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《化學反應工程》教學大綱（含實驗） 英文名稱：Chemical Reaction Engineering 學 分：5.0學分 學 時：78學時 理論學時：56 上機學時：8 實驗：14 先修課程：物理化學、化工原理、化工熱力學 適用專業(yè)：化學工程與工藝專業(yè) 教學目的： 本課程以工業(yè)反應過程為主要研究對象，研究過程速率及其變化規(guī)律、傳遞規(guī)律及其對化學反應的影響，以達到反應器的開發(fā)、設計和放大及優(yōu)化操作之目的。 通過本課程的學習，使學生較牢固地掌握化學反應工程最基本的原理和計算方法，能夠理論聯(lián)系實際，提高對工業(yè)反應器進行設計與分析之能力。為今后解決化工生產(chǎn)過程中和科學研究中遇到的各種化學工程問題打下良好的基礎。 教學要求： 掌握反應器設計與分析的最基本原理和處理方法，了解化學反應工程的發(fā)展趨勢和方向，初步具備對工業(yè)反應器進行設計與分析之能力。 教學內(nèi)容： 第一章 緒論（3學時） 1 反應工程的任務、作用及發(fā)展簡史 2 化學反應的分類 3 工業(yè)反應器的類型 4 反應器的操作方式 5 反應器設計的基本方程 6 工業(yè)反應器的放大 7 一些重要的基本術語 基本要求： 了解反應工程課程的性質(zhì)、反應器的操作方式、反應器設計的基本方程和工業(yè)反應器的放大方法。 重 點： 化學反應及反應器的分類、反應器的操作方式。一些重要的基本術語。 第二章 反應動力學基礎（8學時） 1 反應速率方程 2 反應速率的濃度效應和溫度效應 3 復合反應 4 反應速率方程的變換與積分 5 多相催化與吸附 6 多相催化反應動力學 7 動力學參數(shù)的確定 基本要求： 掌握化學反應速率的不同表示方式及其相互關系；理解反應速率的濃度效應和溫度效應；掌握復合反應體系中任一組分的消耗速率和生成速率的表達方法；掌握瞬時選擇性的概念及其在反應器設計計算中的應用；掌握化學反應速率方程的變換與應用。掌握定態(tài)近似及速率控制步驟的概念，學會推導多相催化反應速率方程的方法。 理解并列反應、平行反應和連串反應的動力學特征。理解氣體在固體催化劑表面上的吸附及吸附等溫線，理解用實驗確定反應速率方程的方法及由實驗數(shù)據(jù)段動力學參數(shù)估值。 重 點： 化學反應速率的不同表示方式及其相互關系；復合反應體系中任一組分總的消耗速率和生成速率的表達方法；掌握瞬時選擇性的概念及其在反應器設計計算中的應用；學會推導多相催化反應速率方程的方法。 難 點： 總的消耗速率和生成速率的計算；瞬時選擇性在反應器設計、計算中的應用。推導多相催化反應速率方程。 第三章 釜式反應器（8學時） 1 釜式反應器的物衡式 2 單一反應間歇釜的計算 3 復合反應間歇釜的計算 4 連續(xù)釜式反應器的設計 5 連續(xù)釜式反應器的串聯(lián)與并聯(lián) 6 釜式反應器中收率與選擇性的計算 7 半間歇釜式反應器 8 連續(xù)釜式反應器的定態(tài)操作 基本要求： 掌握等溫間歇反應器反應時間、反應體積的計算方法；理解流動反應器空時和空速的概念及其應用；掌握定態(tài)下連續(xù)釜式反應器反應體積及產(chǎn)物組成的計算方法；掌握連續(xù)釜式反應器串聯(lián)或并聯(lián)操作的計算；根據(jù)不同的反應類型能正確地選擇釜式反應器的加料方式、連接方式、原料配比及操作溫度；掌握連續(xù)釜式反應器熱量衡算式建立及應用；理解全混流反應器的多定態(tài)特性、著火現(xiàn)象和熄火現(xiàn)象；了解半間歇反應器的計算方法。 重 點： 等溫間歇反應器反應時間、反應體積的計算；流動反應器空時的概念；連續(xù)釜式反應器（全混流反應器）反應體積及產(chǎn)物分布的計算；連續(xù)釜式反應器串聯(lián)或并聯(lián)操作的計算；釜式反應器的加料方式、連接方式、原料配比及操作溫度的選擇。 