《化学反应工程》课程教学大纲

1《化学反应工程》课程教学大纲课程名称：化学反应工程课程类型：必修课，专业课总学时：54讲课学时：54实验学时：0学分：3.0适用对象：化学工程、化学工艺先修课程：物理化学、化工工艺学、化工原理、化工热力学一、课程性质、目的和任务课程性质：化学反应工程是以化学反应器原理为主要线索，主要研究化学反应过程需要解决的工程问题，是化工生产的龙头、关键和核心，是一些基础学科诸如物理化学、传递过程、化学工艺等相互渗透与交叉而演变成的边缘学科，其内容主要涉及化学反应动力学、反应器中传递特性、反应器类型结构、数学建模方法、操作分析及反应器设计，具有高度综合性、广泛基础性和自身独特性。课程目的与任务：一是培养学生将物理化学、传递过程、化学工艺、化工热力学、控制工程等学科知识用之于化学反应工程学的综合能力；二是使学生掌握化学反应工程学科的理论体系、研究方法，了解学科前沿；三是使学生初步具备改进和强化现有反应技术和设备、开发新的反应技术和设备、解决反应过程中的工程放大问题以及实现反应过程中最优化的能力二、教学基本要求通过本课程的教学，要使学生系统地掌握化学反应动力学规律、传递过程对化学反应的影响规律，掌握反应器设计、过程分析及最佳化方法。三、教学内容及要求教学内容教学要求0绪论化学反应工程学在化学工业中的地位、研究内容及研究方法了解化学反应工程学的任务和范畴、内容和分类及研究方法，达到使学生对化学反应工程学科有一个宏观的接触和把握。1均相单一反应动力学和理想反应器1.1概念与术语化学反应式、化学计量方程、反应程度、转化率、化学反应速率、反应动力学方程、化学反应的分类1.要求学生了解化学反应式、化学计量方程、反应程度、转化率、反应活化能概念及阿仑尼乌斯方程；2.要求学生理解基元反应与质量作用定理、单程转化率与全程转化率的区别、化学反应式与化学计量方程的区别；3.掌握化学反应速率的表征、反应动力学2方程、反应级数以及基本反应类型。11.2单一反应动力学1.等温恒容过程反应动力学方程及动力学方程建立方法（微分法、积分法、最小方差解析法）；2.等温变容过程的膨胀因子δA、膨胀率εA；3.变容系统组分浓度、摩尔分数、分压和反应速度与转化率的关系。1.要求学生了解动力学方程建立方法微分法、积分法和最小方差解析法；2.要求学生理解0级、1级、2级，n1级、n1级不可逆反应中反应时间、转化率与初始浓度之间的变化关系；3.要求学生掌握等温恒容过程反应动力学方程式、等温变容过程的膨胀因子δA、膨胀率A的表达式以及所表达的反应速率方程。1.3理想反应器间歇反应器平推流反应器全混流反应器掌握理想反应器的设计方程，会灵活运用这些设计方程计算完成给定任务所需的反应器体积。2复合反应与反应器选型2.1复合反应动力学2.1.1复合反应速率表达式及动力学方程确定；2.1.2可逆反应速度表达式及动力学特征；2.1.3自催化反应速度表达式及动力学特征；2.1.4平行反应速度表达式及动力学特征；2.1.5连串反应速度表达式及动力学特征。1.要求学生了解复合反应动力学方程确定方法；2.要求学生理解可逆反应（吸热、放热）、自催化反应、平行反应及连串反应的动力学方程特征；3.要求学生掌握复合反应反应动力学方程的表达法及动力学分析方法。2.2组合理想反应器的设计2.2.1.理想流动反应器的联操作及平推流反应器的并联操作和全混流反应器的并联操作；2.2.2理想流动反应器的串联操作，涉及平推流反应器的串联操作和全混流反应器的串联操作；2.2.3循环反应器。1.要求学生了解循环反应器；2.要求学生理解平推流反应器的并联和全混流反应器的并联；3.要求学生掌握平推流反应器的串联和全混流反应器的串联2.3反应器型式及操作评选2.3.1单一不可逆反应过程的评比，涉及单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较和不同型式反应器的组合；2.3.2自催化反应，涉及平推流与全混流反应器、循环反应器、反应器组合；2.3.3可逆反应，涉及可逆吸热反应与可逆放热反应；2.3.4平行反应，涉及选择性及收率的定义、温度1.