《化学反应工程》课程教学大纲

一、课程基本信息

课程代码：CHEM4102

课程名称：化学反应工程

课程英文名称：Chemical Reaction Engineering

课程所属单位：化学与环境工程学院化工系化学工程与工艺教研室

课程面向专业：化学工程与工艺、化学工程、化学工艺、有机化工、精细化工、生物化工、能源化工

课程类型：核心必修课

先修课程：《物理化学》、《化工工艺学》、《化工原理》、《化工热力学》

学时学分：总学时48 (其中理论学时：48)，学分3

化学反应工程实验已纳入“化工综合实验2”。

二、课程性质与目的

课程性质：化学反应工程是以化学反应器原理为主要线索，主要研究化学反应过程中需要解决的工程问题，是化工生产的龙头、关键和核心，是一些基础学科诸如物理化学、传递过程、化学工艺等相互渗透与交叉而演变成的边缘学科，其内容主要涉及化学反应动力学、反应器中传递特性、反应器类型、数学建模方法、操作分析及反应器设计，具有高度综合性、广泛基础性和自身独特性，同时具有很强的实用性。

课程目的：1、培养学生能够将高等数学知识、传递过程原理、物理化学、化工原理应用到复杂化学反应过程中，通过物理和化学模型进行表述化学反应动力学和传递规律（对应指标点1.1）。

2、培养学生能将化学反应动力学、化学反应器理论分析实际的化学反应过程，确定化学反应极限、潜力及优化方向（对应指标点1.3）；能够进行反应器设计、参数控制和改进（对应指标点1.4）。

