Совет научной молодёжи Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Пр. академика Лаврентьева 5, Новосибирск, Россия, 630090

Тел.: +7 499 135-61-66, Факс: +7 383 330-80-56, E-mail: fund@catalysis.ru


1. Организационно-методический раздел

1.1 Название курса - Кинетика гетерогенных каталитических реакций, данный курс реализуется в рамках специальности "Катализ и адсорбция", относится к естественнонаучным специальным дисциплинам, вузовская компонента.

1.2 Цели и задачи курса.

Дисциплина "Кинетика гетерогенных каталитических реакций" предназначена для ознакомления студентов, обучающихся на кафедре "Катализ и адсорбция", с основами формальной кинетики гетерогенных каталитических реакций.

Кинетика каталитических реакций и теория процессов переноса являются основой математического моделирования каталитических процессов и базой для курса "Теоретические основы химической технологии".
Основной целью освоения дисциплины является повышение общеобразовательного и узкоспециального уровня знаний студентов, обучающихся на кафедре "Катализ и адсорбция".
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса, сформулированные в разделах программы.

1.3. Требования к уровню освоения содержания курса.

По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:

иметь представление о кинетике гетерогенных каталитических реакций

знать основные законы и понятия формальной кинетики каталитических реакций

уметь применить полученные знания на практике

1.4. Формы контроля

Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрен зачет.

Текущий контроль. В течение семестра выполняются самостоятельные задания, без выставления оценок в ведомость контрольной недели на факультете.


2. Содержание дисциплины

2.1. Новизна курса (научная, содержательная; сравнительный анализ с подобными курсами в России и за рубежом), его актуальность - для дисциплин специальной подготовки. Учебников по данному курсу не существует, сделать сопоставительный анализ не представляется возможности.

2.2. Тематический план курса (распределение часов):

Наименование разделов и тем
Количество часов
Лекции
Семинары
Лаборат. раб.
Самост. работа
Всего часов
1. ВВЕДЕНИЕ
4
 
 
 
 
2. ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНЫХ РЕАКЦИЙ.
8
 
 
2
 
3. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
4
 
 
2
 
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ КИНЕТИКИ
4
 
 
2
 
5. МАССО- И ТЕПЛОПЕРЕНОС В ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКЕ
4
 
 
2
 
6. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ КИНЕТИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
2
 
 
2
 
7. ПРАКТИКУМ
 
 
4
 
 
Итого по курсу
26
 
4
10
40

2.3. Содержание отдельных разделов и тем.

1. ВВЕДЕНИЕ.

Исторические этапы развития химической кинетики. Сложность механизма химической реакции. Закон действия масс как закон простой реакции. Закон действующих поверхностей. Физико-химические требования к кинетической модели. Этапы построения кинетических моделей, прямая и обратная задачи химической кинетики. Кинетическая модель как основа расчета химических реакторов. Макрокинетика и кинетика. Основные понятия и определения химической кинетики. Стехиометрическое правило Гиббса. Базис реакции.

Основные положения идеального и реального адсорбированного слоя. Виды неоднородности и их влияние на кинетические закономерности (биографическая и индуцированная неоднородность). Применение моделей решеточного газа для имитации процессов в адсорбированном слое. Факторы, воздействующие на структуру поверхности катализатора в ходе реакции.

2. ТЕОРИЯ СТАЦИОНАРНЫХ РЕАКЦИЙ.

Квазистационарность каталитической реакции. Наблюдаемые реагенты и промежуточные вещества, стехиометрические числа и маршруты реакции. Базис маршрутов, стехиометрическое правило Хориути. Скорость по маршруту. Уравнение стационарности стадий. Уравнение стационарных реакций.

Применение теории графов для стационарных реакций с линейным механизмом. Циклическая характеристика, параметр сопряжения и вес графа химической реакции. Структурированная форма стационарного кинетического уравнения для реакции с многомаршрутным линейным механизмом. Проблема Хориути-Борескова. Наблюдаемый порядок и наблюдаемая энергия активации реакций с линейным механизмом.

3. НЕСТАЦИОНАРНЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

Релаксация скорости каталитических реакций. Типы релаксаций, времена релаксации, связь времени релаксации и стационарной скорости реакции, классификация релаксаций.

Элементы качественной теории дифференциальных уравнений (применительно к химической кинетике). Устойчивость стационарных состояний. Критические явления в химической кинетике. Гистерезисы скорости, периодические и непериодические колебания скорости реакции, интерпретация этих явлений. Учет воздействия реакционной среды в кинетических моделях (примеры).

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ КИНЕТИКИ

Статические и проточные (динамические) методы, интегральные и дифференциальные реакторы. Модели идеальных реакторов - идеального смешения и идеального вытеснения. Методы исследования нестационарных процессов. Использование физических методов в кинетических исследованиях.

