冶金反應(yīng)工程結(jié)課論文 化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)正是研究流動、混合、傳熱、傳質(zhì)等宏觀動力學(xué)因素對化學(xué)反應(yīng)的影響 的學(xué)科。從本質(zhì)上說，冶金工程是化學(xué)工程的一種，習(xí)慣上人們稱冶金為高溫化工。冶金反 應(yīng)工程學(xué)是應(yīng)用傳輸過程理論和冶金過程動力學(xué)等來研究冶金生產(chǎn)及其設(shè)備的合理設(shè)計(jì)、最 優(yōu)操作、最優(yōu)控制的工程理論和方法的學(xué)科，它是建立在現(xiàn)代工藝?yán)碚?、現(xiàn)代測試技術(shù)和現(xiàn) 代計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上的正在發(fā)展的新學(xué)科。和反應(yīng)器緊密結(jié)合。 傳統(tǒng)開發(fā)途徑：“實(shí)驗(yàn)室一一中間試驗(yàn)一一工業(yè)生產(chǎn)” 冶金反應(yīng)工程的特點(diǎn)是在宏觀動力學(xué)的基礎(chǔ)上更多地考慮操作條件和反應(yīng)器，主要內(nèi)容 有： ① 反應(yīng)器內(nèi)的基本現(xiàn)象； ② 反應(yīng)器的比擬放大設(shè)計(jì)； ③ 過程的最優(yōu)化； ④ 反應(yīng)器動態(tài)特性； ⑤ 冶金過程的數(shù)學(xué)、物理模擬。 中間試驗(yàn)曾被譽(yù)為工業(yè)化的搖籃。但在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用后，依據(jù)反應(yīng)工程學(xué)的原理作數(shù) 學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，可以減少中間試驗(yàn)層次實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)放大，甚至直按利用實(shí)驗(yàn)室資料設(shè)計(jì)反應(yīng)器， 這就使得研制新工藝的速度大大加快，代價(jià)顯著減少。 冶金反應(yīng)工程學(xué)在冶金過程動力學(xué)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(xué)表達(dá)式(數(shù)學(xué)模型)；根據(jù)各種假設(shè)和實(shí) 驗(yàn)條件，利用計(jì)算機(jī)解出各參變量之間的定量關(guān)系，借以確定最優(yōu)的反應(yīng)設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝操 作參數(shù)，以達(dá)到操作自動控制的目的。 由物質(zhì)轉(zhuǎn)化的綜合反應(yīng)速度式，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(xué)模型是冶金反應(yīng)工程學(xué)的關(guān)鍵性問題。早在60年代，冶金過程數(shù)學(xué)模型的研究已開始進(jìn) 行。1969年召開了第一次冶金過程數(shù)學(xué)模型國際會議。1973年召開了第一次鋼鐵冶金過程 數(shù)學(xué)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(yīng)工程學(xué)》的專著于1972 年問世，對鋼鐵冶金過程及其反應(yīng)設(shè)備進(jìn)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，對火法及濕法冶金過程動力學(xué)作 了較全面的論述。這些專門著作對冶金反應(yīng)工程學(xué)的建立發(fā)展起了促進(jìn)的作用。中國冶金學(xué) 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(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)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(xué)模型工作，取得了一些成果。 在1957年第一次歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會議確認(rèn)了化學(xué)反應(yīng)工程這個(gè)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(yīng)工程學(xué)這一名詞，同時(shí)出版了“冶金反應(yīng)工程學(xué)” 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(xué)者也出版了一些與冶金反應(yīng)工 程學(xué)相關(guān)的專著。這些促進(jìn)了反應(yīng)工程學(xué)在國內(nèi)的發(fā)展，經(jīng)過近十幾年的快速發(fā)展，目前 已經(jīng)成為冶金學(xué)科內(nèi)活躍的研究領(lǐng)域. 