化学反应工程课程大纲.docx

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化学反应工程课程大纲

中国海洋大学本科生课程大纲

课程名称

化学反应工程

chemicalreactionengineering

课程代码

0811********

课程属性

专业知识

课时/学分

48/3

课程性质

必修

实践学时

责任教师

王亮

课外学时

课程属性：

公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：

必修

一、课程介绍

1.课程描述：

该课程基本内容包括反应动力学和反应器设计与分析两个方面，目的是使学生掌握研究工业规模化学反应器中化学反应过程动力学（称宏观动力学）的方法和基本原理，掌握理想反应器的设计和分析。

通过该课程的学习，要求学生能掌握化学反应工程的基本原理和研究方法，了解学科发展现状，并能综合应用所学知识，对工业实际反应过程进行开发和分析。

2.设计思路：

化学反应工程以宏观动力学和理想反应器为基础，对工业反应装置的结构设计、最优操作条件的确定及控制、模拟放大等进行研究。

该课程的核心就在于特定反应在适合的反应器内行为状态数学模型的建立及其工程学解析处理，注重培养学生的工程方法论、工程能力和技术经济理念。

本课程包括以下的内容，内容和基本要求如下：

绪论

教学内容

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。

第一章化学反应动力学

教学内容：

均相反应动力学和气固催化反应动力学

反应速率及反应速率方程式

反应速率的定义，速度与速率，反应速率的容量性质和强度性质，反应速率与反应物转化摩尔数的关系，转化率的概念：

反应速率方程，反应速率影响因素，

浓度影响：

质量作用定律，幂指数函数，反应级数、反应速率常数及其测定，浓度方程的积分形式

温度影响：

Van`tHoff的温度系数，Hood仿Van`tHoff方程提出的关系，Arrhenius经验式，Arrhenius方程的三种形式，活化能与指前因子的测定

复杂反应系统速率

可逆反应，可逆反应的平衡限制及最佳温度，平行反应，串级反应，选择性（平均、瞬时），收率，浓度、温度对速率、选择性影响

反应机理与反应速率方程

什么是反应机理？

反应机理与反应速率方程的关系

第二章反应器内的流体流动与混合

 几种理想反应器

间歇反应器，全混釜反应器，平推流反应器，不同反应器的体积计算和转化率计算，几种反应器的比较，不同反应器及反应器的组合

各种反应器介绍

试管、烧瓶、小型反应管、小型反应罐，实验室微分反应器、积分反应器，工业槽式反应器，工业管式反应器，填充床反应器，流化床反应器，浆状床反应器，移动床反应器

均相反应器：

气相、液相，非均相反应器：

气液、气固、气液固、液液、固固，

拟均相：

固定床、流化床

工业反应器与实验室反应器之间的差别：

混合状态，浓度、温度分布，流速分布

三种典型反应器的设计

间歇反应器，连续流动置换反应器，连续流动理想混合反应器，几种典型反应器体积计算，反应器的设计原则：

质量衡算、能量衡算、动量衡算

质量衡算：

积累速率=输入速率－输出速率－反应消耗速率＋反应生成速率

间隙反应器：

-dNA=VrAdt，NA=NA0（1-xA），NA0dxA/dt=VrA

平推流反应器：

连续流动、稳定，FA（y）-FA（y+dy）=rAdv，-dFA/dy=rAAc，FA=v0cA0（1-xA）

全混流反应器：

均匀、集中参数，FA0－FA=VrA，V=（FA0-FA）/rA，=V/v0=（cA0-cA）/rA

多釜串联全混流反应器：

i=Vi/v=（ci-1-ci）/r，＝iV＝v

循环平推流反应器：

*＝V/v1=-c1c2（1/r）dc，=（1+R）*，R=0,平推流，R，全混釜

非理想流动

全混流、平推流的流动特性差别，如何确定实际反应器与理想反应器之间的差别，流动统计规律的假设原则……随机性，停留时间的概念和描述，流动模型……理想反应器的组合描述，流体混合特性：

宏观混合与微观混合，非理想流动对反应特性的影响

停留时间及停留时间分布

停留时间的定义，停留时间分布，停留时间分布函数及分布密度函数，反应器的年龄分布，理想反应器的停留时间分布，停留时间对转化率选择性的影响，停留时间分布测定，停留时间分布与流动模型，反应器的类型与不同反应器的差别

补充：

概率函数的数学定义

停留时间分布的测定脉冲法：

E（t）=vc（t）/N0阶跃法：

F（t）=0tE（t-）d=c（t）/c0

流动模型对反应影响

流动模型对反应器体积影响：

理想置换，理想混合，串级理想混合，扩散模型，流动模型对选择性影响

第三章非均相反应与传递

 非均相反应器的拟均相性质

固定床反应器的平推流性质，流化床反应器的全混釜性质

 气固催化反应

气固催化反应动力学

简单一级化学反应，理想表面，理想表面吸附，Langmuir吸附方程，表面反应动力学方程的推导，真实表面，Elovich表面假设，Temkin吸附方程，管孝男表面假设，Fruedlisch吸附方程，真实表面反应动力学推导

