冶金反應(yīng)工程

冶金反應(yīng)工程結(jié)課論文化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)正是研究流動(dòng)、混合、傳熱、傳質(zhì)等宏觀動(dòng)力學(xué)因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響 的學(xué)科從本質(zhì)上說(shuō)，冶金工程是化學(xué)工程的一種，習(xí)慣上人們稱冶金為高溫化工冶金反 應(yīng)工程學(xué)是應(yīng)用傳輸過(guò)程理論和冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)等來(lái)研究冶金生產(chǎn)及其設(shè)備的合理設(shè)計(jì)、最 優(yōu)操作、最優(yōu)控制的工程理論和方法的學(xué)科，它是建立在現(xiàn)代工藝?yán)碚?、現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和現(xiàn) 代計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上的正在發(fā)展的新學(xué)科和反應(yīng)器緊密結(jié)合傳統(tǒng)開發(fā)途徑：“實(shí)驗(yàn)室一一中間試驗(yàn)一一工業(yè)生產(chǎn)”冶金反應(yīng)工程的特點(diǎn)是在宏觀動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上更多地考慮操作條件和反應(yīng)器，主要內(nèi)容 有：① 反應(yīng)器內(nèi)的基本現(xiàn)象；② 反應(yīng)器的比擬放大設(shè)計(jì)；③ 過(guò)程的最優(yōu)化；④ 反應(yīng)器動(dòng)態(tài)特性；⑤ 冶金過(guò)程的數(shù)學(xué)、物理模擬中間試驗(yàn)曾被譽(yù)為工業(yè)化的搖籃但在計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用后，依據(jù)反應(yīng)工程學(xué)的原理作數(shù) 學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，可以減少中間試驗(yàn)層次實(shí)現(xiàn)高倍數(shù)放大，甚至直按利用實(shí)驗(yàn)室資料設(shè)計(jì)反應(yīng)器， 這就使得研制新工藝的速度大大加快，代價(jià)顯著減少冶金反應(yīng)工程學(xué)在冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)和傳輸理論的基礎(chǔ)上解析冶金過(guò)程的各種特性，尋求 過(guò)程中各主要參變量之間的相互關(guān)系，找出其數(shù)學(xué)表達(dá)式(數(shù)學(xué)模型)；根據(jù)各種假設(shè)和實(shí) 驗(yàn)條件，利用計(jì)算機(jī)解出各參變量之間的定量關(guān)系，借以確定最優(yōu)的反應(yīng)設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝操 作參數(shù)，以達(dá)到操作自動(dòng)控制的目的。

由物質(zhì)轉(zhuǎn)化的綜合反應(yīng)速度式，結(jié)合物料平衡、熱量平衡及動(dòng)量平衡建立的冶金過(guò)程數(shù) 學(xué)模型是冶金反應(yīng)工程學(xué)的關(guān)鍵性問(wèn)題早在60年代，冶金過(guò)程數(shù)學(xué)模型的研究已開始進(jìn) 行1969年召開了第一次冶金過(guò)程數(shù)學(xué)模型國(guó)際會(huì)議1973年召開了第一次鋼鐵冶金過(guò)程 數(shù)學(xué)模型國(guó)際會(huì)議鞭巖和森山昭合寫的第一本命名為《冶金反應(yīng)工程學(xué)》的專著于1972 年問(wèn)世，對(duì)鋼鐵冶金過(guò)程及其反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行了較系統(tǒng)的分析1971年賽凱伊(J.Szekely)和 西梅利斯(N.J. Themelis)所著的《冶金過(guò)程中的速率現(xiàn)象》和1979年孫(H.Y.Sohn)和沃茲沃 斯(M.E. Wadsworth)合寫的《提取冶金過(guò)程的速率》二書，對(duì)火法及濕法冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)作 了較全面的論述這些專門著作對(duì)冶金反應(yīng)工程學(xué)的建立發(fā)展起了促進(jìn)的作用中國(guó)冶金學(xué) 家葉渚沛在60年代初期就明確提出把傳輸現(xiàn)象的概念及計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到冶金過(guò)程研究的 建議70年代后期，中國(guó)冶金工作者開展了噴射冶金、高爐煉鐵、真空脫氣、連鑄等方面 的數(shù)學(xué)模型工作，取得了一些成果在1957年第一次歐洲化學(xué)反應(yīng)工程會(huì)議確認(rèn)了化學(xué)反應(yīng)工程這個(gè)名稱后，1971年，日本邊讖和森山昭共教授首次提出了冶金反應(yīng)工程學(xué)這一名詞，同時(shí)出版了“冶金反應(yīng)工程學(xué)” 專著。

