《化學(xué)反應(yīng)工程》教學(xué)大綱（含實驗） 英文名稱：Chemical Reaction Engineering 學(xué) 分：5.0學(xué)分 學(xué) 時：78學(xué)時 理論學(xué)時：56 上機(jī)學(xué)時：8 實驗：14 先修課程：物理化學(xué)、化工原理、化工熱力學(xué) 適用專業(yè)：化學(xué)工程與工藝專業(yè) 教學(xué)目的： 本課程以工業(yè)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)的影響，以達(dá)到反應(yīng)器的開發(fā)、設(shè)計和放大及優(yōu)化操作之目的。 通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生較牢固地掌握化學(xué)反應(yīng)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(yīng)器進(jìn)行設(shè)計與分析之能力。為今后解決化工生產(chǎn)過程中和科學(xué)研究中遇到的各種化學(xué)工程問題打下良好的基礎(chǔ)。 教學(xué)要求： 掌握反應(yīng)器設(shè)計與分析的最基本原理和處理方法，了解化學(xué)反應(yīng)工程的發(fā)展趨勢和方向，初步具備對工業(yè)反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計與分析之能力。 教學(xué)內(nèi)容： 第一章 緒論（3學(xué)時） 1 反應(yīng)工程的任務(wù)、作用及發(fā)展簡史 2 化學(xué)反應(yīng)的分類 3 工業(yè)反應(yīng)器的類型 4 反應(yīng)器的操作方式 5 反應(yīng)器設(shè)計的基本方程 6 工業(yè)反應(yīng)器的放大 7 一些重要的基本術(shù)語 基本要求： 了解反應(yīng)工程課程的性質(zhì)、反應(yīng)器的操作方式、反應(yīng)器設(shè)計的基本方程和工業(yè)反應(yīng)器的放大方法。 重 點： 化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)器的分類、反應(yīng)器的操作方式。一些重要的基本術(shù)語。 第二章 反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)（8學(xué)時） 1 反應(yīng)速率方程 2 反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)和溫度效應(yīng) 3 復(fù)合反應(yīng) 4 反應(yīng)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(yīng)動力學(xué) 7 動力學(xué)參數(shù)的確定 基本要求： 掌握化學(xué)反應(yīng)速率的不同表示方式及其相互關(guān)系；理解反應(yīng)速率的濃度效應(yīng)和溫度效應(yīng)；掌握復(fù)合反應(yīng)體系中任一組分的消耗速率和生成速率的表達(dá)方法；掌握瞬時選擇性的概念及其在反應(yīng)器設(shè)計計算中的應(yīng)用；掌握化學(xué)反應(yīng)速率方程的變換與應(yīng)用。掌握定態(tài)近似及速率控制步驟的概念，學(xué)會推導(dǎo)多相催化反應(yīng)速率方程的方法。 理解并列反應(yīng)、平行反應(yīng)和連串反應(yīng)的動力學(xué)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(yīng)速率方程的方法及由實驗數(shù)據(jù)段動力學(xué)參數(shù)估值。 重 點： 化學(xué)反應(yīng)速率的不同表示方式及其相互關(guān)系；復(fù)合反應(yīng)體系中任一組分總的消耗速率和生成速率的表達(dá)方法；掌握瞬時選擇性的概念及其在反應(yīng)器設(shè)計計算中的應(yīng)用；學(xué)會推導(dǎo)多相催化反應(yīng)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(yīng)器設(shè)計、計算中的應(yīng)用。推導(dǎo)多相催化反應(yīng)速率方程。 第三章 釜式反應(yīng)器（8學(xué)時） 1 釜式反應(yīng)器的物衡式 2 單一反應(yīng)間歇釜的計算 3 復(fù)合反應(yīng)間歇釜的計算 4 連續(xù)釜式反應(yīng)器的設(shè)計 5 連續(xù)釜式反應(yīng)器的串聯(lián)與并聯(lián) 6 釜式反應(yīng)器中收率與選擇性的計算 7 半間歇釜式反應(yīng)器 8 連續(xù)釜式反應(yīng)器的定態(tài)操作 基本要求： 掌握等溫間歇反應(yīng)器反應(yīng)時間、反應(yīng)體積的計算方法；理解流動反應(yīng)器空時和空速的概念及其應(yīng)用；掌握定態(tài)下連續(xù)釜式反應(yīng)器反應(yīng)體積及產(chǎn)物組成的計算方法；掌握連續(xù)釜式反應(yīng)器串聯(lián)或并聯(lián)操作的計算；根據(jù)不同的反應(yīng)類型能正確地選擇釜式反應(yīng)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(yīng)器熱量衡算式建立及應(yīng)用；理解全混流反應(yīng)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(yīng)器的計算方法。 