《化学反应工程》课程教学大纲

《化学反应工程》课程教学大纲

课程名称化学反应工程英文名称ChemicalReactionEngineering课程编码180520016课程类型专业必修课程课程级别专业课程学分数3先修课程高等数学，物理化学，有机化学，无机化学，化工热力学，化工原理学时数48其中实验学时0其中实践学时0适用范围化学工程与工艺专业制定单位化学化工学院

一、教学大纲说明（一）课程的性质、地位、作用和任务

《化学反应工程》是化学工程与工艺专业的一门专业必修课。本课程以无机化工、有机化工、石油化工和煤化工生产过程中的化学加工过程为背景，按化学反应与动量、热量、质量传递的相互作用，综合分析和归纳反应过程的原理和特点，将化学反应原理与反应设备内流动、传热和传递等过程相结合，用反应动力学模型和反应器传递模型，预测反应结果和反应器的操作性能。本课程强调工程观点，提倡理论与实际的结合，对学生进行定量工程计算和化工过程设计能力的训练，提高学生分析问题与解决问题的能力。

（二）课程教学目标及其与本专业毕业要求的对应关系

序号课程教学目标毕业要求

1掌握化学反应动力学、催化反应动力学的基础知识，了解化学反应器分析、数学模型建立的原理和求解方法。毕业要求1（工程知识）1-2能针对一个系统或过程建立或运用合适的数学模型，并利用恰当的条件求解。

2能够根据反应器的设计方程及数学模型，综合运用化学反应动力学、反应器原理、传递过程原理，对反应器和工艺过程进行优化。毕业要求1（工程知识）1-3

能够将相关知识和数学模型方法用于推演、分析、判别化工专业工程的极限、优化等问题。

3能运用化学反应动力学、反应器原理，针对特定工艺要求进行操作参数的优化、对反应器进行分析、比较和设计。毕业要求1（工程知识）1-4

能够将相关知识和数学模型方法用于复杂化学工程问题解决方案的比较和综合。

4能够利用化学反应工程的原理，利用数学模型表达不同反应（气固、气液）等复杂工程问题的关键环节。毕业要求2（问题分析）2-1能应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别和判断复杂化学工程问题的关键环节。

5能应用工程科学的基本原理和反应过程的数学模型，对化学反应器操作条件、操作过程的稳定性和安全性问题进行识别和分析。毕业要求2（问题分析）2-2

能基于数学、自然科学和工程科学的基本原理和数学模型方法正确表达复杂工程问题。

（三）课程教学方法与手段

采用课堂教学为主，辅助于习题课、讨论和多媒体相结合的方法，对原理部分采用讲授为主，知识的拓展和应用采用互动式教学为主的教学方法。结合文献查阅、工程案例以及课程网站，培养学生应用反应工程方法论解决实际问题的能力，提升学生的工程实践能力。

（四）课程与其它课程的联系

本门课程的先修课程为高等数学、无机化学、有机化学、物理化学、化工热力学和化工原理。掌握高等数学的课程内容，有利于化学反应以及非理想流动反应器模型的建立、分析以及计算。掌握了化学的基本概念，将有利于指导反应动力学常数的获取、复合反应以及气固相催化反应的分析。化工热力学和化工原理课程将指导学生利用化学工程的理论和概念进行固定床、流化床和气液反应器的分析和设计。掌握化学反应工程的相关知识，为后续专业课程提供基本的理论支撑，如化学工艺学、化工设计、产品开发和毕业设计课程中涉及到的化学反应动力学获取、反应器的选型、最佳工艺条件以及产品放大条件等工程问题。

（五）教材与教学参考书

教材：郭锴，唐小恒，周绪美编，《化学反应工程（第三版）》,化学工业出版社，2017。教学参考书：1．李绍芬主编，《反应工程（第三版）》，化学工业出版社，2013。2．王安杰主编，张守臣，李翔副主编，《化学反应工程学（第二版）》，化学工业出版社，2018。3．朱炳辰主编，《化学反应工程（第五版）》，化学工业出版社，2012。4.OctaveLevenspiel，《ChemicalReactionEngineering（ThirdEdition）》，JohnWiley&SonsInc.，1999。

