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t 120
8.2.2 分布的方差σ2 121
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