反應(yīng)工程課程介紹

附件2：《四川大學(xué)本科課程簡(jiǎn)介》（中、英文版）格式課程號(hào)：30819030 課程名稱： 化學(xué)反應(yīng)工程總學(xué)時(shí)：48 學(xué) 分：3先修課程：高等數(shù)學(xué)，物理化學(xué)，化工原理面向?qū)ο螅夯瘜W(xué)工程與工藝，三年級(jí)考核方式：平時(shí)成績(jī)+期末考試 任課教師：梁斌，徐卡秋，段天平，唐盛偉課程簡(jiǎn)介：化學(xué)反應(yīng)工程是研究化學(xué)反應(yīng)器或包含化學(xué)反應(yīng)的化工單元設(shè)備的學(xué)科，是現(xiàn)代化學(xué)工程學(xué)科的重要學(xué)術(shù)基礎(chǔ)，核心主干課程。概括地講，反應(yīng)工程是結(jié)合反應(yīng)裝置，應(yīng)用物理學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的基本原理與定律，采用現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算方法與手段，綜合研究、分析反應(yīng)器中傳遞現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)耦合過(guò)程的基本規(guī)律，使化學(xué)反應(yīng)能較優(yōu)地實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，或精細(xì)化的一門(mén)技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科。具體來(lái)說(shuō)，反應(yīng)工程主要從工程或現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用角度研究大規(guī)?；蛭⑿突到y(tǒng)的反應(yīng)設(shè)備結(jié)構(gòu)中，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)器內(nèi)部（含催化劑）動(dòng)量、質(zhì)量、能量（熱量，電荷）傳遞現(xiàn)象之間的相互作用關(guān)系，分析反應(yīng)裝置的特性，獲得反應(yīng)器體積設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，和動(dòng)態(tài)操作控制的原理和方法。雖然化學(xué)反應(yīng)工程是1957年才正式命名，但一些思想概念早在三十年代就開(kāi)始萌芽了。在那以前，化學(xué)工程主要建立在單元操作（如流體輸送、蒸發(fā)、傳熱等）上，研究工程技術(shù)對(duì)化學(xué)反應(yīng)有何影響則涉及較少。1937年，德國(guó)Damkohler首先研究了擴(kuò)散、流動(dòng)與傳遞對(duì)化學(xué)反應(yīng)收率的影響，是化學(xué)反應(yīng)工程的先導(dǎo)，我國(guó)科學(xué)家袁謂康先生正是在Damkohler先驅(qū)基礎(chǔ)上，近年凝煉出化學(xué)工程的時(shí)間多尺度思想。50年代，由于化學(xué)工程的發(fā)展，化工廠的大型化，綜合化，自動(dòng)化與最優(yōu)化，提出了許多新的概念，例如“返混”現(xiàn)象，反應(yīng)器的穩(wěn)定性等等，特別是電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展與應(yīng)用，使大型非線性方程組的數(shù)值求解成為可能，促進(jìn)了傳遞現(xiàn)象與化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合，水到渠成，正式命名了化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)。四川大學(xué)（原成都科技大學(xué)）化學(xué)反應(yīng)工程課程，始自60年代開(kāi)設(shè)的“無(wú)機(jī)物工藝反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)”。80年代改革開(kāi)放初期，王建華先生是首批前往美國(guó)學(xué)習(xí)研究反應(yīng)工程的中國(guó)學(xué)者之一，受到加州大學(xué)戴維斯分校J.M.Smith教授指導(dǎo)。Smith教授所著"ChemicalEngineeringKinetics”在反應(yīng)工程學(xué)科正式誕生前的1956年第一版面世，到1981年第三版，是美國(guó)第一代反應(yīng)工程教材。王先生回國(guó)后，與國(guó)內(nèi)同仁一道，極大地促進(jìn)了反應(yīng)工程在中國(guó)的學(xué)術(shù)發(fā)展。反應(yīng)工程迄今只有50多年歷史，極大推動(dòng)了化學(xué)工程，和鄰近學(xué)科，如原子能技術(shù)，煤炭加工，能源動(dòng)力、石油化工，冶金工程，制藥工藝，生物技術(shù)，以及新興學(xué)科，如新材料，新能源，信息技術(shù)，環(huán)境科學(xué)，生命科學(xué)等的發(fā)展?！叭齻饕环础钡幕緦W(xué)術(shù)思想，正在前所未有的時(shí)間層次，空間廣度和深度上演繹出精彩輝煌的篇章。學(xué)生學(xué)完本課程后，能對(duì)反應(yīng)器內(nèi)三傳現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)速率之間的相互作用有深厚的理解，掌握依靠數(shù)學(xué)模型方法對(duì)反應(yīng)器分析的基本原理。能夠建立反映反應(yīng)器基本特征的數(shù)學(xué)模型。