難 點： 連續(xù)釜式反應器（全混流反應器）產(chǎn)物分布的計算；半間歇反應器的計算。 第四章 管式反應器（6學時） 1 物料在反應器中的流動 2 等溫管式反應器的計算 3 管式反應器與釜式反應器的比較 4 循環(huán)反應器 5 變溫管式反應器 6 管式反應器的最佳溫度序列 基本要求： 掌握全混流、活塞流模型在反應器設計、計算中的應用；掌握等溫活塞流反應器反應體積及產(chǎn)物分布的計算；對管式反應器與釜式反應器在反應體積和收率方面進行比較；掌握絕熱和非絕熱變溫活塞流反應器反應體積及產(chǎn)物分布的計算方法；能根據(jù)化學反應的類型選擇活塞流反應器的加料方式、原料配比及操作溫度；了解循環(huán)反應器的特征和計算方法。 重 點： 等溫活塞流反應器反應體積及產(chǎn)物分布的計算；管式反應器與釜式反應器的比較；絕熱和非絕熱變溫活塞流反應器反應體積及產(chǎn)物分布的計算；活塞流反應器的加料方式、原料配比及操作溫度的選擇。 難 點： 絕熱和非絕熱變溫活塞流反應器反應體積及產(chǎn)物分布的計算； 第五章 停留時間分布與流動模型（8學時） 1 停留時間分布 2 停留時間分布的定量描述 3 停留時間分布的實驗測定 4 停留時間分布的統(tǒng)計特征值 5 理想反應器的停留時間分布 6 非理想流動模型 7 非理想流動反應器的計算 8 流體的混合態(tài)及其對化學反應的影響 基本要求： 理解流動系統(tǒng)物料停留時間分布的意義及其數(shù)學表達式；理解返混的概念；掌握停留時間分布的實驗測定方法；掌握兩種理想流動反應器的停留時間分布；理解反應器偏離理想流動的原因；理解多釜串聯(lián)、軸向擴散模型和離析流模型的物理意義和數(shù)學模型建立的基本思路，能根據(jù)實驗測定的反應器停留時間分布數(shù)據(jù)來確定模型參數(shù)。掌握等溫非理想反應器進行簡單反應時最終轉(zhuǎn)化率的計算；了解流體的微觀混合與宏觀混合及流體的混合態(tài)對流動反應器轉(zhuǎn)化率的影響。 重 點： 停留時間分布的實驗測定；兩種理想流動反應器的停留時間分布； 難 點： 流動系統(tǒng)物料停留時間分布的意義及其數(shù)學表達式；返混的概念。 第六章 氣固系統(tǒng)中的化學反應與傳遞現(xiàn)象（8學時） 1 氣固相催化反應的過程步驟 2 流體與顆粒表面間的傳質(zhì)與傳熱 3 氣體在多孔介質(zhì)中的擴散 4 內(nèi)擴散與反應 5 內(nèi)擴散對反應選擇性的影響 6 內(nèi)、外擴散影響的排除 7 擴散干擾下的動力學假象 基本要求： 理解多相催化反應過程的步驟和判斷速率控制步驟的方法。了解流體與催化劑顆粒外表面之間的傳質(zhì)與傳熱對多相催化反應速率及選擇性的影響。理解氣體在多孔顆粒中的擴散類型及有效擴散系數(shù)的概念；掌握等溫多孔催化劑中氣體擴散—反應微分方程的建立及求解方法；了解外擴散有效因子的概念；掌握內(nèi)擴散有效因子的概念及一級反應內(nèi)擴散有效因子的計算；掌握檢驗內(nèi)、外擴散對多相催化反應速率有無影響的實驗方法；了解擴散對表觀反應級數(shù)及表觀活化能的影響及其與相應的本征值之間的關系。 重 點： 等溫多孔催化劑中氣體擴散—反應微分方程的建立及求解方法；內(nèi)擴散有效因子的概念及一級反應內(nèi)擴散有效因子的計算；檢驗內(nèi)、外擴散對多相催化反應速率有無影響的實驗方法。 難 點： 氣體在多孔顆粒中的擴散類型及有效擴散系數(shù)的概念；等溫多孔催化劑中氣體擴散—反應微分方程的建立及求解； 第七章 固定床催化反應器的設計與分析（8學時） 1 固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 2固定床反應器的數(shù)學模型 3 絕熱式固定床反應器 4 換熱式固定床反應器 5 自熱式固定床反應器 6 實驗室催化反應器 基本要求： 掌握固定床反應器壓力降的計算方法；掌握固定床反應器擬均相一維模型的建立和應用。