冶金反应工程1.pptx

冶金反应工程 彭志宏 博士、教应结果（反应速率、反应进度）是否相同？不同反应器结构不同的操作方式问题：影响冶金工业生产反应结果（反应速率、转化率）的主要因素有哪些？同一反应相同的反应条件（温度、压力）相同的反应器体积相同的反应物料组成和浓度工业上影响反应速率和转化率的主要因素：反应本身特性：反应热力学、动力学反应器的特性：质量传递、混和状态等冶金反应工程的主要内容主要内容：宏观反应动力学和反应器。宏观反应动力学：从工程应用的角度阐明反应速率与各项物理因素（温度、浓度、压力等）之间的关系。反应器：在宏观反应动力学的基础上，论述反应器的设计和操作的优化等问题。 主要研究内容研究对象：工业生产中的反应过程研究目的：工业生产中反应过程的优化优化对象：工业反应器的型式、结构、操作方式、工艺条件等目标函数：反应速率、转化率、能量消耗、设备费用、运行费用等。参考教材：《冶金反应工程学基础》，东北大学编，冶金工业出版社出版一、绪 论冶金学的发展化学热力学传输现象系统工程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反应器化学动力学冶金反应工程学 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 。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年首次提出了冶金反应工程学名称。 70年代末引入我国。 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；以获得进行工业反应器的设计和操作所必需的动力学知识。 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。 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 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、动量和质量传递。 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。?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）。工业反应器的放大与设计 问题的提出：　在造船、筑坝等很多领域上相似理论和因次分析为基础的相似放大法是非常有效的，但相似放大法在化学反应器放大方面则无能为力，因为无法使反应器同时做到扩散、流体力学、热和化学相似。目前使用的化学反应器放大法有：　(1)逐级经验放大法（主要靠经验）；　(2)数学模型法。可以提高放大倍数，缩短开发周期；　(3)半经验放大法；　采用逐级放大法费时费力，但采用数学模型放大法时，往往由于缺乏对过程的深刻认识而告失败。目前实际的反应器放大介于两者之间，既有数学模型放大法的理论分析又加入经验处理方法。可以预测，随着人们对反应过程基本规律的认识不断加深，数学模型放大法将逐步取代现有的经验和半经验方法，成为反应器放大法的主流 根据小型试验装置获得的数据和