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1、冶金反應工程結(jié)課論文 化學反應工程學正是研究流動、混合、傳熱、傳質(zhì)等宏觀動力學因素對化學反應的影響 的學科。從本質(zhì)上說，冶金工程是化學工程的一種，習慣上人們稱冶金為高溫化工。冶金反 應工程學是應用傳輸過程理論和冶金過程動力學等來研究冶金生產(chǎn)及其設(shè)備的合理設(shè)計、最 優(yōu)操作、最優(yōu)控制的工程理論和方法的學科，它是建立在現(xiàn)代工藝理論、現(xiàn)代測試技術(shù)和現(xiàn) 代計算技術(shù)基礎(chǔ)上的正在發(fā)展的新學科。和反應器緊密結(jié)合。 傳統(tǒng)開發(fā)途徑：“實驗室一一中間試驗一一工業(yè)生產(chǎn)” 冶金反應工程的特點是在宏觀動力學的基礎(chǔ)上更多地考慮操作條件和反應器，主要內(nèi)容 有： ① 反應器內(nèi)的基本現(xiàn)象； ② 反應器的比擬放大設(shè)計；

2、 ③ 過程的最優(yōu)化； ④ 反應器動態(tài)特性； ⑤ 冶金過程的數(shù)學、物理模擬。 中間試驗曾被譽為工業(yè)化的搖籃。但在計算機廣泛應用后，依據(jù)反應工程學的原理作數(shù) 學模擬實驗，可以減少中間試驗層次實現(xiàn)高倍數(shù)放大，甚至直按利用實驗室資料設(shè)計反應器， 這就使得研制新工藝的速度大大加快，代價顯著減少。 冶金反應工程學在冶金過程動力學和傳輸理論的基礎(chǔ)上解析冶金過程的各種特性，尋求 過程中各主要參變量之間的相互關(guān)系，找出其數(shù)學表達式(數(shù)學模型)；根據(jù)各種假設(shè)和實 驗條件，利用計算機解出各參變量之間的定量關(guān)系，借以確定最優(yōu)的反應設(shè)備設(shè)計和工藝操 作參數(shù)，以達到操作自動控制的目的。 由物質(zhì)轉(zhuǎn)化的綜合反應速度

3、式，結(jié)合物料平衡、熱量平衡及動量平衡建立的冶金過程數(shù) 學模型是冶金反應工程學的關(guān)鍵性問題。早在60年代，冶金過程數(shù)學模型的研究已開始進 行。1969年召開了第一次冶金過程數(shù)學模型國際會議。1973年召開了第一次鋼鐵冶金過程 數(shù)學模型國際會議。鞭巖和森山昭合寫的第一本命名為《冶金反應工程學》的專著于1972 年問世，對鋼鐵冶金過程及其反應設(shè)備進行了較系統(tǒng)的分析。1971年賽凱伊(J.Szekely)和 西梅利斯(N.J. Themelis)所著的《冶金過程中的速率現(xiàn)象》和1979年孫(H.Y.Sohn)和沃茲沃 斯(M.E. Wadsworth)合寫的《提取冶金過程的速率》二書，對火法及濕法冶金

4、過程動力學作 了較全面的論述。這些專門著作對冶金反應工程學的建立發(fā)展起了促進的作用。中國冶金學 家葉渚沛在60年代初期就明確提出把傳輸現(xiàn)象的概念及計算機技術(shù)應用到冶金過程研究的 建議。70年代后期，中國冶金工作者開展了噴射冶金、高爐煉鐵、真空脫氣、連鑄等方面 的數(shù)學模型工作，取得了一些成果。 在1957年第一次歐洲化學反應工程會議確認了化學反應工程這個名稱后，1971年，日 本邊讖和森山昭共教授首次提出了冶金反應工程學這一名詞，同時出版了“冶金反應工程學” 專著。之后，該專著在國內(nèi)翻譯和出版，之后，國內(nèi)的一些學者也出版了一些與冶金反應工 程學相關(guān)的專著。這些促進了反應工程學在國內(nèi)的發(fā)展，經(jīng)

