《化学反应工程》教学大纲(含实验).doc

化学反应工程教学大纲（含实验）英文名称：Chemical Reaction Engineering 学 分：5.0学分 学 时：78学时 理论学时：56 上机学时：8 实验：14 先修课程：物理化学、化工原理、化工热力学适用专业：化学工程与工艺专业教学目的：本课程以工业反应过程为主要研究对象，研究过程速率及其变化规律、传递规律及其对化学反应的影响，以达到反应器的开发、设计和放大及优化操作之目的。通过本课程的学习，使学生较牢固地掌握化学反应工程最基本的原理和计算方法，能够理论联系实际，提高对工业反应器进行设计与分析之能力。为今后解决化工生产过程中和科学研究中遇到的各种化学工程问题打下良好的基础。教学要求：掌握反应器设计与分析的最基本原理和处理方法，了解化学反应工程的发展趋势和方向，初步具备对工业反应器进行设计与分析之能力。教学内容：第一章 绪论（3学时）1 反应工程的任务、作用及发展简史2 化学反应的分类3 工业反应器的类型4 反应器的操作方式5 反应器设计的基本方程6 工业反应器的放大7 一些重要的基本术语基本要求：了解反应工程课程的性质、反应器的操作方式、反应器设计的基本方程和工业反应器的放大方法。重 点：化学反应及反应器的分类、反应器的操作方式。一些重要的基本术语。第二章 反应动力学基础（8学时）1 反应速率方程2 反应速率的浓度效应和温度效应3 复合反应 4 反应速率方程的变换与积分5 多相催化与吸附6 多相催化反应动力学7 动力学参数的确定基本要求：掌握化学反应速率的不同表示方式及其相互关系；理解反应速率的浓度效应和温度效应；掌握复合反应体系中任一组分的消耗速率和生成速率的表达方法；掌握瞬时选择性的概念及其在反应器设计计算中的应用；掌握化学反应速率方程的变换与应用。掌握定态近似及速率控制步骤的概念，学会推导多相催化反应速率方程的方法。理解并列反应、平行反应和连串反应的动力学特征。理解气体在固体催化剂表面上的吸附及吸附等温线，理解用实验确定反应速率方程的方法及由实验数据段动力学参数估值。重 点：化学反应速率的不同表示方式及其相互关系；复合反应体系中任一组分总的消耗速率和生成速率的表达方法；掌握瞬时选择性的概念及其在反应器设计计算中的应用；学会推导多相催化反应速率方程的方法。难 点：总的消耗速率和生成速率的计算；瞬时选择性在反应器设计、计算中的应用。推导多相催化反应速率方程。第三章 釜式反应器（8学时）1 釜式反应器的物衡式2 单一反应间歇釜的计算3 复合反应间歇釜的计算4 连续釜式反应器的设计5 连续釜式反应器的串联与并联6 釜式反应器中收率与选择性的计算7 半间歇釜式反应器8 连续釜式反应器的定态操作基本要求：掌握等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算方法；理解流动反应器空时和空速的概念及其应用；掌握定态下连续釜式反应器反应体积及产物组成的计算方法；掌握连续釜式反应器串联或并联操作的计算；根据不同的反应类型能正确地选择釜式反应器的加料方式、连接方式、原料配比及操作温度；掌握连续釜式反应器热量衡算式建立及应用；理解全混流反应器的多定态特性、着火现象和熄火现象；了解半间歇反应器的计算方法。重 点：等温间歇反应器反应时间、反应体积的计算；流动反应器空时的概念；连续釜式反应器（全混流反应器）反应体积及产物分布的计算；连续釜式反应器串联或并联操作的计算；釜式反应器的加料方式、连接方式、原料配比及操作温度的选择。难 点：连续釜式反应器（全混流反应器）产物分布的计算；半间歇反应器的计算。第四章 管式反应器（6学时）1 物料在反应器中的流动2 等温管式反应器的计算3 管式反应器与釜式反应器的比较4 循环反应器5 变温管式反应器6 管式反应器的最佳温度序列基本要求：掌握全混流、活塞流模型在反应器设计、计算中的应用；掌握等温活塞流反应器反应体积及产物分布的计算；对管式反应器与釜式反应器在反应体积和收率方面进行比较；掌握绝热和非绝热变温活塞流反应器反应体积及产物分布的计算方法；能根据化学反应的类型选择活塞流反应器的加料方式、原料配比及操作温度；了解循环反应器的特征和计算方法。重 点：等温活塞流反应器反应体积及产物分布的计算；管式反应器与釜式反应器的比较；绝热和非绝热变温活塞流反应器反应体积及产物分布的计算；活塞流反应器的加料方式、原料配比及操作温度的选择。难 点：绝热和非绝热变温活塞流反应器反应体积及产物分布的计算；第五章 停留时间分布与流动模型（8学时）1 停留时间分布2 停留时间分布的定量描述3 停留时间分布的实验测定4 停留时间分布的统计特征值5 理想反应器的停留时间分布6 非理想流动模型7 非理想流动反应器的计算8 流体的混合态及其对化学反应的影响基本要求：理解流动系统物料停留时间分布的意义及其数学表达式；理解返混的概念；掌握停留时间分布的实验测定方法；掌握两种理想流动反应器的停留时间分布；理解反应器偏离理想流动的原因；理解多釜串联、轴向扩散模型和离析流模型的物理意义和数学模型建立的基本思路，能根据实验测定的反应器停留时间分布数据来确定模型参数。