冶金反应20.doc

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。
1. 粗钢生产过程系统：过程系统、分系统、亚分系统
2、比例放大法可分为以下5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、衡算方程通式（1）各输入速度总和—反应消耗速度=积累速度
质量衡算方程（2）流入速度—流出速度—反应消耗速度=积累速度
热量衡算方程（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
4冶金反应工程学中的数学模型一般包括四部分 1反应器内各主要反应的宏观动力学方程
2反应器内主要传递过程方程(包括质量、热量和动量的传递) 3衡算方程 4方程中的系数
5.方程中的系数有两类（通称为模型参数）：
一类是和过程的运动变化密切相关的，如反应动力学常数、湍流粘度系数和传质传热系数等，这些系数往往要和传递过程联立求解；另一类为介质的物理性质，如密度、粘度、扩散系数和热导率等，需要通过实验测定。
分类依据
反应器类型
冶金反应器实例
适用冶金单元实例
形状
管式
槽式
竖炉 回转窑
转炉 精炼钢包
烧结，还原，烧成
吹炼，精炼
操作方式
间歇式、
连续式、
半间歇式
转炉 固定床竖炉
移动床竖炉 回转窑
喷粉精练钢包
吹炼，精炼，还原
还原，烧结
精炼
物料流动状态
活塞流、
完全混合流
非理想流动
理想管式反应器
理想槽式反应器
流态化反应器

还原，煤的气化
反应体系相态
均相
气固
液固
气液
液液
固固
气固液
气体燃烧器
气固流化床，竖炉
浸出槽，液固流化床
转炉，RH钢包
有机溶剂萃萃取器
回转窑
闪速熔炼炉，烧结机
煤气燃烧
焙烧，还原，烧成
浸出，熔化，凝固
吹炼，精炼
萃取
焙烧，还原，烧成
还原，熔炼，烧结
传热方式
外部热交换
绝热
高炉炉缸，连铸结构机
近似处理的氧气转炉
铸造

第一章
6、多相反应特点：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
7、气体—固体间反应，按固体反应物性质，可分为：无孔颗粒和多孔颗粒两大类，每一类又分为有和无固体产物生成两类。根据固体产物是致密还是多孔，过程中的固体颗粒体积是否改变等，都可对气体—固体间反应进一步分类。
8、过程的基元步骤及速度表达式为：(1)气体反应物A在气流主体与固体表面之间的传质速度= (2)气体A和固体反应物B之间以A的消耗表示的化学反应速度” (mol／s)为=若为一级不可逆反应，则有 ＝ 在拟稳态假定下，A的传质速度应等于其化学反应的消耗速度，若以表示过程的综合反应速度，则有 ==
9、按相界面特征分为五类相间反应:气-固，气-液，液-液，液-固，固-固
10..液相中气泡的俩种形成过程：一是由于溶液过饱和而产生气相核心，并长大形成气泡。二是浸没在液相中的喷嘴吹气体产生气泡。（前者可分为均相形核和非均相形核）
11.= 当0.1或＞10时，分别接近于化学反应控制或边界层传质控制。当处于中间值时，一般应考虑两个基元步骤的阻力
12. 当固体颗粒达到一定转化率(或反应完结)所需要的时间缺近似与切始颗粒半径成正比时，证明过程由化学反应步骤控制；当近似与正比时，证明过程由传质步骤控制，否则应考虑混合控制。
13.缩小未反应该模型此类反应的通式为
三章
14、气液间传质理论有：界膜理论、渗透理论、表面更新理论、
15 、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。
