冶金反響工程學(xué)復(fù)習(xí)題答案一、填空題1化學(xué)反響熔化凝固工業(yè)裝置〔反響器〕原子、分子層次2定量液體流動(dòng)傳熱傳質(zhì)反響器生產(chǎn)效率產(chǎn)品質(zhì)量3實(shí)際冶金反響解決工程問題根底科學(xué)理論反響裝置特性4反響機(jī)理求反響速率常數(shù)k和反響級(jí)數(shù)n5三傳物質(zhì)、熱量、動(dòng)量6混合程度三傳物質(zhì)的濃度7間歇反響器活塞流反響器全混流反響器非理想流動(dòng)反響器8脈沖法階躍法分布密度分布函數(shù)9宏觀尺度上微觀尺度上分子程度上分子擴(kuò)散10機(jī)理半經(jīng)驗(yàn)黑箱11脈沖法密度曲線階躍法分布函數(shù)12無有13雙膜滲透外表更新湍流傳質(zhì)14流化床管式連續(xù)移動(dòng)式管式連續(xù)間歇式槽型15dbca二、名詞解釋1、間歇反響器及其特點(diǎn)a、由于劇烈攪拌,反響器內(nèi)物料濃度到達(dá)分子尺度上的均勻,且反響器內(nèi)濃度處處相等,因而排除了物質(zhì)傳遞對(duì)反響得影響.b、具有足夠強(qiáng)的傳熱條件,溫度始終相等,無需考慮反響器內(nèi)的傳遞問題.c、物料同時(shí)參加并同時(shí)停止反響,所有物料具有相同的反響時(shí)間.2:、活塞流反響器的特點(diǎn)a、連續(xù)定態(tài)下,各個(gè)截面上的各種參數(shù)只是位置的函數(shù),不隨時(shí)間變化.b、徑向速度均勻,徑向也不存在濃度梯度.c、反響物料具有相同的停留時(shí)間.3、全混流反響器的特點(diǎn)反響器內(nèi)物料的濃度和溫度處處相等,且等于反響器流出物料的濃度和溫度.4、停留時(shí)間物料從進(jìn)入反響器開始到離開反響器為止,在反響器中所經(jīng)歷的時(shí)間.它與化學(xué)反響時(shí)間直接相關(guān),是影響反響結(jié)果的重要參數(shù).5、固定床反響器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：a、裝置內(nèi)的氣流接近活塞流,可獲得較高的轉(zhuǎn)化率；b、可調(diào)節(jié)氣體流量,限制和改變氣體反響物的停留時(shí)間；c、可調(diào)節(jié)和限制反響體系的溫度分布.缺點(diǎn)：a、間歇式非穩(wěn)態(tài)過程,更換物料需要時(shí)間,作業(yè)率受到影響：b、床層內(nèi)傳熱條件差,要有控溫手段.6、移動(dòng)床反響器的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍特點(diǎn)：a、反響氣體通過固料填充層流動(dòng),與固定床特性相似：b、固體物料在床層間緩慢了流動(dòng),原料顆粒可以連續(xù)供給,產(chǎn)物可以連續(xù)排出,它屬于逆流逆流式連續(xù)穩(wěn)態(tài)反響器c、反響效率〔轉(zhuǎn)化率〕高,停留時(shí)間均勻、操作彈性大；即使氣流速度變化大,床層密度可視為不變.應(yīng)用范圍：各種礦石的燒結(jié)、球團(tuán)的燒結(jié)、煉鐵高爐、銅鉛的古風(fēng)熔煉爐爐身局部.7、流化床反響器的特點(diǎn)a、在流化床層內(nèi),顆粒呈劇烈的沸騰狀態(tài),傳熱效率高,床層溫度均勻,主要用于熱效率大的反響；b、固體顆粒直徑小,顆粒內(nèi)部擴(kuò)散阻力小,那么反響效率較高適用于大規(guī)模的連續(xù)生產(chǎn)；c、顆粒運(yùn)動(dòng)接近全混流,需要采用多級(jí)反響器提升固體物料轉(zhuǎn)化率.8、兩相以上復(fù)雜冶金反響裝置的特點(diǎn)a、反響過程中氣-液-固三態(tài)并存；b、各相之間化學(xué)反響、相變互相發(fā)生；c、各相之間伴隨著物質(zhì)、熱量的相互轉(zhuǎn)移或流動(dòng).9、高溫爐渣/金屬液-液相反響的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)a、由于反響溫度高,冶金反響中傳質(zhì)過程為限制環(huán)節(jié)渣金反響一般可用雙膜理論來描述；b、渣金反響都是有電子傳遞的氧化復(fù)原反響,兩者都是導(dǎo)體,反響必須涉及電化學(xué)問題；c、實(shí)際上的渣金反響都是在高溫下進(jìn)行的,通常情況下,接口反響速度比通過邊界層的傳質(zhì)速度快,因此,該類反響往往受邊界層的傳質(zhì)速度限制.