冶金反应工程

冶金反应工程结课论文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的学科。从本质上说，冶金工程是化学工程的一种，习惯上人们称冶金为高温化工。冶金反应工程学是应用传输过程理论和冶金过程动力学等来研究冶金生产及其设备的合理设计、最优操作、最优控制的工程理论和方法的学科，它是建立在现代工艺理论、现代测试技术和现代计算技术基础上的正在发展的新学科。和反应器紧密结合。传统开发途径：“实验室——中间试验——工业生产”冶金反应工程的特点是在宏观动力学的基础上更多地考虑操作条件和反应器，主要内容有：①反应器内的基本现象；②反应器的比拟放大设计；③过程的最优化；④反应器动态特性；⑤冶金过程的数学、物理模拟。中间试验曾被誉为工业化的摇篮。但在计算机广泛应用后，依据反应工程学的原理作数学模拟实验，可以减少中间试验层次实现高倍数放大，甚至直按利用实验室资料设计反应器，这就使得研制新工艺的速度大大加快，代价显著减少。冶金反应工程学在冶金过程动力学和传输理论的基础上解析冶金过程的各种特性，寻求过程中各主要参变量之间的相互关系，找出其数学表达式（数学模型）；根据各种假设和实验条件，利用计算机解出各参变量之间的定量关系，借以确定最优的反应设备设计和工艺操作参数，以达到操作自动控制的目的。由物质转化的综合反应速度式，结合物料平衡、热量平衡及动量平衡建立的冶金过程数学模型是冶金反应工程学的关键性问题。早在60年代，冶金过程数学模型的研究已开始进行。1969年召开了第一次冶金过程数学模型国际会议。1973年召开了第一次钢铁冶金过程数学模型国际会议。鞭岩和森山昭合写的第一本命名为《冶金反应工程学》的专著于1972年问世，对钢铁冶金过程及其反应设备进行了较系统的分析。1971年赛凯伊（J.Szekely）和西梅利斯(N.J.Themelis)所著的《冶金过程中的速率现象》和1979年孙（H.Y.Sohn）和沃兹沃斯(M.E.Wadsworth)合写的《提取冶金过程的速率》二书，对火法及湿法冶金过程动力学作了较全面的论述。这些专门著作对冶金反应工程学的建立发展起了促进的作用。中国冶金学家叶渚沛在60年代初期就明确提出把传输现象的概念及计算机技术应用到冶金过程研究的建议。70年代后期，中国冶金工作者开展了喷射冶金、高炉炼铁、真空脱气、连铸等方面的数学模型工作，取得了一些成果。在1957年第一次欧洲化学反应工程会议确认了化学反应工程这个名称后，1971年，日本边巌和森山昭共教授首次提出了冶金反应工程学这一名词，同时出版了“冶金反应工程学”专著。之后，该专著在国内翻译和出版，之后，国内的一些学者也出版了一些与冶金反应工程学相关的专著。这些促进了反应工程学在国内的发展，经过近十几年的快速发展，目前已经成为冶金学科内活跃的研究领域.冶金学学科中的冶金物理化学经过近百年的不断地发展和完善，形成了自身的一套完整的体系和结构，其中的反应过程动力学的研究方法成为了冶金学学科体系中一个重要的理论基础。在日本边巌教授和森山昭教授的冶金反应工程学一书中，其反应过程动力学的研究方法和内容主要是来自已经成熟冶金物理化学中的内容，在国内的学者出版的冶金反应工程学的相关专著中也在沿用该思路。国内著名学者对冶金反应工程学的内涵提出了一些看法，认为在相关的冶金反应工程学的专著中，对冶金反应工程学和冶金物理化学两领域在学科内容及研究方法上存有分歧，或有不同程度的混淆。其中最为突出的是在冶金反应动力学的研究方面。冶金反应工程学学科作为一门独立的学科，应该有自身独立的体系和结构，对冶金反应过程动力学也须按其需要来建立相应独立的研究方法.本文提出了用分段尝试法研究冶金反应过程动力学的新思路，比较了与冶金物理化学中冶金反应动力学方法和结果的差异。分段尝试法可以作为冶金反应工程学中研究反应过程动力学的方法，对该研究方法进一步的发展进行了讨论。与冶金物理化学中研究反应动力学方法完全不同的分段尝试法，既可提供求解传输和化学反应过程必要的动力学参数，又能为建立独立的冶金反应工程学学科体系提供必要的保障。冶金过程涉及到极其复杂的多相反应，高温下的测试手段尚不甚完备，取得的信息难以精确稳定，以及中间产物和金属产品常伴有偏析、有害杂质、非金属夹杂以及表面及晶体缺陷等问题，使得现有的冶金反应工程学理论对这些特殊性，难以进行正确而系统的分析和研究。