5、過近十幾年的快速發(fā)展，目前 已經(jīng)成為冶金學科內(nèi)活躍的研究領(lǐng)域. 冶金學學科中的冶金物理化學經(jīng)過近百年的不斷地發(fā)展和完善，形成了自身的一套完整 的體系和結(jié)構(gòu)，其中的反應過程動力學的研究方法成為了冶金學學科體系中一個重要的理論 基礎(chǔ)。在日本邊讖教授和森山昭教授的冶金反應工程學一書中，其反應過程動力學的研究方 法和內(nèi)容主要是來自已經(jīng)成熟冶金物理化學中的內(nèi)容，在國內(nèi)的學者出版的冶金反應工程學 的相關(guān)專著中也在沿用該思路。 國內(nèi)著名學者對冶金反應工程學的內(nèi)涵提出了一些看法，認為在相關(guān)的冶金反應工程 學的專著中，對冶金反應工程學和冶金物理化學兩領(lǐng)域在學科內(nèi)容及研究方法上存有分歧， 或有不同程度的混淆。

6、其中最為突出的是在冶金反應動力學的研究方面。冶金反應工程學學 科作為一門獨立的學科，應該有自身獨立的體系和結(jié)構(gòu)，對冶金反應過程動力學也須按其需 要來建立相應獨立的研究方法.本文提出了用分段嘗試法研究冶金反應過程動力學的新思 路，比較了與冶金物理化學中冶金反應動力學方法和結(jié)果的差異。分段嘗試法可以作為冶金 反應工程學中研究反應過程動力學的方法，對該研究方法進一步的發(fā)展進行了討論。與冶金 物理化學中研究反應動力學方法完全不同的分段嘗試法，既可提供求解傳輸和化學反應過程 必要的動力學參數(shù)，又能為建立獨立的冶金反應工程學學科體系提供必要的保障。 冶金過程涉及到極其復雜的多相反應，高溫下的測試手段尚不

7、甚完備，取得的信息難以 精確穩(wěn)定，以及中間產(chǎn)物和金屬產(chǎn)品常伴有偏析、有害雜質(zhì)、非金屬夾雜以及表面及晶體缺 陷等問題，使得現(xiàn)有的冶金反應工程學理論對這些特殊性，難以進行正確而系統(tǒng)的分析和研 究?，F(xiàn)階段仍處于利用經(jīng)驗的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)對冶金反應設(shè)備進行設(shè)計，而對現(xiàn)有冶金過程體系及 設(shè)備的最優(yōu)化操作及全面的自動控制，有許多問題尚待研究解決。 一、冶金反應工程學的產(chǎn)生和發(fā)展 1. 化學工程學的產(chǎn)生和發(fā)展 化學工業(yè)除冶金外，還包括陶瓷、釀造、造紙、制堿、制酸、有機合成、石油化工等許 多工業(yè)部門。相當長一段時間，它們被看作互不相關(guān)的部門獨立地緩慢地發(fā)展著，技術(shù)的傳 授只能靠師傅的經(jīng)驗。后來，人們發(fā)現(xiàn)在各不相

8、同的化工過程中，可以概括和抽象出一些共 同的原理。系統(tǒng)研究這些過程的本質(zhì)和共同規(guī)律，就促進了化學工程學的發(fā)展，形成一門獨 立的學科。五十年代中期以前，化學工程學還限于物理過程作為研究對象，即研究單元操作。 所謂單元操作是指具有共同的物理規(guī)律的操作過程?；瘜W工廠可看作若干單元操作組成的系 統(tǒng)。然而，單元操作不能解決有化學反應的過程。1957年第一屆歐洲化學工程學討論會提 出以研究化學反應過程為中心的化學反應工程學。所謂化學反應工程學，即將化學動力學和 傳遞工程學相結(jié)合，以化學反應為中心的工程科學，研究對象是工業(yè)規(guī)模的反應器。近三十 年來，隨著石油化學工業(yè)各種催化反應被廣泛應用和生產(chǎn)規(guī)模的大型化，

