冶金反应工程学.
《冶金反应工程》课件
介绍提高传递过程效率的方法和技术。
化学平衡原理
化学平衡常数
研究化学反应达到平衡状态时的反应物和产物 的浓度关系。
平衡移动原理
解释温度、压力和浓度变化对化学平衡的影响 。
反应方向与限度
探讨反应自发进行的方向和限度，以及如何利用化学平衡原理进行工艺控制。
热力学原理
热力学基本概念
介绍热量、功、熵等热力学基本术语和概念。
要点二
详细描述
通过开发绿色、无污染的冶金反应技术，减少废弃物产生 和降低环境污染，实现冶金工业的可持续发展。
新材料制备的冶金反应技术
总结词
新材料在科技、经济和社会发展中具有重要 作用，通过冶金反应工程制备新材料成为研 究热点。
详细描述
研究新型的冶金反应过程和工艺，以制备高 性能、多功能的新材料，满足各种领域的需
热力学第一定律
研究系统能量守恒的规律，包括焓变、热量和熵变的 概念。
热力学第二定律
探讨系统自发变化的方向和不可逆性，以及热力学第 二定律在冶金反应工程中的应用。
03
冶金反应工程的主要技术
流态化技术
流态化技术是一种利用流体的流动特性来实现固体颗粒的悬 浮和运输的技术。在冶金反应工程中，流态化技术主要用于 实现固体颗粒与气体或液体之间的高效混合和传递，提高反 应速率和能源利用率。
未来展望
未来冶金反应工程将更加注重跨学科交叉融合、智能化和绿色化发展 ，为冶金工业的转型升级和创新发展提供更多机遇和挑战。
02
冶金反应工程的基本原理
化学反应动力学
化学反应速率
研究化学反应的快慢，包括反应速率常数、 反应级数等概念。
反应机理
探讨化学反应过程中的基元反应和反应路径 ，理解反应速率的影响因素。
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。
冶金反应工程学
冶金反应工程学班级:冶金10-A4姓名：孙征学号：120103402010冶金反应工程学的概念： (3)冶金反应工程学的研究内容： (3)冶金反应宏观动力学与传统化学动力学的区别： (3)积分法与微分法求取化学反应动力学参数的比较： (4)（辽宁科技大学材料与冶金学院，鞍山114000）摘要：主要介绍冶金反应工程学的内容与优缺点，以及与传统冶金学的联系。
关键词：工程学积分法微分法参数比较冶金反应工程学的概念：冶金反应工程学，简略地说，就是研究冶金工业中反应规律及其应用于反应器选型设计的方法。
它应用于对原有反应器的改进，新型反应器的开发研制以及各种反应器的操作条件与效果之间关系的解析，从而确定最优条件和最优设计。
冶金反应工程学的研究内容：反应工程学方法中的一方面内容是比例放大和中间试验工场问题。
所谓“比例放大”是指在小型试验装置进行试验所得数据的基础上，能以怎样的规模扩大设计工业生产装置。
一般地说，如果对象过程是以物理变化为主的话，利用相似方法就基本可以了。
然而对存在极其复杂的化学反应的冶金装置，只利用物理相似就显得卜分不足和相当困难了。
尽管如此，仍不乏人从事或尝试着冶金反应装置的比例放大方面的研究。
反应工程学方法的另方面内容是过程体系和过程设计问题。
所谓过程体系是指由多个具有独立变化能力的单个过程联合组成的完整系统过程。
过程设计研究对这类过程体系进行综合分析和过程的合理组合等问题。
冶金反应宏观动力学与传统化学动力学的区别：宏观动力学是反应工程学中最基本的内容。
关于反应速度问题，在物理化学或化学动力学中均有详细的论述，但是它们关于反应速度的研究多是限定在纯化学反应上的，对此可以称之为“微观动力学”。
在实际反应装置内所发生的反应过程中，化学反应总是有热和物质的传递相伴随的。
对反应装置内反应过程的进行速度，必须将化学反应速度与传热、传质速度一并予以考虑。
这种既考虑化学反应过程速度又考虑物理移动过程速度的反应动力学称为“宏观动力学”，此种过程的反应速度称为“综合反应速度”。
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：“实验室一一中间试验一一工业生产”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。
东北大学智慧树知到“冶金工程”《冶金反应工程学》网课测试题答案卷1
东北大学智慧树知到“冶金工程”《冶金反应工程学》网课测试题答案（图片大小可自由调整）第1卷一.综合考核(共10题)1.选择正确说法()A、冶金宏观动力学把化学反应和与其相关的物质传递及能量传递结合起来研究，给出包括反应速度和物质传递速度的体系综合速度的数学表达式，并与表征反应器内流动、混合和质量与能量传递的数学模型表达式相关联，去求解反应器的主要性能指标和反应操作的最佳条件B、冶金宏观动力学是基于液体理论和固体理论，运用气体分子运动的碰撞理论和由统计力学、量子力学得到的绝对反应速度理论，它只研究化学反应机理，预测反应速度。