但有些情況下也受化學(xué)反響限制.10解釋以下各反響中無因次量的物理意義〔含義〕1〕流體/固體反響的逆流式移動(dòng)床反響器：乎---氣相無因次濃度曠-反響層無因次高度E--無因次反響接口半徑3—無因次氣模質(zhì)量擴(kuò)散速度常數(shù)$--無因次產(chǎn)物層質(zhì)量擴(kuò)散速度常數(shù)a---無因次化學(xué)反響速度常數(shù)?--無因次反響性常數(shù)2〕浸入式噴粉精煉反響器：x---渣中無因次濃度y---金屬相中無因次濃度0---無因次時(shí)間a---持續(xù)接觸反響無因次速度常數(shù)b---上浮期間移動(dòng)接觸反響無因次速度常數(shù)三、論述題1、闡述冶金反響工程學(xué)的解析步驟a、綜合分析裝置內(nèi)發(fā)生的各種現(xiàn)象與子過程之間的相互作用關(guān)系；b、假定〔簡(jiǎn)化〕建模：運(yùn)用流動(dòng)、混合和分布函等概念,簡(jiǎn)化條件,通過動(dòng)量、熱量和物料平衡建立反響裝置操作過程的數(shù)學(xué)模型；c、求解：得到操作特性與各種參數(shù)間的變化規(guī)律,尋求優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程的最優(yōu)化操作條件；d、驗(yàn)證：用實(shí)際生產(chǎn)過程的反響器驗(yàn)證該數(shù)學(xué)模型的正確性和適應(yīng)性.2、試述反響器中三傳過程的各種物理量的衡算通式動(dòng)量輸入速度一輸出速度=積累速度質(zhì)量流入速度一流出速度一反響消耗速度=積累速度熱量熱流入速度一熱流出速度+反響放熱速度一系統(tǒng)外交換速度=熱積累速度3、試描述求解反響器的最正確性能指針和操作條件是必須考慮的內(nèi)容a、反響機(jī)理----原料〔反響物〕如何到達(dá)反響區(qū),產(chǎn)物如何離開反響區(qū)b、反映接口狀況〔g/s、g/l、g/g、l/s、l/l、s/s〕與物質(zhì)結(jié)構(gòu)影響c、求反響活化能E〔溫度、濃度變化〕d、求出表征反響器內(nèi)化學(xué)反響+流動(dòng)+混合+質(zhì)量能量傳遞的反響速度表達(dá)式e、求解反響器的最正確性能指針和操作條件4、試寫出化學(xué)反響速度式確實(shí)定步驟a、弄清化學(xué)反映本鎮(zhèn)的規(guī)律〔熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)〕；b、弄清試驗(yàn)體系內(nèi)物質(zhì)的“三傳〞規(guī)律；c、用捂著、熱量、動(dòng)量平衡關(guān)系聯(lián)立求解a、b間的相互聯(lián)系.5、簡(jiǎn)述流體-固體反響得特點(diǎn)反響物和生成物在s/l接口之間傳遞〔傳質(zhì)〕、在相接口發(fā)生反響、反響過程中s相結(jié)構(gòu)、相接口的幾何形狀改變、反響過程中產(chǎn)生熱效應(yīng)相等.反響規(guī)律大致相同6、試描述反響器類型的選擇原那么〔從理想反響器特性與化學(xué)反響機(jī)理上考慮〕為獲得較高的反響率,根據(jù)理想反響器特性必須遵循：a、當(dāng)反響物濃度很低時(shí),選擇全混流反響器b、對(duì)于單一反響,反響級(jí)數(shù)較高,需采用間歇或活塞流反響器c、對(duì)于復(fù)雜反響,反響級(jí)數(shù)較低,那么采用全混流反響器7、試表達(dá)活塞流反響器的空時(shí)與停留時(shí)間的關(guān)系如果化學(xué)反響體系為恒容反響,那么其空時(shí)與停留時(shí)間相等.如果化學(xué)反響體系為膨脹反響,那么其空時(shí)小于停留時(shí)間.