之后，該專著在國(guó)內(nèi)翻譯和出版，之后，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也出版了一些與冶金反應(yīng)工 程學(xué)相關(guān)的專著這些促進(jìn)了反應(yīng)工程學(xué)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)近十幾年的快速發(fā)展，目前 已經(jīng)成為冶金學(xué)科內(nèi)活躍的研究領(lǐng)域.冶金學(xué)學(xué)科中的冶金物理化學(xué)經(jīng)過(guò)近百年的不斷地發(fā)展和完善，形成了自身的一套完整 的體系和結(jié)構(gòu)，其中的反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究方法成為了冶金學(xué)學(xué)科體系中一個(gè)重要的理論 基礎(chǔ)在日本邊讖教授和森山昭教授的冶金反應(yīng)工程學(xué)一書中，其反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究方 法和內(nèi)容主要是來(lái)自已經(jīng)成熟冶金物理化學(xué)中的內(nèi)容，在國(guó)內(nèi)的學(xué)者出版的冶金反應(yīng)工程學(xué) 的相關(guān)專著中也在沿用該思路國(guó)內(nèi)著名學(xué)者對(duì)冶金反應(yīng)工程學(xué)的內(nèi)涵提出了一些看法，認(rèn)為在相關(guān)的冶金反應(yīng)工程 學(xué)的專著中，對(duì)冶金反應(yīng)工程學(xué)和冶金物理化學(xué)兩領(lǐng)域在學(xué)科內(nèi)容及研究方法上存有分歧， 或有不同程度的混淆其中最為突出的是在冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究方面冶金反應(yīng)工程學(xué)學(xué) 科作為一門獨(dú)立的學(xué)科，應(yīng)該有自身獨(dú)立的體系和結(jié)構(gòu)，對(duì)冶金反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)也須按其需 要來(lái)建立相應(yīng)獨(dú)立的研究方法.本文提出了用分段嘗試法研究冶金反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)的新思 路，比較了與冶金物理化學(xué)中冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法和結(jié)果的差異分段嘗試法可以作為冶金 反應(yīng)工程學(xué)中研究反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)的方法，對(duì)該研究方法進(jìn)一步的發(fā)展進(jìn)行了討論。

與冶金 物理化學(xué)中研究反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法完全不同的分段嘗試法，既可提供求解傳輸和化學(xué)反應(yīng)過(guò)程 必要的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，又能為建立獨(dú)立的冶金反應(yīng)工程學(xué)學(xué)科體系提供必要的保障冶金過(guò)程涉及到極其復(fù)雜的多相反應(yīng)，高溫下的測(cè)試手段尚不甚完備，取得的信息難以 精確穩(wěn)定，以及中間產(chǎn)物和金屬產(chǎn)品常伴有偏析、有害雜質(zhì)、非金屬夾雜以及表面及晶體缺 陷等問(wèn)題，使得現(xiàn)有的冶金反應(yīng)工程學(xué)理論對(duì)這些特殊性，難以進(jìn)行正確而系統(tǒng)的分析和研 究現(xiàn)階段仍處于利用經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)冶金反應(yīng)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對(duì)現(xiàn)有冶金過(guò)程體系及 設(shè)備的最優(yōu)化操作及全面的自動(dòng)控制，有許多問(wèn)題尚待研究解決一、冶金反應(yīng)工程學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展1. 化學(xué)工程學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展化學(xué)工業(yè)除冶金外，還包括陶瓷、釀造、造紙、制堿、制酸、有機(jī)合成、石油化工等許 多工業(yè)部門相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，它們被看作互不相關(guān)的部門獨(dú)立地緩慢地發(fā)展著，技術(shù)的傳 授只能靠師傅的經(jīng)驗(yàn)后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)在各不相同的化工過(guò)程中，可以概括和抽象出一些共 同的原理系統(tǒng)研究這些過(guò)程的本質(zhì)和共同規(guī)律，就促進(jìn)了化學(xué)工程學(xué)的發(fā)展，形成一門獨(dú) 立的學(xué)科五十年代中期以前，化學(xué)工程學(xué)還限于物理過(guò)程作為研究對(duì)象，即研究單元操作 所謂單元操作是指具有共同的物理規(guī)律的操作過(guò)程。

