冶金反應工程學教案(本科生用)

1、1第一章緒論本章所用學時數(shù)：2學時。本章重點：冶金反應工程學的研究內(nèi)容，研究方法。本章難點：冶金反應工程學的研究方法。一、冶金反應工程學的產(chǎn)生和發(fā)展一、冶金反應工程學的產(chǎn)生和發(fā)展1化學工程學的產(chǎn)生和發(fā)展化學工程學的產(chǎn)生和發(fā)展（1）化學工業(yè)除冶金外，還包括陶瓷、釀造、造紙、制堿、制酸、有機合成、石油化工等許多工業(yè)部門。相當長一段時間，它們被看作互不相關的部門獨立地緩慢地發(fā)展著，技術的傳授只能靠師傅的經(jīng)驗。（2）后來，人們發(fā)現(xiàn)在各不相同的化

2、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，就促進了化學工程學的發(fā)展，形成一門獨立的學科。（3）五十年代中期以前，化學工程學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。化學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反應的過程。（4）1957年第一屆歐洲化學工程學討論會提出以研究化學反應過程為中心的化學反應工程學。所謂化學反應工程學，即將化學

3、動力學和傳遞工程學相結合，以化學反應為中心的工程科學，研究對象是工業(yè)規(guī)模的反應器。（5）近三十年來，隨著石油化學工業(yè)各種催化反應被廣泛應用和生產(chǎn)規(guī)模的大型化，對反應技術和反應器設計的要求日益提高，化學反應工程學有了迅速的發(fā)展。2冶金反應工程學的產(chǎn)生冶金反應工程學的產(chǎn)生（1）冶金工程的科學化是從三十年代把化學熱力學引入冶金領域開始的，長期以來，冶金過程熱力學的研究有了顯著的進展并對冶金工藝進步起了重要作用。熱力學只解決過程的方向和限度，不

4、描述反應的過程。（2）化學動力學研究反應物質(zhì)隨時間變化的過程，但它從分子角度研究反應的速率和機理，所以是微觀動力學。在其研究對象中，反應速率僅受溫度、濃度和時間的影響，和裝置的規(guī)模無關。3程所發(fā)生的變化以及時間滯后情況，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：與一般的化工過程相比，冶金過程有自己的特點：（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；（3）冶金過程涉及大原

5、料多，因此副反應多；（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，還有結構、夾雜等的要求；（6）冶金爐的設計基本上靠經(jīng)驗。3根據(jù)冶金過程的特點，冶金反應工程學的任務主要有：根據(jù)冶金過程的特點，冶金反應工程學的任務主要有：（1）解析冶金過程；（2）優(yōu)化操作工藝；（3）過程控制。三、冶金反應工程學的研究方法三、冶金反應工程學的研究方法1建立數(shù)學模型進行研究建立數(shù)學模型進行研究（1）反應器內(nèi)發(fā)生現(xiàn)象的數(shù)學描述：

6、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Ⅳ）化學反應：質(zhì)量作用定律（2）建立數(shù)學模型時，要對整個體系或其中一部分進行質(zhì)量、能量、動量的平衡計算，列出衡算方程。針對控制體，即衡算對象的空間范圍，進行衡算。輸入速率—輸出速率—消耗速率=積累速率整個體積—宏觀衡算?？梢缘玫絽⒘恐g的關系式，實用性大?？刂企w可以?。何⒃w—微分衡算?？梢缘玫襟w內(nèi)的溫度、濃度和流速分布。要計算出上