《化学反应工程》课程规范.docx
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《化学反应工程》课程规范
《化学反应工程》课程规范
课程号
HBX250037
课程名称
化学反应过工程
课程英文
名称
ChemicalReactionEngineering
总学时数
48
学分
4
讲授
学时
48
实验
学时
0
开课单位
理工学院
适用专业
化学工程与工艺、制药工程
课程类别
专业教育课程
修读方式
必修
先修课程
高等数学，大学物理，物理化学，化工原理
考核方式
考核方式：
考试
成绩构成比例：
总成绩=平时成绩×30%+卷面成绩×70%
平时成绩:
平时成绩=出勤成绩+平时作业成绩
教材及主要教学参考书
教科书：
陈甘棠主编.《化学反应工程》第三版.北京：
化学工业出版社，2011
主要参考书：
李绍芬主编.《反应工程》第二版.北京：
化学工业出版社，2000
朱炳辰主编.《化学反应工程》第五版.北京：
化学工业出版社，2012
课程简介
《化学反应工程》是高等学校化学工程与工艺类专业本科生必修的一门专业课程。
《化学反应工程》是研究化学反应过程和反应器的共同规律，从而使化学反应实现工业化的技术科学，是化工类专业学生在具备了必要的高等数学、物理化学、化工原理、计算技术等知识后，为了进一步加强基础和拓宽专业知识所必需的技术理论课。
能力培养任务
通过本课程的学习，使学生进一步扩大知识面，打好专业基础，了解化学变化过程中的一些基本规律，加深对已学过的无机化学、分析化学、有机化学的理解比较牢固的掌握化学反应工程基础理论知识和计算方法；进一步培养学生独立思考和独立解决问题的能力，以至今后的实践中能得到启发和帮助；培养学生独立进行物理化学实验和自学一般物理化学书刊，以提高理论联系实际的能力。
一、课程概况
二、课程知识、能力体系
《化学反应工程》课程知识（能力）体系
序号
知识单元描述
知识点
对应能力
学时
要求
1
第1章绪论
化学反应的转化率和收率，化学反应器的类型，化学反应器的操作方式，反应器设计的基本方程，工业反应器的放大
掌握反应进度，转化率，收率与选择性
2
掌握
2
第2章
反应动力学基础
间歇反应系统的速率表示方式；连续反应系统的速率表示方式；动力学方程式的表示方式；反应速率常数；动力学参数的确定；最佳温度曲线；固体催化剂；吸附等温方程；均匀表面吸附动力学方程
熟悉均相反应速率的表示方式；变容反应系统中体积膨胀因子；体积膨胀率；最佳温度曲线；Langmuir吸附及其等温线；均匀表面吸附动力学方程
8
熟悉
3
第3章
理想流动反应器
反应器中流体的流动模型；反应器设计的基本方程；间歇反应器；活塞流反应器；单级全混流反应器；多级全混流反应器；理想流动反应器的组合及反应体积的比较；理想流动反应器中复合反应的选择性；全混流反应器的热稳定性。
掌握理想流动模型；理想反应器的计算；理想反应器中复合反应的选择性。
10
掌握
4
第4章
停留时间分布与反应器的流动模型
停留时间分布函数及停留时间分布密度函数；停留时间分布的实验测定及数字特征；几中流型的逗留时间分布函数和分布密度函数；几种非理想流动模型；实际反应器的计算
掌握停留时间分布函数及停留时间分布密度函数的定义；停留时间分布的数字特征
9
掌握
5
第5章
多相反应中的化学反应与传递现象
气固相催化反应宏观过程；气固相催化反应宏观动力学方程；催化反应控制阶段的判别；催化剂颗粒内气体的扩散；内扩散有效因子；催化剂颗粒内组分浓度分布及温度分布的微分方程，等温催化剂一级反应内扩散有效因子的解析解及近似解；内扩散对复合反应选择性的影响。
多相催化反应过程中扩散影响的判定
熟悉催化剂颗粒内浓度分布及温度分布微分方程的建立及求解；等温下催化剂颗粒内扩散有效因子的计算
9
熟悉
6
第6章
多相催化反应器的分析
