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。
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。
东大18秋学期《冶金反应工程学》在线作业3标准满分
(单选题) 15: 判断题 全混流反应器也有多种名称，如连续搅拌槽式反应器（CSTR），连续流动搅拌釜反应器（CFSTR），理想混合反应器，返混反应器等。其基本特征是：1）器内物料的浓度和温度时时处处均相同、2）器内物料的浓度时时处处均相同，温度不同、3）器内物料的温度时时处处均相同，浓度不同、4）不同时刻，器内物料的浓度和温度各不相同。
A: 1）、2）
B: 0
C: 0
D: 0
正确答案：
(单选题) 13: 判断题 根据内部年龄分布密度函数的定义可知，内部年龄分布密度函数的物理意义I(t)dt 表示 1）在仍留在反应器内的流体中，停留t到t+dt之间的流体所占的分率，2）在流出反应器的流体中，停留t到t+dt之间的流体所占的分率，
A: 2）
B: 0
C: 0
D: 0
正确答案：
(单选题) 9: 以下各式中按转化率计的反应速度为：
1）2）3）4）5）
A: 5
B: 6
C: 6
D: 6
正确答案：
(单选题) 10: 冶金反应工程学研究的重要基础是
A: 物理学
B: 物理化学
C: 宏观动力学
D: 化学
A: 3
B: 0
C: 0
D: 0
正确答案：
(单选题) 6: 判断题 返混是 1）微观完全混合；2）宏观完全混合；3）不同停留时间物料间的混合；4）相同停留时间物料间的混合。
A: 3）
B: 0
C: 0
D: 0
正确答案：
(单选题) 7: 在一定温度下，化学反应 ， 按反应物A与B的消耗速度定义的反应速度为
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3
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15题)1.在有物料流动的冶金反应器中，1)传质和传热现象独立发生，与流动现象无关、2)传质现象与流动现象相关，但传热现象与流动现象无关、3)流动在传递现象中起决定性作用，流动现象必然伴生传热和传质现象。
A、3B、0-C、0D、02.1)反应级数不能为零、2)反应级数不能为负、3)反应级数只能为整数、4)反应级是实际上参与反应的分子个数、5)反应级数可以是可以是分数，甚至是负数。
A、5B、0C、0D、03.目前，下列哪些公司是中国人民保险(集团)公司下辖子公司()。
A、中国人民保险公司B、中保人寿保险公司C、中保再保险公司D、中保财产保险公司标准答案：BCD4.扁平化组织属于传统的科层制组织范畴。
()A.正确B.错误5.以下()表型不符合Patau综合征的驻床表型。
A.严重智力低下B.小头畸形C.耳低位D.摇椅样足E.唇裂/腭裂6.在一定温度下，化学反应，的化学计量关系式为：，式中，，和A、是反应方程式中各组分的化学计量系数B、分别表示四种物质的量C、分别表示这四种物质的反应速度D、47.在一定温度下，化学反应，的化学计量关系式为：，式中，，和A、是反应方程式中各组分的化学计量系数B、分别表示四种物质的量C、分别表示这四种物质的反应速度D、48.判断 1)间歇反应器内物料的浓度和温度时时处处均相同、2)间歇反应器内物料的浓度时时处处均相同，温度不同、3)间歇反应器内物料的温度时时处处均相同，浓度不同、4)同一时刻，间歇反应器内物料的浓度和温度处处相同。
A、4B、0C、0D、09.停留时间是指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。
1)无论是间歇式反应器、活塞流反应器还是全混流反应器，物料在反应器中的停留时间完全相同，2)无论是间歇式反应器、活塞流反应器还是非理想流动反应器，物料在反应器中的停留时间完全相同，3)对于间歇式反应器和活塞流反应器，同时进入反应器的物料具有相同的停留时间，4)对于全混流反应器和非理想流动反应器，同时进入反应器的物料具有不同的停留时间。
冶金反应工程学
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[cm 2/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 mRs n 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 c S A ρ=其中，rc 为颗粒半径[cm]，ρs 为颗粒密度[g/cm 3]4.表述活塞流反应器中恒容体系反应时、反应率随时间的变化的数学模型。
