冶金反應(yīng)工程學(xué)考試題答案

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定量液體流動傳熱傳質(zhì)反響器生產(chǎn)效率產(chǎn)品質(zhì)量3實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反響機理求反響速率常數(shù)k和反響級數(shù)n5三傳物質(zhì)、熱量、動量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散10機理半經(jīng)驗黑箱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a、由于劇烈攪拌,反響器內(nèi)物料濃度到達分子尺度上的均勻,且反響器內(nèi)濃度處處相等,因而排除了物質(zhì)傳遞對反響得影響.b、具有足夠強的傳熱條件,溫度始終相等,無需考慮反響器內(nèi)的傳遞問題.c、物料同時參加并同時停止反響,所有物料具有相同的反響時間.2:、活塞流反響器的特點a、連續(xù)定態(tài)下,各個截面上的各種參數(shù)只是位置的函數(shù),不隨時間變化.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間.3、全混流反響器的特點反響器內(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、停留時間物料從進入反響器開始到離開反響器為止,在反響器中所經(jīng)歷的時間.它與化學(xué)反響時間直接相關(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)缺點優(yōu)點：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間；c、可調(diào)節(jié)和限制反響體系的溫度分布.缺點：a、間歇式非穩(wěn)態(tài)過程,更換物料需要時間,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、移動床反響器的特點及其應(yīng)用范圍特點：a、反響氣體通過固料填充層流動,與固定床特性相似：b、固體物料在床層間緩慢了流動,原料顆?？梢赃B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、顆粒運動接近全混流,需要采用多級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.9、高溫爐渣/金屬液-液相反響的動力學(xué)特點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、實際上的渣金反響都是在高溫下進行的,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)量擴散速度常數(shù)$--無因次產(chǎn)物層質(zhì)量擴散速度常數(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---無因次時間a---持續(xù)接觸反響無因次速度常數(shù)b---上浮期間移動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〔簡化〕建模：運用流動、混合和分布函等概念,簡化條件,通過動量、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)計和生產(chǎn)過程的最優(yōu)化操作條件；d、驗證：用實際生產(chǎn)過程的反響器驗證該數(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、反響機理----原料〔反響物〕如何到達反響區(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+混合+質(zhì)量能量傳遞的反響速度表達式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)反響速度式確實定步驟a、弄清化學(xué)反映本鎮(zhèn)的規(guī)律〔熱力學(xué)、動力學(xué)〕；b、弄清試驗體系內(nèi)物質(zhì)的“三傳〞規(guī)律；c、用捂著、熱量、動量平衡關(guān)系聯(lián)立求解a、b間的相互聯(lián)系.5、簡述流體-固體反響得特點反響物和生成物在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,選擇全混流反響器b、對于單一反響,反響級數(shù)較高,需采用間歇或活塞流反響器c、對于復(fù)雜反響,反響級數(shù)較低,那么采用全混流反響器7、試表達活塞流反響器的空時與停留時間的關(guān)系如果化學(xué)反響體系為恒容反響,那么其空時與停留時間相等.如果化學(xué)反響體系為膨脹反響,那么其空時小于停留時間.如果化學(xué)反響體系為收縮反響,那么其空時大于停留時間.8、是論述把冶金過程變?yōu)閿?shù)學(xué)模型的必備知識和步驟其必備知識為：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〕的條件確定動力學(xué)方程、動量平衡方程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象的質(zhì)量、熱量與時間的變化關(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)反響動力學(xué)特點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、實際上的渣金反響都是在高溫下進行的,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,氣體通過顆粒間流動而顆粒根本不動------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〔擾動〕越劇烈-----聚式流化床更大氣體流速會造成床層的節(jié)涌到達氣力輸送.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入反響區(qū)；d、反響區(qū)的鋼液量遠小于總鋼液量,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,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,總反響速度可用單位面積上A的消失速度表示,此時,Cas=CAb,Crs=CRb,A與B的消失計量關(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)固體的孔徑遠遠大于A分子的自由程時：DAe=——Dac當(dāng)A分子的平均自由程遠遠大于固體的孔徑時：DAe=Dak=B2,；8MA111當(dāng)A分子的平均自由程幾乎等于固體孔徑時：=+DAeDAKeDACe3、表述間歇流流反響器中均相反響,反響率隨時間的變化的數(shù)學(xué)模型.解：對整個反響器進行物料衡算如下：流入量=流出量+反響量+累積量根據(jù)該反響器的反響特點可知,單位時間內(nèi)反響量=單位時間內(nèi)消失量對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：流入量=流出量+反響量+累積量對于長度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,表示反響器體積與進口流量之比.rj(1)對恒容體系：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,計算得t=22.7minX—I當(dāng)rp=0.1mm時,.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：首先計算反響時間,二級反響的時間與轉(zhuǎn)化率的關(guān)系式如下,要到達如上轉(zhuǎn)化率,可得轉(zhuǎn)化時間為：0.6為0.6時的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時的轉(zhuǎn)化時間為:0.9時的轉(zhuǎn)化時間為:-0.6)606.77hr15.23hr2〕每小時的處理量為：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)接觸反響時的反響系數(shù),是反響體系的動力學(xué)因素.LsY代表爐渣吸收雜質(zhì)的A的水平.由上式可知動力學(xué)因數(shù)越大,未反響率越小.當(dāng)Kpr^oo時,下式成立.該式代表了反響體系所能到達的雜質(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,〔4〕式右端取極限值那么有除類式為一級