化學(xué)工廠可看作若干單元操作組成的系 統(tǒng)然而，單元操作不能解決有化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程1957年第一屆歐洲化學(xué)工程學(xué)討論會(huì)提 出以研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程為中心的化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)所謂化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)，即將化學(xué)動(dòng)力學(xué)和 傳遞工程學(xué)相結(jié)合，以化學(xué)反應(yīng)為中心的工程科學(xué)，研究對(duì)象是工業(yè)規(guī)模的反應(yīng)器近三十 年來(lái)，隨著石油化學(xué)工業(yè)各種催化反應(yīng)被廣泛應(yīng)用和生產(chǎn)規(guī)模的大型化，對(duì)反應(yīng)技術(shù)和反應(yīng) 器設(shè)計(jì)的要求日益提高，化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)有了迅速的發(fā)展2. 冶金反應(yīng)工程學(xué)的產(chǎn)生冶金工程的科學(xué)化是從三十年代把化學(xué)熱力學(xué)引入冶金領(lǐng)域開始的，長(zhǎng)期以來(lái)，冶金 過(guò)程熱力學(xué)的研究有了顯著的進(jìn)展并對(duì)冶金工藝進(jìn)步起了重要作用熱力學(xué)只解決過(guò)程的方 向和限度，不描述反應(yīng)的過(guò)程化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究反應(yīng)物質(zhì)隨時(shí)間變化的過(guò)程，但它從分子角 度研究反應(yīng)的速率和機(jī)理，所以是微觀動(dòng)力學(xué)在其研究對(duì)象中，反應(yīng)速率僅受溫度、濃度 和時(shí)間的影響，和裝置的規(guī)模無(wú)關(guān)在工業(yè)規(guī)模反應(yīng)器中，由于流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的影響， 溫度、濃度、反應(yīng)時(shí)間的分布并不均勻，這必然影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行在存在流動(dòng)、傳熱、 傳質(zhì)現(xiàn)象時(shí)研究化學(xué)反應(yīng)速率和機(jī)理，稱為宏觀動(dòng)力學(xué)化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)正是研究流動(dòng)、混 合、傳熱、傳質(zhì)等宏觀動(dòng)力學(xué)因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響。

因此，借鑒化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的概念和 研究方法，提出了冶金反應(yīng)工程學(xué)這門學(xué)科3. 冶金反應(yīng)工程學(xué)的發(fā)展在冶金方面由于其高溫特點(diǎn)，反應(yīng)速率大多受傳質(zhì)所控制，動(dòng)力學(xué)研究和傳輸現(xiàn)象的關(guān) 系更為密切目前，冶金反應(yīng)工程學(xué)和冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)的研究是交叉進(jìn)行的日本學(xué)者鞭巖 在本領(lǐng)域系統(tǒng)進(jìn)行了研究并首先發(fā)表了名為“冶金反應(yīng)工學(xué)”的專著，其他學(xué)者，如F.Oeters 也開設(shè)了相近大案課程他們一般應(yīng)用傳輸現(xiàn)象理論和數(shù)學(xué)物理模擬技術(shù)分析冶金過(guò)程八 十年代以來(lái)，我國(guó)有更多冶金工作者認(rèn)識(shí)到傳輸現(xiàn)象和反應(yīng)工程在冶金研究中的重要性，已 召開了多屆冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)工程學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)，在噴射冶金、復(fù)合吹煉、連鑄工藝等 方面，也都做了一些基礎(chǔ)研究工作二、冶金反應(yīng)工程學(xué)的內(nèi)容和任務(wù)1. 冶金反應(yīng)工程研究?jī)?nèi)容和化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)基本相同，包括：（1） 研究反應(yīng)器內(nèi)的基本現(xiàn)象研究反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的控制環(huán)節(jié)，以及流動(dòng)、傳熱、 傳質(zhì)等宏觀因素的特征和它們對(duì)反應(yīng)速率的影響2） 研究反應(yīng)器比擬放大設(shè)計(jì)依據(jù)宏觀動(dòng)力學(xué)的規(guī)律，把實(shí)驗(yàn)裝置科學(xué)地放大到工業(yè) 規(guī)模，確定反應(yīng)器的形狀、大小和反應(yīng)物達(dá)到的轉(zhuǎn)化程度3） 過(guò)程優(yōu)化在給定的反應(yīng)器工藝和設(shè)備條件及原料和產(chǎn)品條件（統(tǒng)稱為約束條件） 下，選擇最合適大操作方法達(dá)到最好的生產(chǎn)目標(biāo)。

