冶金反应工程学教案.docx

学习好资料 欢迎下载第一章 绪 论本章所用学时数： 2 学时；本章重点：冶金反应工程学的争论内容，争论方法；本章难点：冶金反应工程学的争论方法；一、冶金反应工程学的产生和进展1．化学工程学的产生和进展（1） 化学工业除冶金外，仍包括陶瓷、酿造、造纸、制碱、制酸、有机合成、石油化工等很多工业部门；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进展着，技术的传授只能靠师傅的体会；（2） 后来，人们发觉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；系统争论这些过程的本质和共同规律，就促进了化学工程学的进展，形成一门独立的学科；（3） 五十岁月中期以前， 化学工程学仍限于物理过程作为争论对象， 即争论单元操作；所谓单元操作是指具有共同的物理规律的操作过程； 化学工厂可看作如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；（4） 1957 年第一届欧洲化学工程学争论会提出以争论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，争论对象是工业规模的反应器；（5） 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快速的进展；2．冶金反应工程学的产生（1） 冶金工程的科学化是从三十岁月把化学热力学引入冶金领域开头的，长期以来，冶金过程热力学的争论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；（2） 化学动力学争论反应物质随时间变化的过程， 但它从分子角度争论反应的速率和机理，所以是微观动力学；在其争论对象中，反应速率仅受温度、浓度和时间的 影响，和装置的规模无关；学习好资料 欢迎下载（3） 在工业规模反应器中，由于流淌、传热、传质的影响，温度、浓度、反应时间的分布并不匀称，这必定影响化学反应的进行；在存在流淌、传热、传质现象时争论化学反应速率和机理，称为宏观动力学；（4） 化学反应工程学正是争论流淌、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争论方法， 提出了冶金反应工程学，这门学科；3．冶金反应工程学的进展（1） 在冶金方面由于其高温特点，反应速率大多受传质所掌握，动力学争论和传输现象的关系更为亲密；目前，冶金反应工程学和冶金过程动力学的争论是交叉进行的；（2） 日本学者鞭岩在本事域系统进行了争论并第一发表了名为“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；（3） 八十岁月以来， 我国有更多冶金工作者熟悉到传输现象和反应工程在冶金争论中的重要性，已召开了多届冶金过程动力学和反应工程学学术争论会， 在喷射冶金、复合吹炼、连铸工艺等方面，也都做了一些基础争论工作；二、冶金反应工程学的内容和任务1．冶金反应工程争论内容和化学反应工程学基本相同，包括：（1） 争论反应器内的基本现象；争论反应器内反应动力学的掌握环节，以及流淌、传热、传质等宏观因素的特点和它们对反应速率的影响；（2） 争论反应器比拟放大设计；依据宏观动力学的规律，把试验装置科学地放大到工业规模，确定反应器的外形、大小和反应物达到的转化程度；（3） 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，挑选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、成本等因素外仍包括环境、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；（4） 反应器的动态特性；争论反应器的稳固性和响应性，即当过程受到扰动后，过程所发生的变化以准时间滞后情形，以找到有效的掌握方法；学习好资料 欢迎下载2．与一般的化工过程相比，冶金过程有自己的特点：（1） 高温过程，过程监控困难；（2） 高温过程，过程的限制环节是传质，最少涉及催化反应；（3） 冶金过程涉及大原料多，因此副反应多；（4） 冶金过程涉及的原料、熔渣的性质未完全测定；（5） 冶金产品不仅有成分要求，仍有结构、夹杂等的要求；（6） 冶金炉的设计基本上靠体会；3．依据冶金过程的特点，冶金反应工程学的任务主要有：（1） 解析冶金过程；（2） 优化操作工艺；（3） 过程掌握；三、冶金反应工程学的争论方法1．