重 點： 等溫間歇反應(yīng)器反應(yīng)時間、反應(yīng)體積的計算；流動反應(yīng)器空時的概念；連續(xù)釜式反應(yīng)器（全混流反應(yīng)器）反應(yīng)體積及產(chǎn)物分布的計算；連續(xù)釜式反應(yīng)器串聯(lián)或并聯(lián)操作的計算；釜式反應(yīng)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(yīng)器（全混流反應(yīng)器）產(chǎn)物分布的計算；半間歇反應(yīng)器的計算。 第四章 管式反應(yīng)器（6學(xué)時） 1 物料在反應(yīng)器中的流動 2 等溫管式反應(yīng)器的計算 3 管式反應(yīng)器與釜式反應(yīng)器的比較 4 循環(huán)反應(yīng)器 5 變溫管式反應(yīng)器 6 管式反應(yīng)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(yīng)器設(shè)計、計算中的應(yīng)用；掌握等溫活塞流反應(yīng)器反應(yīng)體積及產(chǎn)物分布的計算；對管式反應(yīng)器與釜式反應(yīng)器在反應(yīng)體積和收率方面進(jìn)行比較；掌握絕熱和非絕熱變溫活塞流反應(yīng)器反應(yīng)體積及產(chǎn)物分布的計算方法；能根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的類型選擇活塞流反應(yīng)器的加料方式、原料配比及操作溫度；了解循環(huán)反應(yīng)器的特征和計算方法。 重 點： 等溫活塞流反應(yīng)器反應(yīng)體積及產(chǎn)物分布的計算；管式反應(yīng)器與釜式反應(yīng)器的比較；絕熱和非絕熱變溫活塞流反應(yīng)器反應(yīng)體積及產(chǎn)物分布的計算；活塞流反應(yīng)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(yīng)器反應(yīng)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(xué)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(yīng)器的停留時間分布 6 非理想流動模型 7 非理想流動反應(yīng)器的計算 8 流體的混合態(tài)及其對化學(xué)反應(yīng)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(xué)表達(dá)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(yīng)器的停留時間分布；理解反應(yīng)器偏離理想流動的原因；理解多釜串聯(lián)、軸向擴(kuò)散模型和離析流模型的物理意義和數(shù)學(xué)模型建立的基本思路，能根據(jù)實驗測定的反應(yīng)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(yīng)器進(jìn)行簡單反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xué)表達(dá)式；返混的概念。 第六章 氣固系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象（8學(xué)時） 1 氣固相催化反應(yīng)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(kuò)散 4 內(nèi)擴(kuò)散與反應(yīng) 5 內(nèi)擴(kuò)散對反應(yīng)選擇性的影響 6 內(nèi)、外擴(kuò)散影響的排除 7 擴(kuò)散干擾下的動力學(xué)假象 基本要求： 理解多相催化反應(yīng)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(yīng)速率及選擇性的影響。理解氣體在多孔顆粒中的擴(kuò)散類型及有效擴(kuò)散系數(shù)的概念；掌握等溫多孔催化劑中氣體擴(kuò)散—反應(yīng)微分方程的建立及求解方法；了解外擴(kuò)散有效因子的概念；掌握內(nèi)擴(kuò)散有效因子的概念及一級反應(yīng)內(nèi)擴(kuò)散有效因子的計算；掌握檢驗內(nèi)、外擴(kuò)散對多相催化反應(yīng)速率有無影響的實驗方法；了解擴(kuò)散對表觀反應(yīng)級數(shù)及表觀活化能的影響及其與相應(yīng)的本征值之間的關(guān)系。 重 點： 等溫多孔催化劑中氣體擴(kuò)散—反應(yīng)微分方程的建立及求解方法；內(nèi)擴(kuò)散有效因子的概念及一級反應(yīng)內(nèi)擴(kuò)散有效因子的計算；檢驗內(nèi)、外擴(kuò)散對多相催化反應(yīng)速率有無影響的實驗方法。 難 點： 氣體在多孔顆粒中的擴(kuò)散類型及有效擴(kuò)散系數(shù)的概念；等溫多孔催化劑中氣體擴(kuò)散—反應(yīng)微分方程的建立及求解； 第七章 固定床催化反應(yīng)器的設(shè)計與分析（8學(xué)時） 1 固定床內(nèi)的傳遞現(xiàn)象 2固定床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模型 3 絕熱式固定床反應(yīng)器 4 換熱式固定床反應(yīng)器 5 自熱式固定床反應(yīng)器 6 實驗室催化反應(yīng)器 基本要求： 掌握固定床反應(yīng)器壓力降的計算方法；掌握固定床反應(yīng)器擬均相一維模型的建立和應(yīng)用。