生產(chǎn)目標(biāo)除產(chǎn)量、消耗、成本等 因素外還包括環(huán)境、安全等為運(yùn)用最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法，把要達(dá)到的目標(biāo)用函數(shù)形式 表達(dá)，稱為目標(biāo)函數(shù)4） 反應(yīng)器的動(dòng)態(tài)特性研究反應(yīng)器的穩(wěn)定性和響應(yīng)性，即當(dāng)過(guò)程受到擾動(dòng)后，過(guò)程所 發(fā)生的變化以及時(shí)間滯后情況，以找到有效的控制方法2. 與一般的化工過(guò)程相比，冶金過(guò)程有自己的特點(diǎn)：（1） 高溫過(guò)程，過(guò)程監(jiān)控困難；（2） 高溫過(guò)程，過(guò)程的限制環(huán)節(jié)是傳質(zhì)，最少涉及催化反應(yīng)；（3） 冶金過(guò)程涉及大原料多，因此副反應(yīng)多；（4） 冶金過(guò)程涉及的原料、熔渣的性質(zhì)未完全測(cè)定；（5） 冶金產(chǎn)品不僅有成分要求，還有結(jié)構(gòu)、夾雜等的要求；（6） 冶金爐的設(shè)計(jì)基本上靠經(jīng)驗(yàn)3. 根據(jù)冶金過(guò)程的特點(diǎn)，冶金反應(yīng)工程學(xué)的任務(wù)主要有：（1） 解析冶金過(guò)程；（2） 優(yōu)化操作工藝；（3） 過(guò)程控制三、冶金反應(yīng)工程學(xué)的研究方法對(duì)研究對(duì)象用數(shù)學(xué)語(yǔ)言作出定量描述，也就是建立數(shù)學(xué)模型1）流體的流動(dòng)、2）傳熱、3）傳質(zhì)、4）化學(xué)反應(yīng)這四種現(xiàn)象，對(duì)于這些現(xiàn)象部有其基本的數(shù)學(xué)解析式可以描述求得方 程的數(shù)值解進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的最大困難往往在于確定邊界條件和方程中的系數(shù)合理的簡(jiǎn)化 是經(jīng)常使用的方法，這種簡(jiǎn)化不同于數(shù)學(xué)上的近似計(jì)算，而是建立在對(duì)過(guò)程的物理本質(zhì)的深 刻理解和高度概括的基礎(chǔ)上的。

模型雖經(jīng)簡(jiǎn)化但仍能抓住過(guò)程的主要矛盾模型中所用的 系數(shù)可以測(cè)定，也可從文獻(xiàn)資料中查找往往要用關(guān)聯(lián)式加以計(jì)算或在模型中作為待定參數(shù)， 通過(guò)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相匹配的方法，進(jìn)行參數(shù)估計(jì)高溫下的冶金反應(yīng)器難以直接觀察，常 需要用相似模型進(jìn)行研究物理模型也是反應(yīng)工程學(xué)中常用的一種方法1. 建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究（1） 反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生現(xiàn)象的數(shù)學(xué)描述：I） 流動(dòng)過(guò)程：Navier—Stokes方程；II） 傳熱過(guò)程：Fourier定律；III） 傳質(zhì)過(guò)程:Fick定律；W）化學(xué)反應(yīng)：質(zhì)量作用定律（2） 建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，要對(duì)整個(gè)體系或其中一部分進(jìn)行質(zhì)量、能量、動(dòng)量的平衡計(jì)算，列 出衡算方程針對(duì)控制體，即衡算對(duì)象的空間范圍，進(jìn)行衡算輸入速率—輸出速率一'消耗速率=積累速率『整個(gè)體積一宏觀衡算可以得到參量之間的關(guān)系式，實(shí)用性大控制體可以取：］'微元體一微分衡算可以得到體內(nèi)的溫度、濃度和流速分布要計(jì)算出上述衡算方程，還要給出方程系數(shù)、邊界條件、初始條件2. 建立物理模型進(jìn)行研究進(jìn)行物理模型研究的原因：（1） 由于高溫測(cè)試手段頗不完備，對(duì)高溫下的冶金反應(yīng)器難以直接觀測(cè)，常需要用相似模 型進(jìn)行研究即，用冷模型進(jìn)行研究；（2） 過(guò)程無(wú)法用數(shù)學(xué)模型描述時(shí)可以用物理模型研究，由因次分析方法給出對(duì)象的描述方程；（3）可以用物理模型檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型。

