冶金反应工程学考试题答案

冶金反响工程学复习题答案一、填空题1化学反响熔化凝固工业装置〔反响器〕原子、分子层次2定量液体流动传热传质反响器生产效率产品质量3实际冶金反响解决工程问题根底科学理论反响装置特性4反响机理求反响速率常数k和反响级数n5三传物质、热量、动量6混合程度三传物质的浓度7间歇反响器活塞流反响器全混流反响器非理想流动反响器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双膜渗透外表更新湍流传质14流化床管式连续移动式管式连续间歇式槽型15dbca二、名词解释1、间歇反响器及其特点a、由于剧烈搅拌,反响器内物料浓度到达分子尺度上的均匀,且反响器内浓度处处相等,因而排除了物质传递对反响得影响.b、具有足够强的传热条件,温度始终相等,无需考虑反响器内的传递问题.c、物料同时参加并同时停止反响,所有物料具有相同的反响时间.2:、活塞流反响器的特点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、反响物料具有相同的停留时间.3、全混流反响器的特点反响器内物料的浓度和温度处处相等,且等于反响器流出物料的浓度和温度.4、停留时间物料从进入反响器开始到离开反响器为止,在反响器中所经历的时间.它与化学反响时间直接相关,是影响反响结果的重要参数.5、固定床反响器的优缺点优点：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,限制和改变气体反响物的停留时间；c、可调节和限制反响体系的温度分布.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、移动床反响器的特点及其应用范围特点：a、反响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,产物可以连续排出,它属于逆流逆流式连续稳态反响器c、反响效率〔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局部.7、流化床反响器的特点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响；b、固体颗粒直径小,颗粒内部扩散阻力小,那么反响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,需要采用多级反响器提升固体物料转化率.8、两相以上复杂冶金反响装置的特点a、反响过程中气-液-固三态并存；b、各相之间化学反响、相变互相发生；c、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-液相反响的动力学特点a、由于反响温度高,冶金反响中传质过程为限制环节渣金反响一般可用双膜理论来描述；b、渣金反响都是有电子传递的氧化复原反响,两者都是导体,反响必须涉及电化学问题；c、实际上的渣金反响都是在高温下进行的,通常情况下,接口反响速度比通过边界层的传质速度快,因此,该类反响往往受边界层的传质速度限制.但有些情况下也受化学反响限制.10解释以下各反响中无因次量的物理意义〔含义〕1〕流体/固体反响的逆流式移动床反响器：乎---气相无因次浓度旷-反响层无因次高度E--无因次反响接口半径3—无因次气模质量扩散速度常数$--无因次产物层质量扩散速度常数a---无因次化学反响速度常数»--无因次反响性常数2〕浸入式喷粉精炼反响器：x---渣中无因次浓度y---金属相中无因次浓度0---无因次时间a---持续接触反响无因次速度常数b---上浮期间移动接触反响无因次速度常数三、论述题1、阐述冶金反响工程学的解析步骤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响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响器验证该数学模型的正确性和适应性.2、试述反响器中三传过程的各种物理量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响消耗速度=积累速度热量热流入速度一热流出速度+反响放热速度一系统外交换速度=热积累速度3、试描述求解反响器的最正确性能指针和操作条件是必须考虑的内容a、反响机理----原料〔反响物〕如何到达反响区,产物如何离开反响区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、求反响活化能E〔温度、浓度变化〕d、求出表征反响器内化学反响+流动+混合+质量能量传递的反响速度表达式e、求解反响器的最正确性能指针和操作条件4、试写出化学反响速度式确实定步骤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-固体反响得特点反响物和生成物在s/l接口之间传递〔传质〕、在相接口发生反响、反响过程中s相结构、相接口的几何形状改变、反响过程中产生热效应相等.反响规律大致相同6、试描述反响器类型的选择原那么〔从理想反响器特性与化学反响机理上考虑〕为获得较高的反响率,根据理想反响器特性必须遵循：a、当反响物浓度很低时,选择全混流反响器b、对于单一反响,反响级数较高,需采用间歇或活塞流反响器c、对于复杂反响,反响级数较低,那么采用全混流反响器7、试表达活塞流反响器的空时与停留时间的关系如果化学反响体系为恒容反响,那么其空时与停留时间相等.如果化学反响体系为膨胀反响,那么其空时小于停留时间.