化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)大綱

化學(xué)反應(yīng)工程課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：095111課程名稱：化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)時(shí)/學(xué)分：72/4.5先修課程：物理化學(xué)、化工工藝學(xué)、化工原理適用專業(yè)：化學(xué)工程與工藝開課系或教研室：化學(xué)化工系課程性質(zhì)和任務(wù)1．課程性質(zhì)：化學(xué)反應(yīng)工程是以化學(xué)反應(yīng)器原理為主要線索，主要研究化學(xué)反應(yīng)過程需要解決的工程問題，是化工生產(chǎn)的龍頭、關(guān)鍵和核心，是一些基礎(chǔ)學(xué)科諸如物理化學(xué)、傳遞過程、化學(xué)工藝等相互滲透與交叉而演變成的邊緣學(xué)科，其內(nèi)容主要涉及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)器中傳遞特性、反應(yīng)器類型結(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)建模方法、操作分析及反應(yīng)器設(shè)計(jì)，具有高度綜合性、廣泛基礎(chǔ)性和自身獨(dú)特性。2．課程任務(wù)：培養(yǎng)學(xué)生將物理化學(xué)、傳遞過程、化學(xué)工藝、化工熱力學(xué)、控制工程等學(xué)科知識(shí)用之于化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的綜合能力；使學(xué)生掌握化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)科的理論體系、研究方法，了解學(xué)科前沿；使學(xué)生初步具備改進(jìn)和強(qiáng)化現(xiàn)有反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備、開發(fā)新的反應(yīng)技術(shù)和設(shè)備、解決反應(yīng)過程中的工程放大問題以及實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程中最優(yōu)化的能力二、課程教學(xué)基本要求通過本課程的教學(xué)，要使學(xué)生系統(tǒng)地掌握化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律、傳遞過程對化學(xué)反應(yīng)的影響規(guī)律，掌握反應(yīng)器設(shè)計(jì)、過程分析及最佳化方法。本課程為必修考試科目；本課程采用總評(píng)成績評(píng)定方法，期末考試卷面成績占90%，平時(shí)成績占10%。課程教學(xué)內(nèi)容（一）緒論1.基本內(nèi)容：化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)在化學(xué)工業(yè)中的地位、研究內(nèi)容及研究方法。2.重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)是化學(xué)反應(yīng)工程的研究內(nèi)容和方法。（二）均相單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和理想反應(yīng)器1.基本內(nèi)容（1）概念與術(shù)語，包括化學(xué)反應(yīng)式、化學(xué)計(jì)量方程、反應(yīng)程度、轉(zhuǎn)化率、化學(xué)反應(yīng)速率、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程等。（2）單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立的微分法、積分法和最小方差解析法；不可逆反應(yīng)中反應(yīng)時(shí)間、轉(zhuǎn)化率與初始濃度之間的變化關(guān)系；等溫恒容過程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式、等溫變?nèi)葸^程的膨脹因子δA、膨脹率的表達(dá)式以及所表達(dá)的反應(yīng)速率方程。（3）理想反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方程及其運(yùn)用2.重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程；理想反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程（2）難點(diǎn)：動(dòng)力學(xué)方程的建立；反應(yīng)器設(shè)計(jì)計(jì)算（三）復(fù)合反應(yīng)與反應(yīng)器選型1.基本內(nèi)容（1）復(fù)合反應(yīng)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的表達(dá)法及動(dòng)力學(xué)分析方法；（2）理想流動(dòng)反應(yīng)器、平推流反應(yīng)器、全混流反應(yīng)器和循環(huán)反應(yīng)器的各種操作流程；（3）反應(yīng)器型式及操作評(píng)選的分析方法；2.重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：復(fù)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程表達(dá)法；復(fù)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征分析；平推流反應(yīng)器的串聯(lián)和全混流反應(yīng)器的串聯(lián)。（2）難點(diǎn)：可逆反應(yīng)吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)推導(dǎo)與分析；循環(huán)反應(yīng)器設(shè)計(jì)方程的數(shù)學(xué)推導(dǎo)；復(fù)合反應(yīng)（包括可逆反應(yīng)、自催化反應(yīng)、平行反應(yīng)、連串反應(yīng)）在PFR和CSTR反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算（四）非理想流動(dòng)反應(yīng)器1.