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 提出当固体颗粒为孔隙率较高的多孔物质，且化学反应速率相对较小时，反应流体可扩散到固体颗粒的中心，此时反应在整个颗粒内连续发生.于是可将多孔固体基质看成是均匀介质，并用均匀速率常数描述气固反应。

2）缩核未反应核模型：

缩核未反应核模型是应用最为广泛的气、固非催化反应模型，其特征是反应只在固体颗粒内部产物与未反应固相的界面上进行，反应表面由表及里不断向固体颗粒中心收缩，未反应核逐渐缩小.缩核模型有 2 种情况：一种是反应过程中颗粒大小不变，另外一种是颗粒体积不断缩小。这2 种情况的动力学机理有所区别。Yagi 和Kunli 较早就将缩核模型应用到铁氧化物的还原当中了。

3）微粒模型假定：

固体颗粒由无数个大小均匀一致的球形微粒构成，每个微粒按照缩合反应模型进行反

应；反应后固体颗粒的孔隙率与微粒大小均不变；就整个固体颗粒来讲，反应区在扩散区内，并随扩散区域由颗粒外表面向中心逐渐推进。

4）破裂芯模型假定：

固体反应物的原始状态是致密无孔的，在气体反应物的作用下逐渐破裂为易穿孔的细粒.破裂后形成的细粒按缩核模型与反应气体反应.这种模型比较适用于Fe3O4 被CO 还原。5）混合反应模型：

由于大部分的气固非催化反应过程较为复杂，用前面的各模型计算的结果与试验结果仅在部分的区域内能够吻合，为了使模型计算结果与试验结果尽可能的在较宽的范围内吻合，引入了混合反应模型，即反应速率与浓度（或分压）n次方成正比。其中混合模型的使用较为普遍，特别是在采用失重（还原）率后，没有对浓度量纲的限制，n往往是分数，而不是整数。由于放弃了反应模型的物理意义，不能得到反应过程反应速度常数和扩散系数。得到的是不同失重（还原）率的表观活化能，然后根据表观活化能的大小来定性确定不同过程的控制环节和过渡区。尽管n 采用了分数，但有时模型计算的曲线与试验点的数据也不能很好的拟合。

五、冶金反应工程学与传统的冶金学的区别和联系

冶金反应工程学是用化学反应工程学的理论和方法来研究冶金过程及其反应设备的合理设计最优操作和最优控制的工程理论。它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。冶金反应工程学是在现代化实验技术、工艺理论和计算技术基础上正在发展而尚未成熟的边缘学科。

冶金学是研究从矿石中提取金属或金属化合物，用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的学科。它以研究金属的制取、加工和改进金属性能的各种技术为起点，发展到对金属的成分、组织结构、性能和有关基础理论的研究。

冶金学是在化学的基础上诞生的，冶金反应工程学是借鉴化学反应工程学的概念和研究方法提出来的。所以说冶金反应工程学与传统的冶金学都是以化学为基础的学科。

六、冶金宏观动力学与传统的化学反应动力学区别和联系

化学动力学主要是研究化学反应的速率，研究各种外在因素对反应速率的影响；研究物质的结构、性质与反应性能的关系，探讨能够解释这种反应速率规律的可能机理，为最优化控制反应提供理论依据。它包括以下三个层次的研究内容：1）宏观反应动力学。它是以宏观反应动力学实验为基础的，研究从复合反应到基元反应的动力学行为，由于这方面的研究在化工生产中起着十分重要的作用，所以它在理论和应用的研究上获得了很大的发展；2）基元反应动力学。它是以大量的微观分子反应动力学行为为出发点，借助于统计力学的方法，研究宏观反应动力学行为；3）分子反应动力学。这是近年来新发展的一个领域，它通

过分子束散射技术和远红外化学冷光，凭借于量子力学的理论模型，研究单个分子通过碰撞发生变化的动力学行为它的主要研究领域包括：分子反应动力学、催化动力学、基元反应动力学、宏观动力学、表观动力学等。

多相反应动力学（宏观动力学）：研究多相体系的动力学，化学反应在不同的界面上发生，反应物要从相内部传输到反应界面，并在界面处发生化学反应，生成物要从界面处离开。在该体系内，界面是很重要的参数。多相反应动力学最终得到的综合反应速度，既考虑了化学反应本身的速度，又考虑了伴随反应发生的各种传递过程的速度，但不追究化学反应本身的微观机理。

冶金动力学的基础虽然是化学反应动力学及传输原理，但从另一个角度来看更多的是机构的假设和数学推演，以及由此而来的数学模型。研究冶金动力学的一个重要目的是利用数学方法来描述、预测整个反应进行的动态历程。

冶金过程动力学探讨伴有物质传递、能量传递及动量传递等现象下反应的速度及机理、明确控制反应速度的环节，从而提出提高反应强度、缩短反应时间的措施。

冶金动力学也是在化学动力学的基础上发展起来的。

七、积分法和微分法求取化学反应动力学参数优缺点

化学反应工程的一个重要内容就是根据实验数据确定反应动力学方程式,其方法可分为积分法和微分法两大类。

积分法如半衰期法、试差法、无因次曲线法,一般仅适用于较简单的整级数反应。随若电子计算机的广泛应用,利用非线性方程参数推算方法,也可以解决非整数反应动力学方程,但计算量较大。微分法包括图解法和数值法。图解法如切线法、等面积法、镜面法等,一般认为较为繁琐,而且精度低。

数值微分法有以下几种: ①最简单的数值微分法即用中心差分代替微分,但精度较差。

②多项式插值求微分。由于高次插值计算量大,而巨不稳定,所以常采用分段低次插值。但导数不能保持连续。③样条函数插值求微分。可以保持导数连续,精度较高,但计算量大,而且需要两个边界条件。综上所述,我们希望提出一个计算简便、精度较高的微分方法。