气固反应器内的动力学问题

气体与固体的接触，流体的流动情况，气膜的形成和外扩散传质，微观性质，催化剂的多孔性，催化剂孔内的内扩散传质，催化剂表面的反应

气固催化反应的七个步骤

气体反应物通过滞留膜向催化剂颗粒表面的传质（外扩散），气体沿微孔向颗粒内的传质（内扩散），气体反应物在微孔表面的吸附，吸附反应物在催化剂表面的反应，吸附产物的脱附，气体产物沿微孔向外扩散，气体产物穿过滞流膜扩散到气流主体

不同步骤控制条件下的反应速率

表面反应速率:

rA=kf（cA），内扩散控制:

rA=kf（cA），有效因子的定义，孔内浓度的分布，温度效应，外扩散控制:

NA=kG（cA0-cAs），扩散计算：

费克定律，主体扩散系数计算，Knudson扩散计算，微孔扩散计算，有效扩散系数计算，孔隙率及弯曲因子的定义

有效因子计算

等温条件下有效因子计算：

一级反应情况下平板、圆柱、球形及不规则形状催化剂有效因子计算，非一级反应情况下有效因子计算，Thiele模数，非等温反应：

能量衡算方程，绝热条件

内扩散对反应的影响：

对选择性的影响，对反应级数的影响，如何利用或避免内扩散的影响

动力学方程时的测定

积分反应器，微分反应器，循环无梯度反应器，外扩散的消除，内扩散的消除，动力学模型的确定和的拟合

 气固非催化反应缩芯模型的描述

假设：

颗粒大小不变，反应物是无孔实芯，球形颗粒

反应过程步骤：

气相反应物通过气膜扩散到外表面；气体反应物通过产物层扩散到芯表面；气相反应物与固相反应物在表面反应生产固相产物S和气相产物F；气相产物通过产物层扩散到外表面；气相反应物扩散穿过气膜到达气流主体；动力学模型建立，各步骤速率求解，模型判别与其他模型，过程控制的判别

其他模型

无产物层缩芯模型，整体反应模型，扩散界面模型，微粒模型，单孔模型，破裂芯模型

 气液反应动力学（特色）结合海水脱硫

气液传质与气液反应过程，双膜理论，气液传质设备及气液反应器，气液吸收及解吸，化学吸收，气液反应过程

共同特征：

加大传质面积－改进填料、塔件，强化传质－加强气体分散

气液反应过程的几个步骤：

气相反应物相气液界面的扩散；气体反应物通过液膜相液相主体的扩散；液相反应物通过液膜相气液界面的扩散；气液反应物相遇后的液相化学反应；产物的逆传递。

浓度分布及速率方程：

瞬间反应、快反应、中速反应、慢反应、极慢反应，增大因子

第四章 非等温反应器的设计

非等温反应器的能量衡算方程：

能量衡算，非等温间歇反应器，平推流管式反应器，全混反应器。

全混反应器的多重定态和热稳定性：

绝热反应器比较：

可逆反应

第五章气固催化反应器

 固定床反应器的基本特征

固定床催化反应器描述：

拟均相处理，平推流特性

固定床反应器内催化反应速率的表示方法：

反应器生产强度，空速，以重量表示的反应速率，单颗粒催化剂

气固催化反应器的动量传递

粒子直径与床层空隙率：

当量直径，形状系数，床层空隙率，床层比表面积，水力半径

床层压力降，摩擦系数：

Ergun公式，其他公式，改善流动状况的方法

 绝热固定床反应器设计

单段绝热固定床反应器的设计：

可逆放热反应的最佳温度曲线，单段绝热T-X图，单段绝热固定床反应器的设计；固定床中的绝热温升，单段绝热床催化剂体积计算，单段绝热床最佳进口温度和校正因子

多段绝热固定床反应器设计：

多段反应器的必要性，多段操作的三种冷却方式，间接换热优化条件（第一条件:

r（xi,Ti）=r（xi,Ti+10），第二条件:

xixi+1[1/r（x,T）]/T）dx=0），间接换热反应器设计步骤，原料器冷激反应器设计，非原料气冷激反应器设计；三种冷却方式的T-x图，三种冷却方式比较，反应器的热平衡问题。

