентов с методами
математического моделирования химических процессов, что позволит
глубже понять их суть.
2.
Результаты освоения дисциплины
Аспирант или соискатель должен:
- знать:
-
понимать
задачи
и
возможности
современных
методов
математического моделирования и планирования экспериментов;
- понимать универсальность фундаментальных законов и понятий, к
которым
сводится
множества
частных
закономерностей
различных
дисциплин, и иметь представление о принципах моделирования природных
явлений;
- иметь ясное представление об основных элементах химической картины
мира, как основы других естественнонаучных дисциплин;
- уметь:
- пользоваться научной литературой;
- применять полученные знания для моделирования химических процессов.
4. Структура и содержание дисциплины (модуля) «Математическое
моделирование физико-химических процессов».
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы 72 часа.
4.1.Объем дисциплины и количество учебных часов
Вид учебной работы
Аудиторные занятия
Лекции (минимальный объем теоретических знаний)
Семинар
Практические занятия
Другие виды учебной работы (авторский курс,
учитывающий результаты исследований научных школ
Университета, в т.ч. региональных)
Внеаудиторные занятия:
Самостоятельная работа аспиранта
ИТОГО
Вид итогового контроля
*)
Одна
зачётная
единица
соответствует
36
Кол-во зачетных
единиц*/уч.часов
1/36
1/36
2/72
Зачет
академическим
часам
продолжительностью 45 минут.
5. Содержание дисциплины
Тема 1. Математическое моделирование и планирование эксперимента
Основные понятия и определения: модель явления, контролируемые
переменные (аргументы) и отклики, параметры модели. Прямые и обратные
задачи моделирования процессов. Модели линейные и нелинейные,
статистический анализ моделей. Оценки параметров моделей, свойства
оценок:
несмешенность,
эффективность,
состоятельность.
Метод
наименьших квадратов.
Концепции
планирования:
многофакторный
эксперимент,
последовательное
априорная
планирование,
информация.
Этапы
экстремального планирования. Предварительный и основной эксперименты,
полный факторный эксперимент (ПФЭ). Оценка дисперсии и проверка
значимости коэффициентов регрессии, найденных в ПФЭ. Проверка
адекватности модели и принятие решений в ПФЭ. Ортогональные планы
второго порядка.
Нормировка,
ортогональность
и
симметричность
плана
ПФЭ.
Рототабельность плана ПФЭ. Наилучшие линейные оценки для полинома и
плана ПФЭ.
Тема 2. Введение в математическую химию
Векторное представление атомов и молекул. Атомная (элементная)
матрица. Теорема о ранге атомной матрицы. Векторное представление
стехиометрических уравнений, стехиометрическая матрица. Вырожденность
системы стехиометрических уравнений. Дефект системы стехиометрических
уравнений, критерий Грама. Соотношение ортогональности, правило Гиббса.
«Синтез» стехиометрической матрицы. Матрицы выделения. Максимальный
базовый механизм.
Степень
состояния.
завершенности
Преобразование
реакции.
вырожденной
Параметрические
системы
уравнения
стехиометрических
уравнений. Ключевые компоненты. Два способа описания состояния
реакционной смеси.
Тема 3. Моделирование химических процессов
Общие
закономерности
формальной
кинетики.
Скорость
одностадийной химической реакции для открытой и закрытой системы.
Скорость
реакций,
протекающих
на
поверхности
раздела
фаз.
Безотносительная
скорость
реакции.
Скорость
сложной
реакции.
Зависимость скорости реакции от условий её проведения. Полная система
кинетических уравнений. Преобразование полной системы кинетических
уравнений.
Анализ кинетических закономерностей сложных химических
реакций: метод стационарных концентраций, принципы лимитирующей
стадии и детального равновесия. Теория стационарных концентраций
Тёмкина,
применение
теории
к
двухстадийным
и
сложным
многомаршрутным реакциям. Стехиометрические числа, базовые маршруты,
итоговые уравнения. Скорость реакции по базовому маршруту. Кинетика
гетерогенно-каталитического синтеза гидроксиламина, метанола и фосгена.
Кинетика реакций на неоднородных поверхностях. Биографическая
и
индуцированная
равномерно
неоднородность
неоднородные
поверхности.
поверхности.
Кинетика
Экспоненциально
и
и
термодинамика
адсорбции на неоднородных поверхностях. Кинетика двухстадийной реакции
на неоднородных поверхностях. Кинетика синтеза аммиака, уравнение
Тёмкина – Пыжёва.
Макрокинетика. Метод равнодоступной поверхности. Диффузионные
и кинетическая области протекания гетерогенных процессов.
Тема 4. Моделирование процессов диффузии и теплопереноса
Общие понятия и определения: ламинарный и турбулентный режим.
