1、化学反应工程教学大纲课程编号 30819030 课程性质 必修课程名称 化学反应工程 英文名称 Chemical Reaction Engineering学时/学分 48/3 考核方式 平时成绩+期末考试课程简介化学反应工程是研究化学反应器或包含化学反应的化工单元设备的学科，是现代化学工程学科的重要学术基础，核心主干课程。概括地讲，反应工程是结合反应装置，应用物理学、化学、工程学和经济学的基本原理与定律，采用现代科学计算方法与手段，综合研究、分析反应器中传递现象和化学反应耦合过程的基本规律，使化学反应能较优地实现工业化，或精细化的一门技术基础学科。具体来说，反应工程主要从工程或现场应用角度研究
2、大规模或微型化系统的反应设备结构中，反应动力学与反应器内部（含催化剂）动量、质量、能量（热量，电荷）传递现象之间的相互作用关系，分析反应装置的特性，获得反应器体积设计，结构优化，和动态操作控制的原理和方法。虽然化学反应工程是 1957 年才正式命名，但一些思想概念早在三十年代就开始萌芽了。在那以前，化学工程主要建立在单元操作（如流体输送、蒸发、传热等）上，研究工程技术对化学反应有何影响则涉及较少。1937 年，德国Damkohler 首先研究了扩散、流动与传递对化学反应收率的影响，是化学反应工程的先导，我国科学家袁谓康先生正是在 Damkohler 先驱基础上，近年凝炼出化学工程的时间多尺度思
3、想。50 年代，由于化学工程的发展，化工厂的大型化，综合化，自动化与最优化，提出了许多新的概念，例如“返混”现象，反应器的稳定性等等，特别是电子计算机的迅速发展与应用，使大型非线性方程组的数值求解成为可能，促进了传递现象与化学反应的结合，水到渠成，正式命名了化学反应工程学。四川大学（原成都科技大学）化学反应工程课程，始自 60 年代开设的“无机物工艺反应过程动力学” 。80 年代改革开放初期，王建华先生是首批前往美国学习研究反应工程的中国学者之一，受到加州大学戴维斯分校 J. M. Smith 教授指导。Smith 教授所著 “Chemical Engineering Kinetics”在反应
4、工程学科正式诞生前的1956 年第一版面世，到 1981 年第三版，是美国第一代反应工程教材。王先生回国后，与国内同仁一道，极大地促进了反应工程在中国的学术发展。反应工程迄今只有 50 多年历史，极大推动了化学工程，和邻近学科，如原子能技术，煤炭加工，能源动力、石油化工，冶金工程，制药工艺，生物技术，以及新兴学科，如新材料，新能源，信息技术，环境科学，生命科学等的发展。“三传一反”的基本学术思想，正在前所未有的时间层次，空间广度和深度上演绎出精彩辉煌的篇章。教材 化学反应工程 （21 世纪高等院校教材） ，四川大学梁斌等主编，科学出版社，2003.参考教材1. Folger, H. S., E
5、lements of Chemical Reaction Engineering, 4th Edition, Prentice Hall，Upper Saddle River, NJ 2006 & 化学工业出版社，北京 2006.2. Levenspiel, O., Chemical Reaction Engineering, 3rd Edition, John Wiley & Sons, 1999 &化学工业出版社，北京 2002.3. 袁谓康，朱开宏， 化学反应工程分析，华东理工大学出版社，上海， 1995.4. 陈甘棠，化学反应工程，第二版，化学工业出版社，北京，1990.5. 李绍芬，
6、反应工程，化学工业出版社，北京，1990.6. 王建华，化学反应工程，成都科技大学出版社， 成都，1988.7. Smith, J. M., Chemical Engineering Kinetics, 3rd Edition, McGram-Hill. 1981.王建华等译，化学工业出版社 & 成都科技大学出版社，北京，1988.预修课程 高等数学，物理化学，化工原理 适用专业 化学工程与工艺、 三年级大纲执笔人 梁 斌 大纲审核人 费德君一、教学基本目标学生学完本课程后，能对反应器内三传现象和化学反应速率之间的相互作用有深厚的理解，掌握依靠数学模型方法对反应器分析的基本原理。能够建立反映反
7、应器基本特征的数学模型。能够对等温操作的理想反应器进行体积设计；正确认识反应器流动模型，停留时间分布，和非理想反应器的数学描述，用于预测实际反应器的转化率；掌握等温催化剂，以及外扩散对多相反应过程影响的数学模型分析原理。懂得对实际非等温理想反应器作物料守恒和能量守恒耦合系统分析的计算方法。学习应用科学计算软件求解反应器二维数学模型耦合偏微分方程组，给出反应器内的空间场量，如流场、压力场，浓度场，和温度场，为反应器结构优化设计提供科学依据。对反应器操作过程受操作参数波动引起的动态现象和开停车过程的操作，掌握反应器非线性系统定态多重性分析的基本方法。二、教学基本内容绪论：化学反应工程学科的研究内容