如果化學(xué)反響體系為收縮反響,那么其空時(shí)大于停留時(shí)間.8、是論述把冶金過程變?yōu)閿?shù)學(xué)模型的必備知識(shí)和步驟其必備知識(shí)為：a、根據(jù)冶金反響過程確定假定條件b、根據(jù)冶金反響過程確定化學(xué)反響方程式c、根據(jù)冶金流程選擇、確定冶金反響裝置〔反響器〕類型其步驟為：a、根據(jù)假定條件確定數(shù)學(xué)模型的邊界條件b、根據(jù)冶金反響化學(xué)方程式確定熱量、質(zhì)量平衡方程c、根據(jù)冶金反響裝置〔反響器〕的條件確定動(dòng)力學(xué)方程、動(dòng)量平衡方程d、應(yīng)用與反響器相同類型的質(zhì)量、熱量平衡方程表征研究對(duì)象的質(zhì)量、熱量與時(shí)間的變化關(guān)系e、用邊界條件、反響器幾何條件、傳輸理論和數(shù)學(xué)方法等求解該過程9、試論述精煉過程中爐渣/金屬之間的化學(xué)反響動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)a、由于反響溫度高,冶金反響中傳質(zhì)過程為限制環(huán)節(jié)渣金反響一般可用雙膜理論來描述；b、渣金反響都是有電子傳遞的氧化復(fù)原反響,兩者都是導(dǎo)體,反響必須涉及電化學(xué)問題；c、實(shí)際上的渣金反響都是在高溫下進(jìn)行的,通常情況下,接口反響速度比通過邊界層的傳質(zhì)速度快,因此,該類反響往往受邊界層的傳質(zhì)速度限制.但有些情況下也受化學(xué)反響限制.10、試描述流化床反響器的形成過程氣體流速較低時(shí),氣體通過顆粒間流動(dòng)而顆粒根本不動(dòng)------固定床當(dāng)氣體流速增加,床層的孔隙率開始增大-----膨脹床當(dāng)氣體流速增加到某一臨界值以上,床層中的顆粒被流體托起-----流化床進(jìn)一步增加氣體流速,床層膨脹均勻、顆粒粒度分布均勻-----散式流化床氣體流速越高,氣泡造成的床層波動(dòng)〔擾動(dòng)〕越劇烈-----聚式流化床更大氣體流速會(huì)造成床層的節(jié)涌到達(dá)氣力輸送.11、試描述干風(fēng)格也循環(huán)流量模型的建模條件及其示意圖建模條件：a、把鋼液分為鋼液主體區(qū)和反響區(qū)兩局部；b、鋼液進(jìn)入反響區(qū)的各組元立即發(fā)生反響并平衡；c、離開反響區(qū)的鋼液與主體鋼液混合后再次進(jìn)入反響區(qū)；d、反響區(qū)的鋼液量遠(yuǎn)小于總鋼液量,其組元的元素積累可以忽略.示意圖見4-12(67)四、計(jì)算題1、定量描述流體-固體之間未反響收縮核模型的傳質(zhì)和化學(xué)反響過程數(shù)學(xué)模型解：當(dāng)傳質(zhì)為限制環(huán)節(jié)時(shí),其質(zhì)量流量可表述為：A傳質(zhì)到固體外表的mol通量為：Na=—Dac▽C+Xa(Na+Nc)(〔)其中：Dac一反響氣體/生成氣體之間的擴(kuò)散系[cm2/sec]Xa一流體中反響氣體A的mol分率Na—傳遞到固體外表的mol通量[mol/sec]Nc—產(chǎn)物C的mol通量[mol/sec]由于Na=—(1/C)Nc,那么(1)式可改寫為：NA=Vkm(CAb-CAs)km—傳質(zhì)系數(shù)[cm/sec]當(dāng)化學(xué)反響為限制環(huán)節(jié)時(shí),總反響速度可用單位面積上A的消失速度表示,此時(shí),Cas=CAb,Crs=CRb,A與B的消失計(jì)量關(guān)系為,其中,rc為顆粒半徑[cm],ps為顆粒密度[g/cm3]-S-2、解：1)當(dāng)固體的孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A分子的自由程時(shí)：DAe=——Dac當(dāng)A分子的平均自由程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體的孔徑時(shí)：DAe=Dak=B2,；8MA111當(dāng)A分子的平均自由程幾乎等于固體孔徑時(shí)：=+DAeDAKeDACe3、表述間歇流流反響器中均相反響,反響率隨時(shí)間的變化的數(shù)學(xué)模型.解：對(duì)整個(gè)反響器進(jìn)行物料衡算如下：流入量=流出量+反響量+累積量根據(jù)該反響器的反響特點(diǎn)可知,單位時(shí)間內(nèi)反響量=單位時(shí)間內(nèi)消失量對(duì)于等容過程中的液相反響那么有：4、解：根據(jù)活塞流反響器的反響特點(diǎn)：流入量=流出量+反響量+累積量對(duì)于長(zhǎng)度dl,斷面積為A的微元體,其物料衡算式如下：整理后得：