冶金學(xué)學(xué)科中的冶金物理化學(xué)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(yīng)過程動力學(xué)的研究方法成為了冶金學(xué)學(xué)科體系中一個(gè)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(yīng)工程學(xué)一書中，其反應(yīng)過程動力學(xué)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(xué)中的內(nèi)容，在國內(nèi)的學(xué)者出版的冶金反應(yīng)工程學(xué) 的相關(guān)專著中也在沿用該思路。 國內(nèi)著名學(xué)者對冶金反應(yīng)工程學(xué)的內(nèi)涵提出了一些看法，認(rèn)為在相關(guān)的冶金反應(yīng)工程 學(xué)的專著中，對冶金反應(yīng)工程學(xué)和冶金物理化學(xué)兩領(lǐng)域在學(xué)科內(nèi)容及研究方法上存有分歧， 或有不同程度的混淆。其中最為突出的是在冶金反應(yīng)動力學(xué)的研究方面。冶金反應(yīng)工程學(xué)學(xué) 科作為一門獨(dú)立的學(xué)科，應(yīng)該有自身獨(dú)立的體系和結(jié)構(gòu)，對冶金反應(yīng)過程動力學(xué)也須按其需 要來建立相應(yīng)獨(dú)立的研究方法.本文提出了用分段嘗試法研究冶金反應(yīng)過程動力學(xué)的新思 路，比較了與冶金物理化學(xué)中冶金反應(yīng)動力學(xué)方法和結(jié)果的差異。分段嘗試法可以作為冶金 反應(yīng)工程學(xué)中研究反應(yīng)過程動力學(xué)的方法，對該研究方法進(jìn)一步的發(fā)展進(jìn)行了討論。與冶金 物理化學(xué)中研究反應(yīng)動力學(xué)方法完全不同的分段嘗試法，既可提供求解傳輸和化學(xué)反應(yīng)過程 必要的動力學(xué)參數(shù)，又能為建立獨(dú)立的冶金反應(yīng)工程學(xué)學(xué)科體系提供必要的保障。 冶金過程涉及到極其復(fù)雜的多相反應(yīng)，高溫下的測試手段尚不甚完備，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(yīng)工程學(xué)理論對這些特殊性，難以進(jìn)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(yàn)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)對冶金反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(yīng)工程學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展 1. 化學(xué)工程學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展 化學(xué)工業(yè)除冶金外，還包括陶瓷、釀造、造紙、制堿、制酸、有機(jī)合成、石油化工等許 多工業(yè)部門。相當(dāng)長一段時(shí)間，它們被看作互不相關(guān)的部門獨(dú)立地緩慢地發(fā)展著，技術(shù)的傳 授只能靠師傅的經(jīng)驗(yàn)。后來，人們發(fā)現(xiàn)在各不相同的化工過程中，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(jìn)了化學(xué)工程學(xué)的發(fā)展，形成一門獨(dú) 立的學(xué)科。五十年代中期以前，化學(xué)工程學(xué)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(xué)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(xué)反應(yīng)的過程。1957年第一屆歐洲化學(xué)工程學(xué)討論會提 出以研究化學(xué)反應(yīng)過程為中心的化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)。所謂化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)，即將化學(xué)動力學(xué)和 傳遞工程學(xué)相結(jié)合，以化學(xué)反應(yīng)為中心的工程科學(xué)，研究對象是工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器。近三十 年來，隨著石油化學(xué)工業(yè)各種催化反應(yīng)被廣泛應(yīng)用和生產(chǎn)規(guī)模的大型化，對反應(yīng)技術(shù)和反應(yīng) 器設(shè)計(jì)的要求日益提高，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)有了迅速的發(fā)展。 2. 冶金反應(yīng)工程學(xué)的產(chǎn)生 冶金工程的科學(xué)化是從三十年代把化學(xué)熱力學(xué)引入冶金領(lǐng)域開始的，長期以來，冶金 過程熱力學(xué)的研究有了顯著的進(jìn)展并對冶金工藝進(jìn)步起了重要作用。熱力學(xué)只解決過程的方 向和限度，不描述反應(yīng)的過程?；瘜W(xué)動力學(xué)研究反應(yīng)物質(zhì)隨時(shí)間變化的過程，但它從分子角 度研究反應(yīng)的速率和機(jī)理，所以是微觀動力學(xué)。