3、掌握化学反应工程学科的理论体系、研究方法，了解学科前沿，能够针对实际复杂的化学过程提出可选解决方案或途径(对应指标点2.2)。

4、使学生初步具备改进和强化现有反应技术和设备、开发新的反应技术和设备、解决反应过程中的工程放大问题以及实现反应过程中最优化的能力(对应指标2.4)。

表1 课程目标与支撑的毕业要求指标点对应表

三、课程教学内容与要求

第0章 绪论

教学内容与要求：

了解化学反应工程学的任务和范畴、内容和分类及研究方法，达到使学生对化学反应工程学科有一个宏观的接触和把握，以提高学生学习这门课程的主动性。

1. 均相单一反应动力学和理想流动反应器

1. 概念与术语

2. 教学内容：

   化学反应式、化学计量方程、反应程度、转化率、化学反应速率、反应动力学方程、化学反应的分类。

3. 教学要求：

1. 了解化学反应式、化学计量方程、反应程度、转化率、反应活化能概念及阿仑尼乌斯方程；

2. 理解基元反应与质量作用定理、单程转化率与全程转化率的区别、化学反应式与化学计量方程的区别；

3. 掌握化学反应速率的表征、反应动力学方程、反应级数以及基本反应类型。

4. 教学重点：

   化学反应速度的表征；化学反应动力学方程。

5. 教学难点：

1. 基元反应、反应级数与质量作用定理；

2. 单程转化率与全程转化率的区别；

3. 化学反应式与化学计量方程的区别；

4. 单一反应动力学

6. 教学内容：

   等温恒容过程反应动力学方程及动力学方程建立方法；等温变容过程的膨胀因子δ_A、膨胀率ε_A；变容系统组分浓度、摩尔分数、分压和反应速度与转化率的关系。

7. 教学要求：

1. 了解动力学方程建立方法微分法、积分法和最小方差解析法；

2. 理解反应级数下不可逆反应的反应时间、转化率与初始浓度之间的变化关系；

3. 掌握等温恒容过程反应动力学方程式、等温变容过程的膨胀因子δ_A、膨胀率ε_A的表达式以及所表达的反应速率方程。

8. 教学重点：

1. 等温恒容过程的动力学方程及不同反应级数下反应时间、转化率与初始浓度之间的关系；

2. 等温变容过程的膨胀因子δ_A、膨胀率ε_A的表达式。

9. 教学难点：

1. 在反应级数n下，反应时间、转化率与初始浓度之间的关系；

2. 等温变容过程的膨胀因子δ_A的定义式推导、δ_A与ε_A的关系；

3. 变容系统组分浓度、摩尔分数、分压和反应速度与转化率的关系。

4. 复合反应动力学

1. 教学内容：

1. 复合反应速率及动力学方程确定；

2. 可逆反应速度及动力学特征；

3. 自催化反应速度及动力学特征；

4. 平行反应速度及动力学特征；

5. 连串反应速度及动力学特征。

1. 教学要求：

1. 了解复合反应动力学方程确定方法；

2. 理解可逆反应、自催化反应、平行反应及连串反应的动力学方程特征。

3. 掌握复合反应反应动力学方程的表达法及动力学分析方法。

1. 教学重点：

1. 复合反应动力学方程表达法；

2. 复合反应动力学特征分析。

1. 教学难点：

1. 可逆反应吸热反应和放热反应动力学特点推导与分析；

2. 平行反应动力学特点推导与操作分析；

3. 连串反应动力学特点推导与操作分析。

   第二章 复合反应与反应器选型

1. 反应器设计基础

1. 教学内容：

1. 反应器的分类，涉及间歇反应器、全混流反应器、平推流反应器、非理想反应器；

2. 反应器设计基础方程，涉及反应动力学、物料衡算、热量衡算、动量衡算；

3. 时间概念，涉及反应持续时间、停留时间及分布、平均停留时间、空间时间、空间速度、返混。

1. 教学要求：

1. 了解反应器按反应器的型式和操作方式的各种分类、动量衡算概念；

2. 理解空间速度、空间时间概念；

3. 掌握反应动力学方程、物料衡算方程、热量衡算方程及反应持续时间、停留时间及分布、平均停留时间概念。

1. 教学重点：

1. 反应器设计基础方程；

2. 反应持续时间、停留时间及分布、平均停留时间概念。

1. 教学难点：

1. 时间定义的内涵差别；

2. 空间速度的理解。

1. 等温理想反应器的设计

1. 间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器模型建立；

2. 间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器设计方程的几何意义。

3. 间歇反应器物理模型、数学模型及设计方程；

4. 平推流反应器物理模型、数学模型及设计方程；

5. 全混流反应器物理模型、数学模型及设计方程。

6. 了解 间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器物理模型及数学推导，以及非等温条件下理想反应器的设计方程；

7. 理解间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器的设计方程的几何意义；

8. 掌握间歇反应器、平推流反应器、全混流反应器的设计方程。

9. 间歇反应器设计方程；

10. 平推流反应器设计方程；

11. 全混流反应器设计方程；

12. 非等温条件下理想反应器的设计方程。

13. 教学内容：

14. 教学要求：

15. 教学重点：

16. 教学难点：

2. 组合理想反应器的设计

1. 了解循环反应器；

2. 理解平推流反应器的并联和全混流反应器的并联；

3. 掌握平推流反应器的串联和全混流反应器的串联。

4. 理想流动反应器的联操作及平推流反应器的并联操作和全混流反应器的并联操作；

5. 理想流动反应器的串联操作，涉及平推流反应器的串联操作和全混流反应器的串联操作；

6. 循环反应器。

7. 教学内容：

8. 教学要求：

9. 教学重点：

   平推流反应器的串联和全混流反应器的串联

10. 教学难点：

    循环反应器设计方程的数学推导。

3. 反应器型式及操作评选

1. n级反应在简单反应器中的性能比较及优化组合；

2. 自催化反应反应器的优化组合；

3. 平行反应或连串在反应器中温度、浓度、活化能对选择性的影响；

4. 连串反应在不同反应器中的优化设计计算。

   第三章 非理想流动反应器

   (一) 返混与停留时间分布

   1、教学内容：

   （1）返混对反应过程的影响及对反应器的分类；

   （2）流体在反应器内的停留时间分布，涉及两概率函数（F(t)和E(t)）、两特征值（平均停留时间和散度）、停留时间分布规律的实验测定（阶跃输入法和脉冲输入法）；

   （3）用对比时间作变量的停留时间分布；

   （4）全混流反应器和平推流反应器的停留时间分布规律。

   2、教学要求：

   （1）了解返混对反应过程的影响及对反应器的分类、概率函数；

   （2）理解用对比时间作变量的停留时间分布；

   （3）掌握停留时间分布的实验测定及两理想反应器的停留时间分布规律。

   3、教学重点：

   （1）停留时间分布的概率函数及特征值；

   （2）停留时间分布的实验测定。

   4、教学难点：

   （1）停留时间分布实验测定；

   （2）理想反应器两函数和两特征值。

5. 了解典型复合反应在不同反应器型式中体积及选择性的比较；

6. 理解收率、选择性概念，温度、浓度、活化能对选择性的影响；

7. 掌握反应器型式及操作评选的分析方法。

8. 单一不可逆反应过程的评比，涉及单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的比较和不同型式反应器的组合；

