Структурно-функціональні залежності задач в курсі загальної хімічної технології

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структурно-функціональні залежності задач в курсі загальної хімічної технології

Лазарєва Т.А.

В статті розглядаються основні структурно-функціональні залежності таких елементів задачі, як матеріальний об'єкт, параметри об'єкту та зв'язки між ними. Визначені головні розв'язувальні блоки формування знань, умінь та навичок при розв'язуванні задач курсу загальної хімічної технології.

Лазарева Т.А.

Структурно-функциональные зависимости задач в курсе общей химической технологии

В статье рассматриваются основные структурно-функциональные зависимости таких элементов задачи, как материальный объект, параметры объекта и связи между ними. Определены главные решающие блоки формирования знаний, умений и навыков при решении задач курса общей химической технологии.

T.A. Lazareva

The structural and functional dependence of tasks in the course of general chemical technology

The main structural and functional dependence of such elements of tasks as material object, parameter of object and connection between them are considered in the article. The main decision blocks of the formation of knowledge, skills and practice of general chemical technology are determined.

Постановка проблеми

В умовах бурхливого розвитку науки та техніки, збільшення потоків інформації актуальною стає проблема засвоєння студентами значного обсягу знань за обмежений час навчання у вищих навчальних закладах. Перспективним напрямом вирішення цієї проблеми є розробка ефективних методів навчання, зокрема - розробка та впровадження методів прискореного навчання. Особливу увагу слід приділяти навчанню професійно-орієнтованим дисциплінам. Формування стійких знань та вмінь з цих дисциплін, глибоке і всебічне їх засвоєння дозволить найкраще розуміти процеси, явища та тенденції, характерні для сучасної науки та техніки.

Аналіз останніх досліджень з визначеної проблеми

Загальна хімічна технологія є професійно-орієнтованою дисципліною при підготовці спеціалістів хіміко-фармацевтичного виробництва. Велика увага при вивченні цієї дисципліни приділяється навчанню розв'язувати задачі, аналізувати процеси, що виникають в цій галузі. Аналіз досліджень, які присвячені проблемі розв'язання задач [1, 3, 4, 6, 7], показав відсутність повномасштабного системного підходу до формування системи задач та розробки методики їх розв'язання, що не дозволяє формувати у студентів стійкі професійні знання, уміння та навички, а також формувати і розвивати професійно важливі якості. Одним з найважливіших аспектів реалізації системного підходу є визначення структурно-функціональних залежностей у системі задач.

Постановка завдання

Метою роботи є виявлення структурно-функціональних залежностей елементів задачі; визначення і побудова блоків по розв'язанню задач і формуванню навиків та напрямів їх ускладнення. У кожному розділі тієї чи іншої теми курсу загальної хімічної технології можна виділити окремі такі блоки з формування базових первісних дій. Багаторазове звернення до первісної дії у такого виду блоках при розв'язанні задач різних розділів та тем, а також ієрархічна побудова системи цих блоків надає змогу сформувати стійке професійне вміння та системне мислення у майбутніх інженерів-технологів.

За допомогою проведеного аналізу задач [ 2 ] було виявлено наступні елементи в їх структурі: матеріальний об'єкт чи процес; параметри об'єкта чи процесу; зв'язки між об'єктами (процесами) та параметрами об'єктів (процесів).

В курсі загальної хімічної технології вивчаються такі матеріальні об'єкти та процеси, як: [ 6 ]: хімічні речовини; хімічний процес; хімічний реактор; хіміко-технологічна система (рис.1).

Рис.1. Визначення матеріального об'єкту або процесу в курсі загальної хімічної технології

Хімічні речовини, які беруть участь у хімічних перетвореннях, поділяються на вихідні реагенти та речовини, одержані в результаті перетворення - продукти реакції. Хімічний процес, що вивчається у курсі загальної хімічної технології - це сукупність взаємопов'язаних хімічних реакцій та фізичних явищ перенесення маси, тепла та імпульсу.

Визначають такі хімічні реакції: прості незворотні () та зворотні (); складні паралельні (), послідовні (), змішані (); екзотермічні та ендотермічні; першого, другого, дрібного та іншого порядку, моно-, бі-, та тримолекулярні.

Хімічний процес здійснюється в хімічному реакторі. В межах дисципліни “Загальна хімічна технологія” вивчаються реактори з ідеальною структурою потоку (реактори ідеального змішування, ідеального витиснення) та з неідеальною структурою потоку, які функціонують в ізотермічному, адіабатичному або політропічному тепловому режимі. Відрізняють реактори періодичної, безупинної та напівбезупинної дії. Сукупність реакторів та інших апаратів, які функціонують як одне ціле з загальною метою виробництва продукту, а також зв'язки між ними утворюють хіміко-технологічну систему (ХТС). Виділяють наступні елементи ХТС:

- механічні, в яких змінюються форма та розміри вихідної сировини;

- фізичні, в яких змінюється фізичний стан сировини;

- хімічні, де змінюється хімічний стан сировини;

- енергетичні;

- комбіновані.

