2013冶金反应工程学考题

1、2013冶金反应工程学考题I、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、）、 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、（温合程度）、（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

3、、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（分布函数人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。II、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

4、（双膜理论、渗透）论、（表面更新）论和湍流传质） 等理论来描述。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

5、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：b、假定（简化）建模：运用流动、混合和分布函等概念，简化条件，通过动螭、热蛾和物料平衡方程 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

6、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髭的衡算通式.动量输入速度一输出速度=积累速度质量流入速度一流出速度一反应消耗速度=积累速度热量热流入速度一流出速度+反应放热速度一系统外交换速度=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-一-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/1、g/g、1/s、1/1、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

7、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、热星、动虽平衡关系联立求解a、b间的相互联系。计算题1.定量描述流体一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 = 一DacC+Xa（Na+Nc）（1）其中：Dac反应气体/生成气体之间的扩散系cm2/secXa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-secNc产物 C 的 mol 通量mol/sec因为Na= （1/C） Nc

8、，则（1）式可改写为：NA=Vkm（CAb-CAs）加一传质系数cm/sec当化学反应为控制环节时，总反应速度可用单位面枳上A的消失速度表示，rA = kC2-（C-/Ke）此时，CAS=CAb CRs=CRb，A与B的消失计量关系为，八 _ Ps d“ b dt其中，rc为颗粒半径cm, ps为颗粒密度g/cm3表述活塞流反应器中恒容体系反应时、反应率随时间的变化的数学模型。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V oCLio（l xa） = V oCao（1 xa dx.x + lac/Vk对于长度dl,断面积为A的微元体，其物料衡算式如下:Fj-(Fj + dFj

9、) -rjdV = 0 整理得 dFj = fdV 因为dFj = d月 o(l Xj) = -FMXj 所略/整理后得:栏=工=r竺或竺=化竺一 TOC o 1-5 h z Fjo Cjo Jo rjFjo万(1)其中t是反应器的空时，表示反应器体积与进11流量之比。对恒容体系：Y _Qo-Cj 则dCjCjoGo那么(1)式可变为：_L = 2L = _Lf。竺iFj。 Go Gob 云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,i Fj,响一 rjV = 0因为，Fj,in= FjO(l Xjjn)F

10、j. mu = Fjyouty Xj,mu)r-r |U 万 y CjO(Xj out Xj, in)Fjorj对恒容体系，两式可改为:Cjjn Cj、Fjorj对恒容体系，两式可改为:Cjjn Cj、outT =rjW = (1 + 1/Ke)/2D = 20 x0.1/(2 x2) = 0.5由w的值可判断出传质和化学反应都可能是该过程的控制环节,当rp = O.limn时，拓的值为0.05,传质阻力很小，反应受化学反应速度控制，则,4.i = 1.6niiii8.用间歇反应器进行等温定容反应，其反应动力学方程为rkCtkniolniin,CA(=0.005Kmol/L., K=1 97L

11、/kmob min求转化率为0.6, 0.8, 0.9时所需的反应时间。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1.5址,计算反应 器的体枳(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，1 X1要达到如上转化率，可得转化时间为：t =CaoAQ_Xa)转化率为0.6时的转化时间为：,=01.97 x 0.005 x(l- 0.6) x 60同理，可得转化率为0.8时的转化时间为：6.771U-转化率为0.9时的转化时间为：15.23hr2)每小时的处理量为：20.4/24=0.85kmol/h,相应体积为：0.85/0

12、.005=170L/h,每批生产总时间为：6.77+1.5=8.27hr则反应器的体枳为：V=170 X 8. 27/0. 8=1757. 4L9.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% 的情性气体后，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。解：如果物系体枳随转化率为线性变化，设初始体积为V。，气体膨胀和V体积变化可用 下式表示：V=V0 (1+sx)其中X为反应率，如反应率为1,则气体膨胀率可表示为：= VI。Vo即，除反应物J以外，还有50%的惰性气体，初始反应混合物的体积为2n?,反应完 全转化后，产物体积为2n

13、?,因惰性气体体积不变，则总体枳为3nF；3-2sJ= 2 =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。五。各种冶金反应的物理量表示式1、对于泌+必一qQ + sS反应，请描述A、B的消耗速度、QS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：以=_幽 dtdt，/ sec, KA。/, g / sec, Kg / min产物Q、S的生成速度（反应速度）为：,0 = +坐企rs = dtdtmol / sec,A7w/ /?尸,g /secJA / nun对均相恒容反应，反应速度表示式为：7 = _L Cmol /cm5 sec,Kmol / rnhrVj dtMo Nbab =Nbov Na