四、冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)冶金物理化學(xué)中的冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是冶金過(guò)程物理化學(xué)學(xué)科的一個(gè)重要組成部分冶金 過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究分析冶金過(guò)程進(jìn)行的速度及機(jī)理，求出其中限制速度的環(huán)節(jié)，提高反應(yīng)強(qiáng)度 及縮短反應(yīng)時(shí)間的途徑伴隨化學(xué)反應(yīng)的冶金過(guò)程，其反應(yīng)速度除受溫度、壓力和化學(xué)組 成及結(jié)構(gòu)等因素的影響外，其反應(yīng)過(guò)程還受冶金反應(yīng)設(shè)備內(nèi)的不同傳輸過(guò)程（物體流動(dòng)、熱 量傳遞及物質(zhì)擴(kuò)散）的影響如果僅研究在不同條件下，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的途徑和反應(yīng)機(jī)理，該研究方法稱為微觀動(dòng)力 學(xué)，也即通常在物理化學(xué)中的化學(xué)動(dòng)力學(xué)如同時(shí)還考慮在伴有傳質(zhì)、傳熱及物質(zhì)流動(dòng)的傳 輸過(guò)程情況下，研究化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的速度及機(jī)理則稱為宏觀動(dòng)力學(xué)冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)屬于宏 觀動(dòng)力學(xué)的范疇冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)是考慮整個(gè)反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程，化學(xué)動(dòng)力學(xué)相比存在下列不同點(diǎn)：反應(yīng)速 度有不同而更多的表示方法；由于冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)涉及到多相反應(yīng)，它不研究均相內(nèi)部的反 應(yīng)速度，而更多地研究全過(guò)程的綜合反應(yīng)速度；冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)不著重研究反應(yīng)的機(jī)理，而 著重研究整個(gè)多相反應(yīng)的過(guò)程中控制速度的環(huán)節(jié)冶金物理化學(xué)中冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)有不同的研究方法對(duì)氣固相的反應(yīng)，常用源于化學(xué)動(dòng) 力學(xué)作出中間產(chǎn)物濃度不變的假設(shè)的穩(wěn)態(tài)處理法，在冶金反應(yīng)動(dòng)力學(xué)認(rèn)為各個(gè)反應(yīng)步驟的速 度近似地相等，進(jìn)一步發(fā)展為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理法。

在有液相界面時(shí)，采用虛設(shè)的最大速度處理法 如對(duì)液-液相反應(yīng)，可假定在界面上只有一個(gè)元素的濃度等于平衡濃度，其余元素的濃度均 等于溶液內(nèi)部的濃度，則可以得到不同元素由金屬相向熔渣和由熔渣向金屬轉(zhuǎn)移的最大速度 通過(guò)每個(gè)元素的計(jì)算，即可求出最慢步驟，即速度的控制性環(huán)節(jié)在研究物理化學(xué)中研究氣固反應(yīng)采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)處理方法所得到的模型可進(jìn)一步分成：1） 整體反應(yīng)模型：Ishida和Wen提出當(dāng)固體顆粒為孔隙率較高的多孔物質(zhì)，且化學(xué)反應(yīng)速率相對(duì)較小 時(shí)，反應(yīng)流體可擴(kuò)散到固體顆粒的中心，此時(shí)反應(yīng)在整個(gè)顆粒內(nèi)連續(xù)發(fā)生.于是可將多孔固 體基質(zhì)看成是均勻介質(zhì)，并用均勻速率常數(shù)描述氣固反應(yīng)2） 縮核未反應(yīng)核模型：縮核未反應(yīng)核模型是應(yīng)用最為廣泛的氣、固非催化反應(yīng)模型，其特征是反應(yīng)只在固體顆 粒內(nèi)部產(chǎn)物與未反應(yīng)固相的界面上進(jìn)行，反應(yīng)表面由表及里不斷向固體顆粒中心收縮，未反 應(yīng)核逐漸縮小.縮核模型有2種情況：一種是反應(yīng)過(guò)程中顆粒大小不變，另外一種是顆粒 體積不斷縮小這2種情況的動(dòng)力學(xué)機(jī)理有所區(qū)別Yagi和Kunli較早就將縮核模型應(yīng)用 到鐵氧化物的還原當(dāng)中了3）微粒模型假定：固體顆粒由無(wú)數(shù)個(gè)大小均勻一致的球形微粒構(gòu)成，每個(gè)微粒按照縮合反應(yīng)模型進(jìn)行反 應(yīng)；反應(yīng)后固體顆粒的孔隙率與微粒大小均不變；就整個(gè)固體顆粒來(lái)講，反應(yīng)區(qū)在擴(kuò)散區(qū) 內(nèi)，并隨擴(kuò)散區(qū)域由顆粒外表面向中心逐漸推進(jìn)。