不研究反应物如何达到反应区，产物怎样离开反应区，以及反应热的传递和反应区中温度分布对反应本身的影响C、3D、42.微观尺度上的混合：1)不同的微元若能均匀地溶混为一体，并达到分子尺度上的均匀，则称之为微观完全混合;2)在发生混合时，微元之间完全互不溶混，称之为微观完全不混合;3)对一种宏观完全混合状态来说，在微观上不是完全分离就是微观完全混合。
A、1)、2)B、0C、0D、03.反应动力学参数是指： 1)反应结束后的反应物浓度、2)反应结束后的反应体系温度、3)反应速度常数和反应级数、4)反应物的转化率。
A、3B、0C、0D、04.以下各式中按固体单位质量计的反应速度为：1) 2) 3) 4) 5)A、2B、6C、6D、65.图中分别为三种理想反应器的反应物浓度、转化率及反应速度曲线，其中1)图(a)为活塞流反应器的浓度、转化率、反应速度的变化图、2)图(b)为活塞流反应器的浓度、转化率、反应速度的变化图2)图(c)为活塞流反应器的浓度、转化率、反应速度的变化图。
A、2B、0C、0D、06.冶金反应工程学是为了()A、弄清冶金化学反应机理B、弄清冶金化学反应步骤C、解决化学理论问题D、解决工程实际问题7.委托合同与承揽合同的区别有哪些?正确答案：委托合同与承揽合同的区别是：\r\n(1)委托合同的目的在于受托人为委托人处理委托事务；而承揽合同的目的在于承揽人为定做人完成一定的工作。
9冶金反应工程学精讲
第19章 冶金反应工程学
20
物理量 表示 单位:
长度 L 米
质量 M 千克
时间 t 秒
温度 T ℃
因次/量纲 分析
2019/2/22
第19章 冶金反应工程学
21
2019/2/22
第19章 冶金反应工程学
22
第三节 物理模拟法（8）
2019/2/22
第19章 冶金反应工程学
23
第三节 物理模拟法（10）
第19章 冶金反应工程学
15
第三节 物理模拟法（2）
2.2重要概念: 相似 在由实物到模型模拟过程中存在着各种相似 :
①几何相似
②运动相似 ③动力相似
2019/2/22 第19章 冶金反应工程学 16
第三节 物理模拟法
①几何相似:
或形状相似,A系统的任一长度与B系统对应长度 比值都相同,该比值称为比例系数
2.5物理模拟法
用方程分析或量纲分析导出相似准数
H0
根据相似原理建立起实验台
顶吹水模型
通过实验求出相似准数之间的函数关系
不同参数下测试 Tm，求出H0 的表达式 用于 指导 生产
24
将此函数关系推广到实物，得到设备实物工作规律。
2019/2/22 第19章 冶金反应工程学
第三节 物理模拟法（11）
第19章 冶金反应工程学
9
第二节 停留时间分布法(RTD)
考察物料在反应器内的停留时间和停留时间分布 (Remain time distribution 或RTD)；
2019/2/22
第19章 冶金反应工程学
10
第二节 停留时间分布法(RTD) 2.1研究意义 冶金反应器大多处在高温状态，如转炉、电炉和 精炼炉等，对其温(传热）、速度（流动）和浓度 （传质）进行直接测量困难大，就要采用间接的 测量技术，一种替代的办法就是应用室温下的物 理模型。
冶金反应工程学
冶金反应工程学冶金反应工程学是研究冶金过程中各种反应的科学。
它涉及到金属矿石的还原、氧化、合成、分解等多种反应过程。
通过研究这些反应，可以优化冶金工艺，提高金属的提取率和产品质量。
冶金反应工程学的研究内容非常广泛。
首先，它研究金属矿石的还原反应。
金属矿石中的金属元素往往以氧化物的形式存在，需要通过还原反应将其转化为金属。
这涉及到金属矿石的热还原、气体还原、浸出还原等多种反应方式。
冶金反应工程学通过研究不同条件下的还原反应，确定最佳的还原工艺和工艺参数。
冶金反应工程学还研究金属矿石的氧化反应。
金属在高温下与氧气反应会生成氧化物。
氧化反应在冶金过程中非常重要，它不仅影响金属的提取率，还会对金属的质量产生重要影响。
冶金反应工程学通过研究氧化反应的动力学特性和影响因素，优化氧化工艺，减少氧化反应对金属的损失。
冶金反应工程学还研究金属的合成反应和分解反应。
合成反应是指通过化学反应合成金属或金属化合物。
分解反应是指将金属或金属化合物分解为其他物质。
这些反应在冶金工艺中也经常出现，冶金反应工程学通过研究这些反应的条件和机理，指导合成和分解过程的控制。
冶金反应工程学的研究方法主要包括实验研究和数值模拟。
实验研究通过设计实验装置和进行实验操作，获得反应过程中的数据和参数。
数值模拟则通过建立数学模型和计算方法，模拟和预测反应过程中的各种物理和化学现象。
实验研究和数值模拟相互结合，可以更全面地了解冶金反应过程，为优化冶金工艺和设计反应装置提供依据。
冶金反应工程学在冶金工业中具有重要的应用价值。
通过研究冶金反应过程，可以改进金属提取工艺，降低生产成本。
同时，还可以提高产品质量，增加产品附加值。
冶金反应工程学的研究成果也可以应用于环境保护和资源回收领域，实现冶金过程的可持续发展。
冶金反应工程学是研究冶金过程中各种反应的科学。
它通过研究金属矿石的还原、氧化、合成、分解等反应，优化冶金工艺，提高金属的提取率和产品质量。