气固相催化反应器的基本类型；基本设计原则；催化反应器的数学模型；绝热式固定床催化反应器；连续换热式催化反应器：
内热自冷式；外冷列管式；外部供热式。
流态化；流化床催化反应器
了解气固相催化反应器的类型及特点；固定床一维模型建立及求解
10
了解
“要求”指学生对知识、能力掌握的熟练程度，填写：
了解、熟悉、掌握。
三、教学内容及基本要求
理论教学部分（按章节顺序填写）学时：
2
章节
第1章绪论
教学目的
和要求
介绍本课程的性质、任务、内容及基本概念
重点和难点
重点：
反应进度，转化率，收率与选择性。
难点：
无
“三基”分析
基本知识：
反应进度，转化率，收率与选择性，反应器。
基本理论：
宏观动力学，数学模型。
基本方法：
化学反应工程基本研究方法，解析法，模型法，逐级经验放大法。
教学内容与
学时分配
教学内容（2学时）：
1.1化学反应工程（0.5学时）
化学反应工程的历史及发展，任务及范畴，基本研究方法。
1.2化学反应的转化率和收率（0.5学时）
主要讲解反应进度，转化率，收率。
1.3化学反应器的类型（0.5学时）
三种分类方式介绍，分别是物料的相态分类，反应器的结构型式分类，按操作方法分类。
1.4化学反应器的操作方式（0.5学时）
主要讲解三种方式分别为间歇性操作，连续操作，半间歇操作。
1.5反应器设计的基本方程（0.5学时）
物料衡算方程式，热量衡算方程式，动量衡算方程式。
1.6工业反应器的放大（0.5学时）
研究工业反应器的反应规律和传递规律。
教学方法与
教学手段
教学方法：
1.采用“以多媒体教学为主、板书为辅”的方式。
2.启发引导为主，线上教学与线下教学相结合。
教学手段：
1.通过多媒体图片和故事启发了解物理化学的定义、作用与特点。
2.避免老师的一言堂，达到“以学生为本、师生互动”。
本章思考题
无
主要
参考资料
教科书：
陈甘棠主编.《化学反应工程》第三版.北京：
化学工业出版社，2011
主要参考书：
李绍芬主编.《反应工程》第二版.北京：
化学工业出版社，2000
朱炳辰主编.《化学反应工程》第五版.北京：
化学工业出版社，2012
备注
本章内容较简单，讲授主要是介绍。
理论教学部分（按章节顺序填写）学时：
8
章节
第2章反应动力学基础
教学目的
和要求
1掌握间歇反应系统的速率表示方式；连续反应系统的速率表示方式；动力学方程式的表示方式；
2.掌握反应速率常数；动力学参数的确定；最佳温度曲线；固体催化剂；吸附等温方程；均匀表面吸附动力学方程。
重点和难点
重点：
均相反应速率的表示方式；变容反应系统中体积膨胀因子；
体积膨胀率；最佳温度曲线；Langmuir吸附及其等温线；均匀表面
吸附动力学方程。
难点：
Langmuir吸附及其等温线；均匀表面吸附动力学方程。
“三基”分析
基本知识：
反应速率常数，吸附等温方程，分子数，反应级数，速率常数，指前因子，总收率，瞬时收率，总选择性，瞬时选择性。
基本理论：
均相反应和非均相反应，基元反应和非基元反应，单一反应和复合反应，可逆反应和不可逆反应。
基本方法：
微分法积分法求动力学方程。
教学内容与
学时分配
教学内容（8学时）：
2.1反应速率（1学时）
介绍化学反应速率。
2.2反应速率方程（1学时）
介绍化学反应速率的方程。
2.3温度对反应速率的影响（1学时）
根据实验所得反应温度的倒数和反应速率存在线性相关。
2.4复合反应（1学时）
需用两个以上独立的计量方程来描述的方程，典型的复合反应有平行反应、连串反应和平行连串反应。
2.5反应速率方程的变换与积分（1学时）
对化学反应速率方程进行变换，再运用分离变量法进行积分进行分析。
2.6多相催化与吸附（1学时）
吸附是指固体表面与气体或液体间的一种相互作用。
工业上采用的催化过程绝大多数是多相催化。
2.7多相催化反应动力学（1学时）
多项催化反应是发生于催化剂表面的化学反应。