在其研究對象中，反應(yīng)速率僅受溫度、濃度 和時(shí)間的影響，和裝置的規(guī)模無關(guān)。在工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器中，由于流動、傳熱、傳質(zhì)的影響， 溫度、濃度、反應(yīng)時(shí)間的分布并不均勻，這必然影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。在存在流動、傳熱、 傳質(zhì)現(xiàn)象時(shí)研究化學(xué)反應(yīng)速率和機(jī)理，稱為宏觀動力學(xué)?；瘜W(xué)反應(yīng)工程學(xué)正是研究流動、混 合、傳熱、傳質(zhì)等宏觀動力學(xué)因素對化學(xué)反應(yīng)的影響。因此，借鑒化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的概念和 研究方法，提出了冶金反應(yīng)工程學(xué)這門學(xué)科。 3. 冶金反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展 在冶金方面由于其高溫特點(diǎn)，反應(yīng)速率大多受傳質(zhì)所控制，動力學(xué)研究和傳輸現(xiàn)象的關(guān) 系更為密切。目前，冶金反應(yīng)工程學(xué)和冶金過程動力學(xué)的研究是交叉進(jìn)行的。日本學(xué)者鞭巖 在本領(lǐng)域系統(tǒng)進(jìn)行了研究并首先發(fā)表了名為“冶金反應(yīng)工學(xué)”的專著，其他學(xué)者，如F.Oeters 也開設(shè)了相近大案課程。他們一般應(yīng)用傳輸現(xiàn)象理論和數(shù)學(xué)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(rèn)識到傳輸現(xiàn)象和反應(yīng)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(xué)和反應(yīng)工程學(xué)學(xué)術(shù)討論會，在噴射冶金、復(fù)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(yīng)工程學(xué)的內(nèi)容和任務(wù) 1. 冶金反應(yīng)工程研究內(nèi)容和化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)基本相同，包括： （1） 研究反應(yīng)器內(nèi)的基本現(xiàn)象。研究反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)動力學(xué)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(yīng)速率的影響。 （2） 研究反應(yīng)器比擬放大設(shè)計(jì)。依據(jù)宏觀動力學(xué)的規(guī)律，把實(shí)驗(yàn)裝置科學(xué)地放大到工業(yè) 規(guī)模，確定反應(yīng)器的形狀、大小和反應(yīng)物達(dá)到的轉(zhuǎn)化程度。 （3） 過程優(yōu)化。在給定的反應(yīng)器工藝和設(shè)備條件及原料和產(chǎn)品條件（統(tǒng)稱為約束條件） 下，選擇最合適大操作方法達(dá)到最好的生產(chǎn)目標(biāo)。生產(chǎn)目標(biāo)除產(chǎn)量、消耗、成本等 因素外還包括環(huán)境、安全等。為運(yùn)用最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法，把要達(dá)到的目標(biāo)用函數(shù)形式 表達(dá)，稱為目標(biāo)函數(shù)。 （4） 反應(yīng)器的動態(tài)特性。研究反應(yīng)器的穩(wěn)定性和響應(yīng)性，即當(dāng)過程受到擾動后，過程所 發(fā)生的變化以及時(shí)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(diǎn)： （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(yīng)； （3） 冶金過程涉及大原料多，因此副反應(yīng)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)品不僅有成分要求，還有結(jié)構(gòu)、夾雜等的要求； （6） 冶金爐的設(shè)計(jì)基本上靠經(jīng)驗(yàn)。 3. 根據(jù)冶金過程的特點(diǎn)，冶金反應(yīng)工程學(xué)的任務(wù)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(yīng)工程學(xué)的研究方法 對研究對象用數(shù)學(xué)語言作出定量描述，也就是建立數(shù)學(xué)模型。1）流體的流動、2）傳熱、 3）傳質(zhì)、4）化學(xué)反應(yīng)這四種現(xiàn)象，對于這些現(xiàn)象部有其基本的數(shù)學(xué)解析式可以描述。求得方 程的數(shù)值解。