理解固定床催化反應(yīng)器的主要類型及其結(jié)構(gòu)特點；掌握絕熱式固定床反應(yīng)器催化劑用量的計算方法；了解多段絕熱式固定床反應(yīng)器的優(yōu)化原則；掌握換熱式固定床反應(yīng)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(yīng)器利用熱點（或冷點）的位置變動判斷反應(yīng)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(yīng)器的操作工況；了解實驗室催化反應(yīng)器的主要類型及其結(jié)構(gòu)特點。 重 點： 固定床反應(yīng)器壓力降的計算；擬均相一維模型的建立和應(yīng)用。絕熱式固定床反應(yīng)器催化劑用量的計算。 難 點： 多段絕熱式固定床反應(yīng)器的優(yōu)化；換熱式固定床反應(yīng)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(yīng)與反應(yīng)器（7學(xué)時） 1 概述 2 氣液反應(yīng)的宏觀動力學(xué) 3 氣液反應(yīng)器 基本要求： 掌握氣液反應(yīng)的擴(kuò)散—反應(yīng)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(yīng)速率。 理解氣液反應(yīng)過程的步驟，理解氣液反應(yīng)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(yīng)的有效因子的物理意義，了解填料塔和鼓泡塔的設(shè)計計算。 重 點： 掌握氣液反應(yīng)的擴(kuò)散—反應(yīng)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(yīng)速率。Hatta數(shù)的物理意義及氣液反應(yīng)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(yīng)的有效因子的物理意義的理解。 上機(jī)計算：（8學(xué)時） 管式反應(yīng)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(yīng)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(guān)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(jìn)行比較，得出結(jié)論。 重 點： 反應(yīng)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(jī)計算，加強(qiáng)感性認(rèn)識，進(jìn)一步牢固掌握。 教學(xué)實驗：（14學(xué)時） 1．液固催化反應(yīng)動力學(xué)的測定（4學(xué)時） 綜合性實驗 基本要求： 熟悉研究反應(yīng)動力學(xué)的一般方法；掌握在連續(xù)流動條件下測定液固催化反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)的實驗原理和方法；進(jìn)一步了解動力學(xué)模型在反應(yīng)器設(shè)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(yīng)的測溫法來測定液固催化反應(yīng)動力學(xué)數(shù)據(jù)的實驗原理和方法。 難 點： 掌握催化反應(yīng)動力學(xué)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(yīng)器停留時間分布的測定（4學(xué)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(yīng)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(xué)特征，模型參數(shù)。 重 點： 測量不同類型反應(yīng)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(zhǔn)確計算示蹤劑的物料平衡。 3．催化劑顆粒內(nèi)擴(kuò)散有效因子的測定（6學(xué)時） 綜合性實驗 基本要求： 深入理解多相系統(tǒng)中化學(xué)反應(yīng)與傳遞現(xiàn)象，了解內(nèi)擴(kuò)散過程及其對反應(yīng)的影響；熟悉催化劑內(nèi)擴(kuò)散有效因子的概念；掌握其它實驗測定方法；了解本征反應(yīng)動力學(xué)的實驗測定方法。 重 點： 測量催化劑顆粒內(nèi)擴(kuò)散有效因子。 難 點： 消除外擴(kuò)散阻力，求取本征反應(yīng)速度常數(shù)。 參考教材： 1．朱炳辰主編. 面向21世紀(jì)課程教材.《化學(xué)反應(yīng)工程》（第三版）. 化學(xué)工業(yè)出版社，2001 2．陳甘棠主編.《化學(xué)反應(yīng)工程》（第二版）. 化學(xué)工業(yè)出版社，1990 3．Octave Levenspiel. Chemical Reaction Engineering(Third Edition)(國外名校名著). 化學(xué)工業(yè)出版社，2002