9. 自催化反应，涉及平推流与全混流反应器、循环反应器、反应器组合；

10. 可逆反应，涉及可逆吸热反应与可逆放热反应；

11. 平行反应，涉及选择性及收率的定义、温度浓度对选择性的影响；

12. 连串反应，涉及瞬时选择性的定义、平推流和全混流反应器平均选择的比较。

13. 教学内容：

14. 教学要求：

15. 教学重点：

    复合反应（包括可逆反应、自催化反应、平行反应、连串反应）在PFR 和CSTR反应器的优化设计计算。

16. 教学难点：

4. （二） 非理想流动模型

1. 宏观流体、微观流体概念的理解；

2. 决均相反应过程问题的近似法假设及推导。

   第四章 气固相催化反应本征动力学

3. 了解宏观流体、微观流体概念、凝聚流模型和模型法解决均相反应过程的假设及步骤；

4. 理解多级混合槽模型、轴向扩散模型的假设及推导；

5. 掌握几种解决均相反应过程问题的近似法，即活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多级混合槽模型、轴向扩散模型。

6. 凝聚流模型；

7. 多级混合槽模型；

8. 轴向扩散模型。

9. 教学内容：

10. 教学要求：

11. 教学重点：

    解决均相反应过程问题的近似法即活塞流模型、全混流模型、凝聚流模型、多级混合槽模型、轴向扩散模型的推导、结论及应用比较。

12. 教学难点：

5. （一） 催化过程及表征

1. 化学吸附与物理吸附，涉及化学吸附与物理吸附差别、化学吸附速率的表达、兰格缪尔吸附模型、焦姆金吸附模型、弗鲁德里希吸附模型；

2. 表面化学反应；

3. 反应本征动力学，涉及双曲型本征动力学方程、幂函数型本征动力学方程及实验测定。

   2、教学要求：

   （1）了解物理吸附、幂函数型本征动力学方程及本征动力学方程的实验测定；

   （2）理解焦姆金吸附模型、弗鲁德里希吸附模型；

   （3）掌握兰格缪尔吸附模型（理想吸附模型）及双曲本征动力学方程的推理。

   3、教学重点：

   双曲型本征动力学方程。

   4、教学难点：

   （1）兰格缪尔吸附模型、焦姆金吸附模型、弗鲁德里希吸附模型；

   （2）双曲本征动力学方程的推理。

   第五章 气固相催化反应宏观动力学

   （一） 催化剂颗粒内气体扩散

   1、教学内容：

   （1）宏观反应速率的定义式；

   （2）催化剂颗粒内气体扩散，涉及分子扩散、鲁森扩散、综合扩散；

   （3）以颗粒为基准的有效扩散。

   2、教学要求：

   （1）了解催化剂颗粒内的各种扩散；

   （2）理解扩散判断准则；

   （3）掌握宏观反应速率及有效扩散。

   3、教学重点：

   以颗粒为基准的有效扩散。

   4、教学难点：

   有效扩散的假设及推导。

4. 非均相催化反应速度的表达；

5. 非均相催化反应过程。

6. 了解固体催化剂组成、结构及制备，以及催化反应过程的特征；

7. 理解非均相催化反应速率的几种表达式；

8. 掌握非均相反应的七大步骤。

9. 催化反应过程及特征；

10. 非均相催化反应速率表达；

11. 非均相催化反应过程；

12. 固体催化剂组成、结构及制备。

13. 教学内容：

14. 教学要求：

15. 教学重点：

16. 教学难点：

    催化剂的结构及表征。

    （二） 本征反应动力学

    1、教学内容：

6. （二） 宏观反应动力学

1. 西勒模数物理意义；

2. 球形催化剂上等温反应宏观反应动力学方程的假设、建立、数学求解。

3. 了解非等温条件下的宏观动力学方程；

4. 理解宏观反应动力学方程的催化剂从特殊形状到任意形状、反应从一级到任意级的假设、推理和求解；

5. 掌握宏观等温反应动力学方程的推导及结论。

6. 球形催化剂上等温反应宏观反应动力学方程；

7. 无限长圆柱型催化剂、圆形薄片催化剂、任意形状催化剂的宏观动力学方程；

8. 非等温条件下的宏观动力学方程。

9. 教学内容：

10. 教学要求：

11. 教学重点：

12. 教学难点：

    方程求解涉及二阶常微分方程的数学求解及泰勒级数近似处理。

7. （三） 催化剂表面外的传质、传热及催化剂失活

1. 流体与催化剂外表面间的传质；

2. 流体与催化剂外表面间的传热；

3. 失活现象及失活动力学；

4. 工业上处理失活问题的方法。

5. 教学内容：

6. 教学要求：

   本节学生只作为一般知识性的了解，不要求学生掌握。

   第六章气固相催化反应固定床反应器

8. （一）流体在固定床传递特性

1. 固定床催化反应器的特点及类型（绝热固定床反应器、多段绝热式反应器、列管式反应器、自热式固定床反应器）；

2. 一维拟均相理想流动模型对反应器进行设计计算，涉及等温单层绝热床和多段绝热反应器；

