1、 冶金反应工程学复习题答案 一、填空题 1 化学反应 熔化 凝固 工业装置（反应器） 原子、分子层次 2 定量 液体流动 传热 传质 反应器 生产效率 产品质量 3 实际冶金反应 解决工程问题 基础科学理论 反应装置特性 4 反应机理 求反应速率常数 k 和反应级数 n 5 三传 物质、热量、动量 6 混合程度 三传 物质的浓度 7 间歇反应器 活塞流反应器 全混流反应器 非理想流动反应器 8 脉冲法 阶跃法 分布 密度 分布函数 9 宏观尺度上 微观尺度上 分子程度上 分子扩散 10 机理 半经验 黑箱 11 脉冲法 密度曲线 阶跃法 分布函数 12 无 有 13 双膜 渗透 表面更新 湍流
2、传质 14 流化床 管式连续 移动式 管式连续 间歇式 槽型 15 d b c a 二 、 名词解释 1、间歇反应器及其特点 a、由于剧烈搅拌，反应器内物料浓度达到分子尺度上的均匀，且反应器内浓度处处相等，因而排除了物质传递对反应得影响。 b、 具有足够强的传热条件，温度始终相等，无需考虑反应器内的传递问题。 c、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 a、连续定态下，各个截面上的各种参数只是位置的函数，不随时间变化。 b、径向速度均匀，径向也不存在浓度梯度。 c、反应物料具有相同的停留时间。 3、全混流反应器的特点 反应器内物料的浓度和温度处处相等
3、，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。 5、固定床反应器的优缺点 优点： a、装置内的气流接近活塞流，可获得较高的转化率； b、可调节气体流量，控制和改变气体反应物的停留时间； c、可调节和控制反应体系的温度分布。 缺点： a、间歇式非稳态过程，更换物料需要时间，作业率受到影响： b、床层内传热条件差，要有控温手段。 6、移动床反应器的特点及其应用范围 特点： a、反应气体通过固料填充层流动，与固定床特性相似： b、固体物料在床层间缓慢了流动，原料颗粒可以连续供给，
4、产物可以连续 排出，它属于逆流逆流式连续稳态反应器 c、反应效率（转化率）高，停留时间均匀、操作弹性大；即使气流速度变化大，床层密度可视为不变。 应用范围：各种矿石的烧结、球团的烧结、炼铁高炉、铜铅的古风熔炼炉炉身部分。 7、流化床反应器的特点 a、在流化床层内，颗粒呈剧烈的沸腾状态，传热效率高，床层温度均匀，主要用于热效率大的反应； b、固体颗粒直径小，颗粒内部扩散阻力小，则反应效率较高适用于大规模的连续生产； c、颗粒运动接近全混流，需要采用多级反应器提高固体物料转化率。 8、两相以上复杂冶金反应装置的特点 a、 反应过程中气 -液 -固三态并存； b、各相之间化学反应、相变互相发生； c
5、、各相之间伴随着物质、热量的相互转移或流动。 9、高温炉渣 /金属液 -液相反应的动力学特点 a、因为反应温度高，冶金反应中传质过程为限制环节渣金反应一般可用双膜理论来描述； b、渣金反应都是有电子传递的氧化还原反应，两者都是导体，反应必须涉及电化学问题； c、实际上的渣金反应都是在高温下进行的，通常情况下，接口反应速度比通过边界层的传质速度快，因此，该类反应往往受边界层的传质速度控制。但有些情况下也受化学反应控制。 10 解释以下各反应 中无因次量的物理意义（含义） 1）流体 /固体反应的逆流式移动床反应器 ： -气相无因次浓度 -反应层无因次高度 -无因次反应接口半径 -无因次气模质量扩散
6、速度常数 -无因次产物层质量扩散速度常数 -无因次化学反应速度常数 -无因次反应性常数 2）浸入式喷粉精炼反应器 ： x-渣中无因次浓度 y-金属相中无因次浓度 -无因次时间 a-持续接触反应无因次速度常数 b-上浮期间移动接 触反应无因次速度常数 三、论述题 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； 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
7、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 热流出速度 +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针和操作条件是必须考虑的内容 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、反映接口状况（ 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