要求学生了解典型复合反应在不同反应器型式中体积及选择性的比较；2.要求学生理解收率、选择性概念，温度、浓度、活化能对选择性的影响；3.要求学生掌握反应器型式及操作评选的分析方法3浓度对选择性的影响；2.3.5连串反应，涉及瞬时选择性的定义、平推流和全混流反应器平均选择的比较。3非理想流动反应器3.1返混与停留时间分布3.1.1返混对反应过程的影响及对反应器的分类；3.1.2流体在反应器内的停留时间分布，涉及两概率函数（F（t）和E（t））、两特征值（平均停留时间和散度）、停留时间分布规律的实验测定（阶跃输入法和脉冲输入法）；3.1.3用对比时间作变量的停留时间分布；3.1.4全混流反应器和平推流反应器的停留时间分布规律。1.要求学生了解返混对反应过程的影响及对反应器的分类、概率函数；2.要求学生理解用对比时间作变量的停留时间分布；3.要求学生掌握停留时间分布的实验测定及两理想反应器的停留时间分布规律。3.2非理想流动模型3.2.1凝聚流模型；3.2.2多级混合槽模型；3.2.3轴向扩散模型。1.要求学生了解宏观流体、微观流体概念、凝聚流模型和模型法解决均相反应过程的假设及步骤；2.要求学生理解多级混合槽模型、轴向扩散模型的假设及推导；3.要求学生掌握几种解决均相反应过程问题的近似法，即活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多级混合槽模型、轴向扩散模型。4气固相催化反应本征动力学4.1催化过程及表征4.1.1催化反应过程及特征；4.1.2非均相催化反应速率表达；4.1.3非均相催化反应过程；4.1.4固体催化剂组成、结构及制备1.要求学生了解固体催化剂组成、结构及制备，以及催化反应过程的特征；2.要求学生理解非均相催化反应速率的几种表达式；3.要求学生掌握非均相反应的七大步骤。4.2本征反应动力学4.2.1化学吸附与物理吸附，涉及化学吸附与物理吸附差别、化学吸附速率的表达、兰格缪尔吸附模型、焦姆金吸附模型、弗鲁德里希吸附模型；4.2.2表面化学反应；4.2.3反应本征动力学，涉及双曲型本征动力学方程、幂函数型本征动力学方程及实验测定。5气固相催化反应宏观动力学5.1催化剂颗粒内气体扩散5.1.1宏观反应速率的定义式；1.要求学生了解物理吸附、幂函数型本征动力学方程及本征动力学方程的实验测定；2.要求学生理解焦姆金吸附模型、弗鲁德里希吸附模型；3.要求学生掌握兰格缪尔吸附模型（理想吸附模型）及双曲本征动力学方程的推理1.要求学生了解催化剂颗粒内的各种扩散；2.要求学生理解扩散判断准则；45.1.2催化剂颗粒内气体扩散，涉及分子扩散、鲁森扩散、综合扩散；5.1.3以颗粒为基准的有效扩散3.要求学生掌握宏观反应速率及有效扩散。5.2宏观反应动力学5.2.1球形催化剂上等温反应宏观反应动力学方程；5.2.2无限长圆柱型催化剂、圆形薄片催化剂、任意形状催化剂的宏观动力学方程。5.2.3非等温条件下的宏观动力学方程。1.要求学生了解非等温条件下的宏观动力学方程；2.要求学生理解宏观反应动力学方程的催化剂从特殊形状到任意形状、反应从一级到任意级的假设、推理和求解；3.要求学生掌握宏观等温反应动力学方程的推导及结论。5.3催化剂表面外的传质、传热及催化剂失活5.3.1流体与催化剂外表面间的传质；5.3.2流体与催化剂外表面间的传热；5.3.3失活现象及失活动力学；5.3.4工业上处理失活问题的方法。本节学生只作为一般知识性的了解，不要求学生掌握。6气固相催化固定床反应器6.1流体在固定床传递特性6.1.1流体在固定床内的流动特性；6.1.2固定床内的径向传递。1.要求学生了解流体在固定床内径向传质和传热特点；2.要求学生理解流体通过床层压力传递方程，即厄根方程和修正雷诺准数；3.