3. 固定床反应器模型评述，涉及一维拟均相非理想流模型、二维拟均相模型、二维非均相模型。

   2、教学要求：

   （1）了解固定床催化反应器各种类型及特点，各种固定床反应器的数学模型；

   （2）理解一维拟均相理想流动模型、一维拟均相非理想流模型、二维拟均相模型、二维非均相模型的建立方法；

   （3）掌握等温单层绝热床和多段绝热反应器的设计计算。

   3、教学重点：

   等温单层绝热床和多段绝热反应器的设计计算。

   4、教学难点：

   一维拟均相理想流动模型、一维拟均相非理想流模型、二维拟均相模型、二维非均相模型的建立。

   第七章气固相催化反应流化床反应器

   （一）流化床的基本概念

   1、教学内容：

   （1）流化床的概念；

   （2）散式流化和聚式流化及其判别；

   （3）浓相段和稀相段；

   （4）流态化的不正常现象及流化床反应器的特点。

   2、教学要求：

   （1）掌握流化床的基本概念、两种流态化、浓相段和稀相段；

   （2）了解两种流化的判别；

   （3）理解流化床反应器的特点。

   3、教学重点：

   流化床的概念体系。

   4、教学难点：

   流态化的两种不正常现象。

   （二）流化床的工艺计算

   1、教学内容：

   （1）初始流化速度和逸出速度的计算；

   （2）流化床反应器床高的确定，估算浓相段高度和稀相段高度；

   （3）流化床的热传递。

   2、教学要求：

   （1）掌握初始流化速度、逸出速度、浓相段高度、稀相段高度的计算；

   （2）了解流化床中的热量传递；

   （3）理解初始流化速度、逸出速度的内涵。

   3、教学重点：

   初始流化速度、逸出速度的概念及其计算。

   4、教学难点：

   初始流化速度、逸出速度的概念。

   （三）流化床内反应过程的计算

   1、教学内容：

   （1）床层中气泡行为；

   （2）流化床的鼓泡床模型；

   （3）反应过程的估算。

   2、教学要求：

   （1）了解流化床中气泡行为及鼓泡床模型对流化床运动形态的四点简化；

   （2）理解鼓泡床模型的推导过程；

   （3）掌握鼓泡床模型推导结论的应用。

   3、教学重点：

   鼓泡床模型推导结论的应用。

   4、教学难点：

   结合流化床四点简化进行鼓泡床模型的推导。

   第八章气液相反应过程及反应器

   （一）气液反应动力学

   1、教学内容：

   （1）气液反应步骤及过程；

   （2）气液反应过程的基础方程；

   （3）极慢反应过程、慢反应过程、中速反应过程、快反应过程、瞬时反应过程；

   （4）化学增强因子β和膜内转换系数γ。

   2、教学要求：

   （1）了解气液反应的传质步骤及传质速率方程；

   （2）理解气液反应过程的基础方程及五大反应过程的数理推导；

   （3）掌握瞬时反应过程、极慢反应过程、慢反应过程的结论及β、γ。

   3、教学重点：

   （1）气液反应过程的基础方程及五大反应过程的数学求解；

   （2）化学增强因子和膜内转换系数。

   4、教学难点：

   气液反应过程的基础方程及五大反应过程的数学求解。

   （二）气液反应器

   1、教学内容：

   （1）工业上常用的气液反应器；

   （2）填料塔式反应器的计算；

   （3）鼓泡塔式反应器的计算。

   2、教学要求：

   （1）了解工业气液反应器、鼓泡塔式反应器的计算；

   （2）理解填料塔式反应器工艺计算。

   3、教学重点：

   填料塔式反应器工艺计算。

   4、教学难点：

   填料塔式反应器工艺计算。

   四、学时分配

4. 了解流体在固定床内径向传质和传热特点；

5. 理解流体通过床层压力传递方程，即厄根方程和修正雷诺准数；

6. 掌握固定床的空隙率、体积当量直径、面积当量直径、比表面当量直径、颗粒平均直径。

7. 流体在固定床内的流动特性；

8. 固定床内的径向传递。

9. 教学内容：

10. 教学要求：

11. 教学重点：

    固定床的空隙率、体积当量直径、面积当量直径、比表面当量直径、颗粒平均直径。

12. 教学难点：

    厄根方程和修正雷诺准数。

    （二）固定床催化反应器的设计

    1、教学内容：

本课程总学时为48学时,课堂讲授48学时。

课堂讲授的学时具体分配如表2所示，实验部分归为化工综合实验II。

表2课程学时分配表

五、教学环节与教学要求

本课程的主要教学环节有：课堂讲授 (含讲课、习题讨论课、多媒体教学)、课程测验、期末考试、课程比赛、课程小论文（设计）。实验课归为化工综合实验，另有教学大纲，本大纲不予详述。

