冶金反应工程学考试题答案

冶金反应工程学复习题答案一、填空题1 化学反应熔化凝固工业装置（反应器）原子、分子层次2 定量液体流动传热传质反应器生产效率产品质量3 实际冶金反应解决工程问题基础科学理论反应装置特性4 反应机理求反应速率常数k和反应级数n5 三传物质、热量、动量6 混合程度三传物质的浓度7 间歇反应器活塞流反应器全混流反应器非理想流动反应器8 脉冲法阶跃法分布密度分布函数9 宏观尺度上微观尺度上分子程度上分子扩散10 机理半经验黑箱11 脉冲法密度曲线阶跃法分布函数12 无有13 双膜渗透表面更新湍流传质14 流化床管式连续移动式管式连续间歇式槽型15 d b c a二、名词解释1、间歇反应器及其特点a、由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应得影响。

b、具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑反应器内的传递问题。

c、物料同时加入并同时停止反应，所有物料具有相同的反应时间。

2:、活塞流反应器的特点a、连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间变化。

b、径向速度均匀，径向也不存在浓度梯度。

c、反应物料具有相同的停留时间。

3、全混流反应器的特点反应器内物料的浓度和温度处处相等，且等于反应器流出物料的浓度和温度。

4、停留时间物料从进入反应器开始到离开反应器为止，在反应器中所经历的时间。

它与化学反应时间直接相关，是影响反应结果的重要参数。

5、固定床反应器的优缺点优点：a、装置内的气流接近活塞流，可获得较高的转化率；b、可调节气体流量，控制和改变气体反应物的停留时间；c、可调节和控制反应体系的温度分布。

缺点：a、间歇式非稳态过程，更换物料需要时间，作业率受到影响：b、床层内传热条件差，要有控温手段。

6、移动床反应器的特点及其应用范围特点：a、反应气体通过固料填充层流动，与固定床特性相似：b、固体物料在床层间缓慢了流动，原料颗粒可以连续供给，产物可以连续排出，它属于逆流逆流式连续稳态反应器c、反应效率（转化率）高，停留时间均匀、操作弹性大；即使气流速度变化大，床层密度可视为不变。

应用范围：各种矿石的烧结、球团的烧结、炼铁高炉、铜铅的古风熔炼炉炉身部分。

7、流化床反应器的特点a、在流化床层内，颗粒呈剧烈的沸腾状态，传热效率高，床层温度均匀，主要用于热效率大的反应；b、固体颗粒直径小，颗粒内部扩散阻力小，则反应效率较高适用于大规模的连续生产；c、颗粒运动接近全混流，需要采用多级反应器提高固体物料转化率。

8、两相以上复杂冶金反应装置的特点a、反应过程中气-液-固三态并存；b、各相之间化学反应、相变互相发生；c、各相之间伴随着物质、热量的相互转移或流动。

9、高温炉渣/金属液-液相反应的动力学特点a、因为反应温度高，冶金反应中传质过程为限制环节渣金反应一般可用双膜理论来描述；b、渣金反应都是有电子传递的氧化还原反应，两者都是导体，反应必须涉及电化学问题；c、实际上的渣金反应都是在高温下进行的，通常情况下，接口反应速度比通过边界层的传质速度快，因此，该类反应往往受边界层的传质速度控制。

但有些情况下也受化学反应控制。

10解释以下各反应中无因次量的物理意义（含义）1）流体/固体反应的逆流式移动床反应器：Ψ---气相无因次浓度η---反应层无因次高度ξ---无因次反应接口半径ω---无因次气模质量扩散速度常数β---无因次产物层质量扩散速度常数α---无因次化学反应速度常数φ---无因次反应性常数2）浸入式喷粉精炼反应器：x---渣中无因次浓度y---金属相中无因次浓度θ---无因次时间a---持续接触反应无因次速度常数b---上浮期间移动接触反应无因次速度常数三、论述题1、阐述冶金反应工程学的解析步骤a、综合分析装置内发生的各种现象与子过程之间的相互作用关系；b、假定（简化）建模：运用流动、混合和分布函等概念，简化条件，通过动量、热量和物料平衡建立反应装置操作过程的数学模型；c、求解：得到操作特性与各种参数间的变化规律，寻求优化设计和生产过程的最优化操作条件；d、验证：用实际生产过程的反应器验证该数学模型的正确性和适应性。