16.气体-液体间的反应分类：一是分散的气泡通过液体的移动接触反应，二是气液俩相持续接触反应
17、均相成核根据气流量的不同分为:静力学区、动力学区、射流区
四章
18、渣金反应确定控制步骤通常可采用以下万法：(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，如果搅拌使过程大幅度加快，则很大程度亡可以确定为传质控制，但应注意施加强力搅拌时，可能会改变相界面积。 (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。但高温熔体，特别是熔渣，常常缺少有关的物性值数据。(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)假定某步骤为限制环节，通过比较计算值与同条件下的实测值来判断限制步骤。 总之，尚无确定的判断限制步骤的模式，必须进行仔细的实验及数据比较和分析才能得到正确结论。
19、固体在液体中溶解过程由两个基元步骤构成：（1）固体晶格被破坏转化为固体原子进入液相(2)溶解的原子通过紧接于固体原子的边界层向液相主体扩散。（后者往往是溶解过程的控制环节。）
20、浸出过程：不是单纯的物理溶解，通常是伴随某种反应把精矿粉或矿石中的有价金属转化到溶液中
21、浸出过程包括以下步骤：1.液相中反应物通过固体表面的液膜向固体表面扩散。2.该反应物 通过固体产物层或残留的惰性固料层向内扩散。3.在未被浸出的物料表面上发生化学反应。4.溶解物从反应表面经产物层或惰性固料层向外扩散。5.溶解物通过液膜向溶液主体扩散。
22、理想流动模型：理想排挤流或理想活塞流 理想混合流或完全混合流
23、反应器：为了探讨有效控制转化过程的条件，根据科学上从特殊到一般的原则，凡是发生化学反应转化过程的容器和设施，概括起来称为反应器。
24、理想反应器的发分类：间歇式全混槽 活塞流反应器 全混流反应器
25 间歇式全混槽特点：非连续操作，非稳态过程，反应器内物料、浓度、温度随时间变化，但同一时刻不变，所有物料反应时间相同。
活塞流反应器 全混流反应器特点：连续操作系统，稳态过程，物质的浓度不是时间的函数，而是管长方向的（Z）的函数，浓度均匀一致（C=K）反应时间服从流及计规律。
26反应器分析与设计的基础：
研究反应器数学模型的基础是集中研究反应器内发生的现象。这些现象可以分解为化学反应、动量传输、热量传输和质量传输(包括输运和传递两部分)。反应器数学模型的建立和反应器设计就是(1)质量、能员和动量守恒定律 (2)扩散方程(3)化学反应速度方程1)对均相基元反应2)对非均相传质控制反应(4)牛顿定律(5)付立叶定律(6)菲克定律(7)涉及到热辐射
27停留时间t=式中v为反应器体积；qv为反应器内物流的体积流量。停留时间t由基本方程确定。28.空间时间用反应器入口物料体积流量来定义空间时间 = 的物理意义是反应器体积v与反应器入口处进料体积流量之比。
29.空间速度s定义：s=的物理意义是反应器入口处单位时间进料体积相当于反应器体积的倍数(无因次体积数)。有式有= 空间速度s＝3／h，表示在反应器入口处每小时有3倍于反应器体积的物料流入反应器
30.操作特性的比较:反应物浓度变化特性:(1)间歇式全混槽。C是时间t的函数时间变化的曲线称为“冲淡曲线”。 (2)活塞流反应器。C是管长L的函数，不是时间的函数，属稳定态。(3)连续式伞混槽。出口浓度C等于槽内浓度个随时间改变。
反应器内反应速度特性1)间歇式全混槽，r是时间t的函数。(2)活塞流反应器，r是管长的函数。 (3)连续式全混槽，r是常数
八章