進(jìn)行數(shù)學(xué)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(xué)上的近似計(jì)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(xiàn)資料中查找。往往要用關(guān)聯(lián)式加以計(jì)算或在模型中作為待定參數(shù)， 通過模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配的方法，進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。高溫下的冶金反應(yīng)器難以直接觀察，常 需要用相似模型進(jìn)行研究。物理模型也是反應(yīng)工程學(xué)中常用的一種方法。 1. 建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究 （1） 反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生現(xiàn)象的數(shù)學(xué)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(xué)反應(yīng)：質(zhì)量作用定律 （2） 建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，要對整個(gè)體系或其中一部分進(jìn)行質(zhì)量、能量、動量的平衡計(jì)算，列 出衡算方程。 針對控制體，即衡算對象的空間范圍，進(jìn)行衡算。 輸入速率—輸出速率一'消耗速率=積累速率 『整個(gè)體積一宏觀衡算?？梢缘玫絽⒘恐g的關(guān)系式，實(shí)用性大。 控制體可以取：］ '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(jì)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(jìn)行研究 進(jìn)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(yīng)器難以直接觀測，常需要用相似模 型進(jìn)行研究。即，用冷模型進(jìn)行研究； （2） 過程無法用數(shù)學(xué)模型描述時(shí)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）可以用物理模型檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。 四、冶金反應(yīng)動力學(xué) 冶金物理化學(xué)中的冶金反應(yīng)動力學(xué)是冶金過程物理化學(xué)學(xué)科的一個(gè)重要組成部分。冶金 過程動力學(xué)研究分析冶金過程進(jìn)行的速度及機(jī)理，求出其中限制速度的環(huán)節(jié)，提高反應(yīng)強(qiáng)度 及縮短反應(yīng)時(shí)間的途徑。伴隨化學(xué)反應(yīng)的冶金過程，其反應(yīng)速度除受溫度、壓力和化學(xué)組 成及結(jié)構(gòu)等因素的影響外，其反應(yīng)過程還受冶金反應(yīng)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(kuò)散）的影響。 如果僅研究在不同條件下，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的途徑和反應(yīng)機(jī)理，該研究方法稱為微觀動力 學(xué)，也即通常在物理化學(xué)中的化學(xué)動力學(xué)。如同時(shí)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(xué)反應(yīng)過程的速度及機(jī)理則稱為宏觀動力學(xué)。冶金過程動力學(xué)屬于宏 觀動力學(xué)的范疇。 冶金過程動力學(xué)是考慮整個(gè)反應(yīng)的復(fù)雜過程，化學(xué)動力學(xué)相比存在下列不同點(diǎn)：反應(yīng)速 度有不同而更多的表示方法；由于冶金過程動力學(xué)涉及到多相反應(yīng)，它不研究均相內(nèi)部的反 應(yīng)速度，而更多地研究全過程的綜合反應(yīng)速度；冶金過程動力學(xué)不著重研究反應(yīng)的機(jī)理，而 著重研究整個(gè)多相反應(yīng)的過程中控制速度的環(huán)節(jié)。 冶金物理化學(xué)中冶金反應(yīng)動力學(xué)有不同的研究方法。對氣固相的反應(yīng)，常用源于化學(xué)動 力學(xué)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(yīng)動力學(xué)認(rèn)為各個(gè)反應(yīng)步驟的速 度近似地相等，進(jìn)一步發(fā)展為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理法。在有液相界面時(shí)，采用虛設(shè)的最大速度處理法。 