Cj0xjdXjV_xjdXCj0xjdXjV_xjdXj,或?=——=Cj0c)rjFj00Fj0其中是反響器的空時(shí),表示反響器體積與進(jìn)口流量之比.rj(1)對(duì)恒容體系：Xj=Cj.-CjCj0dXj…些Cj0那么〔1〕式可變?yōu)?Fj0Cj01CjdCj&Cj0rj八xjdXjFj0=Cj002CjdCj一w-j5、解：根據(jù)全混流反響器特點(diǎn)可知：流入量=流出量+反響量+累積量由于,6、解：所以km=9.57cm/sec2-7、解：根據(jù)3.37、3.38式中.°的定義,由.〔2的值可判斷出傳質(zhì)和化學(xué)反響都可能是該過程的限制環(huán)節(jié),把該值代入〔3.38〕式,計(jì)算得t=22.7minX—I當(dāng)rp=0.1mm時(shí),.2的值為0.05,傳質(zhì)阻力很小,反響受化學(xué)反響速度限制,那么,8、1〕解：首先計(jì)算反響時(shí)間,二級(jí)反響的時(shí)間與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式如下,要到達(dá)如上轉(zhuǎn)化率,可得轉(zhuǎn)化時(shí)間為：0.6為0.6時(shí)的0.6=2.5hr同理,可得轉(zhuǎn)化率同理,可得轉(zhuǎn)化率為轉(zhuǎn)化率為1.970.005(10.8時(shí)的轉(zhuǎn)化時(shí)間為:0.9時(shí)的轉(zhuǎn)化時(shí)間為:-0.6)606.77hr15.23hr2〕每小時(shí)的處理量為：20.4/24=0.85kmol/h,相應(yīng)體積為：0.85/0.005=170L/h,每批生產(chǎn)總時(shí)間為：6.77+1.5=8.27hr那么反響器的體積為：V=170X8.27/0.8=1757.4L

9、解：如果物系體積隨轉(zhuǎn)化率為線性變化,設(shè)初始體積為V0,氣體膨脹￡和V體積變化可用下式表示：V=V0〔1+89其中x為反響率,如反響率為1,那么氣體膨脹率￡可表示為：即,除反響物J以外,還有50%的惰性氣體,初始反響混合物的體積為2m3,反響完全轉(zhuǎn)化后,產(chǎn)物體積為2m3,因惰性氣體體積不變,貝U總體積為3m3;,3-2…eJ—2=50%從管式流動(dòng)反響器的根底關(guān)系式中可知,氣體膨脹率￡的增加將縮短反響物的停留時(shí)間.10、10、解：設(shè)金屬和爐渣的質(zhì)量分別為Wm、Ws,密度分別為pm、Ps,各相均為理想混合狀態(tài)狀態(tài),那么金屬相中的A成分的物料衡算式為:dCmdCmAdtka(CmA-CsA/Ls)(1)是渣是渣金的比外表積[1/cm];其中：a三一VmLs=Cm/Cs是雜質(zhì)元素在渣/金兩相間的分配系數(shù)該方程式的初始條件為：t=0,CmA=CmA0=0根據(jù)質(zhì)量守恒定律,A成分的表述式為：(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屬相的體積比.Vm把〔2〕式代入〔1〕式得：dCmA=ka[(CmA0/LsY-(1+1/LsY)CmA](3)dt1LsY1LsYexp[-(11/LsY)Kp](4)1LsY在初始條件下定積分上式得：CmA0其中：Kp三kat是渣金持續(xù)接觸反響時(shí)的反響系數(shù),是反響體系的動(dòng)力學(xué)因素.LsY代表爐渣吸收雜質(zhì)的A的水平.由上式可知?jiǎng)恿W(xué)因數(shù)越大,未反響率越小.當(dāng)Kpr^oo時(shí),下式成立.該式代表了反響體系所能到達(dá)的雜質(zhì)脫除限度：即Ls也越大,該限度越低.另外,當(dāng)Kp為有限值,雜質(zhì)脫除水平為無限大時(shí),〔4〕式右端取極限值那么有除類式為一級(jí)