Кожен матеріальний об'єкт та процес описується параметрами або фізичними величинами, значення яких кількісно характеризують їх властивості. Таким чином, можна виділити параметри речовини, хімічної реакції, фізичного явища, хімічного реактора, хіміко-технологічної системи (рис.2, рис.3). Хімічні речовини характеризуються наступними параметрами: молекулярною масою, кількістю, концентрацією, вагою, об'ємом, густиною, в'язкістю, теплоємністю, значенням ентальпії, ентропії та ізобарно-ізотермічного потенціалу. До параметрів хімічної реакції належать кінетичні, термодинамічні, параметри ефективності та умови проведення реакції. Фізичні явища визначають параметри переносу маси, тепла, імпульсу. Реактор як матеріальний об'єкт характеризується технологічними параметрами ефективності роботи, конструкційними параметрами та параметрами технологічного режиму. До параметрів хіміко-технологічної системи відносять: технологічні, конструкційні, параметри технологічного режиму, технологічної топології, технологічних потоків, економічні, експлуатаційні та екологічні параметри.

Рис. 2. Параметри задач курсу загальної хімічної технології

Рис. 3 Параметри задач курсу загальної хімічної технології

хімічна технологія розв'язування задача

З.О. Решетова [5] виділяє наступні зв'язки між об'єктами (процесами) та параметрами об'єктів (процесів):

- однорідні;

- різнорідні;

- загальні;

- специфічні.

Однорідними є зв'язки між значеннями одного і того ж параметра різних об'єктів. Наприклад, закон збереження маси речовин є однорідним (), рівняння визначення концентрації продукту для реакції через концентрацію вихідного реагенту () теж вказує на однорідний зв'язок між матеріальними об'єктами вихідної речовини та продукту одного параметру - концентрації.

Різнорідними називаються зв'язки між різними параметрами одного об'єкту, наприклад, рівняння визначення кінцевої концентрації реагенту А через початкову концентрацію () та ступінь його перетворення (): , де та - це різні параметри одного об'єкту - вихідної речовини А.

Загальні зв'язки характерні для всіх систем даної предметної галузі, наприклад, визначення константи швидкості реакції .

Специфічні зв'язки характерні окремим системам. Наприклад, якщо аналізувати хімічну реакцію , то тільки для неї існує залежність визначення концентрації продукту R . Для реакції специфічним зв'язком є визначення часу досягнення максимальної концентрації продукту R . Приклади зв'язків між матеріальними об'єктами та параметрами наведені на рис. 4.

Рис.4. Визначення зв'язків між матеріальним об'єктом (процесом) та параметрами

Проаналізуємо утворення зв'язків для кожного матеріального об'єкту та процесу. Для вихідної речовини такий параметр, як молекулярна маса, розраховується в залежності від тих елементів, які входять до складу. Початкова кількість та концентрація речовини, її маса частіше є відомими величинами. Густина, в'язкість, теплоємність, значення ентальпії, ентропії, ізобарно-ізотермічного потенціалу є довідковими параметрами. Такі параметри, як кількість та концентрація вихідної речовини, яка залишилася після проведення реакції, а також об'єм речовини розраховуються в залежності від тих величин, які є відомими. Тобто для вихідної речовини більш характерні довідкові параметри та параметри, які задаються в умові задачі. Параметри продуктів реакції, а саме молекулярна маса, кількість речовини, концентрація, маса, об'єм розраховуються. Інші параметри є довідковими величинами. Таким чином, для продуктів реакції характерні вже однорідні та різнорідні зв'язки.

Якщо аналізувати сам процес перетворення вихідних речовин в продукти, то тут необхідно розглядати зв'язки між хімічною реакцією та її параметрами. Проведення хімічної реакції характеризується наступними кінетичними параметрами:

1) швидкістю реакції , де k - константа швидкості реакції, яка має таку температурну залежність . Таке визначення константи швидкості реакції є загальним для будь-якої реакції.

2) швидкістю зміни концентрації компонентів реакції, яка виражається загальною залежністю або .

3) часом проведення реакції, який визначається як .

Таким чином, кінетичні параметри хімічної реакції базуються на загальних відношеннях.

Зв'язки параметрів ефективності проведення реакції для ступеню перетворення вихідної речовини (), виходу продукту (), селективності (, ) є як різнорідними так і однорідними. Такі термодинамічні параметри реакції, як зміна ентальпії (), зміна ентропії () та зміна ізобарного потенціалу утворюють однорідні зв'язки. Визначення умов проведення реакції (температури та тиску) базується на складних відношеннях (T=f(r, C_i, x_A, t); P=f(r, C_i, x_A, t).

Аналіз відношень параметрів, які характеризують фізичне явище масоперенесення, теплоперенесення та перенесення імпульсу показав їх складність і залежність від багатьох параметрів. Розв'язання системи рівнянь, які описують масоперенесення речовин, теплоперенесення та перенесення імпульсу можливе для конкретного процесу з урахуванням деяких спрощень.