如對液-液相反應(yīng)，可假定在界面上只有一個(gè)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(gè)元素的計(jì)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(xué)中研究氣固反應(yīng)采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理方法所得到的模型可進(jìn)一步分成： 1） 整體反應(yīng)模型： Ishida和Wen提出當(dāng)固體顆粒為孔隙率較高的多孔物質(zhì)，且化學(xué)反應(yīng)速率相對較小 時(shí)，反應(yīng)流體可擴(kuò)散到固體顆粒的中心，此時(shí)反應(yīng)在整個(gè)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(yīng)。 2） 縮核未反應(yīng)核模型： 縮核未反應(yīng)核模型是應(yīng)用最為廣泛的氣、固非催化反應(yīng)模型，其特征是反應(yīng)只在固體顆 粒內(nèi)部產(chǎn)物與未反應(yīng)固相的界面上進(jìn)行，反應(yīng)表面由表及里不斷向固體顆粒中心收縮，未反 應(yīng)核逐漸縮小.縮核模型有2種情況：一種是反應(yīng)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(xué)機(jī)理有所區(qū)別。Yagi和Kunli較早就將縮核模型應(yīng)用 到鐵氧化物的還原當(dāng)中了。 3）微粒模型假定： 固體顆粒由無數(shù)個(gè)大小均勻一致的球形微粒構(gòu)成，每個(gè)微粒按照縮合反應(yīng)模型進(jìn)行反 應(yīng)；反應(yīng)后固體顆粒的孔隙率與微粒大小均不變；就整個(gè)固體顆粒來講，反應(yīng)區(qū)在擴(kuò)散區(qū) 內(nèi)，并隨擴(kuò)散區(qū)域由顆粒外表面向中心逐漸推進(jìn)。 4）破裂芯模型假定： 固體反應(yīng)物的原始狀態(tài)是致密無孔的，在氣體反應(yīng)物的作用下逐漸破裂為易穿孔的細(xì)粒. 破裂后形成的細(xì)粒按縮核模型與反應(yīng)氣體反應(yīng).這種模型比較適用于Fe3O4被CO還原。 5）混合反應(yīng)模型： 由于大部分的氣固非催化反應(yīng)過程較為復(fù)雜，用前面的各模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果僅 在部分的區(qū)域內(nèi)能夠吻合，為了使模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果盡可能的在較寬的范圍內(nèi)吻合， 引入了混合反應(yīng)模型，即反應(yīng)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?jǐn)?shù)，而不是 整數(shù)。由于放棄了反應(yīng)模型的物理意義，不能得到反應(yīng)過程反應(yīng)速度常數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。得到 的是不同失重（還原）率的表觀活化能，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?jǐn)?shù)，但有時(shí)模型計(jì)算的曲線與試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)也不能很 好的擬合。 五、 冶金反應(yīng)工程學(xué)與傳統(tǒng)的冶金學(xué)的區(qū)別和聯(lián)系 冶金反應(yīng)工程學(xué)是用化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法來研究冶金過程及其反應(yīng)設(shè)備的合 理設(shè)計(jì)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(xué)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(xué)表達(dá)式（數(shù)學(xué)模型）； 根據(jù)各種假設(shè)和實(shí)驗(yàn)條件，利用計(jì)算機(jī)解出各參變量之間的定量關(guān)系，借以確定最優(yōu)的反應(yīng) 設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝操作參數(shù)，以達(dá)到操作自動控制的目的。冶金反應(yīng)工程學(xué)是在現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)技 術(shù)、工藝?yán)碚摵陀?jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上正在發(fā)展而尚未成熟的邊緣學(xué)科。 冶金學(xué)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(xué)科。它以研究金屬的制取、加工和改進(jìn)金屬性能的各種技術(shù)為起點(diǎn)，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(xué)是在化學(xué)的基礎(chǔ)上誕生的，冶金反應(yīng)工程學(xué)是借鑒化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的概念和研究 方法提出來的。