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 jj Vj j j j j j j j j j j j r dX F dVdX F X F d dF dV r dF dV r dF F F 00000)]1([0)(所以因为整理得整理后得：⎰⎰====Xj jj j j j Xj j j j j r dX C F VC r dX C F V 0000000ττ或------（1） ------（1）那么（1）式可变为：⎰==Cj Cj jj j j j r dC C C F V 00001或⎰⎰-===Cj Cj jj Xj j j j j r dC r dX C F V0000τ5.表述全混流反应器在恒容反应条件下、物料浓度随时间的变化的数学模型。
冶金反应工程学0
绪论1、过程系统：为完成物质的某种物理和化学的变化而设定的具有不同变换机能的各个部分所构成的整体。
粗钢生产过程系统：过程系统、分系统、亚分系统2、反应工程学的比例放大法可分为以下几个步骤：1.小型试验研究化学反应规律，建立宏观传递过程方程，确定其动力学参数。
2.冷漠型试验研究传递过程规律，建立传递过程方程，确定各类传递过程参数。
3.在获得方程的基础上，建立反应器操作过程数学模型，并通过计算机求解该模型，预测实际反应器性能，优选其尺寸和操作条件。
4.在（3）的计算结果指导下，建造中间实验反应器，检验所建立数学模型的等效性，修正模型，确立模型参数。
5.根据修正后的数学模型，桶计算机设计生产规模的反应器。
3、衡算方程：（1）各输入速度总和—反应消耗速度=积累速度（2）流入速度—流出速度—反应消耗速度=积累速度（3）伴随物料流入的热输入速度—伴随物料流出的热输入速度+反应放热速度—与系统外热交换的热损失速度=蓄热速度1、宏观动力学研究中必须考虑的特点：1.分步骤完成2.界面积和几何形状3.界面性质4.流体相的流动速度5.相比 6.固体产物性质7.温度的影响三章1、气液间传质理论有界膜理论渗透理论表面更新理论。
界膜理论；流体与界面间的传质阻力完全存在于紧贴界面的薄膜内，膜内传质考分子扩散切浓度分布稳定，膜以外的流体中浓度均匀。
渗透理论；气液相间的传质是由于液体表面上的流体微元不断被来自主体且具有主体浓度的心微元所更换完成的，微元在表面的停留时间很短且是均匀的。
四章1、确定控制步骤通常可采用以下方法：1.改变温度进行实验，若为化学反应控制时，则活化能高。
而传质控制时，活化能低。
2.反应速度本身不受搅拌影响3.在可推算相界面附近渣金两相主体流速时，则从流体力学知识能够推算出边界层厚度或传质系数。
4.大幅度改变渣金两相中B和A的含量比，可判断B成分的传质是否有影响及其影响程度。
5.假定其步骤为限制环节，通过比较计算值与同条件下的实测值来判断限制步骤。
冶金反应工程学
冶金反应工程学1. 冶金反应工程学概述冶金反应工程学是研究冶金过程中物质转化及反应动力学的学科，包括了从矿石提取金属、精炼合金到生产高级金属产品的过程。
在这些过程中，矿石、燃料、还原剂、冷却剂、溶剂等各种物质在高温、高压、特殊气氛下发生化学反应，完成一系列的物质转化。
2. 冶金反应工程学中的基本概念在冶金反应工程学中，有一些基本概念需要了解：反应动力学：研究反应速率与物质浓度、温度、气氛等因素之间的关系。
转化率：在一定时间内，原料中某种成分转化为目标成分的占比。
转化率的高低影响着反应过程的效率和产品质量。
平衡转化率：反应达到平衡状态时的最高转化率。
反应机理：反应过程中物质转化的途径，通常可以分为表面反应、气相反应、溶液反应、多相反应等。
反应速率常量：描述单位时间内反应物质的消耗量、单位时间内产物生成量、反应物质浓度与速率之间的关系的常数。
3. 冶金反应工程学中的反应过程冶金反应工程学中，反应过程可以分为两个阶段：化学反应阶段：该阶段为反应的主要区域，反应物输送、接触和发生反应。
冶金反应一般是异相反应，在化学反应阶段，不同种类的气体、液体、固体存在其中。
传递过程阶段：主要包括物质输送、传热和质量传递等过程。
这个阶段的主要目的是促进化学反应的进行，使得反应物质的浓度等因素尽量贴近反应条件的最优状态。
4. 冶金反应工程学在工业生产中的应用在工业生产中，冶金反应工程学发挥着关键性的作用。
例如，在冶金炉中矿石矿渣的熔炼、在炉内的还原反应、在高温下的溶解炉反应、钢水中气体的排放等等，这些过程都需要借助反应工程学理论来推演和控制反应过程。
通过深入研究反应动力学、反应机理以及相应的化学反应条件，可以优化工业生产的各个环节，使得产品质量更稳定、反应效率更高，同时节省能源和资源的消耗。
5. 冶金反应工程学的未来发展目前，新材料、新能源等领域的快速发展需要更高效、更环保、更可持续的冶金技术。
随着计算机技术的发展和计算方法的更新，反应动力学、反应机理等方面的研究也进入了全新的阶段。
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。
《冶金反应工程》PPT课件
= 47.44-38.94 = 8.50min2
2
2 t
2
t
8.50 6.242
0.218
（2）
N
1
2
1 0.218
4.58
圆整取N 5
XA
1- 1 (1 k t ) N N
1-
1
(1 0.15 6.24 )5
5
57.60%
或按N=4.58计算也可：
XA
1- 1 (1 k t ) N N
的影响