8、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、用捂着、热量、动量平衡关系联立求解 a、 b 间的相互联系。 5、简述流体 -固体反应得特点 反应物和生成物在 s/l 接口之间传递（传质）、在相接口发生反应、反应过程中 s 相结构、相接口的几何形状改变、反应过程中产生热效应相等。反应规律大致相同 6、 试描述反应器类型的选择原则（从理想反应器特性与化学反应机理上考虑） 为获 得较高的反应率，根据理想反应器特性必须遵循： a、当反应物浓度很低时，选择全混流反应器 b、对于单一反应，反应
9、级数较高，需采用间歇或活塞流反应器 c、对于复杂反应，反应级数较低，则采用全混流反应器 7、试叙述活塞流反应器的空时与停留时间的关系 如果化学反应体系为恒容反应，则其空时与停留时间相等。 如果化学反应体系为膨胀反应，则其空时小于停留时间。 如果化学反应体系为收缩反应，则其空时大于停留时间。 8、是论述把冶金过程变为数学模型的必备知识和步骤 其必备知识为： a、根据冶金反应过程确定假定条件 b、根据冶金反应过程确定化学反应方程式 c、根据冶金 流程选择、确定冶金反应装置（反应器）类型 其步骤为： a、根据假定条件确定数学模型的边界条件 b、根据冶金反应化学方程式确定热量、质量平衡方程 c、根据冶
10、金反应装置（反应器）的条件确定动力学方程、动量平衡方程 d、应用与反应器相同类型的质量、热量平衡方程表征研究对象的质量、热量与时间的变化关系 e、 用边界条件、反应器几何条件、传输理论和数学方法等求解该过程 9、试论述精炼过程中炉 渣 /金属之间的化学反应动力学特点 a、因为反应温度高，冶金反应中传质过程为限制环节渣金反应一般可用双膜理论来描述； b、渣金反应都是有电子传递的氧化还原反应，两者都是导体，反应必须涉及电化学问题； c、实际上的渣金反应都是在高温下进行的，通常情况下，接口反应速度比通过边界层的传质速度快，因此，该类反应往往受边界层的传质速度控制。但有些情况下也受化学反应控制。 10
11、、试描述流化床反应器的形成过程 气体流速较低时，气体通过颗粒间流动而颗粒基本不动 -固定床 当气体流速增加，床层的孔隙率开始增大 -膨胀床 当气体流速增加到某一临界值以上，床层中的颗粒被流体托起 -流化床 进一步增加气体流速，床层膨胀均匀、颗粒粒度分布均匀 -散式流化床 气体流速越高，气泡造成的床层波动（扰动）越剧烈 -聚式流化床 更大气体流速会造成床层的节涌达到气力输送。 11、试描述干风格也循环流量模型的建模条件及其示意图 建模条件： a、把钢液分为钢液主体区和反应区两部分； b、钢液进入反应区的各组元立即发生反应并平衡； c、离开反应区的钢液与主体钢液 混合后再次进入反应区； d、反应区
12、的钢液量远小于总钢液量，其组元的元素积累可以忽略。 示意图见 4-12（ 67） 四、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(C
13、Ab-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， )/( emRsnAsA KCCkr 此时， CAS=CAb， CRS=CRb， A 与 B 的消失计量关系为， dtdrbr cSA 其中， rc 为颗粒半径 cm， s为颗粒密度 g/cm3 2、 解： 1）当固体的孔径远远大于 A 分子的自由程时： ACAe DSD 2) 当 A 分子的平均自由程远远大于固体的孔径时：MARTBDD AKAe 823）当 A 分子的平均自由程几乎等于固体孔径时：A C eA K eAe DDD 111 3、 表述间歇流流反应 器中均相反应
14、，反应率随时间的变化的数学模型。 解：对整个反应器进行物料衡算如下： 流入量 =流出量 +反应量 +累积量 根据该反应器的反应特点可知，单位时间内反应量 =单位时间内消失量 ）（ AAAA ndtndtVr x-1n(d 0AdX0nA A AAA CC A AXA AA rdCrdxCt 0000 对于等容过程中的液相反应则有： Af AAf A x AAx AA rdxCrdxVnt 0000 4、 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 RAAAAA dVrdxxCVxCV A )1()1( 0000 对于长度 dl，断面积为 A 的微元体，其物料衡
15、算式如下： XjjjVjjjjjjjjjjjjrdXFdVdXFXFddFdVrdFdVrdFFF00000 )1(0)(所以因为整理得整理后得： Xj j jjjXj j jjj rdXCFVrdXCFV 000000 或-（ 1） 其中 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： 00jjjj C CCX 则 0jjj CdCdX 那么（ 1）式可变为： CjCj jjjjj rdCCCFV 00001 或 CjCj jjXjjjjj rdCrdXCFV 00005、 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 0, VrFF joutji