9、對反應技術(shù)和反應 器設(shè)計的要求日益提高，化學反應工程學有了迅速的發(fā)展。 2. 冶金反應工程學的產(chǎn)生 冶金工程的科學化是從三十年代把化學熱力學引入冶金領(lǐng)域開始的，長期以來，冶金 過程熱力學的研究有了顯著的進展并對冶金工藝進步起了重要作用。熱力學只解決過程的方 向和限度，不描述反應的過程?；瘜W動力學研究反應物質(zhì)隨時間變化的過程，但它從分子角 度研究反應的速率和機理，所以是微觀動力學。在其研究對象中，反應速率僅受溫度、濃度 和時間的影響，和裝置的規(guī)模無關(guān)。在工業(yè)規(guī)模反應器中，由于流動、傳熱、傳質(zhì)的影響， 溫度、濃度、反應時間的分布并不均勻，這必然影響化學反應的進行。在存在流動、傳熱、 傳質(zhì)現(xiàn)象時

10、研究化學反應速率和機理，稱為宏觀動力學?；瘜W反應工程學正是研究流動、混 合、傳熱、傳質(zhì)等宏觀動力學因素對化學反應的影響。因此，借鑒化學反應工程學的概念和 研究方法，提出了冶金反應工程學這門學科。 3. 冶金反應工程學的發(fā)展 在冶金方面由于其高溫特點，反應速率大多受傳質(zhì)所控制，動力學研究和傳輸現(xiàn)象的關(guān) 系更為密切。目前，冶金反應工程學和冶金過程動力學的研究是交叉進行的。日本學者鞭巖 在本領(lǐng)域系統(tǒng)進行了研究并首先發(fā)表了名為“冶金反應工學”的專著，其他學者，如F.Oeters 也開設(shè)了相近大案課程。他們一般應用傳輸現(xiàn)象理論和數(shù)學物理模擬技術(shù)分析冶金過程。八 十年代以來，我國有更多冶金工作者認識到

11、傳輸現(xiàn)象和反應工程在冶金研究中的重要性，已 召開了多屆冶金過程動力學和反應工程學學術(shù)討論會，在噴射冶金、復合吹煉、連鑄工藝等 方面，也都做了一些基礎(chǔ)研究工作。 二、冶金反應工程學的內(nèi)容和任務 1. 冶金反應工程研究內(nèi)容和化學反應工程學基本相同，包括： （1） 研究反應器內(nèi)的基本現(xiàn)象。研究反應器內(nèi)反應動力學的控制環(huán)節(jié)，以及流動、傳熱、 傳質(zhì)等宏觀因素的特征和它們對反應速率的影響。 （2） 研究反應器比擬放大設(shè)計。依據(jù)宏觀動力學的規(guī)律，把實驗裝置科學地放大到工業(yè) 規(guī)模，確定反應器的形狀、大小和反應物達到的轉(zhuǎn)化程度。 （3） 過程優(yōu)化。在給定的反應器工藝和設(shè)備條件及原料和產(chǎn)品條件（統(tǒng)稱為約

12、束條件） 下，選擇最合適大操作方法達到最好的生產(chǎn)目標。生產(chǎn)目標除產(chǎn)量、消耗、成本等 因素外還包括環(huán)境、安全等。為運用最優(yōu)化數(shù)學方法，把要達到的目標用函數(shù)形式 表達，稱為目標函數(shù)。 （4） 反應器的動態(tài)特性。研究反應器的穩(wěn)定性和響應性，即當過程受到擾動后，過程所 發(fā)生的變化以及時間滯后情況，以找到有效的控制方法。 2. 與一般的化工過程相比，冶金過程有自己的特點： （1） 高溫過程，過程監(jiān)控困難； （2） 高溫過程，過程的限制環(huán)節(jié)是傳質(zhì)，最少涉及催化反應； （3） 冶金過程涉及大原料多，因此副反應多； （4） 冶金過程涉及的原料、熔渣的性質(zhì)未完全測定； （5） 冶金產(chǎn)品不僅有成分要