•停留时间分布规律(RTD) •其对反应效果的影响
描述停留时间分布的函数： 停留时间分布密度函数和停留时间分布函数
间歇系统：不存在RTD； 流动系统：存在RTD问题
停留时间分布的实验测定
刺激—响应实验技术
刺激—响应技术应用原则
示踪物停留时间分布可认为是研究流体的停留时间分布
对示踪物的要求：
0
其中 X A (t) 1 ekt 由动力学方程式得出。
t
0
tE(t)dt
2 2
0
0
2(0.13
0.5
0.75 1
0.80
0.5
0.3
0.14)
= 6.24min
2 t
t 2E(t)dt - t 2
0
2 0 0
2
2(0.26
2
4.5
6.4 5 3.6 1.96)- 6.242
定义：长度远大于其直径 (长径比10以上)的反应器 用途：用于均相反应，也 可用于多相(拟均相)反应
实 际反 应 器 中 的 非 理 想 流 动
实际反应器中的非理想流动
流体在管式反应器中的流动
冶金反应工程课件
该式为反应工程数学模型中最基本的方程。
质量（物料）和热量衡算方程通式分别为：
流入速度-流出速度-反应消耗速度=积累速度
伴随物料流入的热输入速度-伴随物料流出的热输出速度+ 反2应021/放8/15热速度-与系统外热交换的热损失速度=蓄热1速5 度。
方程中的系数
必须确定数学表达方程式中的系数。有两类（通称 为模型参数）：
主要是应用数学模型，即对体系的反应情 况加以简化，使其能用一定的数学式表示反应 速度与其影响因素间的关系。
2021/8/15
19
微观动力学主要涉及到均相反应， 而宏观动力学可以是均相，也可以 是非均相反应。多数冶金反应发生 在不同相的相间，属于多相反应,也 有均相反应。
2021/8/15
20
界面类型 气—固
（1） 分步骤完成
由于反应物分别存在于不同相内，各相主
体中的反应物必须不断传输到反应界面，流体反
应产物必须适时地离开界面并传输到主体中去，
反应才能持续进行，而固体反应产物则导致反应
界面移动。因此，过程是分步骤完成的。一般条
件下，阻力最大的步骤将决定过程总速度，为限
制2环021/8节/15 ，或控制步骤。
反应器内主要传递过程方程
包括质量、热量和动量的传递。
对于可以看作等温过程的数学模型只需 要建立传质和流动过程的数学表达式；对于 非等温过程，还要有传热过程方程。传递过 程规律及有关参数一般需要通过实验求取， 其中冷模型实验是常利用的手段，也可以借 用现有类似生产装置或文献数据。
2021/8/15
14
高炉炉缸，连铸结晶器 近似处理的氧气转炉
焙烧，还原，烧成 精练，吹炼
精练，吹炼，还原 还原，烧成 精炼
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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。
2014-6-11 第19章 冶金反应工程学
第三节 物理模拟法（11）
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第19章 冶金反应工程学
38
第五节 数学模拟法（4）
5.1微分方程的建立 在一定的体系中，无论化学反应、流体流动或者传 热传质都是守恒的,所有的因变量都服从一个通用 的守恒定律。 如果用φ表示因变量（因变量可以代表不同的物理 量，如化学组分的质量分数、焓变或者是温度、速 度分量）。则通用的微分方程就是：
数学模拟有一个很重要的特点就是:可以考察 在极端情况下的设备情况，这是任何其他先进实 验研究方法做不到的。
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第19章 冶金反应工程学
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第五节 数学模拟法（3）
随着计算机技术的发展，直接对冶金过程进行 数学模拟（考察其流动、传热和传质）成为可 能，并逐渐走向程序化和标准化，出现了各样 的软件包，如ANSYS、CFX和FLUID等
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第19章 冶金反应工程学
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ANSYS公司提供
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第19章 冶金反应工程学
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小 注
关于冶金反应工程学和推导离散化方程的方法很 多,在有关的数学专著中有详细介绍.
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第19章 冶金反应工程学
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计算流体力学软件PHOENICS的初步认识及范例
eg 1
