化学反应工程_精品文档.docx

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27060化学反应工程

南京工业大学编（高纲号0322）

　　Ⅰ课程性质、地位和任务

　　"化学反应工程"是化学工程学科的一个分支，是化学工程与工艺专业学生必修的一门专业基础技术课程。

它以工业反应过程为主要研究对象，研究反应过程速率及其变化规律；研究反应器内的传递特性及其对化学反应的影响。

为学生今后从事化工反应技术开发、反应器的设计与放大、反应过程操作优化等诸方面工作奠定基础。

　　本课程在学生学习了"高等数学"、"大学物理"、"化学"、"物理化学"、"化工原理"等课程基础上进行。

课程总学时为100，即5学分。

　　通过本课程的学习，学生应比较牢固地掌握化学反应工程的基本原理和计算方法，应能联系化工实际，在反应工程理论的指导下，对反应过程和反应器进行初步的分析和设计计算。

　　Ⅱ自学考试要求

　　第一章绪论

（一）主要内容

　　1.化学反应工程的研究内容

　　2.化学反应工程的研究方法

　　3.化学反应工程的学科系统的编排

（二）自学考试要求

　　1.化学反应工程的研究内容

　　理解化学反应工程学是研究化学反应的工程问题的科学；传递过程（即反应器内的动量、热量和质量传递，简称"三传"）与反应动力学是构成化学反应工程最基本的两个支柱等说法的含义。

理解化学反应工程学与相关学科的联系，化学反应工程本身的专门范畴。

　　2.化学反应工程的研究方法

　　理解化学反应工程的基本研究方法是数学模型法，数学模型的主要内容及其相互关系，了解数学模拟放大法的大体步骤。

　　3.化学反应工程的学科系统和编排

　　理解按反应操作方式、反应器型式、和化学反应相态进行分类的方法；本课程编排的原则和方法。

　　绪论部分在初次学习时，只能做到大体了解、待全部内容学习完毕后，应重新学习绪论，才能做到理解。

　　第二章均相反应的动力学基础

（一）主要内容

　　1.基本概念与术语

　　2.单一反应速率方程

　　3.复合反应速率方程

（二）自学考试要求

　　1.基本概念与术语

　　理解化学反应计量方程表示的内容。

　　理解化学反应速率的定义和在恒容过程、分批式操作、连续流动稳定操作时的数学表示式。

掌握各个组分反应转化率和反应程度的定义和计算；膨胀因子的物理意义和数学表示式；等分子和非等分子反应达一定转化率时各组分摩尔数和摩尔分率的计算。

　　理解化学反应速率方程表示的内容和不同型式；影响反应速率的主要因素；幂函数型速率方程式中反应级数和活化能的物理意义及其大小对反应速率的影响；反应级数和活化能的确定方法。

　　理解基元反应的物理意义。

掌握由反应机理推导反应速率方程的方法。

　　2.单一反应速率方程

　　理解单一反应的定义，掌握由分批式等温动力学实验数据确定反应速率方程式的微分法和积分法。

　　掌握等温恒容过程零级、一级和二级不可逆反应的速率方程式及其积分式的积分过程，并能熟练地用于进行有关计算。

　　以一级反应为例，理解可逆反应速率方程式的建立方法。

　　了解自催化反应的特点及其速率方程式的建立方法。

　　3.复合反应速率方程

　　理解复合反应的定义、主要类型、复合反应的收率、得率和选择性的定义和数学表示式。

　　掌握主副反应均为一级的不可逆平行反应速率方程的建立过程，并能用于进行各组分的瞬时浓度、目的产物收率、得率和选择性等的计算。

理解其动力学特征和各组分浓度随反应时间分布曲线的特点。

　　掌握各步均为一级的串联不可逆反应速率方程的建立过程，并能用于进行各组分的瞬时浓度、目的产物（中间产物）收率、得率和选择性等的计算；最优反应时间topt和最大得率Xmax的计算。