建立数学模型进行争论（1）反应器内发生现象的数学描述： Ⅰ）流淌过程： 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、动量的平稳运算， 列出衡算方程；针对掌握体，即衡算对象的空间范畴，进行衡算；输入速率—输出速率—消耗速率 =积存速率整个体积—宏观衡算；可以得到参量之间的关系式，有用性大；掌握体可以取：微元体—微分衡算；可以得到体内的温度、浓度和流速分布；要运算出上述衡算方程，仍要给出方程系数、边界条件、初始条件2．建立物理模型进行争论进行物理模型争论的缘由：学习好资料 欢迎下载（1）由于高温测试手段颇不完备，对高温下的冶金反应器难以直接观测，常需要用相像模型进行争论；即，用冷模型进行争论；（2）过程无法用数学模型描述时可以用物理模型争论，由因次分析方法给出对象的描述方程；（3）可以用物理模型检验数学模型；其次章 冶金工程动力学本章所用学时： 4 学时；本章重点：均相反应速率方程参数的确定，流 -固相反应动力学；本章难点：粒径不断缩小的未反应核模型；第一节 化学反应过程的速率一、化学反应的分类1．按相分类均相反应：气相反应、液相反应；非均相反应：气 -固相、液 -固相、气 -液相、液 -液相和固 -固反应；2．按反应分类（1）单一反应： A →R（2）串联反应： A →R→SR（3）并联反应： AS（4）可逆反应： A R3．按反应条件分类（1）等温与变温反应（2）等压与变压反应（3）恒容与变容反应二、化学反应的速率1．定义：学习好资料 欢迎下载单位时间单位体积反应物消耗量产物生成量称为反应速率；对于均相反应 aA+bB→rR+qQrdnAA2．反应速率与浓度的关系恒容时：V dtr AdCA dt（1）基元反应：反应物分子通过碰撞一步成为生成物的反应基元反应的速率过程用质量作用定律描述：CCa baA+bB→rR+qQ基元反应：r A k A B（2） 非基元反应：由基元反应构成的反应，其反应机理不肯定都已争论过；aA+bB→rR+qQ其反应速率方程可由指数方程的形式给出：rA k C A C Bk、α 、β用试验测定，随试验条件而变；其中， n 称为反应级数；3．反应速率与温度的关系可以用 Arrhenius 的体会式表示： k=Ae-E/RT ；其中，活化能 E 越大，反应对温度的越敏锐；其次节 均相反应动力学均相反应可以按以下方法考虑反应条件液相反应：等温恒容均相反应气相反应等温恒容等温恒压但是，为了简化，以下争论均按等温恒容反应考虑，所使用的速率式均是针对间歇反应器：一、单一反应的速率式： A→R假如是一级反应，速率式为： r AdC AdtkCA假如，初始浓度为 CA0 ，就可积分如下：学习好资料 欢迎下载tkdt0CACA 0dCA C Akt ln〔C AC A 0〕 为其速率方程；其中， C A称为未转化率，而转化率可表示为：C A0 C AXA ；C A 0 C A 0二、串联反应的速率式： A k1 R k 2 Q假如，串联反应的两步反应都是一级反应：rdC AAdtk1C ArdCRRdtk1 CAk2 CRdCQrQdtk2 C R假设初始条件为： CR0=CQ0=0，可得浓度随时间的变化式：ktC A C A 0 eCk1Rk2 k1C A0 〔ek1te k 2t 〕CQ C A 0C A C R串联反应的重要特点是中间产物存在峰值， 峰值显现的时间和峰值浓度如下式所示：ln〔 k2 〕t maxCk1k 2 k1C k1三、并联反应的速率式：R max A0k2假如，并联反应中的两个反应都为一级反应： r AdC Adtk1 C Ak2 C A学习好资料 欢迎下载rdCRRdtk1C A假设 CR0=CQ0=0dCQrQdtk2 C A积分得：C RC AC R0C A 0ek1k1〔 k1k2k2 〕tC A0 〔1e 〔 k1k 2 〕 t 〕特点：CQ C Q0C R C R0CQ CQ 0k2k1 k2k1 k 2C A 0 〔1e 〔k1k2 〕t 〕k1四、可逆反应的速率式： A Rk2都是一级反应： r AdC Adtk1C Ak2 C R假设 CR0=0， CR=CA0 -CA，就：dC Adt〔k1k2 〕C Ak 2C A 0反应平稳时：dC A 0dt求得平稳浓度为：C Aek2k1 k2C A 0其中，平稳常数为： K k1k2求得 CA ~t 的关系式为：k1 〔11 〕t Kln[ C A0C AC Ae ]C Ae第三节 均相反应速率方程参数的确定一、确定均相反应速率方程参数的步骤：分两步：（1）在固定温度下确定反应速率与浓度的关系，求出反应级数；学习好资料 欢迎下载（2）在不同温度求出速率常反与温度的关系，求出速率常数；试验方法可以分为两类，即间歇法和连续法：（1）间歇法： 在一个固定容积的反应器中， 使事先加入的反应物在肯定温度下进行反应，测定其中一个特定成分的浓度随时间变化的情形；（ 2）连续法：用连续加料，连续出料的反应器进行试验，一般使反应器在稳固。