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新 思 路
第三节 物理模拟法（6）
非是要求原型和模型的每点受力都对应成比例， 而是将这些力作比值，可获得一些重要的无因 次组合（无量纲组合＝无单位组合），重新予 以定义为相似准数
F1 F2 F3 F1/F2 F3/F4 … （无因次组合）
F4…
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第19章 冶金反应工程学
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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)；
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第19章 冶金反应工程学
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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。
数 学 模 型 法
数 学 模 拟 法
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第19章 冶金反应工程学
a)基于相似原理的物理模拟法；
c) 在对反应过程有深刻理解的基础上，应用 “简化’’和“等效性”原则的数学模型法； d)随着计算机技术的发展，直接应用控制方程 和边界条件分析反应器内的浓度分布、温度 分布和速度分布的数学模拟法等。
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本章小结
1.冶金反应工程学是把冶金反应器内发生的过程分别 按反应速率理论和传递过程理论进行分析，用以阐明 反应器的特性 2.冶金反应工程学的研究方法有： 停留时间法：考察物料在反应器内的停留时间和停留 时间分布 物理模拟法：基于相似原理 数学模型法：在理解反应过程的基础上，应用“简 化’’和“等效性”原则 数学模拟法：随着计算机技术的发展直接应用控制方 程和边界条件分析反应器内的浓度分布、温度分布和 速度分布等
第四节 数学模型法(1) 一、定义 所谓数学模型方法，就是通过对复杂的实际过程进 行分析，按照等效性的原则进行合理的简化，使原 型成为易于数学描述的物理模型，并使其符合实际 过程的规律性，此即所谓的数学模型，然后通过实 验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数。
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第19章 冶金反应工程学
2014-6-11 第19章 冶金反应工程学 5
冶金反应工程学 丛书
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第19章 冶金反应工程学
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丛书书目
• 工艺部分
• • • • • • • 有色金属材料的真空冶金 钢冶金学 钢冶金过程动力学 金属轧制过程人工智能优化 化工冶金过程人工智能优化 熔融还原 有色冶金炉窑仿真与优化
第19章 冶金反应工程学
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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
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第19章 冶金反应工程学
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第三节 物理模拟法（8）
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第19章 冶金反应工程学
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第三节 物理模拟法（10）
2
第一节 概述
1.1冶金反应工程学的研究内容
借助： 反应速率理论（冶金物化原理中的动力学部分） 传递过程理论（冶金传输原理） 教材p443 目的： 1.阐明反应器的特性； 2.决定反应操作条件； 3.力求按最佳的状态控制反应过程； 4.最终取得综合的技术经济效益。
定义
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(19-6)
把X 的值以及各个a的值代入上式中,就可以计算出任何 位置的φ值. 数学模拟法就是把计算域内有限数量位置(叫做网 络结点)上的因变量值当作基本量x来处理（数学思 路）,基本任务是提供一组关于该未知量的代数方 程,并进行离散化求解.