13、求，還有結(jié)構(gòu)、夾雜等的要求； （6） 冶金爐的設(shè)計基本上靠經(jīng)驗。 3. 根據(jù)冶金過程的特點，冶金反應工程學的任務主要有： （1） 解析冶金過程； （2） 優(yōu)化操作工藝； （3） 過程控制。 三、冶金反應工程學的研究方法 對研究對象用數(shù)學語言作出定量描述，也就是建立數(shù)學模型。1）流體的流動、2）傳熱、 3）傳質(zhì)、4）化學反應這四種現(xiàn)象，對于這些現(xiàn)象部有其基本的數(shù)學解析式可以描述。求得方 程的數(shù)值解。進行數(shù)學模擬的最大困難往往在于確定邊界條件和方程中的系數(shù)。合理的簡化 是經(jīng)常使用的方法，這種簡化不同于數(shù)學上的近似計算，而是建立在對過程的物理本質(zhì)的深 刻理解和高度概括的基礎(chǔ)上的。模型

14、雖經(jīng)簡化但仍能抓住過程的主要矛盾。模型中所用的 系數(shù)可以測定，也可從文獻資料中查找。往往要用關(guān)聯(lián)式加以計算或在模型中作為待定參數(shù)， 通過模型和實驗數(shù)據(jù)相匹配的方法，進行參數(shù)估計。高溫下的冶金反應器難以直接觀察，常 需要用相似模型進行研究。物理模型也是反應工程學中常用的一種方法。 1. 建立數(shù)學模型進行研究 （1） 反應器內(nèi)發(fā)生現(xiàn)象的數(shù)學描述： I） 流動過程：Navier—Stokes方程； II） 傳熱過程：Fourier定律； III） 傳質(zhì)過程:Fick定律； W）化學反應：質(zhì)量作用定律 （2） 建立數(shù)學模型時，要對整個體系或其中一部分進行質(zhì)量、能量、動量的平衡計算，列 出

15、衡算方程。 針對控制體，即衡算對象的空間范圍，進行衡算。 輸入速率—輸出速率一'消耗速率=積累速率 『整個體積一宏觀衡算?？梢缘玫絽⒘恐g的關(guān)系式，實用性大。 控制體可以?。海? '微元體一微分衡算?？梢缘玫襟w內(nèi)的溫度、濃度和流速分布。 要計算出上述衡算方程，還要給出方程系數(shù)、邊界條件、初始條件 2. 建立物理模型進行研究 進行物理模型研究的原因： （1） 由于高溫測試手段頗不完備，對高溫下的冶金反應器難以直接觀測，常需要用相似模 型進行研究。即，用冷模型進行研究； （2） 過程無法用數(shù)學模型描述時可以用物理模型研究，由因次分析方法給出對象的描述方 程； （3）可以用物理

16、模型檢驗數(shù)學模型。 四、冶金反應動力學 冶金物理化學中的冶金反應動力學是冶金過程物理化學學科的一個重要組成部分。冶金 過程動力學研究分析冶金過程進行的速度及機理，求出其中限制速度的環(huán)節(jié)，提高反應強度 及縮短反應時間的途徑。伴隨化學反應的冶金過程，其反應速度除受溫度、壓力和化學組 成及結(jié)構(gòu)等因素的影響外，其反應過程還受冶金反應設(shè)備內(nèi)的不同傳輸過程（物體流動、熱 量傳遞及物質(zhì)擴散）的影響。 如果僅研究在不同條件下，化學反應進行的途徑和反應機理，該研究方法稱為微觀動力 學，也即通常在物理化學中的化學動力學。如同時還考慮在伴有傳質(zhì)、傳熱及物質(zhì)流動的傳 輸過程情況下，研究化學反應過程的速度及機理則

17、稱為宏觀動力學。冶金過程動力學屬于宏 觀動力學的范疇。 冶金過程動力學是考慮整個反應的復雜過程，化學動力學相比存在下列不同點：反應速 度有不同而更多的表示方法；由于冶金過程動力學涉及到多相反應，它不研究均相內(nèi)部的反 應速度，而更多地研究全過程的綜合反應速度；冶金過程動力學不著重研究反應的機理，而 著重研究整個多相反應的過程中控制速度的環(huán)節(jié)。 冶金物理化學中冶金反應動力學有不同的研究方法。對氣固相的反應，常用源于化學動 力學作出中間產(chǎn)物濃度不變的假設(shè)的穩(wěn)態(tài)處理法，在冶金反應動力學認為各個反應步驟的速 度近似地相等，進一步發(fā)展為準穩(wěn)態(tài)處理法。在有液相界面時，采用虛設(shè)的最大速度處理法。 如對液-