16、nj 因为， )1()1(,0,outjoutjoutjinjjinjXFFXFF joujinjjinjo u tjjjjrCCrXXCFVCt,000)(为：对恒容体系，两式可改所以6、 解： 22.11060.346.31053.15.231053.1106.3250ReRe6.00.254453121DScuLScDLkShm3121 )22.1()5.23(6.00.2 D Lk m 所以 cmkm 57.9 /sec 7、 解：根据 3.37、 3.38 式中 20 的定义， 5.0)22/(1.0202/)11(20 DKkr ep 由 20 的值可判断出传质和化学反应都可能是该
17、过程的控制环节， tttTRPrbktKCCVFAbktApsemRbnAbppps3100*101.1)2 7 39 0 0(41.3 1 4.81.026.23 2 5.1 0 1201)/(把该值代入（ 3.38）式，计算得 m in7.221 xt 当 rp = 0.1mm 时， 20 的值为 0.05，传质阻力 很小，反应受化学反应速度控制，则， m in6.11 xt 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， Axkt 1 1ln 要达到如上转化率 ，可得转化时间为： 转化率为 0.6 时的转化时间为： hrt 5.260)6.01(0 0 5.097
18、.1 6.0 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 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、 解： 如果物系体积随转化率为线性变化，设初始体积为 V0，气体膨胀 和 V 体积变化可用下式表示： V=V0（ 1+x） 其中 x 为 反应率，如反应率为 1，则气体膨胀率 可表示为 ： 即，除反应物 J 以外，还有 50%的惰性
19、气体，初始反应混合物的体积为 2m3，反应完全转化后，产物体积为 2m3，因惰性气体体积不变，则总体积为 3m3； J= 3-22 =50% 从管式流动反应器的基础关系式中可知，气体膨胀率 的增加将缩短反应物的停留时间。 10、 解：设金属和炉渣的质量分别为 Wm、 Ws，密度分别为 m、 s， 各相均为理想混合状态 ，则金属相中的 A 成分的物料衡算式为 ： )/( ssAmAmA LCCkadtdC （ 1） 其中：mVAa 是渣金的比表面积 1/cm； Ls = Cm / Cs 是杂质元素在渣 /金两相间的分配系数 该方程式的初始条件为： t = 0， CmA = CmA0 = 0 根据
20、质量守恒定律， A 成分的表述式为： ssAmmAmmAsssAmmmAmmmAVCVCVCWCWCWC00YCCVVCCC mAmAsmmAmAsA /)()( 00 （ 2） 其中： msVVY 是相比，操作中使用的是渣相和金属相的体积比。 把（ 2） 式代入（ 1）式得： )/11(/( 0 mAssmAmA CYLYLCkadtdC （ 3） 在 初始条件下定积分上式得： YL KYLYLCCspssmAmA 1 )/11(e x p 10（ 4） 其中： katKp 是渣金持续接触反应时的反应系数，是反应体系的动力学因素。LsY 代表炉渣吸收杂质的 A 的能力。由上式可知动力学因数越
21、大，未反应率越小。当 Kp 时，下式成立。 YLCCsmAmA 1 10该式代表了反应体系所能达到的杂质脱除限度：即 Ls 也越大，该限度越低。另外，当 Kp 为有限值，杂质脱除能力为无限大时，（ 4）式右端取极限值则有 )e x p (0 pmAmA KCC 除 类式为一级反应速度式的解。表示 杂货脱出能力为无限大时，金属相中杂质元素的变化规律。 五、 解：反应物 A、 B 的消耗速度（反应速度）为： dtdNr AA dtdNr BB m i n /s e c ,/,/s e c ,/ KgghrK k o lm o l产物 Q、 S 的 生成速度（反应速度）为： dtdNr QQ dtd
22、Nr SS m i n /s e c ,/,/s e c ,/ KgghrK m o lm o l对 均相恒容反应 ， 反应速度表示式为： dtdCvr jjj1 /se c ,/ 33 hrmK m o lcmm o l 物料转化率为： AAAA N NNX 0 00BBBB N NNX 反应程度表示式为：jjj v NN 0 用物料转化率 Xj 表示 的速度为： dtdXVvNjr jjj0 /se c ,/ 33 hrmK m o lcmm o l 用反应程度表示的速度为： dtdVdtdNVvr jjj11 /se c ,/ 33 hrmK m o lcmm o l 六、 自己看着写吧。