现阶段仍处于利用经验的传统数据对冶金反应设备进行设计，而对现有冶金过程体系及设备的最优化操作及全面的自动控制，有许多问题尚待研究解决。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：（1）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。（2）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。（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，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。（4）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：（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，还有结构、夹杂等的要求；（6）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：（1）解析冶金过程；（2）优化操作工艺；（3）过程控制。三、冶金反应工程学的研究方法对研究对象用数学语言作出定量描述，也就是建立数学模型。1)流体的流动、2)传热、3)传质、4)化学反应这四种现象，对于这些现象部有其基本的数学解析式可以描述。求得方程的数值解。进行数学模拟的最大困难往往在于确定边界条件和方程中的系数。合理的简化是经常使用的方法，这种简化不同于数学上的近似计算，而是建立在对过程的物理本质的深刻理解和高度概括的基础上的。模型虽经简化但仍能抓住过程的主要矛盾。模型中所用的系数可以测定，也可从文献资料中查找。往往要用关联式加以计算或在模型中作为待定参数，通过模型和实验数据相匹配的方法，进行参数估计。高温下的冶金反应器难以直接观察，常需要用相似模型进行研究。物理模型也是反应工程学中常用的一种方法。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。要计算出上述衡算方程，还要给出方程系数、边界条件、初始条件2．建立物理模型进行研究进行物理模型研究的原因：（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，常需要用相似模型进行研究。即，用冷模型进行研究；（2）过程无法用数学模型描述时可以用物理模型研究，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。四、冶金反应动力学冶金物理化学中的冶金反应动力学是冶金过程物理化学学科的一个重要组成部分。冶金过程动力学研究分析冶金过程进行的速度及机理，求出其中限制速度的环节，提高反应强度及缩短反应时间的途径。伴随化学反应的冶金过程，其反应速度除受温度、压力和化学组成及结构等因素的影响外，其反应过程还受冶金反应设备内的不同传输过程（物体流动、热量传递及物质扩散）的影响。如果仅研究在不同条件下，化学反应进行的途径和反应机理，该研究方法称为微观动力学，也即通常在物理化学中的化学动力学。如同时还考虑在伴有传质、传热及物质流动的传输过程情况下，研究化学反应过程的速度及机理则称为宏观动力学。冶金过程动力学属于宏观动力学的范畴。冶金过程动力学是考虑整个反应的复杂过程，化学动力学相比存在下列不同点：反应速度有不同而更多的表示方法；由于冶金过程动力学涉及到多相反应，它不研究均相内部的反应速度，而更多地研究全过程的综合反应速度；冶金过程动力学不着重研究反应的机理，而着重研究整个多相反应的过程中控制速度的环节。冶金物理化学中冶金反应动力学有不同的研究方法。对气固相的反应，常用源于化学动力学作出中间产物浓度不变的假设的稳态处理法，在冶金反应动力学认为各个反应步骤的速度近似地相等，进一步发展为准稳态处理法。在有液相界面时，采用虚设的最大速度处理法。如对液-液相反应，可假定在界面上只有一个元素的浓度等于平衡浓度，其余元素的浓度均等于溶液内部的浓度，则可以得到不同元素由金属相向熔渣和由熔渣向金属转移的最大速度.通过每个元素的计算，即可求出最慢步骤，即速度的控制性环节。在研究物理化学中研究气固反应采用准稳态处理方法所得到的模型可进一步分成：1）整体反应模型：Ishida和Wen提出当固体