二、课程的教学内容、重点和难点

绪论

教学要求：

1.了解化学反应的发展历程以及研究内容。

2.掌握化学反应的不同分类。

教学内容：

化学反应工程的研究内容、任务、作用及分类。

重点：

化学反应的分类；反应器的操作方式及反应器设计的基本方程。

难点：

化学反应工程的研究内容和方法，反应器设计的基本方程。

第一章

均相单一反应动力学和理想反应器

教学要求：

1.了解均相单一反应的动力学基本原理，以及非等温条件下理想反应器的设计；

2.理解间歇反应器、平推流反应器和全混流反应器的结构、特点及作用原理；

3.掌握这三类反应器中发生均相单一反应时，反应器设计方程的计算及应用。

教学内容：

1.建立动力学方程的方法；2.化学反应器设计基础；3.等温条件下理想反应器的设计。

重点：

化学反应动力学的基本概念，反应速率方程计量关系、反应速率的浓度效应和温度效应。

难点：

等温条件下理想反应器的设计分析；动力学方程的建立；反应器设计计算。

第二章

复合反应与反应器选型

教学要求：

1.了解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；

2.掌握不同的复合反应，即可逆反应、平行反应、自催化反应以及连串反应的特点；

3.掌握不同复合反应的反应器的选型、加料方式及操作温度等操作条件的确定方法。

教学内容：

1.单一不可逆反应过程及反应器；2.自催化反应及反应器；3.可逆与平行反应特性及反应器；4.连串反应特性及反应器。

重点：

单一不可逆反应过程平推流反应器与全混流反应器的区别；理想流动反应器和不同型式反应器的组合；自催化反应特性与反应器选型。

难点：

循环反应器设计方程的数学推导；复合反应在PFR和CSTR反应器的优化设计计算。

第三章

非理想流动反应器

教学要求：

1.了解流动系统停留时间分布的意义及其数学表达式、实验测定方法；

2.理解多釜串联模型、轴向扩散模型和离析流模型的物理含义和数学模型建立的基本思路

3.掌握反应器停留时间分布的实验测定数据，确定模型参数。

教学内容：

1.返混对反应过程的影响；2.流体在反应器的停留时间分布；3.非理想流动模型

重点：

停留时间分布的定量描述、实验测定、统计特征值及理想反应器的停留时间分布。

难点：

以对比时间表示的停留时间分布函数与停留时间分布密度；宏观流体、微观流体概念的理解。

第四章

气固相催化反应本征动力学

教学要求：

1.了解固体催化剂的组成和组分选择，催化剂的制备方法。

2.理解气固相多相催化过程的特征以及反应速率的表达方法；

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；内外扩散排除的实验方法。

教学内容：

1.气固相催化过程；2.固体催化剂；3.气固相催化反应本征动力学；4.本征动力学方程的实验测定

本征动力学方程的实验测定方法。

重点：

化学吸附与脱附、表面化学反应、反应本征动力学机理的推导。

难点：

催化剂的微观结构及表征；兰格缪尔吸附模型、双曲本征动力学方程的应用。

第五章

气固相催化反应宏观动力学

教学要求：

1.了解非等温过程的气固相催化反应宏观动力学。

2.理解气固相催化等温反应的宏观动力学方程的推导。

3.掌握催化剂颗粒内气体扩散的形式以及影响因素。

教学内容：

1.催化剂颗粒内气体扩散；2.气固相催化宏观动力学；3.非等温过程的宏观动力学。

重点：

催化剂颗粒内气体扩散，区别分子扩散、克努森扩散的区别；球形催化剂上等温反应宏观反应动力学方程的假设、建立

。

难点：

有效扩散的假设及推导；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。

第六章

气固相催化反应固定床反应器

教学要求：

1.了解流体在固定床内的流动特性以及流体在固定床内的径向传递。

2.理解固定床反应器一维拟均相模型的特征。