要求学生掌握固定床的空隙率、体积当量直径、面积当量直径、比表面当量直6.2固定床催化反应器设计6.2.1固定床催化反应器的特点及类型（绝热固定床反应器、多段绝热式反应器、列管式反应器、自热式固定床反应器）；6.2.2一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计计算，涉及等温单层绝热床和多段绝热反应器；6.2.3固定床反应器模型评述，涉及一维拟均相非理想流模型、二维拟均相模型、二维非均相模型。1.要求学生了解固定床催化反应器各种类型及特点，各种固定床反应器的数学模型；2.要求学生理解一维拟均相理想流动模型、一维拟均相非理想流模型、二维拟均相模型、二维非均相模型的建立方法；3.要求学生掌握等温单层绝热床和多段绝热反应器的设计计算。8气液反应过程及反应器8.1气液反应动力学8.1.1气液反应步骤及过程；8.1.2气液反应过程的基础方程；8.1.3极慢反应过程、慢反应过程、中速反应过程、快反应过程、瞬时反应过程；8.1.4化学增强因子β和膜内转换系数γ。1.要求学生了解气液反应的传质步骤及传质速率方程；2.要求学生理解气液反应过程的基础方程及五大反应过程的数理推导；3.要求学生掌握瞬时反应过程、极慢反应过程、慢反应过程的结论及β、γ。58.2气液反应器8.2.1工业上常用的气液反应器；8.2.2填料塔式反应器的计算；8.2.3鼓泡塔式反应器的计算。1.要求学生了解工业气液反应器、鼓泡踏式反应器的计算；2.要求学生了解填料塔式反应器工艺计算。9反应器的热稳定性和参数灵敏性全混流反应器的热稳定性；管式反应器的热稳定性；反应器参数的灵敏性；要求学生了解全混流、管式反应器的热稳定性及反应器参数的灵敏性。四、课程的重点和难点绪论重点是化学反应工程的研究内容和方法。第一章均相单一反应动力学和理想反应器重点：①化学反应动力学方程②理想反应器设计方程难点：动力学方称的建立；反应器设计计算第二章复合反应与反应器选型重点：复合反应动力学方程表达法；复合反应动力学特征分析；平推流反应器的串联和全混流反应器的串联。难点：可逆反应吸热反应和放热反应动力学特点推导与分析；循环反应器设计方程的数学推导；复合反应（包括可逆反应、自催化反应、平行反应、连串反应）在PFR和CSTR反应器的优化设计计算第三章非理想流动反应器重点：停留时间分布的概率函数及特征值；停留时间分布的实验测定；解决均相反应过程问题的近似法即活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多级混合槽模型、轴向扩散模型的推导、结论及应用比较。难点：停留时间分布实验测定；理想反应器两函数和两特征值；宏观流体、微观流体概念的理解；均相反应过程问题的近似法假设及推导。第四章气固相催化反应本征动力学重点：非均相催化反应速度的表达；非均相催化反应过程；双曲型本征动力学方程难点：催化剂的结构及表征；兰格缪尔吸附模型、焦姆金吸附模型、弗鲁德里希吸附模型；双曲本征动力学方程的推理。第五章气固相催化反应宏观动力学重点：以颗粒为基准的有效扩散；西勒模数物理意义；球形催化剂上等温反应宏观反应动力学方程的假设、建立、数学求解；难点：有效扩散的假设及推导；方程求解涉及二阶常微分方程的数学求解及泰勒级数近似处理第六章气固相催化固定床反应器6重点：固定床的空隙率、体积当量直径、面积当量直径、比表面当量直径、颗粒平均直径；等温多层绝热床和多段绝热反应器的设计计算。难点：厄根方程和修正雷诺准数；一维拟均相理想流动模型、一维拟均相非理想流模型、二维拟均相模型、二维非均相模型的建立。第八章气液反应过程及反应器重点：气液反应过程的基础方程及五大反应过程的数学求解；化学增强因子和膜内转换系数；填料塔式反应器工艺计算。难点：气液反应过程的基础方程及五大反应过程的数学求解；填料塔式反应器工艺计算。第九章反应器的热稳定性和参数灵敏性重点：全混流、管式反应器的热稳定性。难点：全混流、管式反应器的热稳定性。五、实践环节独立开课六、各教学环节学时分配教学内容（按章填写）学时课堂讲授实验课习题课讨论课其它绪论1第一章均相单一反应动力学和理想反应器51第二章复合反应器与反应器选型62第三章非理想流动反应器63第四章气固催化反应本征动力学63第五章气固催化反应宏观动力学63第