《冶金反应工程学基础》

1绪论1

1.1 冶金科学的发展及冶金反应工程学1

1.2 冶金反应工程学的范畴及与相关学科的关系3

1.2.1 传递过程3

1.2.2 冶金宏观动力学4

1.2.3 过程解析5

1.2.4 比例放大6

1.3 冶金反应工程学的数学模型7

1.3.1 反应器内各主要反应的宏观动力学方程7

1.3.2 反应器内主要传递过程方程8

1.3.3 衡算方程8

1.3.4 方程中的系数9

1.4 冶金反应器的分类9

习题10

参考文献11

第一篇冶金宏观动力学概论13

2 气体-固体间反应16

2.1 引言16

2.2 不生成固体产物层的无孔颗粒与气体间反应16

2.2.1 反应过程描述及模型化16

2.2.2 反应过程数学模型的解18

2.3 生成固体产物层的无孔颗粒与气体间反应21

2.3.1 反应过程描述及模型化——缩小的未反应核模型21

2.3.2 反应过程数学模型的解及讨论23

2.3.3 反应过程数学模型解的扩展26

2.4 多孔固体与气体间反应27

2.4.1 多孔固体的气化反应27

2.4.2 有固体产物生成的多孔固体与气体间的反应31

习题34

参考文献35

3 气体-液体间反应36

3.1 气泡与液体间反应36

3.1.1 气泡的形成36

3.1.2 气泡在液体中的运动40

3.1.3 气泡与液体间的传质40

3.1.4 气泡与液体间的反应41

3.2 持续接触的气液相间反应42

3.2.1 气液间传质理论概述42

3.2.2 界膜模型在气液反应中的应用44

习题46

参考文献47

4.1 渣和金属反应概述48

4 液体-液体间反应48

4.2 渣和金属反应的速度表达式49

习题52

参考文献52

5 液体-固体间反应53

5.1 固体在液态金属中的溶解53

5.1.1 供热为控制步骤情况53

5.1.2 液体边界层内扩散为控制步骤情况54

5.2 浸出过程56

5.2.1 浸出反应过程56

5.2.2 浸出过程解析56

习题60

参考文献60

6.1.1 化学反应控制模型61

6.1 固体-固体加成反应模型61

6 固体-固体间反应61

6.1.2 扩散控制模型62

6.2 有气体中间产物的固-固反应模型64

6.2.1 模型表达式65

6.2.2 极限情况的讨论68

习题70

参考文献70

第二篇反应器理论基础71

7 理想反应器72

7.1 有关理想反应器的基本概念72

7.1.1 理想流动模型和理想反应器72

7.1.2 停留时间、空间时间和空间速度76

7.1.3 反应器分析与设计的基础80

7.2 间歇式全混槽83

7.2.1 基本方程83

7.2.2 等温操作的解85

7.2.3 绝热操作的解86

7.2.4 间歇式全混槽设计计算举例87

7.3 连续式全混槽89

7.3.1 基本方程90

7.3.2 等温等容解91

7.3.3 连续式全混槽设计计算举例93

7.4 半连续式全混槽94

7.4.1 第一种情况的物质衡算方程94

7.4.2 第二种情况的物质衡算方程96

7.4.3 热量衡算方程96

7.5.1 基本方程97

7.5 活塞流反应器97

7.5.2 绝热解和等温解100

7.5.3 活塞流反应器没计计算举例101

7.6 串联全混槽104

7.6.1 只有一种流体的情况104

7.6.2 有两种流体的情况105

7.7 理想反应器的比较107

7.7.1 操作特性的比较107

7.7.2 转化率的比较108

7.7.3 反应器容积的比较108

7.7.4 理想反应器数学模型的启示110

7.8 反应器选择的一般原则111

7.8.1 单一反应111

习题112

7.8.2 复杂反应112

参考文献114

8 非理想流动反应器116

8.1 停留时间分布117

8.1.1 停留时间分布概念117

8.1.2 停留时间分布函数117

8.2 停留时间分布函数的数学特性120

8.2.1 分布的均值t120

8.2.2 分布的方差σ2121

8.2.3 δ函数和单位阶梯函数122

8.2.4 卷积分124

8.2.5 传递函数126

8.3 停留时间分布的实验测定126

8.3.1 刺激-响应实验技术126

8.3.2 C曲线和E曲线129

8.3.3 F曲线130

8.3.4 闭式反应器中不同流动类型的F、C和E曲线131

8.4 停留时间分布信息的应用133

8.4.1 利用分布的方差判断流动类型133

8.4.2 利用分布曲线分析流体流动状态135

8.4.3 利用分布函数预测反应的效率136

8.5 非理想流动反应器数学模型142

8.5.1 扩散模型143