基本內(nèi)容：（1）返混對反應(yīng)過程的影響；停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測定及分布規(guī)律；（2）活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多級(jí)混合槽模型、軸向擴(kuò)散模型的假設(shè)及推導(dǎo)；2.重點(diǎn)和難點(diǎn)：（1）重點(diǎn)：停留時(shí)間分布的概率函數(shù)及特征值；停留時(shí)間分布的實(shí)驗(yàn)測定；解決均相反應(yīng)過程問題的近似法即活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多級(jí)混合槽模型、軸向擴(kuò)散模型的推導(dǎo)、結(jié)論及應(yīng)用比較。（2）難點(diǎn)：停留時(shí)間分布實(shí)驗(yàn)測定；理想反應(yīng)器兩函數(shù)和兩特征值；宏觀流體、微觀流體概念的理解；均相反應(yīng)過程問題的近似法假設(shè)及推導(dǎo)。（四）氣固相催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)1.基本內(nèi)容（1）固體催化劑組成、結(jié)構(gòu)及制備，以及催化反應(yīng)過程的特征；非均相催化反應(yīng)的七大步驟和反應(yīng)速率的幾種表達(dá)式；（2）物理吸附、冪函數(shù)型本征動(dòng)力學(xué)方程及本征動(dòng)力學(xué)方程的實(shí)驗(yàn)測定；焦姆金吸附模型、弗魯?shù)吕锵Ｎ侥Ｐ?、蘭格繆爾吸附模型（理想吸附模型）及雙曲本征動(dòng)力學(xué)方程推理。2.重點(diǎn)和難點(diǎn)：（1）重點(diǎn)：非均相催化反應(yīng)速度表達(dá)；非均相催化反應(yīng)過程；雙曲型本征動(dòng)力學(xué)方程。（2）難點(diǎn)：催化劑的結(jié)構(gòu)及表征；蘭格繆爾吸附模型、焦姆金吸附模型、弗魯?shù)吕锵Ｎ侥Ｐ汀?五)氣固相催化反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)1.基本內(nèi)容（1）催化劑顆粒內(nèi)的各種擴(kuò)散及其判斷準(zhǔn)則；宏觀反應(yīng)速率及有效擴(kuò)散。（2）等溫宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。（3）催化劑表面外的傳質(zhì)、傳熱及催化劑失活2.重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：以顆粒為基準(zhǔn)的有效擴(kuò)散；西勒模數(shù)物理意義；球形催化劑上等溫反應(yīng)宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的假設(shè)、建立、數(shù)學(xué)求解；（2）難點(diǎn)：有效擴(kuò)散的假設(shè)及推導(dǎo)；方程求解涉及二階常微分方程的數(shù)學(xué)求解及泰勒級(jí)數(shù)近似處理。（六）氣固相催化固定床反應(yīng)器1.基本內(nèi)容（1）流體在固定床內(nèi)的傳遞特性。（2）固定床催化反應(yīng)器的特點(diǎn)及類型和設(shè)計(jì)計(jì)算。2.重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：固定床的空隙率、體積當(dāng)量直徑、面積當(dāng)量直徑、比表面當(dāng)量直徑、顆粒平均直徑；等溫多層絕熱床和多段絕熱反應(yīng)器的設(shè)計(jì)計(jì)算。（2）難點(diǎn)：厄根方程和修正雷諾準(zhǔn)數(shù)；一維擬均相理想流動(dòng)模型、一維擬均相非理想流模型、二維擬均相模型、二維非均相模型的建立。（八）氣液反應(yīng)過程及反應(yīng)器1.基本內(nèi)容（1）氣液反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，包括氣液反應(yīng)步驟、反應(yīng)過程的基礎(chǔ)方程及五大反應(yīng)過程的數(shù)理推導(dǎo)，以及瞬時(shí)反應(yīng)過程、極慢反應(yīng)過程、慢反應(yīng)過程的結(jié)論；（2）工業(yè)上常用的氣液反應(yīng)器、鼓泡踏式反應(yīng)器和填料塔式反應(yīng)器的工藝計(jì)算。2.重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）重點(diǎn)：氣液反應(yīng)過程的基礎(chǔ)方程及五大反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)求解；化學(xué)增強(qiáng)因子和膜內(nèi)轉(zhuǎn)換系數(shù)；填料塔式反應(yīng)器工藝計(jì)算。（2）難點(diǎn)：氣液反應(yīng)過程的基礎(chǔ)方程及五大反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)求解；填料塔式反應(yīng)器工藝計(jì)算。（九）反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性和參數(shù)靈敏性1.基本內(nèi)容：全混流、管式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性及反應(yīng)器參數(shù)的靈敏性。2.重點(diǎn)和難點(diǎn)：（1）重點(diǎn)：全混流、管式反應(yīng)器的熱穩(wěn)定性；（2）難點(diǎn)：反應(yīng)器參數(shù)的靈敏性；四、學(xué)時(shí)分配表章序課時(shí)備注（一）緒論1（二）均相單一反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和理想反應(yīng)器5實(shí)驗(yàn)：1課時(shí)（三）復(fù)合反應(yīng)器與反應(yīng)器選型8實(shí)驗(yàn)：2課時(shí)（四）非理想流動(dòng)反應(yīng)器8實(shí)驗(yàn)：3課時(shí)（五）氣固催化反應(yīng)本征動(dòng)力學(xué)8實(shí)驗(yàn)：3課時(shí)（六）氣固催化反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)8實(shí)驗(yàn)：3課時(shí)（七）氣固相催化反應(yīng)固定床反應(yīng)器8實(shí)驗(yàn)：3課時(shí)（八）氣液反應(yīng)過程及反應(yīng)器6實(shí)驗(yàn)：2