2.8动力学参数的确定（1学时）
动力学参数的常用确定方法有微分法和积分法。
教学方法与
教学手段
教学方法：
1.采用“以多媒体教学为主、板书为辅、实例计算演示”的方式。
2.启发引导为主，线上教学与线下教学相结合。
教学手段：
1.通过多媒体图片和故事启发引出基本术语的定义、作用与特点。
2.通过课堂现场实例计算演示，目的是避免老师的一言堂，达到“以学生为本、师生互动”的目的。
本章思考题
P291，3，4，5
主要
参考资料
教科书：
陈甘棠主编.《化学反应工程》第三版.北京：
化学工业出版社，2011
主要参考书：
李绍芬主编.《反应工程》第二版.北京：
化学工业出版社，2000
朱炳辰主编.《化学反应工程》第五版.北京：
化学工业出版社，2012
备注
本章内容是化学反应工程的基础内容，应详细讲授
理论教学部分（按章节顺序填写）学时：
10
章节
第3章理想流动反应器（釜式反应器、管式反应器）
教学目的
和要求
1了解反应器中流体的流动模型；反应器设计的基本方程；间歇反应器；活塞流反应器；单级全混流反应器；多级全混流反应器；
2.了解理想流动反应器的组合及反应体积的比较；理想流动反应器中复合反应的选择性；全混流反应器的热稳定性。
重点和难点
重点：
理想流动模型；理想反应器的计算；理想反应器中复合反应的选择性。
难点：
理想反应器的计算；理想反应器中复合反应的选择性。
“三基”分析
基本知识：
平均停留时间、空时、空速、年龄、寿命、返混、循环比β。
理想反应器的概念，返混间歇反应器，反应器中流体的流动模型，反应器设计的基本方程。
基本理论：
间歇反应器的性能方程，平推流反应器的性能方程
全混流反应器的性能方程
基本方法：
物料衡算方法建立数学方程
教学内容与
学时分配
教学内容（10学时）
釜式反应器
3.1釜式反应器的物料衡算式（2学时）
运用物料衡算式描述反应物料量的变化规律。
3.3等温间歇釜式反应器的计算（单一反应）（2学时）
设计间歇反应器的关键在于确定每批所需时间。
3.4等温间歇釜式反应器的计算（复合反应）（1学时）
对于连串反应和平行反应应用不同方法。
3.5变温间歇釜式反应器（1学时）
对于非等温过程，由于其反应速率常数是随温度的变化而变化的，要想准确描述相关量，可联立热平衡方程和动力学方程求解。
管式反应器
3.6活塞流假设（1学时）
流动状况对反应过程的影响，理想流动模型和活塞流反应器的特征。
3.7等温管式反应器设计（1学时）
重点学习活塞反应器的设计方程。
3.8管式与釜式反应器反应体积的比较（1学时）
在相同的前提条件下进行分情况讨论。
3.9循环反应器（1学时）
为了提高原料利用率，将出口的物料进行循环，设计利用循环反应器达到目的。
教学方法与
教学手段
教学方法：
1.采用“以多媒体教学为主、板书为辅、实例计算演示”的方式，多种教学手段相互补充，使课堂教学与实验教学相结合。
2.启发引导为主，从重知识目标转向重智能目标上转变。
3.线上教学与线下教学相结合，借助网络等方式搭建师生交流和互动的平台。
教学手段：
1.通过多媒体图片、课堂现场实例计算演示，充分调动学生的学习积极性和主动性。
本章思考题
P85—86:
1、2、8、10
主要
参考资料
教科书：
陈甘棠主编.《化学反应工程》第三版.北京：
化学工业出版社，2011
主要参考书：
李绍芬主编.《反应工程》第二版.北京：
化学工业出版社，2000
朱炳辰主编.《化学反应工程》第五版.北京：
化学工业出版社，2012
备注
本章内容是化学反应工程的基础内容，应详细讲授。
理论教学部分（按章节顺序填写）学时：
9
章节
第4章停留时间分布与反应器的流动模型
教学目的
和要求
停留时间分布函数及停留时间分布密度函数；停留时间分布的实验测定及数字特征；几中流型的逗留时间分布函数和分布密度函数；几种非理想流动模型；实际反应器的计算
重点和难点
重点：