18、液相反應，可假定在界面上只有一個元素的濃度等于平衡濃度，其余元素的濃度均 等于溶液內(nèi)部的濃度，則可以得到不同元素由金屬相向熔渣和由熔渣向金屬轉(zhuǎn)移的最大速度 通過每個元素的計算，即可求出最慢步驟，即速度的控制性環(huán)節(jié)。 在研究物理化學中研究氣固反應采用準穩(wěn)態(tài)處理方法所得到的模型可進一步分成： 1） 整體反應模型： Ishida和Wen提出當固體顆粒為孔隙率較高的多孔物質(zhì)，且化學反應速率相對較小 時，反應流體可擴散到固體顆粒的中心，此時反應在整個顆粒內(nèi)連續(xù)發(fā)生.于是可將多孔固 體基質(zhì)看成是均勻介質(zhì)，并用均勻速率常數(shù)描述氣固反應。 2） 縮核未反應核模型： 縮核未反應核模型是應用最為廣泛的氣

19、、固非催化反應模型，其特征是反應只在固體顆 粒內(nèi)部產(chǎn)物與未反應固相的界面上進行，反應表面由表及里不斷向固體顆粒中心收縮，未反 應核逐漸縮小.縮核模型有2種情況：一種是反應過程中顆粒大小不變，另外一種是顆粒 體積不斷縮小。這2種情況的動力學機理有所區(qū)別。Yagi和Kunli較早就將縮核模型應用 到鐵氧化物的還原當中了。 3）微粒模型假定： 固體顆粒由無數(shù)個大小均勻一致的球形微粒構(gòu)成，每個微粒按照縮合反應模型進行反 應；反應后固體顆粒的孔隙率與微粒大小均不變；就整個固體顆粒來講，反應區(qū)在擴散區(qū) 內(nèi)，并隨擴散區(qū)域由顆粒外表面向中心逐漸推進。 4）破裂芯模型假定： 固體反應物的原始狀態(tài)是致密無

20、孔的，在氣體反應物的作用下逐漸破裂為易穿孔的細粒. 破裂后形成的細粒按縮核模型與反應氣體反應.這種模型比較適用于Fe3O4被CO還原。 5）混合反應模型： 由于大部分的氣固非催化反應過程較為復雜，用前面的各模型計算的結(jié)果與試驗結(jié)果僅 在部分的區(qū)域內(nèi)能夠吻合，為了使模型計算結(jié)果與試驗結(jié)果盡可能的在較寬的范圍內(nèi)吻合， 引入了混合反應模型，即反應速率與濃度（或分壓）n次方成正比。其中混合模型的使用較 為普遍，特別是在采用失重（還原）率后，沒有對濃度量綱的限制，n往往是分數(shù)，而不是 整數(shù)。由于放棄了反應模型的物理意義，不能得到反應過程反應速度常數(shù)和擴散系數(shù)。得到 的是不同失重（還原）率的表觀活化能

21、，然后根據(jù)表觀活化能的大小來定性確定不同過程的 控制環(huán)節(jié)和過渡區(qū)。盡管n采用了分數(shù)，但有時模型計算的曲線與試驗點的數(shù)據(jù)也不能很 好的擬合。 五、 冶金反應工程學與傳統(tǒng)的冶金學的區(qū)別和聯(lián)系 冶金反應工程學是用化學反應工程學的理論和方法來研究冶金過程及其反應設(shè)備的合 理設(shè)計最優(yōu)操作和最優(yōu)控制的工程理論。它在冶金過程動力學和傳輸理論的基礎(chǔ)上解析冶金 過程的各種特性，尋求過程中各主要參變量之間的相互關(guān)系，找出其數(shù)學表達式（數(shù)學模型）； 根據(jù)各種假設(shè)和實驗條件，利用計算機解出各參變量之間的定量關(guān)系，借以確定最優(yōu)的反應 設(shè)備設(shè)計和工藝操作參數(shù)，以達到操作自動控制的目的。冶金反應工程學是在現(xiàn)代化實驗技