所以說冶金反應(yīng)工程學(xué)與傳統(tǒng)的冶金學(xué)都是以化學(xué)為基礎(chǔ)的學(xué)科。 六、 冶金宏觀動力學(xué)與傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)區(qū)別和聯(lián)系 化學(xué)動力學(xué)主要是研究化學(xué)反應(yīng)的速率，研究各種外在因素對反應(yīng)速率的影響；研究物質(zhì) 的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與反應(yīng)性能的關(guān)系，探討能夠解釋這種反應(yīng)速率規(guī)律的可能機(jī)理，為最優(yōu)化 控制反應(yīng)提供理論依據(jù)。它包括以下三個(gè)層次的研究內(nèi)容：1）宏觀反應(yīng)動力學(xué)。它是以宏 觀反應(yīng)動力學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，研究從復(fù)合反應(yīng)到基元反應(yīng)的動力學(xué)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(yīng)用的研究上獲得了很大的發(fā)展；2） 基元反應(yīng)動力學(xué)。它是以大量的微觀分子反應(yīng)動力學(xué)行為為出發(fā)點(diǎn)，借助于統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方 法，研究宏觀反應(yīng)動力學(xué)行為；3）分子反應(yīng)動力學(xué)。這是近年來新發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域，它通 過分子束散射技術(shù)和遠(yuǎn)紅外化學(xué)冷光，憑借于量子力學(xué)的理論模型，研究單個(gè)分子通過碰撞 發(fā)生變化的動力學(xué)行為它的主要研究領(lǐng)域包括：分子反應(yīng)動力學(xué)、催化動力學(xué)、基元反應(yīng)動 力學(xué)、宏觀動力學(xué)、表觀動力學(xué)等。 多相反應(yīng)動力學(xué)（宏觀動力學(xué)）：研究多相體系的動力學(xué)，化學(xué)反應(yīng)在不同的界面上發(fā)生， 反應(yīng)物要從相內(nèi)部傳輸?shù)椒磻?yīng)界面，并在界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(yīng)動力學(xué)最終得到的綜合反應(yīng)速度，既考慮了化學(xué) 反應(yīng)本身的速度，又考慮了伴隨反應(yīng)發(fā)生的各種傳遞過程的速度，但不追究化學(xué)反應(yīng)本身的 微觀機(jī)理。 冶金動力學(xué)的基礎(chǔ)雖然是化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)及傳輸原理，但從另一個(gè)角度來看更多的是機(jī) 構(gòu)的假設(shè)和數(shù)學(xué)推演，以及由此而來的數(shù)學(xué)模型。研究冶金動力學(xué)的一個(gè)重要目的是利用數(shù) 學(xué)方法來描述、預(yù)測整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行的動態(tài)歷程。 冶金過程動力學(xué)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(yīng)的速度及機(jī)理、 明確控制反應(yīng)速度的環(huán)節(jié)，從而提出提高反應(yīng)強(qiáng)度、縮短反應(yīng)時(shí)間的措施。 冶金動力學(xué)也是在化學(xué)動力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 七、積分法和微分法求取化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)優(yōu)缺點(diǎn) 化學(xué)反應(yīng)工程的一個(gè)重要內(nèi)容就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定反應(yīng)動力學(xué)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(yīng)。隨若 電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)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(yīng)動力學(xué)方程 但計(jì)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(rèn)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(xiàng)式插值求微分。由于高次插值計(jì)算量大而巨不穩(wěn)定，所以常采用分段低次插值。但導(dǎo) 數(shù)不能保持連續(xù)。③樣條函數(shù)插值求微分。可以保持導(dǎo)數(shù)連續(xù)，精度較高，但計(jì)算量大，而且 需要兩個(gè)邊界條件。綜上所述，我們希望提出一個(gè)計(jì)算簡便、精度較高的微分方法。