如果化学反响体系为收缩反响,那么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、根据冶金反响过程确定假定条件b、根据冶金反响过程确定化学反响方程式c、根据冶金流程选择、确定冶金反响装置〔反响器〕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、根据冶金反响化学方程式确定热量、质量平衡方程c、根据冶金反响装置〔反响器〕的条件确定动力学方程、动量平衡方程d、应用与反响器相同类型的质量、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、反响器几何条件、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/金属之间的化学反响动力学特点a、由于反响温度高,冶金反响中传质过程为限制环节渣金反响一般可用双膜理论来描述；b、渣金反响都是有电子传递的氧化复原反响,两者都是导体,反响必须涉及电化学问题；c、实际上的渣金反响都是在高温下进行的,通常情况下,接口反响速度比通过边界层的传质速度快,因此,该类反响往往受边界层的传质速度限制.但有些情况下也受化学反响限制.10、试描述流化床反响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根本不动------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到达气力输送.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响区两局部；b、钢液进入反响区的各组元立即发生反响并平衡；c、离开反响区的钢液与主体钢液混合后再次进入反响区；d、反响区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-固体之间未反响收缩核模型的传质和化学反响过程数学模型解：当传质为限制环节时,其质量流量可表述为：A传质到固体外表的mol通量为：Na=—Dac▽C+Xa(Na+Nc)(〔)其中：Dac一反响气体/生成气体之间的扩散系[cm2/sec]Xa一流体中反响气体A的mol分率Na—传递到固体外表的mol通量[mol/sec]Nc—产物C的mol通量[mol/sec]由于Na=—(1/C)Nc,那么(1)式可改写为：NA=Vkm(CAb-CAs)km—传质系数[cm/sec]当化学反响为限制环节时,总反响速度可用单位面积上A的消失速度表示,此时,Cas=CAb,Crs=CRb,A与B的消失计量关系为,其中,rc为颗粒半径[cm],ps为颗粒密度[g/cm3]-S-2、解：1)当固体的孔径远远大于A分子的自由程时：DAe=——Dac当A分子的平均自由程远远大于固体的孔径时：DAe=Dak=B2,；8MA111当A分子的平均自由程几乎等于固体孔径时：=+DAeDAKeDACe3、表述间歇流流反响器中均相反响,反响率随时间的变化的数学模型.解：对整个反响器进行物料衡算如下：流入量=流出量+反响量+累积量根据该反响器的反响特点可知,单位时间内反响量=单位时间内消失量对于等容过程中的液相反响那么有：4、解：根据活塞流反响器的反响特点：流入量=流出量+反响量+累积量对于长度dl,断面积为A的微元体,其物料衡算式如下：整理后得：

Cj0xjdXjV_xjdXCj0xjdXjV_xjdXj,或•=——=Cj0c)rjFj00Fj0其中是反响器的空时,表示反响器体积与进口流量之比.rj(1)对恒容体系：Xj=Cj.-CjCj0dXj…些Cj0那么〔1〕式可变为:Fj0Cj01CjdCj&Cj0rj八xjdXjFj0=Cj002CjdCj一w-j5、解：根据全混流反响器特点可知：流入量=流出量+反响量+累积量由于,6、解：所以km=9.57cm/sec2-7、解：根据3.37、3.38式中.°的定义,由.〔2的值可判断出传质和化学反响都可能是该过程的限制环节,把该值代入〔3.38〕式,计算得t=22.7minX—I当rp=0.1mm时,.2的值为0.05,传质阻力很小,反响受化学反响速度限制,那么,8、1〕解：首先计算反响时间,二级反响的时间与转化率的关系式如下,要到达如上转化率,可得转化时间为：0.6为0.6时的0.6=2.5hr同理,可得转化率同理,可得转化率为转化率为1.970.005(10.8时的转化时间为:0.9时的转化时间为:-0.6)606.77hr15.23hr2〕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那么反响器的体积为：V=170X8.27/0.8=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+89其中x为反响率,如反响率为1,那么气体膨胀率£可表示为：即,除反响物J以外,还有50%的惰性气体,初始反响混合物的体积为2m3,反响完全转化后,产物体积为2m3,因惰性气体体积不变,贝U总体积为3m3;,3-2…eJ—2=50%从管式流动反响器的根底关系式中可知,气体膨胀率£的增加将缩短反响物的停留时间.10、10、解：设金属和炉渣的质量分别为Wm、Ws,密度分别为pm、Ps,各相均为理想混合状态状态,那么金属相中的A成分的物料衡算式为:dCmdCmAdtka(CmA-CsA/Ls)(1)是渣是渣金的比外表积[1/cm];其中：a三一VmLs=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根据质量守恒定律,A成分的表述式为：(2)CsA=(CmA0-CmA)S=(CmA0-CmA)/Y(2)、,Vs其中：Y三——是相比,操作中使用的是渣相和金属相的体积比.Vm把〔2〕式代入〔1〕式得：dCmA=ka[(CmA0/LsY-(1+1/LsY)CmA](3)dt1LsY1LsYexp[-(11/LsY)Kp](4)1LsY在初始条件下定积分上式得：CmA0其中：Kp三kat是渣金持续接触反响时的反响系数,是反响体系的动力学因素.LsY代表炉渣吸收杂质的A的水平.由上式可知动力学因数越大,未反响率越小.当Kpr^oo时,下式成立.该式代表了反响体系所能到达的杂质脱除限度：即Ls也越大,该限度越低.另外,当Kp为有限值,杂质脱除水平为无限大时,〔4〕式右端取极限值那么有除类式为一级