Коэффициенты переноса, коэффициент турбулентного обмена, коэффициент
теплоотдачи, коэффициент массоотдачи.
Основы теории подобия: критерии Нуссельта, Стэнтона, Шервуда,
Прандтля и критерий Рейнольдса. Приведенная пленка. Внешняя и
внутренняя задачи. Коэффициент сопротивления и аналогия Рейнольдса.
Уравнения
связи
между
критериями
(критериальные
уравнения).
Моделирование процессов массо- и теплообмена с помощью критериальных
уравнений.
6. Самостоятельная работа аспиранта
№
Виды самостоятельной работы
п/п
1 Повторение лекционного материала
Кол-во
уч.часов
18
Изучение учебного материала, перенесенного с аудиторных
2
занятий на самостоятельную проработку.
18
Выявление информационных ресурсов в научных
библиотеках и сети Internet по следующим направлениям:
Всего:
36
7. Образовательные технологии
В процессе обучения применяются следующие образовательные
технологии:
1. Сопровождение лекций показом визуального материала.
2. Сопровождение занятий демонстрациями слайдов, моделей строения.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
8.1 Основная литература:
№
Наименование
п/п учебной литературы
Автор, место
издания,
издательство год
Методы линейной 1.Степанов М.Г.
алгебры в
М.: Изд-во МГУ,
физической химии.
1976
2 Планирование
Горский В.Г.
кинетического
М.: Наука, 1984
эксперимента.
1
3 Оптимальное
планирование
экспериментов.
Фёдоров Г.И. М.:
Наука, 1978.
Количество
Число
экземпляров обучающихся,
в
воспитанников,
библиотеке одновременно
СГПА им.
изучающих
Зайнаб
дисциплину
Биишевой
1
2
1
2
1
2
4 Диффузия и
теплопередача в
химической
кинетике.
Франк-Каменецкий
1
2
Д.А. М.: Наука, 1987
8.2 Дополнительная литература
1. Шимулис
В.И.,
Вернов
А.В.
Статистический
анализ
экспериментальных данных. М.: Изд-во РУДН. 1982
2. Шимулис В.И., Вернов А.В. Применение ЭВМ в химии. М.: Изд-во
РУДН. 1982
3. Налимов В.В., Чернова Н.А. Статистические методы планирования
экстремальных экспериментов. М.: Наука, 1965
4. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. М.: Химия, 1982
5. Спиридонов В.П., Лопаткин А.А. Математическая обработка физикохимических данных. М.: Изд-во МГУ, 1980
6. Саттерфилд Ч.Н. Массопередача в гетерогенном катализе. М.: Химия,
1978.
8.3 Программное обеспечение и Интернет-ресурсы
№ Ссылка на информационный ресурс
п/п
1
https://bibliotech.sspa.edu.ru/
2
http://www.biblioclub/
3
http://portal.gersen.ru/
Наименование
разработки в
электронной форме
Доступность
Электронно-библиотечная система
«БиблиоТех»
Университетская
библиотека onlin
По
регистрации
Российский
государственный педагогический
университет им. А.И.
Герцена.
Электронная библиотека
По
регистрации
По
регистрации
4
http://window.edu.ru/window
Единое окно доступа
к
образовательным ресурсам
Федерального портала
Российское
образование
По
регистрации
9. Материально-техническое обеспечение
Материальное обеспечение дисциплины (Современные приборы,
установки (стенды), необходимость специализированных лабораторий и
классов).
Компьютерные классы, оснащенные компьютерами класса Pentium 4 с
выходом в Интернет и в локальную сеть, а также принтеры, сканеры и
ксероксы.
N
Название
п/п дисциплины
1
Стереохимический
анализ
Наименование
оборудованных
учебных
кабинетов, объектов для
проведения практических
занятий
с
перечнем
основного оборудования
весы
лабораторные
электри-ческие ВЛЭ, весы
учебные
электронные,
лаборат. рег. напр. П72100,
стол-подъем-ник,
термометры,
штативы
лабораторные, бани комбинированные,
электродвигатель для перемешивания,
устройство для сушки посуды, сушильный шкаф, весы
лабораторные
электрические ВЛЭ, весы
учебные
электронные,
лаборат. регулят. напряж
П72100, стол-подъемник,
термометры,
штативы
лабораторные,
бани
комбинированные, электродвигатель, рефрактометр,
прибор для определения
температуры
плавления,
хроматограф,
роторный
Фактический адрес
учебных кабинетов
и объектов
Пр.
Ленина,
Здание
35.
ФМиЕН
(лабораторный
корпус), каб.221
испаритель,
термостат,
прибор для определения
степени
ингибирования
коррозии