31、刺激—响应技术的应用原则(1)刺激一响应过程必须是线性过程．刺激信号在数量上的变化导致响应在相应量上的变化是成比例的，这种过程称为线性过程。 (2)为了确保刺激一响应过程是线性过程，作为刺激信号的示踪剂不能参与反应器内发生的任何化学反应，即不会因反应导致示踪剂物质的增加或减少，示踪剂对反应是“情性”的(3)输入刺激信号时，即加入示踪剂时，要避免由于加入方式不同造成对流体流动状态的干扰，甚至破坏原来的流态。
32、示踪剂响应类型：开式 闭式和开闭式 闭开式反应器
33、利用分布方差判断流动模型；活塞流方差最小，分布最集中，全混流方差最大，分布最分散。
34、非理想流动反应器数学模型；扩散模型 槽列模型 组合模型
35、停留时间分布信息的应用：1利用分布的方差判断流动类型： 方差是分布曲线展开程度的定量描述。活塞流方差最小，分布最集中；全混流方差最大，分布最分散。因此，只要计算出某流动反应器停留时间分布的方差，并与活塞流、全混流的方差比较．就可以估计出该流动与理想流动的偏差。类型：全混流反应器停留时间分布的方差 非理想流动反应器停留时间分布方差2利用分布曲线分析流体流动状态3利用分布函数预测反应的效率
九章
36、搅拌方式：气体搅拌（火法冶金）、机械搅拌（科学研究和湿法冶金）、电磁搅拌（大容量电炉熔池和大钢锭的浇铸过程以及自然伴有电磁搅拌的感应电炉）
37、气体搅拌对冶金的好处：1.环流使液体产生混合作用，达到成分和温度的均匀。2.环流提高了熔化固体料时固液相间的传热系数，加快了熔化或溶解速度。3.若反应器内金属液面上存在熔渣，环流改善了渣与金属液面的物质交换和热交换条件，提高了渣金反应速度。4.环流有利于把金属液内夹杂物或反应生成物带到渣金界面而为熔渣吸收。5.若金属液喷入参与化学反应的气体反应物，由于反应气体在金属液中高度弥散，提高了反应速度。38.若气体夹带固体颗粒喷入金属特，由于改变了渣与金属的接触方法和增大了渣金属接触界面，有利于提高反应速度和改善最终冶金效果。
39、搅拌的外部气体射流可分两种：(1)冲击式气体射流：指射流射到固体表面或液体表而上，其特点是气体喷嘴距固体表面或液体表面有一定的距离。(2)浸没式气体射流：指气体喷嘴或孔口淹没在液体中的射流，属于限制射流。根据射流方向可分为垂直浸没射流，水平浸没射流和倾斜浸没射流。
40、电磁搅拌的类型：（1）移动磁场产生的电磁感应搅拌（2）固定磁场产生的电磁搅拌（3）行波磁场电磁搅拌（4）加电后产生的电池搅拌
41、表征搅拌器作用的参数有： (1)泵送能力(2)混合均匀时间 (3)桨的周边速度或称桨端速度 它与桨的直径和转速有关但它是代表实际的剪切速度。 (4)搅拌器的搅拌功率
42、物理模拟的一般原则(1)一般说，模型的现象祁实型的现象应当是同类现象，即它们都可以用同一微分方程式描述。(2)模型和原型的基本微分方程中的同名物理参数和因次参数必须相似，即对应地各自成比例。(3)任柯现象都发生在一定空间，所以模型和实型在几何应相似，即对应线量成比例。(4)在模型和实型的对应空间和对应时间上，决定性持征数相等。(5)模型与实型的边界条件相似
43、求特征数的方法方程分析法、因次分析法 机理比法。（方程分析法分为相似转换法(比例尺转换法)和积分类比法。因次分析法：因次分析π定理 用因次分析法求特征数）
十章
44、相似三定律 相似第一定律；彼此相似的现象，必定有相同的相似特征数。相似第二定律；凡同类现象，若单值条件相似，且由单值条件的物理量组成的相似特征数相等，则这些现象是相似的。相似地三定律；描述现象的各种亮之间的关系，可以表示成他的相似特征数的函数关系。例10-1 例10-2例10-3