4）破裂芯模型假定：固體反應(yīng)物的原始狀態(tài)是致密無(wú)孔的，在氣體反應(yīng)物的作用下逐漸破裂為易穿孔的細(xì)粒. 破裂后形成的細(xì)粒按縮核模型與反應(yīng)氣體反應(yīng).這種模型比較適用于Fe3O4被CO還原5）混合反應(yīng)模型：由于大部分的氣固非催化反應(yīng)過(guò)程較為復(fù)雜，用前面的各模型計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果僅 在部分的區(qū)域內(nèi)能夠吻合，為了使模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果盡可能的在較寬的范圍內(nèi)吻合， 引入了混合反應(yīng)模型，即反應(yīng)速率與濃度（或分壓）n次方成正比其中混合模型的使用較 為普遍，特別是在采用失重（還原）率后，沒(méi)有對(duì)濃度量綱的限制，n往往是分?jǐn)?shù)，而不是 整數(shù)由于放棄了反應(yīng)模型的物理意義，不能得到反應(yīng)過(guò)程反應(yīng)速度常數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)得到 的是不同失重（還原）率的表觀活化能，然后根據(jù)表觀活化能的大小來(lái)定性確定不同過(guò)程的 控制環(huán)節(jié)和過(guò)渡區(qū)盡管n采用了分?jǐn)?shù)，但有時(shí)模型計(jì)算的曲線與試驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)據(jù)也不能很 好的擬合五、 冶金反應(yīng)工程學(xué)與傳統(tǒng)的冶金學(xué)的區(qū)別和聯(lián)系冶金反應(yīng)工程學(xué)是用化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的理論和方法來(lái)研究冶金過(guò)程及其反應(yīng)設(shè)備的合 理設(shè)計(jì)最優(yōu)操作和最優(yōu)控制的工程理論它在冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)和傳輸理論的基礎(chǔ)上解析冶金 過(guò)程的各種特性，尋求過(guò)程中各主要參變量之間的相互關(guān)系，找出其數(shù)學(xué)表達(dá)式（數(shù)學(xué)模型）； 根據(jù)各種假設(shè)和實(shí)驗(yàn)條件，利用計(jì)算機(jī)解出各參變量之間的定量關(guān)系，借以確定最優(yōu)的反應(yīng) 設(shè)備設(shè)計(jì)和工藝操作參數(shù)，以達(dá)到操作自動(dòng)控制的目的。