5. МАССО- И ТЕПЛОПЕРЕНОС В ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКЕ

Основные законы массо- и теплопереноса, теория подобия, критериальные зависимости. Области протекания процесса в единице реакционного объема - кинетическая, внутри- и внешнедиффузионная. Внутренняя диффузия. Модель массо- и теплопереноса на зерне катализатора. Влияние пористой структуры на скорость реакции. Наблюдаемая скорость реакции, критерий Тиле-Зельдовича и степень использования. Внешняя диффузия. Ламинарный и турбулентный режимы.

6. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ КИНЕТИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Первичная интерпретация кинетических измерений. Определение параметров моделей, постановка обратной кинетической задачи. Независимые и зависимые параметры, критерии и алгоритмы определения параметров, доверительные интервалы. Выбор одной из конкурирующих гипотез, планирование эксперимента.

7. ПРАКТИКУМ

1) Моделирование на ПЭВМ типовых кинетических зависимостей, стационарных и нестационарных.
2) Моделирование методом Монте-Карло физико-химических процессов на каталитической поверхности.

2.4. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы (в объеме часов, предусмотренных образовательным стандартом и рабочим учебным планом данной дисциплины) - согласно содержанию отдельных разделов и тем курса (см. пункт 2.3.), например:

  1. Записать кинетические модели реакций с известным детальным механизмом для случаев стационарного и нестационарного протекания реакции, пользуясь законом действующих поверхностей и гипотезой о квазистационарном протекании реакции.
  2. Записать стационарное кинетическое уравнение для реакции с известным детальным механизмом, пользуясь уравнением стационарности стадий.
  3. Получить стационарное кинетическое уравнение для реакции с известным детальным механизмом, пользуясь методами теории графов.
  4. Провести исследование устойчивости в малом для стационарных состояний реакции с известным детальным механизмом.

3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

3.2. Темы рефератов (курсовых работ), если это предусмотрено учебным планом при освоении дисциплины. - не предусмотрено.

3.3. Образцы вопросов для подготовки к зачету - согласно содержанию отдельных разделов и тем курса (см. пункт 2.3.)

  1. Наблюдаемый порядок реакции, наблюдаемая энергия активации - для каталитических реакций с линейным механизмом.
  2. Применение теории графов для вывода стационарного кинетического уравнения. Формула Мэзона.
  3. Исследование устойчивости нестационарных кинетических уравнений.
  4. Степень использования пористой структуры зерна катализатора. Модуль Тиле-Зельдовича.
  5. Внутренне-диффузионная область. Влияние процессов внутреннего переноса на скорость реакции.
  6. Модели идеального и реального адсорбированного слоя.
  7. Общая форма стационарного кинетического уравнения для линейных механизмов каталитических реакций.
  8. Маршруты реакции. Уравнение стационарных реакций.
  9. Кинетическая модель реакции. Требования к кинетической модели. Прямая и обратная кинетическая задача.
  10. Статические методы изучения кинетики гетерогенных каталитических реакций. Статический реактор.
  11. Режим идеального смешения. Преимущества и недостатки реактора идеального смешения.
  12. Режим идеального вытеснения. Преимущества и недостатки реактора идеального вытеснения.
  13. Скорость химической реакции. Механизм химической реакции. Закон действия масс и закон действующих поверхностей.
  14. Теория стационарных реакций. Квазистационарность.
  15. Внешне-диффузионная область. Влияние процессов переноса массы и тепла из потока на скорость каталитической реакции.

3.4. Список основной и дополнительной литературы

Литература

  1. Г.К.Боресков, Гетерогенный катализ - М., Наука, 1986.
  2. Д.А.Франк-Каменецкий, Диффузия и теплопередача в химической кинетике - М., Наука, 1987.
  3. Г.С.Яблонский, В.И.Быков, А.Н.Горбань, Кинетические модели гетерогенно-каталитических реакций - Новосибирск, Наука, 1983.
  4. О.В.Крылов, Б.Р.Шуб, Неравновесные процессы в катализе - М., Химия, 1990
  5. А.Ю. Закгейм, Введение в моделирование химико-технологических процессов - М., Химия, 1973
  6. Ю.И.Пятницкий, Н.В.Павленко, Н.И.Ильченко. Введение в нелинейную кинетику гетерогенного катализа - Киев, 1998.
  7. G..S.Yablonskii, V.I.Elokhin. Kinetic Models of Heterogeneous Catalysis - in: Perspectives in Catalysis, J.M.Thomas & K.I.Zamaraev, eds., IUPAC-Blackwell Scientific Publications, 1991, p.191-249
  8. О.В. Крылов. Гетерогенный катализ. Учебное пособие в 4-х частях. Под ред. В.Н. Пармона. - Новосибирск, НГУ, ИК СО РАН, 2002.

3.5. Для изучения дисциплин, которые предусматривают использование нормативно-правовых актов, указывать источник опубликования. Таковые отсутствуют.



Copyright © catalysis.ru 2005-2016