3.掌握固定床催化反应器的特点和类型，以及单层绝热反应器的计算方法。

教学内容：

1.流体在固定床内的传递特性；2.固定床催化反应器设计。

重点：

固定床的相关参数，固定床空隙率、体积当量直径、颗粒平均直径等；等温多层和多段绝热床反应器的设计计算。

难点：

厄根方程和修正的雷洛准数；多段绝热式固定床反应器的优化。

第七章

气固相催化反应流化床反应器

教学要求：

1.熟悉流化床反应器的内径、床高的确定方法。

2.理解流化床中的气泡行为以及流化床的鼓泡床模型。

3.掌握流化床中散式流化与聚式流化的区别，以及流态化的不正常现象。

教学内容：

1.流化床的基本概念；2.流化态的不正常现象；3.

流化床的工艺计算。

重点：

流化床反应器散式流化和聚式流化，浓相段和稀相段；流态化的不正常现象，床层中的气泡行为。

难点：流化床床层压降与空塔气速之间的相互关系。

第八章

气液相反应过程与反应器

教学要求：

1.了解气液反应的步骤；

2.理解五类气液反应动力学特点以及反应区间；

3.掌握根据气液反应的快慢进行气液反应器的选型。

教学内容：

1.气液反应的步骤；2.气液反应动力学；3.气液反应器。

重点：

气液反应的步骤，五大气液反应过程的反应区域及适合的反应器类型；化学增强因子和膜内转换系数。

难点：

气液反应过程的基础方程及五大反应过程的适合反应器。

第九章

反应器的热稳定性和参数灵敏性

教学要求：

1.了解反应器的热量衡算以及反应器参数的灵敏性；

2.理解管式反应器内的热点情况。

3.掌握全混流反应器的定态及热稳定性的判断。

教学内容：

1.全混流反应器的热稳定性；2.管式反应器的热稳定性；3.反应器参数的灵敏性。

重点：

全混流反应器的热量衡算及全混流反应器的定态点。

难点：

全混流反应器稳定的定态点的依据；全混流反应器着火点和熄火点的确定。

三、学时分配教学内容其中：各教学环节学时分配

章节主要内容学时分配讲授实验讨论习题实践在线学习其它支撑课程教学目标0绪论11

1第一章均相单一反应动力学和理想反应器86

11

1、2、3第二章复合反应与反应器选型87

1

1、2、3、4第三章非理想反应器75

11

2、3、4、5第四章气固相催化反应本征动力学65

1

2、3、4、5第五章气固相催化反应宏观动力学65

1

2、3、4、5第六章气固相催化反应固定床反应器54

1

3、4、5第七章气固相催化反应流化床反应器22

4、5第八章气液相反应过程与反应器32

1

4、5第九章反应器的热稳定性和参数灵敏性22

3、4、5合计4839

36

四、课程考核（一）课程考核方式本课程为考试课程。考核成绩由平时成绩和期末成绩构成。平时成绩来源于课堂表现、课堂测试、课后作业；期末成绩由闭卷考试给出。考核内容如下表所示：考核方式考核要求考核权重（%）合计平时成绩课堂表现参与全部课程预习和课堂教学活动为100分，因事假和病假未参与课堂活动需出示假条，病假不扣分，事假一次扣5分，迟到一次扣10分，旷课一次扣20分，1/3没有参与课堂活动则不能参加考核。1040随堂测验考核课堂提问、课堂讨论、随堂小测验、期中考试等情况。15课程作业考核平时作业、文献查阅、工程案例和小论文等完成情况，要求独立完成。15期末考试闭卷考试60合计100（二）课程目标、考核内容与评价方式课程目标、考核内容与评价方式如下表所示。课程目标考核内容评价方式1.掌握化学反应动力学、催化反应动力学的基础知识，了解化学反应器分析、数学模型建立的原理和方法。支撑毕业要求1内涵观测点1-21.均相单一反应动力学和理想反应器2.复合反应与反应器选型随堂测试、课程作业、期末考试2.能够根据反应器的设计方程及数学模型，综合运用化学反应动力学、反应器原理、传递过程原理，对反应器和工艺过程进行优化。支撑毕业要求1内涵观测点1-31.均相单一反应动力学和理想反应器2.复合反应与反应器选型随堂测试、课程作业、期末考试3.