冶金反應(yīng)工程學(xué)是在現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)技 術(shù)、工藝?yán)碚摵陀?jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上正在發(fā)展而尚未成熟的邊緣學(xué)科冶金學(xué)是研究從礦石中提取金屬或金屬化合物，用各種加工方法制成具有一定性能的金 屬材料的學(xué)科它以研究金屬的制取、加工和改進(jìn)金屬性能的各種技術(shù)為起點(diǎn)，發(fā)展到對(duì)金 屬的成分、組織結(jié)構(gòu)、性能和有關(guān)基礎(chǔ)理論的研究冶金學(xué)是在化學(xué)的基礎(chǔ)上誕生的，冶金反應(yīng)工程學(xué)是借鑒化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的概念和研究 方法提出來(lái)的所以說(shuō)冶金反應(yīng)工程學(xué)與傳統(tǒng)的冶金學(xué)都是以化學(xué)為基礎(chǔ)的學(xué)科六、 冶金宏觀動(dòng)力學(xué)與傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)區(qū)別和聯(lián)系化學(xué)動(dòng)力學(xué)主要是研究化學(xué)反應(yīng)的速率，研究各種外在因素對(duì)反應(yīng)速率的影響；研究物質(zhì) 的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與反應(yīng)性能的關(guān)系，探討能夠解釋這種反應(yīng)速率規(guī)律的可能機(jī)理，為最優(yōu)化 控制反應(yīng)提供理論依據(jù)它包括以下三個(gè)層次的研究?jī)?nèi)容：1）宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)它是以宏 觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，研究從復(fù)合反應(yīng)到基元反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)行為，由于這方面的研究 在化工生產(chǎn)中起著十分重要的作用，所以它在理論和應(yīng)用的研究上獲得了很大的發(fā)展；2） 基元反應(yīng)動(dòng)力學(xué)它是以大量的微觀分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為為出發(fā)點(diǎn)，借助于統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方 法，研究宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)行為；3）分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。

這是近年來(lái)新發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域，它通 過(guò)分子束散射技術(shù)和遠(yuǎn)紅外化學(xué)冷光，憑借于量子力學(xué)的理論模型，研究單個(gè)分子通過(guò)碰撞 發(fā)生變化的動(dòng)力學(xué)行為它的主要研究領(lǐng)域包括：分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、催化動(dòng)力學(xué)、基元反應(yīng)動(dòng) 力學(xué)、宏觀動(dòng)力學(xué)、表觀動(dòng)力學(xué)等多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（宏觀動(dòng)力學(xué)）：研究多相體系的動(dòng)力學(xué)，化學(xué)反應(yīng)在不同的界面上發(fā)生， 反應(yīng)物要從相內(nèi)部傳輸?shù)椒磻?yīng)界面，并在界面處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成物要從界面處離開在 該體系內(nèi)，界面是很重要的參數(shù)多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)最終得到的綜合反應(yīng)速度，既考慮了化學(xué) 反應(yīng)本身的速度，又考慮了伴隨反應(yīng)發(fā)生的各種傳遞過(guò)程的速度，但不追究化學(xué)反應(yīng)本身的 微觀機(jī)理冶金動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)雖然是化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及傳輸原理，但從另一個(gè)角度來(lái)看更多的是機(jī) 構(gòu)的假設(shè)和數(shù)學(xué)推演，以及由此而來(lái)的數(shù)學(xué)模型研究冶金動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要目的是利用數(shù) 學(xué)方法來(lái)描述、預(yù)測(cè)整個(gè)反應(yīng)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)歷程冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)探討伴有物質(zhì)傳遞、能量傳遞及動(dòng)量傳遞等現(xiàn)象下反應(yīng)的速度及機(jī)理、 明確控制反應(yīng)速度的環(huán)節(jié)，從而提出提高反應(yīng)強(qiáng)度、縮短反應(yīng)時(shí)間的措施冶金動(dòng)力學(xué)也是在化學(xué)動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的七、積分法和微分法求取化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)缺點(diǎn)化學(xué)反應(yīng)工程的一個(gè)重要內(nèi)容就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式其方法可分為 積分法和微分法兩大類。

積分法如半衰期法、試差法、無(wú)因次曲線法，一般僅適用于較簡(jiǎn)單的整級(jí)數(shù)反應(yīng)隨若 電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，利用非線性方程參數(shù)推算方法，也可以解決非整數(shù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程 但計(jì)算量較大微分法包括圖解法和數(shù)值法圖解法如切線法、等面積法、鏡面法箸一般 認(rèn)為較為繁瑣，而且精度低數(shù)值微分法有以下幾種：①最簡(jiǎn)單的數(shù)值微分法即用中心差分代替微分但精度較差②多項(xiàng)式插值求微分由于高次插值計(jì)算量大而巨不穩(wěn)定，所以常采用分段低次插值但導(dǎo) 數(shù)不能保持連續(xù)③樣條函數(shù)插值求微分可以保持導(dǎo)數(shù)連續(xù)，精度較高，但計(jì)算量大，而且 需要兩個(gè)邊界條件綜上所述，我們希望提出一個(gè)計(jì)算簡(jiǎn)便、精度較高的微分方法。