45、相似特征数的性质；特征数乘以特征数仍是特征数，特征数的和与差仍是哦特征数，特征数与任一常数的和与差仍是特征数，特征数的倍数仍是特征数。
十一章
46数学模型；用数学语言描述现象特征的数学关系式 按对现象认识程度分；百箱模型 灰箱模型 黑箱模型
按其他特征的数学分；确定性模型和费确定性模型 定常态模型和费定常态模型 集中参数模型和分布参数模型
47、数学模型和操作解析研究包括（1)物料在窑内运动规律1)窑内物料的径向运动2)物料在窑内轴向移动（2)回转窑内的传热过程解析(3)回转窑操作过程数学模型
48、建立数学模型的步骤；初步研究 建立数学模型 实验研究和参数估算 编制程序和计算 模型的适用实性验证
49、冶金气固反应器分类：填充床反应器、流化床反应器、气力输送床反应器、回转窑
50、流化床反应器；作用 用于固体粉粒料的干燥、焙烧、氧化和还原等过程。优势 流化床内，颗粒成激烈沸腾状态，传热效率好，床温温度较均匀，适用于热效应大或者温度铭感的的反应。另外，由于颗粒小，便于流态化输送，适合于大规模连续生产即自动化控制，且粒内扩散阻力小，反应效率高。但是流化床反应器也有气流不均匀，操作范围窄，易产生粘结失流，颗粒磨损严重及物料粉尘带出损失较大等。此外，颗粒运动完全接近混乱状态，单段连续式流化床难以获得较高的转化率
51、流化床反应器数学模型；单项模型 俩相模型 鼓泡床模型
52、回转窑操作特点 回转窑的热源，主要靠设置在物料出口端或入口段的主喷嘴喷入的燃料和助燃空气燃烧来供给。
53、数学模型包括；物料在窑内运动规律 窑内物料径向运动 滑移 塌落 滚落 跌落 奔流 离心式·
十四章
54四种典型渣金接触方式 1间歇式持续接触 2渣滴连续通过金属相的短促接触3 金属滴连续通过渣相的短促接触 4连续式渣金俩相逆流接触 4231
55. 停留时间分布曲线：常采用所谓“刺激一响应”实验或称“刺激一响应”技术来显示和确定停留时间分布曲线。办法是：在反应器的入口输入一个信号，信号常用示踪利来实现。然后在反应器出口或内部获取该输入信号的输出，即所谓响应，从响应曲线得到流体在反应器的停留时间分布。
56.以活塞流为主的组合模型 (])有“死区”的情况 反应器中流动为活塞流，同时由于器壁的吸附作用或其他原因，反应器内的流体会存在某些停滞区而造成“死区”。 (2)有“短路”的情况 “短路”相当于有一部分流体以极快的速度通过反应器流出去，这部分流体来不及反应或转化串极低，这等于减少了流入反应器的物质流量实际停留时间就相对地增长了。 (3)两个活塞流反应器并联4)有循环流的情况
57.全混流与活塞流反应器的并串联(1)全混流反应器与活塞流反应器的并联(2)全混流反应器与活塞流反府器的串联(3)有串联又有“死区”和“短路”的模型(4)实际管式反应器的模
58.冶金中应用的搅拌方式有气体搅拌、机械搅拌和电磁搅拌三种。气体搅拌:广泛应用于火法冶金过程，尤其是金属液的二次精炼。机械搅拌:在火法冶金中由于受到搅拌桨叶寿命等因素的制约，应用很少，但是在科学研究和湿法冶金中应用广泛。电磁搅拌:最初用于大容量电炉熔他的搅拌和大钢锭的浇注过程以及自然伴有电磁搅拌的感应电炉中。
59.回转窑操作过程数学模型：初期的回转窑操作过程的数学模型研究主要是针对以传热过程为主的回转窑进行的
60在推导数学模型的基本方程中假定：(1)气流和颗粒移动都是活塞流；(2)在连续式定常态下操作；(3)料层内的气体仅由cO和cO 2组成且反应产生的cO排出到气流中，(4)仅考虑窑内发生下列反应：料层内直接还原反应 料层内碳的燃烧反应。气流中重油燃烧反应 气流中co的燃烧反应
17.槽列模型和扩散模型的关系：