显 然
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第19章 冶金反应工程学
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5.2离散化的概念
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ห้องสมุดไป่ตู้
第五节 数学模拟法（1） 在用数学模拟法分析反应器时，分以下的步骤：
1.要建立反应器的相关性质（能量、动量和质量等） 的微分方程； 2.并确定边界条件； 3.然后进行解析。
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第19章 冶金反应工程学
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第五节 数学模拟法（2） 对冶金反应器而言，只有极少数情况才能获得 解析解，多数情况无法得到解析解，需要用到 数值分析（离散化）方法。
陈家镛
赫冀成
• 模拟部分 • 理论部分
• 钢的精炼过程数学物理模拟 • 连续铸钢过程数学物理模拟 • 冶金传输原理基础 • 冶金反应工程学基础 • 传递理论和计算
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1.2冶金反应工程学的研究方法
冶金反应工程学研究方法
停 留 时 间 法
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物 理 模 拟 法
所谓离散化，就是将所研究的区域按照一定的规则划 分成有限数量的网格结点，结点之间的关系用代数方 程表达，然后求解网格结点上未知φ值(如温度)的代 数方程,称为叫做离散化方程。
网格结 点划分
求解温 度场结 果
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第19章 冶金反应工程学
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1.对因变量所作的系统的离散化使得人们有可能 用比较容易求解的代数方程取代微分方程。 2.一个离散化方程是一组网格结点处φ值的代数 关系式,与相应的微分方程具有相同的物理信 息。 3.可以预料，当网格结点数目很大时，离散化方 程的解将趋于相应微分方程的精确解
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第19章 冶金反应工程学
12
C的单位是质量/体积，q单位 是体积/时间，t是时间，得到 G是质量
进入讯号
V
出口响应， 得到C＝φ(t)
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停留时间典型分布
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第19章 冶金反应工程学
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第三节 物理模拟法（1）
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第四节 数学模型法(2)
分析复杂的实际过程
按照等效性的原则进行合理的简化 使得原型成为易于数学描述的物理模型 通过实验对数学模型的合理性进行检验
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数学模型法实例
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第19章 冶金反应工程学
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第四节 数学模型法(3) 二、基本特点 数学模型方法的基本特点是： 1.简化：把一个复杂的实际过程先简化为物理图 像简单的物理模型。是将研究对象本身加以简 化，简化到能作简单的数学描述 2.等效性：所得的模型必须基本上等于考察对象， 否则就失真了。这种等效性是针对一定的研究 目的，在一定范围内是有效的。
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第19章 冶金反应工程学
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第四节 数学模型法(1)
三 关键因素 数学模型法成败的关键是：在充分认识过程特殊性 的基础上，根据特定的实验目的，对复杂过程进行 合理简化，就是要得到一个足够简单，能用数学方 程式表示但又不失真的物理模型。
所谓不失真，不是要求模型与原型在各个方面都相 同，而是要求在某一个研究侧面，物理模型与真实 过程是等效的。
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资料1
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资料2
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资料3
研究不同对象时，由经验确定需要满足的准数
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第19章 冶金反应工程学
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eg 3
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第19章 冶金反应工程学研究方法 Metallurgical Reactive Engineering
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第19章 冶金反应工程学
1
第一节 概述
1.1冶金反应工程学的研究内容
把冶金设备抽象成反应器，包括:转炉、电炉、 精炼炉、中间包和结晶器等