1、课堂讲授：在课堂讲授这个教学环节中, 讲课起主导作用，着重于概念的阐释、化学和物理过程的描述、数学模型的建立、结论的讨论及应用，带动其它教学环节，实现本课程的教学目的。要求学生提前预习、强化高等数学知识。

2、习题布置与讲解：习题是培养学生运用所学的理论知识, 独立解决实际问题的环节。作业量1～2题/学时，作业批改率100%。通过少而精的习题，达到强化概念的理解，提高综合分析和解决工程问题的能力。多媒体教学可以增加学生的感性知识, 可以减少或替代某些内容的讲授。

表3课程目标及其实现方法

七、课程考核评价

综合应用高等数学、物理化学、化工热力学及计算机技术等基础知识，分析和解决化工生产过程中化学反应的问题。系统掌握化学反应的理论原理，培养化工生产的工程观点、理论分析、定量运算与反应器的设计能力。具有工程设计能力、操作和调节生产过程的能力、过程开发和科学研究能力。见表4。

表4课程目标对应的考核评价

由上表4可见，本课程采用期末考试、课程作业、课程测验、课程论文、课程比赛、提问讨论多种评价方式及多个观测点对于各课程目标的达成程度进行考核。

1、提问讨论评价标准

（1）课堂提问讨论问题由上课教师提前布置或课堂临时布置。

（2）参考答案：由上课教师自行提供。

（3）评价表。

表5提问讨论评价标准

2、课程作业评价标准

（1）课程作业：详见教材（郭锴等，化学反应工程，第三版，北京：化学工业出版社，2017.08.）课后习题安排，由上课教师自行安排。

（2）参考答案：详见课程作业参考答案，由上课教师自行提供。

（3）评价表。

表6课程作业评价表

3、课程测试评价标准

（1）试卷设计：固定知识点，对应毕业要求指标点。

表7课程测试评价表

（2）参考答案：由试卷出题老师提供。

（3）课程测试评价：分数。

4、课程论文评价标准

（1）以化学反应工程内容为专题，由任课教师提前布置。

（2）评价标准见表8。

（3）评价表。

表8 课程论文评分标准

5、课程表赛评价标准

（1）以化学反应工程内容为专题，由任课教师提前布置或参加全国互联网+化学反应工程课模设计大赛。

（2）评价标准见表9。

（3）评价表。

表9课程比赛评价标准

八、教材与主要参考书

（一）教材：

郭锴等，化学反应工程，第三版，北京：化学工业出版社，2017.08.

I S B N：9787122297983

（二）主要参考书：

1、陈甘棠，化学反应工程，第三版，北京：化学工业出版社，2015.11.

2、朱炳辰，化学反应工程，第四版，北京：化学工业出版社，2012.05.

3、李绍芬，反应工程，第二版，北京：化学工业出版社，2013.03.

4、王承学，化学反应工程，第一版，北京，化学工业出版社，2015.08.

5、Octave Levenspiel, Chemical Reaction Engineering,3nd ed.,John Wiley&Sons,1999.

6、Forgler H.Elements of Chemical Reaction Engineering.4^thed. 北京：化学工业出版社，2006.

九、课程目标达成度评价

1、学生个体达成度分析

表10学生个体达成度评价表

2、课程目标总体达成度分析

表11课程目标达成度评价表

十、反思与持续改进

1、教师反思与持续改进

教师根据基于课程目标达成度评价结果和分析，从课堂教学/课堂表现/课程作业/单元测试/期末考试等方面，进行总结与改进。

2、教学环境的反思与改进

从整体教学环境方面进行分析，包括学生住宿环境/作息时间/教室安排/教室投影仪等等，进行总结反思与改进。例如：教室投影仪效果不佳，应及时更换和维修；学生上课玩手机，应加强课堂管理；学生不及格问题，应给补考及辅导等等。

执笔人：胡廷平时间：2020年1月