冶金反應(yīng)工程學(xué)教案(本科生用)

1、1第一章緒論本章所用學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)。本章重點(diǎn)：冶金反應(yīng)工程學(xué)的研究?jī)?nèi)容，研究方法。本章難點(diǎn)：冶金反應(yīng)工程學(xué)的研究方法。一、冶金反應(yīng)工程學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展一、冶金反應(yīng)工程學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展1化學(xué)工程學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展化學(xué)工程學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展（1）化學(xué)工業(yè)除冶金外，還包括陶瓷、釀造、造紙、制堿、制酸、有機(jī)合成、石油化工等許多工業(yè)部門。相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，它們被看作互不相關(guān)的部門獨(dú)立地緩慢地發(fā)展著，技術(shù)的傳授只能靠師傅的經(jīng)驗(yàn)。（2）后來，人們發(fā)現(xiàn)在各不相同的化

2、工過程中，可以概括和抽象出一些共同的原理。系統(tǒng)研究這些過程的本質(zhì)和共同規(guī)律，就促進(jìn)了化學(xué)工程學(xué)的發(fā)展，形成一門獨(dú)立的學(xué)科。（3）五十年代中期以前，化學(xué)工程學(xué)還限于物理過程作為研究對(duì)象，即研究單元操作。所謂單元操作是指具有共同的物理規(guī)律的操作過程?；瘜W(xué)工廠可看作若干單元操作組成的系統(tǒng)。然而，單元操作不能解決有化學(xué)反應(yīng)的過程。（4）1957年第一屆歐洲化學(xué)工程學(xué)討論會(huì)提出以研究化學(xué)反應(yīng)過程為中心的化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)。所謂化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)，即將化學(xué)

3、動(dòng)力學(xué)和傳遞工程學(xué)相結(jié)合，以化學(xué)反應(yīng)為中心的工程科學(xué)，研究對(duì)象是工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器。（5）近三十年來，隨著石油化學(xué)工業(yè)各種催化反應(yīng)被廣泛應(yīng)用和生產(chǎn)規(guī)模的大型化，對(duì)反應(yīng)技術(shù)和反應(yīng)器設(shè)計(jì)的要求日益提高，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)有了迅速的發(fā)展。2冶金反應(yīng)工程學(xué)的產(chǎn)生冶金反應(yīng)工程學(xué)的產(chǎn)生（1）冶金工程的科學(xué)化是從三十年代把化學(xué)熱力學(xué)引入冶金領(lǐng)域開始的，長(zhǎng)期以來，冶金過程熱力學(xué)的研究有了顯著的進(jìn)展并對(duì)冶金工藝進(jìn)步起了重要作用。熱力學(xué)只解決過程的方向和限度，不

4、描述反應(yīng)的過程。（2）化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究反應(yīng)物質(zhì)隨時(shí)間變化的過程，但它從分子角度研究反應(yīng)的速率和機(jī)理，所以是微觀動(dòng)力學(xué)。在其研究對(duì)象中，反應(yīng)速率僅受溫度、濃度和時(shí)間的影響，和裝置的規(guī)模無關(guān)。3程所發(fā)生的變化以及時(shí)間滯后情況，以找到有效的控制方法。2與一般的化工過程相比，冶金過程有自己的特點(diǎn)：與一般的化工過程相比，冶金過程有自己的特點(diǎn)：（1）高溫過程，過程監(jiān)控困難；（2）高溫過程，過程的限制環(huán)節(jié)是傳質(zhì)，最少涉及催化反應(yīng)；（3）冶金過程涉及大原

5、料多，因此副反應(yīng)多；（4）冶金過程涉及的原料、熔渣的性質(zhì)未完全測(cè)定；（5）冶金產(chǎn)品不僅有成分要求，還有結(jié)構(gòu)、夾雜等的要求；（6）冶金爐的設(shè)計(jì)基本上靠經(jīng)驗(yàn)。3根據(jù)冶金過程的特點(diǎn)，冶金反應(yīng)工程學(xué)的任務(wù)主要有：根據(jù)冶金過程的特點(diǎn)，冶金反應(yīng)工程學(xué)的任務(wù)主要有：（1）解析冶金過程；（2）優(yōu)化操作工藝；（3）過程控制。三、冶金反應(yīng)工程學(xué)的研究方法三、冶金反應(yīng)工程學(xué)的研究方法1建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究（1）反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生現(xiàn)象的數(shù)學(xué)描述：

6、Ⅰ）流動(dòng)過程：Navier—Stokes方程；Ⅱ）傳熱過程：Fourier定律；Ⅲ）傳質(zhì)過程：Fick定律Ⅳ）化學(xué)反應(yīng)：質(zhì)量作用定律（2）建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，要對(duì)整個(gè)體系或其中一部分進(jìn)行質(zhì)量、能量、動(dòng)量的平衡計(jì)算，列出衡算方程。針對(duì)控制體，即衡算對(duì)象的空間范圍，進(jìn)行衡算。輸入速率—輸出速率—消耗速率=積累速率整個(gè)體積—宏觀衡算?？梢缘玫絽⒘恐g的關(guān)系式，實(shí)用性大?？刂企w可以取：微元體—微分衡算?？梢缘玫襟w內(nèi)的溫度、濃度和流速分布。要計(jì)算出上