Розглянемо існування відношень параметрів хімічного реактора. Такі технологічні параметри ефективності функціонування реактора, як ступінь перетворення вихідних речовин (), вихід цільового продукту (), селективність цільового продукту () належать до характеристик тієї хімічної реакції, яка відбувається в реакторі. Визначення продуктивності () та інтенсивності роботи реактора () є загальним для будь-якого реактора. Час роботи реактора (t) та швидкість подачі речовин () залежить від того, який використовується реактор для здійснення даної хімічної реакції, тобто цей зв'язок є специфічним для кожного реактора.

Конструкційні параметри знаходяться для конкретного хімічного реактора, тому теж є специфічними. Параметри технологічного режиму частіше залежать від тих речовин та хімічної реакції, яка здійснюється в даному реакторі. Таким чином, можна сказати, що зв'язки між хімічним реактором та його параметрами є складними, специфічними та залежать від тих речовин та хімічних процесів, які відбуваються в реакторі.

Визначення параметрів ХТС як сукупності апаратів, необхідних для виробництва цільового продукту, складається з набутих знань розрахунку хімічної речовини, процесу та реактора, а також базових знань з економіки, прикладної механіки, екології та інших дисциплін.

Таким чином, курс загальної хімічної технології є складною ієрархічною системою, де система знань першого розділу розширюється і доповнюється у наступних розділах. Це надає змогу здійснювати таку побудову розв'язуваних блоків, які ускладнюються при переході до наступного розділу.

Першим є розв'язуваний блок визначення параметрів речовини. Цей блок базується на знаннях, які одержують студенти при вивченні курсів неорганічної та органічної хімії. Цей блок спрямований на закріплення і формування стійких знань, умінь та навичок розрахунку параметрів речовини. Наступним є блок визначення швидкості реакції. У цьому блоці необхідно сформувати стійкі знання з визначення швидкості реакцій: простих, складних, гомофазних, гетерофазних, які можуть здійснюватися в реакторах з різною структурою потоку. Вирішувальний блок з визначення часу проведення реакції поступово ускладнюється від визначення часу проведення простої рідиннофазної реакції до визначення часу проведення складної реакції в реакторі окремого типу, наприклад, РІЗ-адіабатичного режиму. Важливими є розв'язувальні блоки з визначення ступеня перетворення вихідної речовини, виходу продукту та селективності. Одержані знання при розв'язанні цього виду задач необхідні майбутньому інженеру-технологу для розрахунку ефективного виробництва цільового продукту.

Кожна реакція здійснюється завдяки визначеним умовам її проведення. З цієї причини наступним є блок з визначення температури та тиску проведення реакції. Одержані знання при розв'язуванні таких задач доповнюються знаннями з визначення умов проведення реакції в хімічному реакторі під впливом технологічного режиму його роботи.

Для задач з розрахунку хімічного реактора головними є розв'язувальний блок з визначення продуктивності та інтенсивності його роботи, а також блок з визначення конструкційних параметрів. При розрахунку хімічного реактора використовуються всі попередньо визначені розв'язувальні блоки.

Висновки

1. Аналіз задач, які розв'язуються в курсі загальної хімічної технології дозволив виділити такі основні їх елементи: матеріальний об'єкт (процес), параметр об'єкту (процесу), зв'язки між об'єктами (процесами) та параметрами.

2. Визначено такі матеріальні об'єкти: хімічні речовини, хімічний процес, реактор, хіміко-технологічна система. Виявлені їх основні параметри та зв'язки.

3. В результаті проведеного аналізу існуючих зв'язків між об'єктами (процесами) та параметрами було запропоновано використовувати в процесі навчання як розв'язувати задачі спеціальні розв'язувальні блоки.

4. Ієрархічна структура змісту курсу загальної хімічної технології визначає відповідне ускладнення та доповнення розв'язувальних блоків.

Результати подальших досліджень. Подальшого опрацювання потребує розробка дидактичних моделей на основі використання розв'язувальних блоків для формування у студентів знань, умінь та навичок з розв'язування задач курсу загальної хімічної технології.

Література

1. Бесков С.Д. Техно-химические расчеты. - М.: Высшая школа, 1966. - 520 с.

2. Лазарєва Т.А. Комплексна типологія навчальних задач дисципліни “Загальна хімічна технологія” // Проблеми інженерно-педагогічної освіти: Зб. наук. праць. - Харків: УІПА, 2004. - Вип. 8. - С. 140-146.

3. Расчеты химико-технологических процессов /Под ред. И.П. Мухленова - Л.: Химия, 1976. - 304 с.

4. Смирнов Н.Н., Волжанский А.И. Химические реакторы в примерах и задачах. - Л.: Химия, 1977. - 260 с.

5. Формирование системного мышления в обучении / Под. ред. З.А.Решетовой. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2002. - 344 с.

6. Царева З.М. Орлова Е.И. - Теоретические основы химической технологии - Киев: «Вища школа», 1986. - 271 с.

7. Царева З.М., Товажнянский Л.Л., Орлова Е.И. Основы теории химических реакторов (компьютерный курс). - Харьков: ХГПУ, 1997. - 624 с.

Размещено на Allbest.ru