8、化学反应及反应器，反应器设计与反应器选择，化学动力学与反应器设计方程，反应器操作条件及操作方式选择，反应器理想与非理想流动状况，反应器稳定性，典型反应器分析化学反应工程学科的历史人类最早对反应的认识，单元操作（1920），扩散、流动同反应耦合，Amsterdam 反应工程大会（1957），反应动力学及动力学模型（196080），复杂反应网络分析与反应器放大，反应器非线性行为，反应分离耦合第一章 均相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
9、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：Vant Hoff 的温度系数，Hood 仿 Vant Hoff 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
10、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、乳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
11、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：-dN A = VrAdt， NA = NA0(1-xA)， NA0dxA/dt=VrA平推流反应器：连续流动、稳定，F A(y)-FA(y+dy)=rAdv， -dFA/dy=rAAc， FA = v0cA0(1-xA)全混流反应器：均匀、集中参数，F A0 FA=VrA， V = (FA0-FA)/rA， = V/v0 = (cA0-cA)/rA多釜串联全混流反应器： i = Vi /v = (
12、ci-1-ci)/r， i V 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
13、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 非均相反应动力学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
14、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: r A = k f(cA)，内扩散控制: rA = k f(cA)，有效因子的定义，孔内浓度的分布，温度效应，外扩散控制: N A = 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，
15、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，动力学模型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
16、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 工业反应器的设计几种均相反应器间歇反应器、平推流反应器、理想混合反应器的设计方法。
17、反应器设计方程：质量方程，能量方程，等温反应器的设计方程，间歇反应器设计原理，等温平推流反应器设计原理，等温全混反应器设计原理几种反应器类型的比较：转化率，选择性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，单颗粒催化剂反应量，单位微孔表面反应摩尔数, 反应频数(turnover)气固催化反应器的动量传递粒子直径与
18、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： P = fM(gu02/de)(1-)/3L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(x i,Ti) = r(xi,Ti+10)，第二条件: xixi+11/r(x,T)/T）dx = 0），间接换
19、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，固定床总传热系数。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。反应器设计中的结构问题反应器内部构件：反应物的混合问题，催化剂的填充问题，反应器的热膨胀问题，反应器防腐与保
20、温。换热式反应器的结构设计：列管式催化床层，单管反应器，双套管反应器，三套管反应器，逆流换热与并流换热，各种反应器的温度分布。三、建议教学进度绪论 2 学时；第一章 8 学时；第二章 14 学时；第三章 8 学时；第四章 10 学时；第五章，6 学时。外加期末复习 24 学时。四、教学方法重基本分析方法，如反应速率的拟稳态假定概念，速率控制步骤概念，它们是现代化学工程技术中时间多尺度思想的基础；重物理和化学的守恒原理，如物质守恒，能量守恒，它们是分析反应器空间场量和新型反应装置中空间多尺度现象的基础。重视现代科学计算方法和手段对反应工程教学和学术发展的促进作用。希望能结合教师自身的科学研究，以基于研究的学习（Research-based learning） ，作为教学方法的重要方面。在上课形式上，采用 PowerPoint 电子课件授课，方便对新近前沿研究领域、成果的介绍。五、考核方式平时成绩+期末闭卷考试。 。六、成绩评定方法总成绩按 100 分计算，平时成绩 20%，期末考试成绩 80%。