理解各组分农度随反应时间分布和产物得率分布曲线的特点。

　　第三章理想反应器

（一）主要内容

　　1.分批式操作的理想混合反应器

　　2.连续操作的理想混合反应器（单釜和多釜串联）

　　3.平推流反应器

　　4.反应器型式与操作方法的评选

（二）自学考试要求

　　1.分批示操作的理想混合反应器

　　理解分批式操作理想混合反应器内物料浓度、温度分布的特点，适用场合的优缺点。

　　掌握对着眼组分建立物料衡算式的方法，并由此推导分批操作理想混合反应器设计方程的方法。

能运用设计方程进行单一反应和复合反应等温操作时反应时间、转化率、反应器有效容积待计算。

　　掌握对整个反应器建立热量衡算式的方法，并由此推导分批操作理想混合反应器操作方程的方法。

能运用设计方程和操作方程进行绝热操作时的反应时间、转化率、反应器有效容积和换热面积等计算。

　　了解变温（非等温非绝热）操作时的计算方法。

　　理解最优反应时间和最优转化率和计算方法。

　　2.连续操作的理想混合反应器

　　此类反应器通常简称全混流反应器，代号为CSTR.

　　理解全混流反应器内物料流动、浓度和温度分布等特征。

　　理解反应时间、空时、停留时间各自的定义和数学式。

　　掌握全混流反应器设计方程（即物料衡算法）的建立方法，能应用方程进行单一反应和复合反应的各项计算。

　　掌握在1/rA～CA图上比较分批式反应器和全混流反应器有效容积的方法，和通过计算全混流反应器容积效率η比较分批式反应器和全混流反应器有效容积的方法。

　　掌握全混流反应器操作方程（即热量衡算式）的建立方法。

能应用设计方程和操作方程进行各项计算。

　　理解全混流反应器的热稳定性，能应用热稳定性判据初步判断定常态操作是否稳定。

　　掌握在1/rA～CA图上表示多釜串联全混流反应器的有效容积的方法。

在进行相同的恒温恒容单一反应并达到相同的转化率时，能在1/rA～CA图上进行分批式、单釜和多釜串联全混流反应器所需有效容积的比较。

　　掌握多釜串联全混流反应器的设计计算方法，进行一级不可逆反应时的设计方程，并能用于进行有关计算。

理解图解计算法。

　　了解多釜串联全混流反应器各釜的最优容积比。

　　3.平推流反应器

　　此类反应器通常代号为PFR

　　理解平推流反应器内流体流动、浓度和温度分布的特征；恒容和变容过程的停留时间、反应时间和空时的计算。

　　掌握平推流反应器的设计方程（即物料衡量式）的建立方法及其计算应用。

理解等温恒容过程平推流反应器和分批式理想混合反应器的设计方程是完全一致的（但时间项平推流为空时τ，分批式为反应时间t）。

掌握平推流反应器的图解计算法。

　　掌握平推流反应器的操作方程（既热量衡算式）建立方法。

了解变温操作时的计算方法。

　　了解循环操作的平推流反应器的特征和计算方法。

　　4.反应器型式与操作方法的评选

　　理解进行反应级数n＞0、n＜0的不可逆等温单一反应时，平推流反应器、全混流反应器和多釜串联全混流反应器所需容积的比较；以及在1/rA～XA图上，曲线具有最高点时，为使反应器容积最小，不同型式反应器应采用的串联顺序。

　　理解可逆吸热反应和可逆放热反应的反应速率和平衡转化率与操作温度的关系；可逆放热反应在XA～T图上的最优温度线和平衡温度线；可逆吸热反应和可逆放热反应最优操作温度的选定。

　　掌握复合反应在分批式理想混合反应器、平推流反应器、全混流反应器和多釜串联全混流反应器中进行时的瞬时收率和总收率的计算式，并能用于进行有关计算。

　　理解在平推流反应器和全混流反应器中进行一级不可逆串联反应：

　　（三）重点与难点

　　重点：

分批式理想混合反应器、全混流反应器和平推流反应器内的流动混合特征；温度、浓度和反应速率分布特征；等温操作下的设计计算方法；进行单一反应和复合反应时反应器的性能比较。