2、试述反应器中三传过程的各种物理量的衡算通式动量输入速度—输出速度=积累速度质量流入速度—流出速度—反应消耗速度=积累速度热量热流入速度—热流出速度+反应放热速度—系统外交换速度=热积累速度3、试描述求解反应器的最佳性能指针和操作条件是必须考虑的内容a、反应机理----原料（反应物）如何到达反应区，产物如何离开反应区b、反映接口状况（g/s、g/l、g/g、l/s、l/l、s/s）与物质结构影响c、求反应活化能E(温度、浓度变化)d、求出表征反应器内化学反应+流动+混合+质量能量传递的反应速度表达式e、求解反应器的最佳性能指针和操作条件4、试写出化学反应速度式的确定步骤a、弄清化学反映本镇的规律（热力学、动力学）；b、弄清试验体系内物质的“三传”规律；c、用捂着、热量、动量平衡关系联立求解a、b间的相互联系。

5、简述流体-固体反应得特点反应物和生成物在s/l接口之间传递（传质）、在相接口发生反应、反应过程中s相结构、相接口的几何形状改变、反应过程中产生热效应相等。

反应规律大致相同6、试描述反应器类型的选择原则（从理想反应器特性与化学反应机理上考虑）为获得较高的反应率，根据理想反应器特性必须遵循：a、当反应物浓度很低时，选择全混流反应器b、对于单一反应，反应级数较高，需采用间歇或活塞流反应器c、对于复杂反应，反应级数较低，则采用全混流反应器7、试叙述活塞流反应器的空时与停留时间的关系如果化学反应体系为恒容反应，则其空时与停留时间相等。

如果化学反应体系为膨胀反应，则其空时小于停留时间。

如果化学反应体系为收缩反应，则其空时大于停留时间。

8、是论述把冶金过程变为数学模型的必备知识和步骤其必备知识为：a、根据冶金反应过程确定假定条件b、根据冶金反应过程确定化学反应方程式c、根据冶金流程选择、确定冶金反应装置（反应器）类型其步骤为：a、根据假定条件确定数学模型的边界条件b、根据冶金反应化学方程式确定热量、质量平衡方程c、根据冶金反应装置（反应器）的条件确定动力学方程、动量平衡方程d、应用与反应器相同类型的质量、热量平衡方程表征研究对象的质量、热量与时间的变化关系e、用边界条件、反应器几何条件、传输理论和数学方法等求解该过程9、试论述精炼过程中炉渣/金属之间的化学反应动力学特点a、因为反应温度高，冶金反应中传质过程为限制环节渣金反应一般可用双膜理论来描述；b、渣金反应都是有电子传递的氧化还原反应，两者都是导体，反应必须涉及电化学问题；c、实际上的渣金反应都是在高温下进行的，通常情况下，接口反应速度比通过边界层的传质速度快，因此，该类反应往往受边界层的传质速度控制。

但有些情况下也受化学反应控制。

10、试描述流化床反应器的形成过程气体流速较低时，气体通过颗粒间流动而颗粒基本不动------固定床当气体流速增加，床层的孔隙率开始增大-----膨胀床当气体流速增加到某一临界值以上，床层中的颗粒被流体托起-----流化床进一步增加气体流速，床层膨胀均匀、颗粒粒度分布均匀-----散式流化床气体流速越高，气泡造成的床层波动（扰动）越剧烈-----聚式流化床更大气体流速会造成床层的节涌达到气力输送。

11、试描述干风格也循环流量模型的建模条件及其示意图建模条件：a、把钢液分为钢液主体区和反应区两部分；b、钢液进入反应区的各组元立即发生反应并平衡；c、离开反应区的钢液与主体钢液混合后再次进入反应区；d、反应区的钢液量远小于总钢液量，其组元的元素积累可以忽略。

