化学反应工程
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—— 课程团队
课程概述

    《化学反应工程》是化工与制药类相关专业的一门专业核心课程。它着眼化学反应过程的工业化问题,研究反应器的设计与分析,涉及化学反应动力学基础、理想与非理想均相反应器、多相系统中的化学反应与传递现象、多相催化反应器等内容。通过学习,学生应掌握化学反应工程的最基本概念、理论和研究方法,并能运用所学知识,能初步分析和解决化学反应工程方面的复杂工程问题。依据教学目标,本课程对教学内容进行了合理安排与分配。学生应了解、熟悉和掌握的基础知识、基本理论和方法以在线视频教学的方式呈现,并通过配套习题训练,使学生掌握上述知识点;对于具有一定难度、较为抽象的内容,采取视频教学与师生在线互动、讨论的有机结合,引导学生主动思考与探索,激发学习兴趣,加强学生对教学内容的理解。

课程大纲

化学反应工程

Chemical Reaction Engineering

一、课程简介

《化学反应工程》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,以达到掌握反应器的开发、设计、放大及优化操作的目的。本课程授课对象为化学工程与工艺专业本科生,属于专业核心课程,共50学时,3.0学分,安排在第六学期修完。

二、课程目标和要求

(一)课程目标

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和科学研究中各种问题打下良好的基础。

(二)课程要求

1)能够运用数学、物理、物化和化工原理等知识表达反应工程问题,建立反应器数学模型,并正确求解。

2)能运用高等数学、线性代数、物理化学、化学反应工程等知识,以及对反应器数学模型的分析,识别和判断影响反应评价指标或反应器性能的关键环节和参数。

3)能运用物理化学、传递过程、反应工程等基本知识、原理和方法,分析反应过程或反应器特性,以判断关键环节或参数对反应评价指标或反应器性能的影响,并结合数学模型、热模实验、冷模实验等研究方法,提出待解决问题的实验方案。

4)能正确运用数学模型方法和工程系统的构思与设计方法,完成工业反应器的设计与开发任务,并能识别、量化和分析成本、质量、环保性、安全性、可靠性、适应性等影响因素。

5)能够跟踪反应工程领域最新技术发展趋势,了解和学习化学反应、工业催化、传递过程、反应器等最新技术知识和技术成果,不断提升在工业反应器分析与设计方面的能力。

三、与相关课程的联系和分工

本课程与《物理化学》、《化工原理》、《化工热力学》等课程有密切联系。《化工原理》系统地介绍化工单元过程,《化学反应工程》则重点介绍化工生产过程中的反应器的工艺设计计算;《物理化学》中系统地介绍反应动力学原理,本课程则深入地、具体地介绍化工生产中重要反应的动力学方程的建立以及化工设计中常用的化工动力学基础应用知识。

四、教学方法和考核形式

(一)教学方法

课堂讲授、课程讨论、课程论文、报告相结合。

(二)考核形式

课程总成绩由考试成绩与平时成绩两部分组成,其中考试成绩占60%,平时成绩占40%;平时成绩从考勤、平时作业、课堂表现、课程论文等方面考核。

五、教学内容和学时分配

(一)理论教学内容

第一章绪论

1. 目的要求: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。

2. 重点难点: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。

3. 要点

第一节反应工程的任务、作用及发展简史

第二节化学反应的分类

第三节工业反应器的类型

第四节反应器的操作方式

第五节反应器设计的基本方程

第六节工业反应器的放大

第七节一些重要的基本术语

第二章反应动力学基础

1. 目的要求: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。

2. 重点难点:重点是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。难点是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。

3. 要点

第一节反应速率方程

第二节反应速率的浓度效应和温度效应

第三节复合反应

第四节反应速率方程的变换与积分

第五节多相催化与吸附

第六节多相催化反应动力学

第七节动力学参数的确定

第三章釜式反应器

1. 目的要求: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。

2. 重点难点:重点是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。难点是连续釜式反应器(全混流反应器)产物分布的计算;半间歇反应器的计算。

3. 要点

第一节釜式反应器的物衡式

第二节单一反应间歇釜的计算

第三节复合反应间歇釜的计算

第四节连续釜式反应器的设计

第五节连续釜式反应器的串联与并联

第六节釜式反应器中收率与选择性的计算

第七节半间歇釜式反应器

第八节连续釜式反应器的定态操作

第四章管式反应器

1. 目的要求: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。

2. 重点难点:重点是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。难点是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。

3. 要点

第一节物料在反应器中的流动

第二节等温管式反应器的计算

第三节管式反应器与釜式反应器的比较

第四节循环反应器

第五节变温管式反应器

第六节管式反应器的最佳温度序列

第五章停留时间分布与流动模型

1. 目的要求: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。

2. 重点难点:重点是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。难点是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。

3. 要点

第一节停留时间分布

第二节停留时间分布的定量描述

第三节停留时间分布的实验测定

第四节停留时间分布的统计特征值

第五节理想反应器的停留时间分布

第六节非理想流动模型

第七节非理想流动反应器的计算

第八节流体的混合态及其对化学反应的影响

第六章多相系统中的化学反应与传递现象

1. 目的要求: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。

2. 重点难点:重点是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。难点是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。

3. 要点

第一节气固相催化反应的过程步骤

第二节流体与颗粒表面间的传质与传热

第三节气体在多孔介质中的扩散

第四节内扩散与反应

第五节内扩散对反应选择性的影响

第六节内、外扩散影响的排除

第七节扩散干扰下的动力学假象

第七章多相催化反应器的设计与分析

1. 目的要求: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。

2. 重点难点:重点是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。难点是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。

3. 要点

第一节固定床内的传递现象

第二节固定床反应器的数学模型

第三节绝热式固定床反应器

第四节换热式固定床反应器

第五节自热式固定床反应器

第六节实验室催化反应器

第八章多相反应器

1. 目的要求: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。

2. 重点难点:重点是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。难点是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。

3. 要点

第一节气液反应

第二节气液反应器

第三节气液固反应

第四节滴流床反应器

第五节浆态反应器

第九章生化反应工程基础

1. 目的要求:掌握酶催化剂特性及酶催化反应动力学方程。掌握微生物的反应过程动力学基本概念和知识。了解酶和细胞的固定化技术,理解固定化生物催化剂的催化动力学,了解生化反应器类型以及生化反应的计算。

2. 重点难点:重点是酶催化剂特性及酶催化反应动力学方程;微生物的反应过程动力学方程;生化反应器的计算。

3. 要点

第一节概述

第二节生化反应动力学基础

第三节固定化生物催化剂

第四节生化反应器


预备知识

为了更好地进行学习,应先修如下课程:

1. 高等数学

2. 大学物理

3. 普通化学

4. 物理化学

5. 化工热力学

证书要求

    1. 单元测试:占20%,每次测试题为5个单选题或填空题,共7次;

    2. 单元作业:占20%,每次作业题为1-2个主观题或计算题,共7次;

    3. 参与课堂讨论:占10%

    4. 考试成绩:占50%

    5. 总评成绩:60~84分为合格,获得证书;85分及以上获得优秀证书。



参考资料

授课教材

1. 反应工程(第三版),李绍芬主编,化学工业出版社,2013年。

参考资料

1. 化学反应工程(第五版),朱炳辰主编,化学工业出版社,2012.

2Elements of Chemical Reaction EngineeringFourth Edition, H. Scott Fogler, Prentice Hall PTR, 1999.

3Chemical Reaction EngineeringThird Edition. O. Levenspiel. John Wiley & Sons., 1999.

4Chemical Reactor Design and Control, William L. Luyben, Wiley-AIChE, 2007.