冶金反应工程学教案(本科生用).doc

第一章 绪 论 本章所用学时数：2学时。 本章重点：冶金反应工程学的研究内容，研究方法。 本章难点：冶金反应工程学的研究方法。 一、冶金反应工程学的产生和发展 1．化学工程学的产生和发展 化学工业除冶金外，还包括陶瓷、酿造、造纸、制碱、制酸、有机合成、石油化工等许多工业部门。相当长一段时间，它们被看作互不相关的部门独立地缓慢地发展着，技术的传授只能靠师傅的经验。 后来，人们发现在各不相同的化工过程中，可以概括和抽象出一些共同的原理。系统研究这些过程的本质和共同规律，就促进了化学工程学的发展，形成一门独立的学科。 五十年代中期以前，化学工程学还限于物理过程作为研究对象，即研究单元操作。所谓单元操作是指具有共同的物理规律的操作过程。化学工厂可看作若干单元操作组成的系统。然而，单元操作不能解决有化学反应的过程。 1957年第一届欧洲化学工程学讨论会提出以研究化学反应过程为中心的化学反应工程学。所谓化学反应工程学，即将化学动力学和传递工程学相结合，以化学反应为中心的工程科学，研究对象是工业规模的反应器。 近三十年来，随着石油化学工业各种催化反应被广泛应用和生产规模的大型化，对反应技术和反应器设计的要求日益提高，化学反应工程学有了迅速的发展。 2．冶金反应工程学的产生 冶金工程的科学化是从三十年代把化学热力学引入冶金领域开始的，长期以来，冶金过程热力学的研究有了显著的进展并对冶金工艺进步起了重要作用。热力学只解决过程的方向和限度，不描述反应的过程。 化学动力学研究反应物质随时间变化的过程，但它从分子角度研究反应的速率和机理，所以是微观动力学。在其研究对象中，反应速率仅受温度、浓度和时间的影响，和装置的规模无关。 在工业规模反应器中，由于流动、传热、传质的影响，温度、浓度、反应时间的分布并不均匀，这必然影响化学反应的进行。在存在流动、传热、传质现象时研究化学反应速率和机理，称为宏观动力学。 化学反应工程学正是研究流动、混合、传热、传质等宏观动力学因素对化学反应的影响。因此，借鉴化学反应工程学的概念和研究方法，提出了冶金反应工程学，这门学科。 3．冶金反应工程学的发展 在冶金方面由于其高温特点，反应速率大多受传质所控制，动力学研究和传输现象的关系更为密切。目前，冶金反应工程学和冶金过程动力学的研究是交叉进行的。 日本学者鞭岩在本领域系统进行了研究并首先发表了名为“冶金反应工学”的专著，其他学者，如F.Oeters也开设了相近大案课程。他们一般应用传输现象理论和数学物理模拟技术分析冶金过程。 八十年代以来，我国有更多冶金工作者认识到传输现象和反应工程在冶金研究中的重要性，已召开了多届冶金过程动力学和反应工程学学术讨论会，在喷射冶金、复合吹炼、连铸工艺等方面，也都做了一些基础研究工作。 二、冶金反应工程学的内容和任务 1．冶金反应工程研究内容和化学反应工程学基本相同，包括： 研究反应器内的基本现象。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。 研究反应器比拟放大设计。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。 过程优化。在给定的反应器工艺和设备条件及原料和产品条件（统称为约束条件）下，选择最合适大操作方法达到最好的生产目标。生产目标除产量、消耗、成本等因素外还包括环境、安全等。为运用最优化数学方法，把要达到的目标用函数形式表达，称为目标函数。 反应器的动态特性。研究反应器的稳定性和响应性，即当过程受到扰动后，过程所发生的变化以及时间滞后情况，以找到有效的控制方法。 2．与一般的化工过程相比，冶金过程有自己的特点： 高温过程，过程监控困难； 高温过程，过程的限制环节是传质，最少涉及催化反应； 冶金过程涉及大原料多，因此副反应多； 冶金过程涉及的原料、熔渣的性质未完全测定； 冶金产品不仅有成分要求，还有结构、夹杂等的要求； 冶金炉的设计基本上靠经验。 3．根据冶金过程的特点，冶金反应工程学的任务主要有： 解析冶金过程； 优化操作工艺； 过程控制。 三、冶金反应工程学的研究方法 1．建立数学模型进行研究 （1）反应器内发生现象的数学描述： Ⅰ）流动过程：Navier—Stokes方程； Ⅱ）传热过程：Fourier定律； Ⅲ）传质过程：Fick定律; Ⅳ）化学反应：质量作用定律 （2）建立数学模型时，要对整个体系或其中一部分进行质量、能量、动量的平衡计算，列出衡算方程。 针对控制体，即衡算对象的空间范围，进行衡算。 输入速率—输出速率—消耗速率=积累速率 整个体积—宏观衡算。可以得到参量之间的关系式，实用性大。 控制体可以取： 微元体—微分衡算。可以得到体内的温度、浓度和流速分布