能运用化学反应动力学、反应器原理，针对特定工艺要求进行操作参数的优化、对反应器进行分析、比较和设计。支撑毕业要求1内涵观测点1-41.复合反应与反应器选型2.非理想反应器3.气固相催化反应固定床反应器随堂测试、课程作业、期末考试4.

能够利用化学反应工程的原理，利用数学模型表达不同反应（气固、气液）等复杂工程问题的关键环节。支撑毕业要求2内涵观测点2-11.非理想反应器2.气固相催化反应本征动力学3.气固相催化反应宏观动力学4.气固相催化反应固定床反应器随堂测试、课程作业、期末考试5.

能应用工程科学的基本原理和反应过程的数学模型，对化学反应器操作条件、操作过程的稳定性和安全性问题进行识别和分析。支撑毕业要求2内涵观测点2-21.复合反应与反应器选型2.气固相催化反应本征动力学3.气固相催化反应宏观动力学4.气固相催化反应固定床反应器5.气固相催化反应流化床反应器6.气液相反应过程与反应器7.反应器的热稳定性和参数灵敏性随堂测试、课程作业、期末考试

考核方式对课程教学目标的支撑关系如下表所示：课程教学目标课程目标在各考核方式中的比例课程目标占总成绩比例课堂表现随堂测验课程作业期末考核1.掌握化学反应动力学、催化反应动力学的基础知识，了解化学反应器分析、数学模型建立的原理和求解方法。25%30%15%15%18.25%2.能够根据反应器的设计方程及数学模型，综合运用化学反应动力学、反应器原理、传递过程原理，对反应器和工艺过程进行优化。20%25%15%20%20%3.能运用化学反应动力学、反应器原理，针对特定工艺要求进行操作参数的优化、对反应器进行分析、比较和设计。20%20%20%25%23%4.能够利用化学反应工程的原理，利用数学模型表达不同反应（气固、气液）等复杂工程问题的关键环节。20%15%20%20%19.25%5.能应用工程科学的基本原理和反应过程的数学模型，对化学反应器操作条件、操作过程的稳定性和安全性问题进行识别和分析。15%10%30%20%19.5%考核方式占总成绩比例10%15%15%60%100%注：在执行过程中，课程目标在各考核方式中的比例可以浮动8%。（三）过程考核评价标准1.课堂表现参与全部课程预习和课堂教学活动为100分，因事假和病假未参与课堂活动需出示假条，病假不扣分，事假一次扣5分，迟到一次扣10分，旷课一次扣20分，1/3没有参与课堂活动则不能参加考核。2.随堂测验随堂测验一般进行10-20分钟，对课堂讲授知识进行测验，重点测验学生对一些基本概念、基本理论、基本公式等理解和掌握的程度。一般自备测验用纸张，要求手写完成（或者线上作答）；随堂测验成绩由多个单次测验成绩通过数值算法确定。对于单次测验成绩的评定标准，若测验内容有标准答案，则按标准答案评定；若测验内容以论述性为主的主观题，则评定标准如下表所示：优（85-100分）良（75-84分）中（65-74分）及格（60-64分）不及格（0-59分）1.概念清晰；2.理解正确；3.答题准确；4.及时提交。在满分标准1-3条中有2项或者以上只达到较好水平；及时提交。在满分标准1-3条中有2项或者以下只达到基本合格。及时提交。在满分标准