2013冶金反应工程学考题

示式；同时用转化率和反应程表征其反应速度。
解：反应物 A、B 的消耗速度（反应速度）为： rA dNA dt
rB dNB dt
[mol / sec],[Kkol / hr],[g / sec], Kg / min]
产物 Q、S 的生成速度（反应速度）为： rQ dNQ dt
rS dNS dt
0.05，传质阻力很小，反应受化学反应速度控制，则，
tx1 1.6min 8. 用 间 歇 反 应 器 进 行 等 温 定 容 反 应 ， 其 反 应 动 力 学 方 程 为 rA=kCA2[kmol/L·min] ， CA0=0.005Kmol/L.， K=1.97L/kmol·min
1）求转化率为 0.6，0.8，0.9 时所需的反应时间。 2）当转化率为 0.8 时，日处理量为 20.4kmol,每批操作的非生产时间为 1.5hr,计算反应 器的体积（设反应器装料系数为 0.8）。 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，
2013 冶金反应工程学考题 1、冶金反应工程学是（定量）的研究工业装置（反应器）中的（液体流动）、（传热)和（传质）过程，明 确其对冶金反应过程的影响及其规律的科学。是运用解析手段分析所提出的数学模型；为改进（反应器） 性能、提高（生产效率）、提高（生产质量）提供保证的“中观”的技术科学。 3、冶金反应工程学是以（实际冶金反应）为研究对象，以（解决工程问题）为目的，在明确冶金（基础科 学理论）和各类（反应装置特性）的基础上，研究金属提炼过程中伴随的各种传递规律，并把二者密切结 合起来形成自己独特的学科体系。 4、微观动力学研究的主要内容是研究机理和预测速度。反应速度的预测是通过测定反应的 1）（反应机理）、 2）（求反应速度常数 k 和反应级数 n）、3）求反应活化能 E、4）给出反应速度表达式来实现的。 5、冶金宏观动力学目的为：1）弄清化学反应本身的规律（热力学、动力学）；2）弄清试验体系内物质的 （“三传”）规律；3）用（物质、热量、动量平衡）平衡关系联立求解（1）、（2)之间的相互联系。 6、在实际反应中，反应速度受到压力、温度、物质的浓度、催化剂、（混合程度）、（三传）等因素影响， 当温度、压力一定时，反应速度决定于（物质反应界面浓度）和催化剂的素影响。 7、在实际冶金过程的均相反应中，通常使用的反应器有（间歇反应器）、（活塞流反应器）、（全混流反应器） 和（非理想流动反应器）等四种基本型式。 8、停留时间分布可用应答技术中的（脉冲法）和（阶跃法）测定；前者测定的是停留时间（分布密度）， 后者测定的是停留时间的（分布函数）。 9、物料混合分为（宏观尺度上的混合）和（微观尺度）的混合，后者是微元体之间均匀混合为一体，并达 到（分子尺度上）的均匀；其形成原因为湍动、湍旋的分割加（分子扩散）。 10、冶金反应过程中的数学模型有（机理）、（半经验）和（黑箱）模型三种。 11、用（脉冲法）可直接检测出停留时间分布（密度曲线）；用（阶跃法）可直接检测出停留时间（分布函 数）。 12、一级反应的混合早晚对反应结果（无）影响；二级反应的混合早晚对反应结果（有）影响。 13、冶金过程中流体/流体之间的传质模型主要用（双膜）理论、（渗透）论、（表面更新）论和（湍流传质） 等理论来描述。
Fj 0
0 rj
r Cj0 j
5.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。 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
Fj, in Fj, out rjV 0
因为，
Fj, in Fj0(1 Xj, in) Fj, out Fj, out(1 Xj, out)
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=1757.4L
9.假设不可逆等温化学反应 J→2P 中的物系体积随转化率线性增加，当反应体系中加入 50% 的惰性气体后，试计算该体系的膨胀率；并分析、比较其对反应器中的空时和停留时间的 影响。
3-2 εJ= 2 =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。
五。各种冶金反应的物理量表示式
1、对于 aA bB qQ sS 反应，请描述 A、B 的消耗速度、Q\S 的生成速度（反应
速度）表示式；假如该反应为均相恒容反应，请描述其速度式、物料转化率和反应程度表
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、热量和物料平衡方程 式，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—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标和操作条件时必须考虑的内容。 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、反映界面状况（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的步骤。 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、用物质、热量、动量平衡关系联立求解 a、b 间的相互联系。
Fj 0
0 rj
------（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。
对恒容体系： Xj Cj0 Cj Cj 0
则 dXj dCj Cj 0
那么（1）式可变为： V 1 Cj dCj
Fj0 Cj0 Cj0 Cj0 rj
或
V Cj0 Xj dXj Cj dCj
用物料转化率 Xj 表示的速度为：
XB NB0 NB NB0
rj Nj0 dXj vjV dt
[mol / cm3 sec],[Kmol / m3hr]
用反应程度表示的速度为：
rj 1 dNj 1 d vjV dt V dt
[mol / cm3 sec],[Kmol / m3hr]
六．举例说明冶金反应工程在冶金过程中的应用。（根据各自熟悉的冶金过程进行解析、写 出数学模型）
[mol / sec],[Kmol / hr],[g / sec],[Kg / min]
对均相恒容反应，
反应速度表示式为： rj 1 dCj vj dt
[mol / cm3 sec],[Kmol / m3hr]
物料转化率为： XA NA0 NA NA0
反应程度表示式为： Nj Nj0 vj
Fj (Fj dFj) rjdV 0 整理得 dFj rjdV 因为 dFj d[Fj0(1 Xj)] Fj0dXj
所以 V dV Xj dXj
0 Fj0 0 rj
整理后得：
V Xj dXj或 VCj0 Cj0 Xj dXj ------（1）
Fj0 Cj0 0 rj
CA0kt xA 1 xA
要达到如上转化率，可得转化时间为： t
xA
CA0k(1 XA)
转化率为 0.6 时的转化时间为： t
0.6
2.5hr
1.97 0.005 (1 0.6) 60
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
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：NA = —DAC▽C+XA（NA+NC） （1）
其中： DAC—反应气体/生成气体之间的扩散系[cm2/sec] XA—流体中反应气体 A 的 mol 分率 NA—传递到固体表面的 mol 通量[mol/sec] NC—产物 C 的 mol 通量[mol/sec]
因为 NA= —（1/C）NC ,则（1）式可改写为： NA=Vkm(CAb-CAs) km—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，
rA
k[C
n As
(CRms
/
Ke)]
此时，CAS=CAb，CRS=CRb，A 与 B 的消失计量关系为，
rA S drc b dt
1、 间歇反应器及其特点 物质一次加入反应器中，反应物料的温度和浓度等操作参数随时间而变不随空间位置而变，所有物料 质点在反应器内经历相同的反应时间，反应完成后，同时放出所有物料，完成一个生产周期。 其特点： 1）由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺寸上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除 了物质传递，（传质）对反应的影响; 2）具有足够强的传质条件，温度始终相等，无需考虑器内的热量传递问题； 3）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 1) 连续稳定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间变化； 2) 径向速度均匀，径向也不存在浓度分布； 3) 反应物料具有相同的停留时间。 3、 全混流反应器的其特点 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。 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；