冶金反应工程课件

《冶金反应工程课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、冶金反应工程彭志宏博士、教授135073136091冶金学的发展冶金化学冶金反应热力学冶金反应动力学宏观反应动力学冶金反应工程学冶金系统工程化学热力学传输现象化学动力学反应器系统工程一、绪论2冶金反应工程学冶金反应工程学是以研究和解析冶金反应器和系统的操作过程为中心的新兴工程学科，即研究冶金反应工程问题的科学。应用现代化学工程学、计算流体力学、传输理论等知识，利用数学解析方法和计算技术，来定量分析和解决冶金学理论和工艺方面的问题。3冶金反应工程学发展冶金过程本质上属于化学过程。鞭岩把化学反应工程学的研究方法和手段应用于冶金领域，72年首

2、次提出了冶金反应工程学名称。70年代末引入我国。4反应工程学的内容和任务l反应器内基本现象——研究反应器内反应动力学的控制环节，以及流动、传热、传质等宏观因素的特征和它们对反应速率的影响；l反应器的比例放大设计——依据宏观动力学的规律，把实验装置科学地放大到工业规模，确定反应器的形状、大小和反应物达到的转化程度；l过程最优化——在给定的工艺和设备条件以及原料和产品条件下，确定最优的操作条件，达到最好的生产目标。为运用最优化数学方法，把要达到的目标用函数形式表达，成为目标函数。5冶金反应工程学和化学反应工程学在基本内容和方法上是一致的。但

3、冶金过程有自己的特点：l在高温下进行的冶金过程，由于高温测试手段不完备，获得信息困难且数量少；l高温下化学反应速度快，传质是控制环节的较多，基本不涉及催化；l所用原料成分复杂、种类繁多，杂质往往比有用金属高出许多倍，要考虑其它副反应；l冶金过程涉及的流体是矿浆、金属熔体（渣），对这些流体性质的了解比一般流体差；l冶金产品不仅要求化学成分，而且还对组织结构、偏析和夹杂物有要求；l冶金炉的设计基本上依靠经验。因此冶金反应工程学主要用于解析冶金过程、优化工艺操作和过程控制等6传递过程研究冶金反应器内的传递过程规律及对反应过程的影响。涉及热量、

4、动量和质量传递。7冶金宏观动力学传统化学动力学以反应体系均匀分散为条件，研究纯化学反应的微观机理、步骤和速度，称微观动力学。冶金反应工程学（实际冶金反应过程）中的动力学是考虑了伴随反应发生的各种传递过程的动力学。研究冶金反应器内的传递过程规律及宏观反应动力学，即所谓三传一反，既是冶金反应工程学的研究范畴，又是其最重要的理论基础。8过程解析冶金反应工程学的过程解析对象主要是各类冶金反应器，其解析方法通常是在三传一反研究基础上，对反应器内发生的各种现象和子过程及其相互关系进行综合分析，运用流动、混合及分布函数的概念，在一定的合理简化假定条件

5、下，通过动量、热量和物料的衡算来建立反应器操作过程数学模型，然后通过求解该数学模型，对反应器操作过程进行工程学解析，获得不同条件下的反应器操作特性及各过程参数变化规律，寻求最佳操作参数（反应器的优化操作）和确定合理的反应器尺寸和结构参数（反应器优化设计）。9比例放大根据小型试验装置获得的数据和结果来设计工业规模反应器。以相似原理为基础的比例放大，适用以物理变化过程为主的单元操作。对于以化学反应为中心的反应器的比例放大，应用相似原理方法很困难。传统的冶金反应器设计中通常采用逐级放大法。耗资耗时。反应工程学的比例放大法是将反应器内部的过程分

6、解为化学反应和各类传递等子过程，在分别研究其规律的基础上，进行合理简化，使得能用数学方程来描述各个子过程，而反应其内部发生的行为和结果，可以通过联立求解这些方程获得。10比例放大步骤：1.小型实验研究化学反应规律，建立宏观动力学方程，确定其动力学参数；2.冷模型实验研究传递过程规律，建立传递过程方程，确定各传递过程参数；3.在1和2的基础上，建立反应器操作过程数学模型，求解，预测实际反应器性能，优选其尺寸和操作条件；4.在3结果指导下，建立中间实验反应器，检验数学模型的等效性，修正模型，确定模型参数；5.根据修正后的数学模型，用计算机设

7、计生产规模的反应器。11冶金反应工程学的数学模型冶金反应工程学的核心是对冶金反应器内发生的过程进行定量的工程学解析。因此，无论是在改进和强化反应器操作中，寻找最优化操作条件，还是在新技术、新流程开发中，指导设计、解决比例放大问题，都必须对所研究的对象进行定量描述，即用数学公式来描述各类参数之间的关系，这就是数学模型。流体流动过程有Navier-Stokes方程，传热过程为Fourier定律，传质过程为Fick定律，化学反应速率为质量作用定律。这些定律都是微分方程式。12冶金反应工程学中的数学模型一般包括四部分：反应器内各主要反应的宏观动

8、力学方程宏观反应动力学方程经常使用综合反应速度式。对于均相体系可用一般的化学动力学方法描述；而对于冶金中常见的各类多相反应，要根据所选用的反应模型写出相应的综合反应速度式。在建立反应工程模型时，应该排除对实