冶金反應(yīng)工程學(xué)

1、冶金反應(yīng)工程學(xué)Reaction Engineering in Metallurgy,冶金工程學(xué)院 趙俊學(xué)zhaojunxue1962@126.com15191573683,課程介紹,1、冶金學(xué)理論體系的發(fā)展2、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)與單元操作的發(fā)展3、冶金反應(yīng)工程學(xué)的研究內(nèi)容4、冶金反應(yīng)工程學(xué)和化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的差異5、冶金反應(yīng)工程學(xué)的研究方法6、本課程的教學(xué)內(nèi)容7、參考資料8、教學(xué)要求,,冶金學(xué)理論體系的發(fā)展,在化學(xué)工業(yè)的

2、發(fā)展過程中，人們最初以具體產(chǎn)品為對象，分別進(jìn)行各種產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和設(shè)備的研究。隨著化工生產(chǎn)的發(fā)展,人們逐漸認(rèn)識到,各種不同產(chǎn)品的生產(chǎn)過程是由為數(shù)不多的基本操作和各種化學(xué)反應(yīng)過程所組成的。在19世紀(jì)末英國學(xué)者G.E.戴維斯便提出了這種觀點(diǎn)。1915年美國學(xué)者A.D.利特爾首先提出單元操作這一概念,明確指出:“任何化工生產(chǎn)過程不論規(guī)模如何，皆可分解為一系列名為單元操作的過程，例如粉碎、混合、加熱、吸收、冷凝、浸取、沉降、結(jié)晶、過濾等?！?

3、923年W.H.華克爾，W.K.劉易斯和W.H.麥克亞當(dāng)斯等合著的一書出版，成為第一本全面闡述單元操作的著作。從此單元操作得到了廣泛重視，成為化學(xué)工程中的奠基學(xué)科，常稱為化工原理。,2、化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)與單元操作的發(fā)展,分類隨著化工生產(chǎn)的發(fā)展，新的單元操作不斷形成?，F(xiàn)在化工生產(chǎn)中常用的單元操作已達(dá)二十余種。單元操作按照所依據(jù)的基本原理分為：①流體動力過程。這是一類以動量傳遞為主要理論基礎(chǔ)的單元操作，有流體輸送、沉降、過濾、混合等。②傳熱過

4、程。這是一類以熱量傳遞為主要理論基礎(chǔ)的單元操作，有換熱、蒸發(fā)等。③傳質(zhì)分離過程。這是一類以質(zhì)量傳遞為主要理論基礎(chǔ)的單元操作，用于各種均相混合物的分離，有蒸餾、吸收、萃取等。④熱質(zhì)傳遞過程。這是一類由熱量傳遞和質(zhì)量傳遞兩種規(guī)律共同決定的單元操作。這種過程與傳熱過程或傳質(zhì)分離過程不同，它的速率計(jì)算更加復(fù)雜，過程的極限也不再是熱平衡和相平衡。此過程包括增濕、減濕、干燥、結(jié)晶等單元操作。⑤熱力過程。這是一類以熱力學(xué)為主要理論基礎(chǔ)的單元操作，如制

5、冷。⑥粉體工程。這是與固體顆粒加工、運(yùn)動等有關(guān)的操作，有粉碎、流態(tài)化、顆粒分級等。,5,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。如混合、過濾、沉降、流體輸送等都和流動有關(guān)。掌握流體流動的規(guī)律可以有效控制和改進(jìn)這些操作。把傳熱為主要內(nèi)容的蒸發(fā)、加熱、冷卻、冷凝等歸納到傳熱過程里，把精餾、浸出、萃取、吸收等歸納到傳質(zhì)過程里，系統(tǒng)研究這些過程的本質(zhì)及其共同規(guī)律這就促進(jìn)了化學(xué)工程學(xué)學(xué)科的發(fā)展形成一門獨(dú)立的工程科學(xué)——最早的化學(xué)反

6、應(yīng)工程學(xué)。在五十年代中期以前化學(xué)工程還限于上述那些物理過程作為研究對象，把依據(jù)物理變化而劃分的單元，稱為單元操作（unit process）?；瘜W(xué)工廠被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)進(jìn)行的過程，直到1957年第一屆歐洲化學(xué)工程學(xué)討論會，提出了以研究化學(xué)反應(yīng)過程為中心的化學(xué)反應(yīng)工程的事情又前進(jìn)了一步。自那時(shí)以來，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展非常迅速，單元操作和反應(yīng)工程成為化學(xué)工程學(xué)的兩大支柱。,6,化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)正是

7、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——中間試驗(yàn)——工業(yè)生產(chǎn)”,3、冶金反應(yīng)工程學(xué)的研究內(nèi)容,7

8、,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。,,9,10,兩者基

9、本內(nèi)容和方法上是一致的。但冶金過程有以下特點(diǎn)： 1)冶金過程在高溫下進(jìn)行，而高溫測試手段頒不完備，獲得信息困難且數(shù)量少；2)高溫下化學(xué)反應(yīng)速率快，傳質(zhì)是控制環(huán)節(jié)的較多，基本不涉及催化；3)冶金過程所用原科成分復(fù)雜種類繁多，特別在有色冶金中，雜質(zhì)比有用金屬高出許多倍，于是不能不考慮許多副反應(yīng)；4)冶金過程所涉及的流體是金屬熔體、熔渣或含有礦粉的礦漿，對這些流體性質(zhì)的了解比一般流體差；5)冶金產(chǎn)品不僅有化學(xué)成分的要求，而且還對組織紡構(gòu)

10、、偏析和夾雜物等有要求； 6)冶金爐的設(shè)計(jì)基本上依靠經(jīng)驗(yàn)。,4、冶金反應(yīng)工程學(xué)和化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的差異,由于以上特點(diǎn)，目前冶金反應(yīng)工程學(xué)主要用于解析冶金過程、優(yōu)化操作工藝和過程控制等，用于反應(yīng)器設(shè)計(jì)方面則較少。由于冶金工廠比的中間試驗(yàn)難度大，花費(fèi)代價(jià)高，應(yīng)用反應(yīng)工程方法解析冶金過程具有特別的意義。,11,12,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

11、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，

12、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。,5、冶金反應(yīng)工程學(xué)的研究方法,13,緒 論第一章 冶金工程動力學(xué)第二章 理想反應(yīng)器第三章 非理想均相反應(yīng)器第四章 填充床反應(yīng)第五章 流化床反應(yīng)器第六章 金屬和熔渣的接觸方式及精煉反應(yīng)效率第七章 彌散系統(tǒng)第八章 冶金過程的物理模擬第九章 冶金過程的計(jì)算機(jī)模擬,6、課程內(nèi)容,教 材： 《冶金反應(yīng)工程學(xué)導(dǎo)論》 曲英 劉今 冶金工業(yè)

13、出版社 1988.5； 參考書： 《冶金反應(yīng)工程學(xué)》（中譯本）[日]鞭巖 森山昭 科學(xué)出版社 1981.5。 《冶金反應(yīng)工程學(xué)基礎(chǔ)》 肖興國 謝蘊(yùn)國 冶金工業(yè)出版社 1997.4。 《冶金反應(yīng)工程學(xué)》 曲英，冶金工業(yè)出版社，1988 天津大學(xué)，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)，課件 過程工程研究所，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)，課件,14,7、參考資料,按時(shí)到課，積極參加課堂討論；認(rèn)真閱讀相關(guān)資料，每個(gè)同學(xué)都應(yīng)整體閱讀；做好本人