8.5.2 槽列模型157

8.5.3 组合模型168

8.5.4 示踪剂法测定技术和非理想流动模型在冶金中的应用举例181

习题189

参考文献191

9.2 冶金中应用的搅拌方式192

9.1 搅拌对冶金反应的意义192

9 搅拌和反应器内液体的混合192

9.3 气体搅拌193

9.3.1 气体搅拌的类型193

9.3.2 混合时间的实验测定194

9.3.3 τm与ε之间关系的理论分析198

9.3.4 气体搅拌功率的计算203

9.4 机械搅拌208

9.4.1 搅拌器的主要参数208

9.4.2 机械搅拌的功率密度210

9.5 电磁搅拌212

9.5.1 概述212

9.5.2 电磁搅拌的类型213

9.5.3 电磁搅拌的基本理论分析214

9.5.4 电磁搅拌在冶金中的应用举例220

习题223

参考文献224

第三篇典型冶金反应器的操作特性及解析方法226

10 冶金过程的物理模拟228

10.1 概述228

10.1.1 模化法——人类认识自然的一种科学的研究方法228

10.1.2 物理模拟实验的意义229

10.1.3 物理模拟的一般原则230

10.1.4 冶金研究中物理模型的分类231

10.2 相似特征数的求法231

10.2.1 相似原理——物理模拟的理论基础231

10.2.2 相似特征数的求法235

10.2.3 无因次方程的获得249

10.3.1 探索性实验252

10.3 物理模拟实验252

10.3.2 确定物理模型实验条件254

10.3.3 半严格的物理模型实验256

10.3.4 1:1几何相似比的应用268

10.3.5 流动显示和测试技术简介269

习题270

参考文献271

11 数学模拟和数学模型化方法272

11.1 数学模型的分类272

11.1.1 按对现象认识程度的数学模型分类272

11.1.2 按其他特征的数学模型分类274

11.2 建立数学模型的步骤274

11.2.1 初步研究275

11.2.2 建立数学模型275

11.2.3 模型参数的估算276

11.2.4 编制程序和计算277

11.2.5 数学模型适用性检验277

11.3 数学模型的选择278

习题279

参考文献279

12 冶金气-固反应器280

12.1 固定床反应器操作特性解析281

12.1.1 非催化反应等温固定床操作特性解析281

12.1.2 以气体净化为目的的固定床操作解析288

12.2 移动床反应器操作特性解析291

12.2.1 移动床反应器操作解析概述292

12.2.2 逆流式移动床反应器等温操作解析292

12.2.3 非等温逆流式移动床反应器内的温度分布296

12.3 流化床反应器300

12.3.1 流化床反应器操作解析概述301

12.3.2 间歇式等温非催化反应流化床反应器的操作解析302

12.3.3 多段连续式等温流化床反应器的操作解析304

12.3.4 流化床反应器的两相模型307

12.4 回转窑反应器311

12.4.1 回转窑操作特点及数学模型概述312

12.4.2 回转窑过程数学模型及其应用317

习题327

参考文献328

13 冶金气-液反应器331

13.1 冶金气-液反应器及其数学模型研究概述331

13.2 氧气射流及液面冲击坑的形状和表面积332

13.2.1 拉伐尔喷嘴的氧气射流332

13.2.2 液面冲击坑的形状和表面积335

13.3 底吹氢钢包流动的数学模型337

13.3.1 气液两相流模型337

13.3.2 流函数-涡量法342

13.4 真空脱气反应器(钢包)的数学模型345

13.4.1 RH真空脱气过程模型345

13.4.2 RH真空脱气钢包内钢水流动及脱碳反应模型349

习题354

参考文献354

14 冶金液-液反应器356

14.1 渣全反应为主的冶金反应器操作解析概述356

14.2 不同接触方式的渣金反应操作解析358

14.2.1 间歇式持续接触358

14.2.2 渣滴连续通过金属相的短促接触361

14.2.3 金属滴连续通过渣相的短促接触362

14.2.4 连续式渣金两相逆流接触364

14.3 浸入式喷粉精炼过程数学模型365

14.3.1 模型假定366

14.3.2 基本方程的推导366

14.3.3 渣相中硫化物饱和时的修正368

14.3.4 数值计算方法及对喷粉实验的模拟计算结果370

习题372

参考文献372

附录Ⅰ 物理量和化学量的因次374

附录Ⅱ 常用无因次特征数376

附录Ⅲ 不同坐标系中的Navier-Stokes方程和扩散方程378

附录Ⅳ 常用物质的物性值选辑381

主题索引383

主要符号表386