停留时间分布函数及停留时间分布密度函数的定义；停留时间分布的数字特征。
难点：
停留时间分布的数字特征
“三基”分析
基本知识：
停留时间分布的数字特征、停留时间分布函数、停留时间分布密度函数。
脉冲法、阶跃法。
基本理论：
宏观混合，微观混合，多级混合流模型（多级全混流串联模型）及其模型参数N，轴向分散模型及其模型参数Ez。
基本方法：
停留时间分布的测定方法。
教学内容与
学时分配
教学内容（9学时）
4.1停留时间分布（2学时）
物料在反应器内的停留时间是一个随机过程，对随机过程通常用概率进行描述，用相应的函数表达式描述这一过程。
4.2停留时间分布的实验测定（1学时）
停留时间分布的测定一般采用示踪技术，示踪剂选用易检测其浓度的物质。
4.3停留时间分布的统计特征值（1学时）
为了比较不同的停留时间分布，通常是比较其统计特征值，常用的统计特征值有两个：
均值和方差，同时也是本节的主要研究对象。
4.4理想反应器的停留时间分布（1学时）
对于连续操作的反应器，组成流体的各粒子微团在其中的停留时间长短不一，有的流体微团停留的时间长，有的则瞬间离去，从而形成了停留时间的分布。
4.5非理想流动现象（1学时）
由于分子扩散及涡流扩散的存在造成了流体微元间的混合，使停留时间分布偏离理想流动状况。
4.6非理想流动模型（1学时）
活塞流反应器和全混流反应器，在这两类反应器中，流体的流动为理想化的极端情况。
但实际反应器内流体的流动状况与上述情况不完全相同，介于两者之间。
4.7非理想反应器的计算（1学时）
非理想反应器内流体的流动情况比较复杂，仅用理想化的平推流或全混流进行计算是不够的，非常必要对实际的流型进行逼真模拟。
4.8流动反应器中流体的混合（1学时）
流体的混合存在两种极端的混合状态，一种是不存在微观混合，即完全离析；另一种是不存在离析，即完全微观混合。
介于两者之间的称为部分离析或部分微观混合，即两者并存。
教学方法与
教学手段
教学方法：
1.采用“以多媒体教学为主、板书为辅、计算演示”的方式，多种教学手段相互补充，使课堂教学与实验教学相结合。
2.启发引导为主，从重知识目标转向重智能目标上转变。
3.线上教学与线下教学相结合，借助网络等方式搭建师生交流和互动的平台。
教学手段：
1.通过多媒体图片、课堂现场实例计算演示，充分调动学生的学习积极性和主动性。
本章思考题
P110—111:
1、2、5
主要
参考资料
教科书：
陈甘棠主编.《化学反应工程》第三版.北京：
化学工业出版社，2011
主要参考书：
李绍芬主编.《反应工程》第二版.北京：
化学工业出版社，2000
朱炳辰主编.《化学反应工程》第五版.北京：
化学工业出版社，2012
备注
本章内容是化学反应工程的重点内容，应详细讲解。
理论教学部分（按章节顺序填写）学时：
8
章节
第5章多相反应中的化学反应与传递现象
教学目的
和要求
气固相催化反应宏观过程；气固相催化反应宏观动力学方程；催化反应控制阶段的判别；催化剂颗粒内气体的扩散；内扩散有效因子；催化剂颗粒内组分浓度分布及温度分布的微分方程，等温催化剂一级反应内扩散有效因子的解析解及近似解；内扩散对复合反应选择性的影响。
多相催化反应过程中扩散影响的判定。
重点和难点
重点：
催化剂颗粒内浓度分布及温度分布微分方程的建立及求解；等温下催化剂颗粒内扩散有效因子的计算。
难点：
等温下催化剂颗粒内扩散有效因子的计算
“三基”分析
基本知识：
催化剂颗粒内气体的扩散；内扩散有效因子；催化剂颗
粒内组分浓度分布及温度分布的微分方程，膜扩散阻力、孔散阻力，内表面积、比表面积、比孔容、孔隙率，分子扩散、努森扩散、构型扩散。
基本理论：
吸附等温式（Langmuir型吸附等温式），扩散和扩散系数，有效扩散系数与反应速率的关系，影响内扩散有效因子的基本因素，任意反应动力学。
基本方法：
用数学方法建立吸附等温方程。
教学内容与
学时分配