冶金反应工程学具有广泛的研究内容和重要的应用价值，是冶金工业发展的重要支撑。
冶金反应工程学 课件(下)
第三节 述
流化床反应器数学模型概
一、流化床数学模型
如上所述，流化床反应器内气固两相的运动及其相互
间的传质传热过程十分复杂，是目前国内外十分活跃 的研究领域，至今尚有一些基本规律没有搞清。随着 对流化床内上述现象认识的深化，已发表了许多流化 床反应器的数学模型，主要有以下三种类型: 1、单相模型。 忽略床层内气泡的存在，把床层作为一个均匀分散相 处理。通常是分别假定床层内颗粒和气体的流动混合 状态后，来建立数学模型的。这是较简单的模型。
③大小均一的粒子： 在0.2595~0.476之间；粒 子大小不一时， 大大减小。
④在床层靠近壁面1-2个粒径处， 较大。
水力学半径的定义式为： RH
（4）床层当量直径：de
de=4RH
Se
1 床层比表面积： 即单位体积床层中粒子外 Se da 表面积。
整理后可得到
式 (10)的边界条件为:
由式(10)出发，可以解析求得逆流式移动床反应器 等温操作过程的许多信息:
(1) 床层内A的浓度(Ψ或CA)和B的转化率(ξ或XB)间的关系。 式 (10)中的两式相除得:
在ξ=1~ξ和Ψ = Ψ1~ Ψ区间积分上式得到
式 (13)可以计算，物料初始转化率为零 (ξ=l)和限定出口气 体浓度(Ψ1)情况下，床层内A成分浓度(Ψ1或CA)和B的转化 率 (ξ或XB)间的关系。
按基本物料衡算方法，列出等式并整理得
式中u0为气流的空塔流速;Dz为A成分的轴向混合扩散系数。
对于颗粒相中的B成分有
类似的方法可得到 式中MB和GB0分别为B物质的摩尔质量和物料入口处 B成分的质量通量。
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3．冶金反应工程学的发展
(1)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。 (2)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。
冶金反应工程学
第一章 前 言
本章包括内容为:
一、冶金反应工程学的产生和发展 二、冶金反应工程学的内容和任务 三、冶金反应工程学的研究方法
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
(1)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。 (2)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。 (3)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。
(3)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。 (4)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。
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)冶金过程涉及到原料多，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。
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。
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
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．冶金反应工程学的产生
(1)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。 (2)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。
(4)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。 (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 反应工程学有了迅速的发展。
(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）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 控制体可以取：
整个体积—宏观衡算。可以得到参量之间的关系式，实用性大。 微元体—微分衡算。可以得到体内的温的速率 第二节 均相反应动力学 第三节 均相反应速率方程参数的确定 第四节 流固相反应动力学 第五节 气一液相反应动力学
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。