示意图见4-12（67）四、计算题1、定量描述流体-固体之间未反应收缩核模型的传质和化学反应过程数学模型解：当传质为限制环节时，其质量流量可表述为：A传质到固体表面的mol通量为：N A = —D AC▽C+X A（N A+N C）（1）其中：D AC—反应气体/生成气体之间的扩散系[cm2/sec]X A—流体中反应气体A的mol分率N A—传递到固体表面的mol通量[mol/sec]N C—产物C的mol通量[mol/sec]因为N A = —（1/C ）N C ,则（1）式可改写为：N A =Vk m (C Ab -C As ) k m —传质系数[cm/sec]当化学反应为控制环节时，总反应速度可用单位面积上A 的消失速度表示，)]/([e m Rsn As A K C C k r -=此时，C AS =C Ab ，C RS =C Rb ，A 与B 的消失计量关系为， dtdr b r cS Aρ=其中，rc 为颗粒半径[cm]，ρs 为颗粒密度[g/cm 3]2、解：1）当固体的孔径远远大于A 分子的自由程时：AC Ae D SD τε= 2) 当A 分子的平均自由程远远大于固体的孔径时：MART B D D AK Ae π82==3）当A 分子的平均自由程几乎等于固体孔径时：ACeAKe Ae D D D 111+=3、表述间歇流流反应器中均相反应，反应率随时间的变化的数学模型。

解：对整个反应器进行物料衡算如下： 流入量=流出量+反应量+累积量根据该反应器的反应特点可知，单位时间内反应量=单位时间内消失量））（A A A A n dtn dt V r x -1n (d 0A dX 0nA A==-=⎰⎰-==A A A C C AAXA A A r dC r dx C t 00对于等容过程中的液相反应则有：⎰⎰==Af A Af Ax AA x A A r dx C r dx V n t 00004、解：根据活塞流反应器的反应特点：流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量R A A A A A dV r dx x C V x C V A +--=-)1()1(0000对于长度dl ，断面积为A 的微元体，其物料衡算式如下：⎰⎰=-=-=-==-+-Xj jjV j jj j j j j j j j j j r dX F dV dX F X F d dF dVr dF dV r dF F F 00000)]1([0)(所以因为整理得 整理后得：⎰⎰====Xj jj j j Xj j j j j r dX C F Vr dX C F V 000000ττ或------（1） 其中τ是反应器的空时，表示反应器体积与进口流量之比。

那么（1）式可变为：⎰==Cj Cj jjj j j r dC C C F V 00001τ或 ⎰⎰-===Cj Cj jj Xj j j j j r dC r dX C F V0000τ5、解：根据全混流反应器特点可知：流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量0,,=--V r F F j out j in j因为，)1()1(,,,,0,out j out j out j in j j in j X F F X F F -=-=jou j in j jin j out j j j j r C C r X X C F V C t,,,,000)(-=-==ττ为：对恒容体系，两式可改所以6、解：22.11060.346.31053.15.231053.1106.3250Re Re 6.00.254453121=⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯==+==----D Sc uL Sc DL k Sh m ρμμρ3121)22.1()5.23(6.00.2⨯+=DLk m所以cm k m 57.9=/sec7、解：根据3.37、3.38式中20σ的定义， 5.0)22/(1.0202/)11(2=⨯⨯=+=D K kr e p σ由20σ的值可判断出传质和化学反应都可能是该过程的控制环节，t t tTR P r bk tK C C V F A bk t A p s e mRb n Ab pp p s 3100*101.1)273900(41.314.81.026.2325.101201)]/([-⨯=+⨯⨯⨯⨯⨯==-=ερρ把该值代入（3.38）式，计算得min 7.221==x t当rp = 0.1mm 时，20σ的值为0.05，传质阻力很小，反应受化学反应速度控制，则，min 6.11==x t8、1）解：首先计算反应时间，二级反应的时间与转化率的关系式如下，Ax kt -=11ln要达到如上转化率，可得转化时间为： 转化率为0.6时的转化时间为：hr t 5.260)6.01(005.097.16.0=⨯-⨯⨯=同理，可得转化率为0.8时的转化时间为：6.77hr 转化率为0.9时的转化时间为：15.23hr 2）每小时的处理量为：20.4/24=0.85kmol/h ，相应体积为：0.85/0.005=170L/h ，每批生产总时间为：6.77+1.5=8.27hr 则反应器的体积为：V=170×8.27/0.8=1757.4L9、解：如果物系体积随转化率为线性变化，设初始体积为V 0，气体膨胀ε和V 体积变化可用下式表示：V=V0（1+εx ）其中x 为反应率，如反应率为1，则气体膨胀率ε可表示为：即，除反应物J 以外，还有50%的惰性气体，初始反应混合物的体积为2m 3，反应完全转化后，产物体积为2m 3，因惰性气体体积不变，则总体积为3m 3；εJ= 3-22 =50%从管式流动反应器的基础关系式中可知，气体膨胀率ε的增加将缩短反应物的停留时间。