理解固定床催化反應器的主要類型及其結(jié)構(gòu)特點；掌握絕熱式固定床反應器催化劑用量的計算方法；了解多段絕熱式固定床反應器的優(yōu)化原則；掌握換熱式固定床反應器床層軸向溫度的變化規(guī)律及其影響因素；了解換熱式固定床反應器利用熱點（或冷點）的位置變動判斷反應器的操作工況及參數(shù)敏感性問題、飛溫現(xiàn)象。了解自熱式固定床反應器的操作工況；了解實驗室催化反應器的主要類型及其結(jié)構(gòu)特點。 重 點： 固定床反應器壓力降的計算；擬均相一維模型的建立和應用。絕熱式固定床反應器催化劑用量的計算。 難 點： 多段絕熱式固定床反應器的優(yōu)化；換熱式固定床反應器床層軸向溫度的變化規(guī)律及其影響因素。 第八章 氣液反應與反應器（7學時） 1 概述 2 氣液反應的宏觀動力學 3 氣液反應器 基本要求： 掌握氣液反應的擴散—反應方程的建立。掌握各種情況下氣液組分的濃度分布和宏觀反應速率。 理解氣液反應過程的步驟，理解氣液反應器的結(jié)構(gòu)形式及特點。理解Hatta數(shù)的物理意義及氣液反應的有效因子的物理意義，了解填料塔和鼓泡塔的設計計算。 重 點： 掌握氣液反應的擴散—反應方程的建立。掌握各種情況下氣液組分的濃度分布和宏觀反應速率。Hatta數(shù)的物理意義及氣液反應的有效因子的物理意義。 難 點： Hatta數(shù)的物理意義及氣液反應的有效因子的物理意義的理解。 上機計算：（8學時） 管式反應器絕熱操作和非絕熱變溫（換熱）操作濃度分布和溫度分布的計算。 基本要求： 根據(jù)教材上例4。7和例4。8，建立管式反應器絕熱操作和非絕熱變溫（換熱）操作軸向濃度分布和軸向溫度分布方程，采用龍格－庫塔法求解帶初值問題的常微分方程組，得到轉(zhuǎn)化率和溫度隨軸向位置的變化關系，并分別作圖；同時對絕熱操作和非絕熱變溫（換熱）操作這兩種操作方式進行比較，得出結(jié)論。 重 點： 反應器絕熱操作和非絕熱變溫（換熱）操作是兩種重要的操作方式。通過上機計算，加強感性認識，進一步牢固掌握。 教學實驗：（14學時） 1．液固催化反應動力學的測定（4學時） 綜合性實驗 基本要求： 熟悉研究反應動力學的一般方法；掌握在連續(xù)流動條件下測定液固催化反應動力學數(shù)據(jù)的實驗原理和方法；進一步了解動力學模型在反應器設計和優(yōu)化操作中的作用。 重 點： 本實驗所采用的適合快速反應的測溫法來測定液固催化反應動力學數(shù)據(jù)的實驗原理和方法。 難 點： 掌握催化反應動力學模型建立和模型參數(shù)估計的原理和方法。 2．連續(xù)均相反應器停留時間分布的測定（4學時） 綜合性實驗 基本要求： 熟悉停留時間分布的實驗測定原理，測定方法及數(shù)據(jù)處理方法；利用脈沖示蹤法測量不同類型反應器停留時間分布密度函數(shù)和停留時間分布函數(shù)；求出數(shù)學特征，模型參數(shù)。 重 點： 測量不同類型反應器停留時間分布密度函數(shù)和停留時間分布函數(shù)。 難 點： 準確計算示蹤劑的物料平衡。 3．催化劑顆粒內(nèi)擴散有效因子的測定（6學時） 綜合性實驗 基本要求： 深入理解多相系統(tǒng)中化學反應與傳遞現(xiàn)象，了解內(nèi)擴散過程及其對反應的影響；熟悉催化劑內(nèi)擴散有效因子的概念；掌握其它實驗測定方法；了解本征反應動力學的實驗測定方法。 重 點： 測量催化劑顆粒內(nèi)擴散有效因子。 難 點： 消除外擴散阻力，求取本征反應速度常數(shù)。 參考教材： 1．朱炳辰主編. 面向21世紀課程教材.《化學反應工程》（第三版）. 化學工業(yè)出版社，2001 2．陳甘棠主編.《化學反應工程》（第二版）. 化學工業(yè)出版社，1990 3．Octave Levenspiel. Chemical Reaction Engineering(Third Edition)(國外名校名著). 化學工業(yè)出版社，2002