能夠?qū)Φ葴夭僮鞯睦硐敕磻?yīng)器進(jìn)行體積設(shè)計(jì)；正確認(rèn)識(shí)反應(yīng)器流動(dòng)模型，停留時(shí)間分布，和非理想反應(yīng)器的數(shù)學(xué)描述，用于預(yù)測(cè)實(shí)際反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率;掌握等溫催化劑，以及外擴(kuò)散對(duì)多相反應(yīng)過(guò)程影響的數(shù)學(xué)模型分析原理。懂得對(duì)實(shí)際非等溫理想反應(yīng)器作物料守恒和能量守恒耦合系統(tǒng)分析的計(jì)算方法。學(xué)習(xí)應(yīng)用科學(xué)計(jì)算軟件求解反應(yīng)器二維數(shù)學(xué)模型耦合偏微分方程組，給出反應(yīng)器內(nèi)的空間場(chǎng)量，如流場(chǎng)、壓力場(chǎng)，濃度場(chǎng)，和溫度場(chǎng)，為反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。對(duì)反應(yīng)器操作過(guò)程受操作參數(shù)波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象和開(kāi)停車(chē)過(guò)程的操作，掌握反應(yīng)器非線性系統(tǒng)定態(tài)多重性分析的基本方法。教學(xué)中，重基本分析方法，如反應(yīng)速率的擬穩(wěn)態(tài)假定概念，速率控制步驟概念，它們是現(xiàn)代化學(xué)工程技術(shù)中時(shí)間多尺度思想的基礎(chǔ)；重物理和化學(xué)的守恒原理，如物質(zhì)守恒，能量守恒，它們是分析反應(yīng)器空間場(chǎng)量和新型反應(yīng)裝置中空間多尺度現(xiàn)象的基礎(chǔ)。重視現(xiàn)代科學(xué)計(jì)算方法和手段對(duì)反應(yīng)工程教學(xué)和學(xué)術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用。希望能結(jié)合教師自身的科學(xué)研究，以基于研究的學(xué)習(xí)(Research-basedlearning),作為教學(xué)方法的重要方面。在上課形式上，采用PowerPoint電子課件授課，方便對(duì)新近前沿研究領(lǐng)域、成果的介紹。推薦教材或主要參考書(shū)(含教材名，主編，出版社，出版年月)：教材：《化學(xué)反應(yīng)工程》(21世紀(jì)高等院校教材)，四川大學(xué)梁斌等主編，科學(xué)出版社，2003.參考教材：Folger,H.S.,ElementsofChemicalReactionEngineering,4thEdition,PrenticeHall，UpperSaddleRiver,NJ2006&化學(xué)工業(yè)出版社，北京2006.Levenspiel,O.,ChemicalReactionEngineering,3rdEdition,JohnWiley&Sons,1999&化學(xué)工業(yè)出版社，北京2002.袁謂康，朱開(kāi)宏，化學(xué)反應(yīng)工程分析，華東理工大學(xué)出版社，上海，1995.陳甘棠，化學(xué)反應(yīng)工程，第二版，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，1990.李紹芬，反應(yīng)工程，化學(xué)工業(yè)出版社，北京，1990.王建華，化學(xué)反應(yīng)工程，成都科技大學(xué)出版社，成都，1988.Smith,J.M.,ChemicalEngineeringKinetics,3rdEdition,McGram-Hill.1981.王建華等譯，化學(xué)工業(yè)出版社&成都科技大學(xué)出版社，北京，1988.備注：專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課CourseCode:30819030CourseName:ChemicalReactionEngineeringTotalHours:48 Credit:3Textbookname:(Press,Author)Textbook:ChemicalReactionEngineering,ChemicalIndustryPress,LiangB.etal.,2003Referencebooks:Folger,H.S.,ElementsofChemicalReactionEngineering,4thEdition,PrenticeHall，UpperSaddleRiver,NJ2006Levenspiel,O.,ChemicalReactionEngineering,3rdEdition,JohnWiley&Sons,1999Smith,J.M.,ChemicalEngineeringKinetics,3rdEdition,McGram-Hill.1981.CourseDescription:Comparingwithothercoursesofchemicalengineeringtraining,thiscourseisyoung,buttheresearchfieldofthiscourseisveryactive.ThebirthofchemicalreactionengineeringwasintheinternationalconferenceatAmsterdamin1957,whichwasbasicallybecauseitwasimpossibletosolvelargenonlinearalgebraicequationsystemcomefrommathematicalmodelingforchemicalreactorsuntilthethresholdofcomputerassistanceatthattime.Theprominentcharacteristicofchemicalreactionengineeringisthecouplingoftransportphenomenaandchemicalreactionkineticswhichismodeledbypartialdifferentialequationsandsolvednumericallybyvirtueofcomputer.Thedisciplineofchemicalreactionengineeringconcernswiththeexploitationofchemicalreactionsonacommercialscale,orforthepointofcareapplicationofchemicalreactionunits.Itsgoalisthesuccessfuldesignandperformanceofchemicalreactorsorunits.Reactordesignusesknowledgeformavarietyofareas—thermodynamics,chemicalkinetics,transportphenomena,andeconomics.Chemicalreactionengineeringisthesynthesisofallthesefactorssuchthatconservationlawsareappliedtomodeltheinteractionsofthesefactorsmathematically,andthustoanalyzethesteady-statecharacteristicsanddynamicbehaviorsofchemicalreactorsorunitsinperformanceorapplication,withtheaimsofproperlydesigningtheirsizesandstructures,controllingtheirfunctionalperformanceintheoptimalandsafestmanner.Asthebackboneofchemicalengineeringtraining,studentsshouldhavegoodunderstandingforanalyzingtheinteractionsbetweenmomentum,mass,andenergytransferandthereactionkinetics,beofreasoningpowerofmathematicalmodelingforchemicalreactors.Inessence,theskillofseizingtheisothermalidealreactors,includingbatchreactor,continuouslystirredtankreactor(CSTR),andplugflowreactor(PFR)mustbecast;specialattentionsforflowingpattern,residencetimedistribution,andmodelsfornonidealreactorsshouldbegiventopredictconversionratioofreactors;mathematicalanalyzingfortheisothermalsolidcatalystsinthetypicalgeometricalformandtheeffectsofexternaldiffusiononheterogeneousreactionsshouldbespeciallytrained;modelingandsimulationforsteady-statenonisothermalideal-basedreactorsareencouragedtobeattemptedwiththeassistanceofcommercialsoftwarepackage,suchasCOMSOL,bywhichthestreamlines,fieldsofspeciesconcentrations,andtemperatureswouldbeplotted;additionally,themultiplicityofchemicalreactorscanbebrieflyintroduced,whichisthebasisforunderstandingthedisturbanceinoperation,starting-upandshuttingdownreactors.Forteaching,ourbasicpolicyisresearch-basedlearning.Weencouragescientificresearchsupportcourseteaching.Forexample,pseudosteady-stateassumptioninthestudiesoncatalyticreactionkinetics,theeffectsofexternaldiffusiononheterogeneousreactions,anddiffusionandreactionisthebasisforthetemporalmultiscaleconception,usingconservationlawstomodelandanalyzethereactorstructurecanfacilitatetheunderstandingofspatialmultiscalephenomena.Softwarepackagesfornumericalsolutionofthereactormodelequationsareappreciated.Ourcourseofchemicalreactionengineeringhadbeengivenin1960s,andwasknownas“ReactionKineticsinInorganicChemicalProcess”atthattime.Intheearlydaysof1980s,JianhuaWang,theprofessorteachingthiscourseinourdepartment,wasoneofafewChinesescholarsgoingtoUStolearnchemicalengineering.Prof.WangwenttoJoeMaukSmith’sgroup,U.C.Davis,tostudyChemicalReactionEngineering.Prof.Smith(1916—2009)wasrenownedforreactionkin