 换热式气固催化反应器

换热方式与温度分布，反应床层的传热系数，换热方式与温度分布，换热反应器与绝热反应器的区别，管内换热与管外换热方式，固定床内的传热：

床层有效导热系数，静止导热系数，壁膜给热系数，床层与器壁的传热系数，固定床传热系数。

一维拟均相理想置换模型：

平推流管式反应器（绝热，并流、逆流，无边界），套管式反应器。

二维拟均相模型：

同时考虑径向和轴向传递。

 流化床反应器

流化床反应器设计基础，流化床中的传质、传热以及流化床反应器数学模型及设计计算。

移动床反应器

移动床反应器是介于固定床反应器和流化床反应器之间的操作形式

第六章反应器的稳定性

全混流反应器的热稳定性；颗粒催化剂的稳定性

第七章其他反应过程

聚合反应过程

自由基聚合步骤；聚合反应器

生物反应过程

酶反应基础；米氏机理；米氏机理与间歇反应器设计；细胞发酵及反应器

气液固三相催化反应器

3.课程与其他课程的关系：

本课程适宜安排在修完高等数学、化工原理、物理化学和化工热力学等有关基础课课程之后开设，内容上注意与物理化学、化工原理的衔接和数学应用。

教师在备课过程中，广泛阅读有关资料，紧跟学科的发展，随时补充新的内容，使学生了解本学科的重要进展和发展前沿。

二、课程目标

通过该课程的学习，要求学生能掌握化学反应工程的基本原理和研究方法，了解学科发展现状，并能综合应用所学知识，对工业实际反应过程进行开发和分析。

到课程结束时，学生应该能够：

1）掌握化学反应动力学的基本概念、影响因素以及研究方法。

2）了解理性反应器的概念，掌握间歇反应器，平推流反应器和全混流反应器的关系，掌握停留时间，返混，转换率，选择性，非理想流动的停留时间的分布和测定方法等概念。

3）掌握气固催化反应的过程，掌握气体在催化剂表面和催化剂内的扩散规律，掌握内扩散过程对催化反应的影响，掌握流固非催化模型，缩芯模型和整体反应模型以及流体-流体反应的加强因子概念。

4）掌握固定反应器和流化床反应器内流体的流动和传质、传热规律；掌握固定反应器和流化床反应器和设计方法，建立两种反应器与理想流动的关系，掌握全混流反应器热稳定性的判断方法，了解聚合反应和生物反应过程，掌握酶反应的特点。

三、学习要求

要完成所有的课程任务，学生必须：

（1）按时上课,上课认真听讲，积极参与课堂讨论、随堂练习和测试。

本课程将包含随堂练习、讨论等课堂活动，课堂表现和出勤率是成绩考核的组成部分。

（2）按时完成常规练习作业。

这些作业要求学生按书面形式提交，只有按时提交作业，才能掌握课程所要求的内容。

延期提交作业需要提前得到任课教师的许可。

（3）完成教师布置的一定量的诸如总结、综述类作业。

这些作业能加深对课程内容的理解、促进同学间的相互学习、并能引导对某些问题和理论的更深入探讨。

四、教学进度

序号

专题

主题

计划课时

主要内容概述

实验实践内容

或课外练习等

1

绪论

化学反应工程的研究内容和发展过程

3

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。

搜集一下工厂用的反应器照片。

2

化学反应动力学

均相反应动力学

3

反应速率及反应速率方程式，复杂反应的动力学方程，反应机理的概念以及反应机理怎么确定。

查阅一篇光催化反应的文献，说明其动力学研究方法

气固催化反应动力学

3

固体催化剂的概念，固体催化剂的组成，制备方法以及固体催化剂的孔结构，物理吸附和化学吸附的区别

搜集一下石油化工行业常用的固体催化剂

3

反应器内的流体流动和混合

三种典型反应器

3

间歇反应器，全混釜反应器，平推流反应器，

三种典型反应器的反应器体积的计算以及反应器的推动力和选择性

3

不同反应器的体积计算和转化率计算，几种反应器的比较，不同反应器及反应器的组合。

搜集常见工厂用反应器的体积。

非理想流动

3

全混流、平推流的流动特性差别，如何确定实际反应器与理想反应器之间的差别，，停留时间的概念和描述，组合描述，流体混合特性：

宏观混合与微观混合，非理想流动对反应特性的影响

4

非均相反应与传递

气固催化反应的步骤以及传质和传热

3

气体反应物通过滞留膜向催化剂颗粒表面的传质（外扩散），气体沿微孔向颗粒内的传质（内扩散），气体反应物在微孔表面的吸附，吸附反应物在催化剂表面的反应，吸附产物的脱附，气体产物沿微孔向外扩散，气体产物穿过滞流膜扩散到气流主体

气体在催化剂颗粒内的扩散

3

表面反应速率:

rA=kf（cA），内扩散控制:

rA=kf（cA），有效因子的定义，孔内浓度的分布，温度效应，外扩散控制:

NA=kG（cA0-cAs），扩散计算：

费克定律，主体扩散系数计算，Knudson扩散计算，微孔扩散计算，有效扩散系数计算，孔隙率及弯曲因子的定义

复习一下分子扩散和菲克扩散

内扩散与化学反应

3

等温条件下有效因子计算：

一级反应情况下平板、圆柱、球形及不规则形状催化剂有效因子计算，非一级反应情况下有效因子计算，Thiele模数，非等温反应：

能量衡算方程，绝热条件，内扩散对反应的影响：

对选择性的影响，对反应级数的影响，如何利用或避免内扩散的影响

流固非催化反应

3

气相反应物通过气膜扩散到外表面；气体反应物通过产物层扩散到芯表面；气相反应物与固相反应物在表面反应生产固相产物S和气相产物F；气相产物通过产物层扩散到外表面；气相反应物扩散穿过气膜到达气流主体；动力学模型建立，各步骤速率求解，模型判别与其他模型，过程控制的判别，气相反应物相气液界面的扩散；气体反应物通过液膜相液相主体的扩散；液相反应物通过液膜相气液界面的扩散；气液反应物相遇后的液相化学反应；产物的逆传递。

5

非等温反应器设计

非等温反应器设计

3

非等温反应器的能量衡算方程：

能量衡算，非等温间歇反应器，平推流管式反应器，全混反应器，全混反应器的多重定态和热稳定性：

绝热反应器比较：

可逆反应

6

气固催化反应器

固定床的设计基础

3

固定床催化反应器描述：

拟均相处理，平推流特性，固定床反应器内催化反应速率的表示方法：

反应器生产强度，空速，以重量表示的反应速率，单颗粒催化剂

查阅固定床反应器常用的企业以及固定床反应器的操作

绝热和换热固定床反应器

3

单段绝热固定床反应器的设计：

可逆放热反应的最佳温度曲线，单段绝热T-X图，单段绝热固定床反应器的设计；固定床中的绝热温升，单段绝热床催化剂体积计算，单段绝热床最佳进口温度和校正因子

流化床反应器

3

流化床反应器设计基础，流化床中的传质、传热以及流化床反应器数学模型及设计计算

流化床反应器的示例图片

7

反应器的热稳定性

全混流反应器的热稳定性

3

全混流反应器的热稳定性的判定方法

工厂的安全性措施

8

其他反应过程

聚合反应

3

自由基聚合步骤；聚合反应器

生物反应

3

酶反应基础；米氏机理；米氏机理与间歇反应器设计；细胞发酵及反应器

啤酒的酿制过程

五、参考教材与主要参考书

1．梁斌《化学反应工程》，科学出版社，2010

2.李绍芬《化学反应工程》，化工工业出版社，2000

3.朱炳辰《化学反应工程》，化学工业出版社，2006

六、成绩评定

（一）考核方式A：

A.闭卷考试B.开卷考试C.论文D.考查E.其他

（二）成绩综合评分体系：

成绩综合评分体系

比例%

1.课下作业

15

2.上课表现

15

3.期末考试成绩

70

总计

100

附：

作业和平时表现评分标准

1）作业的评分标准

作业的评分标准

得分

1.严格按照作业要求并及时完成，基本概念清晰，解决问题的方案正确、合理，能提出不同的解决问题方案。

90-100分

2.基本按照作业要求并及时完成，基本概念基本清晰，解决问题的方案基本正确、基本合理。

70-80分

3.不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，解决问题的方案基本不正确、基本不合理。

40-60分

4.不能按照作业要求，未及时完成，基本概念不清晰，不能制定正确和合理解决问题的方案。

0-30分

2）课堂讨论及平时表现评分标准

课堂讨论、平常表现评分标准

得分

1.资料的查阅、知识熟练运用，积极参与讨论、能阐明自己的观点和想法，能与其他同学合作、交流，共同解决问题。

90-100分

2.基本做到资料的查阅、知识的运用，能参与讨论、能阐明自己的观点和想法，能与其他其他同学合作、交流，共同解决问题。

70-80分

3.做到一些资料的查阅和知识的运用，参与讨论一般、不能阐明自己的观点和想法，与其他同学合作、交流，共同解决问题的能力态度一般。

40-60分

4.不能做到资料的查阅和知识的运用，不积极参与讨论，不能与其他同学合作、交流，共同解决问题。

0-30分

七、学术诚信

学习成果不能造假，如考试作弊、盗取他人学习成果、一份报告用于不同的课程等均属造假行为。

本课程如有发现上述不良行为，将按学校有关规定取消本课程的学习成绩。

八、大纲审核

教学院长：

院学术委员会签章：