教学内容（8学时）
5.1多相催化反应过程步骤（1学时）
以在多孔催化剂颗粒上进行不可逆反应A（g）→B（g）为例，阐明反应过程进行的步骤。
5.2流体与催化剂颗粒外表面间的传质与传热（1学时）
外扩散传质，外表面传热。
5.3气体在多孔介质中的扩散（1学时）
当孔内外无压差时，没有层流流动问题。
当浓度差存在时，有组分的扩散存在。
5.4多孔催化剂中的扩散与反应（1学时）
催化剂内不同部位浓度不同，反应速率也不同。
5.5内扩散对复合反应选择性的影响（1学时）
内扩散的存在使颗粒内反应物浓度降低，从而反应速率变慢。
5.6多相催化反应过程中扩散影响的判定（2学时）
对于外扩散改变流体的质量速率，对于内扩散改变催化剂的粒度。
5.7扩散干扰下的动力学假象（1学时）
外扩散干扰下的动力学假象和内扩散干扰下的动力学假象。
教学方法与
教学手段
教学方法：
1.采用“以多媒体教学为主、板书为辅、实例计算演示”的方式，多种教学手段相互补充，使课堂教学与实验教学相结合。
2.启发引导为主，从重知识目标转向重智能目标上转变。
3.线上教学与线下教学相结合，借助网络等方式搭建师生交流和互动的平台。
教学手段：
1.通过多媒体图片、课堂现场实例计算演示，充分调动学生的学习积极性和主动性。
本章思考题
无
主要
参考资料
教科书：
陈甘棠主编.《化学反应工程》第三版.北京：
化学工业出版社，2011
主要参考书：
李绍芬主编.《反应工程》第二版.北京：
化学工业出版社，2000
朱炳辰主编.《化学反应工程》第五版.北京：
化学工业出版社，2012
备注
本章内容是化学反应工程的重点内容，应详细讲解。
。
理论教学部分（按章节顺序填写）学时：
10
章节
第6章多相催化反应器的分析
教学目的
和要求
气固相催化反应器的基本类型；基本设计原则；催化反应器的数学
模型；绝热式固定床催化反应器；连续换热式催化反应器：
内热自
冷式；外冷列管式；外部供热式。
流态化；流化床催化反应器。
重点和难点
重点：
气固相催化反应器的类型及特点；固定床一维模型建立及求解。
难点：
固定床一维模型建立及求解
“三基”分析
基本知识：
气固相催化反应器的类型及特点，等温反应器设计，单层绝热床设计，多段绝热床的优化。
基本理论：
基本设计方程、设计原则，拟均相一维数学模型。
基本方法：
固定床一维模型建立方法。
教学内容与
学时分配
教学内容（10学时）
6.1固定床内的传递现象（2学时）
固定床内的流体流动，轴向的传质与传热，径向的传质与传热。
6.2固定床反应器的数学模型（2学时）
活塞流模型，轴向分散模型。
6.3绝热式固定床反应器（1学时）
绝热反应器类型，固定床绝热反应器的催化剂用量，多段绝热式固定床反应器。
6.4换热式固定床反应器（1学时）
单一反应分析，复合反应分析。
6.5自热式固定床反应器（1学时）
反应物料的流向，数学模拟
6.6参数敏感性（1学时）
主要研究床层热点温度
6.7流化床反应器（1学时）
流态化，流化床催化反应器。
6.8实验室催化反应器（1学时）
主要讲解实验室催化反应器的基本要求和反应类型。
教学方法与
教学手段
教学方法：
1.采用“以多媒体教学为主、板书为辅”的方式，多种教学手段相互补充，使课堂教学与实验教学相结合。
2.启发引导为主，从重知识目标转向重智能目标上转变。
教学手段：
1.通过多媒体图片、课堂现场演示，充分调动学生的学习积极性。
本章思考题
无
主要
参考资料
教科书：
陈甘棠主编.《化学反应工程》第三版.北京：
化学工业出版社，2011
主要参考书：
李绍芬主编.《反应工程》第二版.北京：
化学工业出版社，2000
朱炳辰主编.《化学反应工程》第五版.北京：
化学工业出版社，2012
备注
本章内容简单介绍，后面可自学。
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