冶金反应工程学

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1、1.定量描述流体—固体之间未反应收缩核模型的传质和化学反应过程数学模型。解：当传质为限制环节时，其质量流量可表述为：A传质到固体表面的mol通量为：NA=—DAC▽C+XA（NA+NC）（1）其中：DAC—反应气体/生成气体之间的扩散系[cm2/sec]XA—流体中反应气体A的mol分率NA—传递到固体表面的mol通量[mol/sec]NC—产物C的mol通量[mol/sec]因为NA=—（1/C）NC,则（1）式可改写为：NA=Vkm(CAb-CAs)km—传质系数[cm/sec]当化学反应为控制环节时，总反应速度可用单位面积上A的消失速度表示，此时，CA

2、S=CAb，CRS=CRb，A与B的消失计量关系为，其中，rc为颗粒半径[cm]，ρs为颗粒密度[g/cm3]4.表述活塞流反应器中恒容体系反应时、反应率随时间的变化的数学模型。解：根据活塞流反应器的反应特点：流入量=流出量+反应量+累积量对于长度dl，断面积为A的微元体，其物料衡算式如下：整理后得：------（1）------（1）其中τ是反应器的空时，表示反应器体积与进口流量之比。对恒容体系：则那么（1）式可变为：或5.表述全混流反应器在恒容反应条件下、物料浓度随时间的变化的数学模型。解：根据全混流反应器特点可知：流入量=流出量+反应量+累积量因为，由

3、的值可判断出传质和化学反应都可能是该过程的控制环节，当rp=0.1mm时，的值为0.05，传质阻力很小，反应受化学反应速度控制，则，8.用间歇反应器进行等温定容反应，其反应动力学方程为rA=kCA2[kmol/L·min]，CA0=0.005Kmol/L.，K=1.97L/kmol·min1）求转化率为0.6，0.8，0.9时所需的反应时间。2）当转化率为0.8时，日处理量为20.4kmol,每批操作的非生产时间为1.5hr,计算反应器的体积（设反应器装料系数为0.8）。1）解：首先计算反应时间，二级反应的时间与转化率的关系式如下，要达到如上转化率，可得转化

4、时间为：转化率为0.6时的转化时间为：同理，可得转化率为0.8时的转化时间为：6.77hr转化率为0.9时的转化时间为：15.23hr2）每小时的处理量为：20.4/24=0.85kmol/h，相应体积为：0.85/0.005=170L/h，每批生产总时间为：6.77+1.5=8.27hr则反应器的体积为：V=170×8.27/0.8=1757.4L9.假设不可逆等温化学反应J→2P中的物系体积随转化率线性增加，当反应体系中加入50%的惰性气体后，试计算该体系的膨胀率；并分析、比较其对反应器中的空时和停留时间的影响。解：如果物系体积随转化率为线性变化，设初始

5、体积为V0，气体膨胀ε和V体积变化可用下式表示：V=V0（1+εx）其中x为反应率，如反应率为1，则气体膨胀率ε可表示为：即，除反应物J以外，还有50%的惰性气体，初始反应混合物的体积为2m3，反应完全转化后，产物体积为2m3，因惰性气体体积不变，则总体积为3m3；εJ==50%从管式流动反应器的基础关系式中可知，气体膨胀率ε的增加将缩短反应物的停留时间。五。各种冶金反应的物理量表示式1、对于反应，请描述A、B的消耗速度、QS的生成速度（反应速度）表示式；假如该反应为均相恒容反应，请描述其速度式、物料转化率和反应程度表示式；同时用转化率和反应程表征其反应速

6、度。解：反应物A、B的消耗速度（反应速度）为：产物Q、S的生成速度（反应速度）为：对均相恒容反应，反应速度表示式为：物料转化率为：反应程度表示式为：用物料转化率Xj表示的速度为：用反应程度表示的速度为：1、900℃和1大气压(0.1MPa)下，半径为1mm的球形石墨颗粒在含10％氧的静止气体中燃烧。试计算完全燃烧所需要的时间并确定过程控制步骤。若石墨颗粒半径改为0.1mm，其他条件不变时，结果有何变化?己知该条件下，kr＝0.2m／s，D＝2×10-4m2／s，ρb＝1.88×105mol／m3。(20分)解：石墨颗粒半径为1mm时，完全燃烧所需的时间为：限

7、制环节为混合控制石墨颗粒半径为0.1mm时，完全燃烧所需的时间为：限制环节为化学反应过程2、写出数学模拟的通用方程及各项物理意义（动量、能量、质量、k-ε方程）。答：在进行数学模拟时，模拟方程的通用形式为：——控制方程的主要变量——速度矢量——控制方程的源项——扩散系数——散度符号——梯度符号3、某一级反应，速度常数为1.0min-1，欲使转化率达到90%，试按以下条件比较采用间歇反应釜与连续反应釜所需容积的大小（两者单位时间的产量相同）。（1）忽略辅助时间；（2）每批操作的辅助时间为5min；（3）每批操作的辅助时间为10min。4、应用串联全混釡式反应器

8、进行一级不可逆反应，假设各釡的容积和操作温度相同，已