掌握等温非理想反应器进行简单反应时最终转化率的计算；了解流体的微观混合与宏观混合及流体的混合态对流动反应器转化率的影响。重 点：停留时间分布的实验测定；两种理想流动反应器的停留时间分布；难 点：流动系统物料停留时间分布的意义及其数学表达式；返混的概念。第六章 气固系统中的化学反应与传递现象（8学时）1 气固相催化反应的过程步骤2 流体与颗粒表面间的传质与传热3 气体在多孔介质中的扩散4 内扩散与反应5 内扩散对反应选择性的影响6 内、外扩散影响的排除7 扩散干扰下的动力学假象基本要求：理解多相催化反应过程的步骤和判断速率控制步骤的方法。了解流体与催化剂颗粒外表面之间的传质与传热对多相催化反应速率及选择性的影响。理解气体在多孔颗粒中的扩散类型及有效扩散系数的概念；掌握等温多孔催化剂中气体扩散反应微分方程的建立及求解方法；了解外扩散有效因子的概念；掌握内扩散有效因子的概念及一级反应内扩散有效因子的计算；掌握检验内、外扩散对多相催化反应速率有无影响的实验方法；了解扩散对表观反应级数及表观活化能的影响及其与相应的本征值之间的关系。重 点：等温多孔催化剂中气体扩散反应微分方程的建立及求解方法；内扩散有效因子的概念及一级反应内扩散有效因子的计算；检验内、外扩散对多相催化反应速率有无影响的实验方法。难 点：气体在多孔颗粒中的扩散类型及有效扩散系数的概念；等温多孔催化剂中气体扩散反应微分方程的建立及求解；第七章 固定床催化反应器的设计与分析（8学时）1 固定床内的传递现象2固定床反应器的数学模型3 绝热式固定床反应器4 换热式固定床反应器5 自热式固定床反应器6 实验室催化反应器基本要求：掌握固定床反应器压力降的计算方法；掌握固定床反应器拟均相一维模型的建立和应用。理解固定床催化反应器的主要类型及其结构特点；掌握绝热式固定床反应器催化剂用量的计算方法；了解多段绝热式固定床反应器的优化原则；掌握换热式固定床反应器床层轴向温度的变化规律及其影响因素；了解换热式固定床反应器利用热点（或冷点）的位置变动判断反应器的操作工况及参数敏感性问题、飞温现象。了解自热式固定床反应器的操作工况；了解实验室催化反应器的主要类型及其结构特点。重 点：固定床反应器压力降的计算；拟均相一维模型的建立和应用。绝热式固定床反应器催化剂用量的计算。难 点：多段绝热式固定床反应器的优化；换热式固定床反应器床层轴向温度的变化规律及其影响因素。第八章 气液反应与反应器（7学时）1 概述2 气液反应的宏观动力学3 气液反应器基本要求：掌握气液反应的扩散反应方程的建立。掌握各种情况下气液组分的浓度分布和宏观反应速率。理解气液反应过程的步骤，理解气液反应器的结构形式及特点。理解Hatta数的物理意义及气液反应的有效因子的物理意义，了解填料塔和鼓泡塔的设计计算。重 点：掌握气液反应的扩散反应方程的建立。掌握各种情况下气液组分的浓度分布和宏观反应速率。Hatta数的物理意义及气液反应的有效因子的物理意义。难 点：Hatta数的物理意义及气液反应的有效因子的物理意义的理解。上机计算：（8学时）管式反应器绝热操作和非绝热变温（换热）操作浓度分布和温度分布的计算。基本要求：根据教材上例4。7和例4。8，建立管式反应器绝热操作和非绝热变温（换热）操作轴向浓度分布和轴向温度分布方程，采用龙格库塔法求解带初值问题的常微分方程组，得到转化率和温度随轴向位置的变化关系，并分别作图；同时对绝热操作和非绝热变温（换热）操作这两种操作方式进行比较，得出结论。重 点：反应器绝热操作和非绝热变温（换热）操作是两种重要的操作方式。通过上机计算，加强感性认识，进一步牢固掌握。教学实验：（14学时）1液固催化反应动力学的测定（4学时） 综合性实验基本要求：熟悉研究反应动力学的一般方法；掌握在连续流动条件下测定液固催化反应动力学数据的实验原理和方法；进一步了解动力学模型在反应器设计和优化操作中的作用。重 点：本实验所采用的适合快速反应的测温法来测定液固催化反应动力学数据的实验原理和方法。难 点：掌握催化反应动力学模型建立和模型参数估计的原理和方法。2连续均相反应器停留时间分布的测定（4学时） 综合性实验基本要求：熟悉停留时间分布的实验测定原理，测定方法及数据处理方法；利用脉冲示踪法测量不同类型反应器停留时间分布密度函数和停留时间分布函数；求出数学特征，模型参数。重 点：测量不同类型反应器停留时间分布密度函数和停留时间分布函数。难 点：准确计算示踪剂的物料平衡。3催化剂颗粒内扩散有效因子的测定（6学时） 综合性实验基本要求：深入理解多相系统中化学反应与传递现象，了解内扩散过程及其对反应的影响；熟悉催化剂内扩散有效因子的概念；掌握其它实验测定方法；了解本征反应动力学的实验测定方法。重 点：测量催化剂颗粒内扩散有效因子。难 点：消除外扩散阻力，求取本征反应速度常数。参考教材：1朱炳辰主编. 面向21世纪课程教材.化学反应工程（第三版）. 化学工业出版社，2001 2陈甘棠主编.化学反应工程（第二版）. 化学工业出版社，19903Octave Levenspiel. Chemical Reaction Engineering(Third Edition)(国外名校名著). 化学工业出版社，2002