22、術(shù)、工藝理論和計算技術(shù)基礎(chǔ)上正在發(fā)展而尚未成熟的邊緣學科。 冶金學是研究從礦石中提取金屬或金屬化合物，用各種加工方法制成具有一定性能的金 屬材料的學科。它以研究金屬的制取、加工和改進金屬性能的各種技術(shù)為起點，發(fā)展到對金 屬的成分、組織結(jié)構(gòu)、性能和有關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。 冶金學是在化學的基礎(chǔ)上誕生的，冶金反應工程學是借鑒化學反應工程學的概念和研究 方法提出來的。所以說冶金反應工程學與傳統(tǒng)的冶金學都是以化學為基礎(chǔ)的學科。 六、 冶金宏觀動力學與傳統(tǒng)的化學反應動力學區(qū)別和聯(lián)系 化學動力學主要是研究化學反應的速率，研究各種外在因素對反應速率的影響；研究物質(zhì) 的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與反應性能的關(guān)系，探討能夠

23、解釋這種反應速率規(guī)律的可能機理，為最優(yōu)化 控制反應提供理論依據(jù)。它包括以下三個層次的研究內(nèi)容：1）宏觀反應動力學。它是以宏 觀反應動力學實驗為基礎(chǔ)的，研究從復合反應到基元反應的動力學行為，由于這方面的研究 在化工生產(chǎn)中起著十分重要的作用，所以它在理論和應用的研究上獲得了很大的發(fā)展；2） 基元反應動力學。它是以大量的微觀分子反應動力學行為為出發(fā)點，借助于統(tǒng)計力學的方 法，研究宏觀反應動力學行為；3）分子反應動力學。這是近年來新發(fā)展的一個領(lǐng)域，它通 過分子束散射技術(shù)和遠紅外化學冷光，憑借于量子力學的理論模型，研究單個分子通過碰撞 發(fā)生變化的動力學行為它的主要研究領(lǐng)域包括：分子反應動力學、催化動力學

24、、基元反應動 力學、宏觀動力學、表觀動力學等。 多相反應動力學（宏觀動力學）：研究多相體系的動力學，化學反應在不同的界面上發(fā)生， 反應物要從相內(nèi)部傳輸?shù)椒磻缑妫⒃诮缑嫣幇l(fā)生化學反應，生成物要從界面處離開。在 該體系內(nèi)，界面是很重要的參數(shù)。多相反應動力學最終得到的綜合反應速度，既考慮了化學 反應本身的速度，又考慮了伴隨反應發(fā)生的各種傳遞過程的速度，但不追究化學反應本身的 微觀機理。 冶金動力學的基礎(chǔ)雖然是化學反應動力學及傳輸原理，但從另一個角度來看更多的是機 構(gòu)的假設(shè)和數(shù)學推演，以及由此而來的數(shù)學模型。研究冶金動力學的一個重要目的是利用數(shù) 學方法來描述、預測整個反應進行的動態(tài)歷程。 冶

25、金過程動力學探討伴有物質(zhì)傳遞、能量傳遞及動量傳遞等現(xiàn)象下反應的速度及機理、 明確控制反應速度的環(huán)節(jié)，從而提出提高反應強度、縮短反應時間的措施。 冶金動力學也是在化學動力學的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 七、積分法和微分法求取化學反應動力學參數(shù)優(yōu)缺點 化學反應工程的一個重要內(nèi)容就是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)確定反應動力學方程式其方法可分為 積分法和微分法兩大類。 積分法如半衰期法、試差法、無因次曲線法，一般僅適用于較簡單的整級數(shù)反應。隨若 電子計算機的廣泛應用，利用非線性方程參數(shù)推算方法，也可以解決非整數(shù)反應動力學方程 但計算量較大。微分法包括圖解法和數(shù)值法。圖解法如切線法、等面積法、鏡面法箸一般 認為較為繁瑣，而且精度低。 數(shù)值微分法有以下幾種：①最簡單的數(shù)值微分法即用中心差分代替微分但精度較差。 ②多項式插值求微分。由于高次插值計算量大而巨不穩(wěn)定，所以常采用分段低次插值。但導 數(shù)不能保持連續(xù)。③樣條函數(shù)插值求微分?？梢员３謱?shù)連續(xù)，精度較高，但計算量大，而且 需要兩個邊界條件。綜上所述，我們希望提出一個計算簡便、精度較高的微分方法。