　　难点：

单一反应复合反应的各种情况下，反应器型式、组合方式和操作方式的选择。

　　第四章非理想流动

（一）主要内容

　　1.停留时间分布

　　2.平推流和全混流反应器的停留时间分布

　　3.非理想流动的流动模型

（二）自学考试要求

　　3.非理想流动的流动模型

　　理解返混的概念；返混与停留时间分布的区别和联系；建立非理想流动模型的必要性。

　　掌握用反应器停留时间分布实测数据（或E（t）函数式）和反应速率方程式计算出口平均转化率的凝集流模型。

理解使用凝集流模型的局限范围。

　　理解多级全混流串联模型的物理含义；数学模型建立的基本思路。

掌握根据反应器停留时间分布实测数据确定模型参数N的方法。

　　理解轴向分散模型的物理含义；数学模型建立的基本思路。

掌握根据反应器停留时间分布实测数据确定模型参数Ez/uL的方法。

能应用轴向分散模型进行一级不可逆反应的计算。

　　了解流体的微观混合与宏观混合及其对化学反应的影响。

　　（三）重点与难点

　　重点：

返混与停留时间分布的概念；E（t）和F（t）函数；平推流反应器和全混流反应器的E（t）和F（t）函数；由实验测定停留时间分布数据确定E（t）和F（t）函数和非理想流动模型的模型参数。

　　难点：

非理想流动模型方程的建立。

　　第五章气固催化反应动力学

（一）主要内容

　　1.固体催化剂表面的吸附现象和吸附等温式

　　2.气固催化反应的动力学方程

　　3.气固催化反应速率的实验测定方法

　　4.催化剂颗粒中的扩散

（二）自学考试要求

　　1.固体催化剂表面的吸附现象和吸附等温式

　　理解气体在固体催化剂表面上物理吸附与化学吸附的区别。

　　理解朗格缪尔（langmuir）型吸附等温线方程式的基本假设；吸附等温线方程式的推导；单分子吸附、多分子吸附、解离吸附下方程的不同形式。

　　了解弗里德里希（Freundlich）型和焦姆金型吸附等温式的假设和方程形式。

　　2.气固催化学反应的动力学方程

　　理解气固反应中，反应速率一般以单位质量催化剂为基准，不同场合也有以单位床层体积或单位催化剂体积等为基准的，应掌握不同基准间的相互换算。

　　理解气固催化反应所经历的七步过程；确定过程总速率的控制步骤法；当某一步骤起控制作用时，其他步骤所处的状态。

　　掌握在不同控制步骤下根据朗--辛（L-H）机理推导双曲线型反应速率式的方法，并能根据双曲线型反应速率方程式看出所设想的机理。

　　了解双曲线型和幂数数型反应速率方程各自的优缺点。

　　3.气固催化反应速率的实验测定方法

　　理解检验外扩散影响的存在和消除外扩散影响的方法。

　　理解检验内扩散影响的存在和消除外扩散影响的方法。

　　了解实验室固定床积分反应器和微分反应器各自的优缺点；流动循环无梯度反应器的特点。

　　了解由动力学实验数据确定动力学方程和进行参数估值的一般做法。

　　4.催化剂颗粒中的扩散

　　理解多孔催化剂粒内扩散的复杂性；分子扩散和努森（Knudson）扩散的区别。

　　理解分子扩散系数DAB或Dim、努森扩散系数Dk、综合扩散系数D和有效扩散系数De的区别和联系。

　　理解催化剂有效系数η的定义；内扩散模数（Thiele模数）φs的定义式和物理含义。

　　理解等温球形催化剂进行一级反应时有效系数η计算式的推导过程。

掌握有效系数η计算式的应用。

　　理解以特征长度L定义的内扩散模数φL的定义式；φs和φL的关系式。

理解包含了可以直接测得的反应速率值（-r）=-1dn/Vedt的Weisz模数φL的定义式；φL与φL的关系式。

掌握φL式的应用，能根据φs或φL值的大小判别内扩散的影响程序，以及为消除和减少内扩散阻力可采取的措施。

　　理解内扩散对复合反应选择性的影响。

了解为了减少内扩散阻力和改善目的产物选择性，对催化剂制造采取的改进方法。

　　（三）重点

　　根据朗--辛机理推导不同控制步骤的双曲线型反应速率方程；判别与消除反应过程内外扩散阻力的方法；等温一级球形催化剂的有效系数η的计算；如何根据内扩散模数植的大小判别内扩散的影响程序。

　　第六章固定床反应器

（一）主要内容

　　1.固定床的特点、型式和数学模型

　　2.固定床中的传递过程