冶金反应工程学基础冶金反应工程学基础前言

前言
冶金反应工程学是研究并解析冶金反应器和系统及其内在过
程的新兴工程学科，70年代末正式引入我国之后，获得了迅速发
展和十分广泛的应用。我国各高等冶金学校陆续为研究生和本科
生开设了冶金反应工程学课程，分别编写了不同类型的教材和讲
义。然而一本完整的，系统阐述冶金反应工程学基本原理的书籍，
对于我国众多学冶金的学生和已经走上工作岗位的冶金科学技术
工作者，仍然是非常需要的。东北大学肖兴国教授根据多年讲授
冶金反应工程学的经验，提出了一个大纲，在1994年10月《冶
金反应工程学丛书》编委会和冶金部教材编辑室联合召开的“冶
金传输原理”和“冶金反应工程”教学和教材建设研讨会上，与
会代表对该提纲进行了认真讨论和修改补充后，责成肖兴国和谢
蕴国二人负责编写本书。
本书分为冶金宏观动力学、反应器理论和典型冶金反应器操
作特性及解析方法三篇。选材上，既包括了冶金反应工程学的基
本理论和研究方法，又选入了各类冶金反应器操作解析的典型实
例，同时还分类综合评述了有关研究的发展概况，供读者进一步
深入学习时参考。本书的绪论、**篇和第三篇的第11～14章由
肖兴国教授编写，第二篇和第三篇的第10章由谢蕴国教授编写，
全书由肖兴国总纂定稿。承蒙曲英和萧泽强两教授对本书初稿进
行了审阅并提出了许多宝贵的修改意见，在此表示诚挚谢意。
本书可作为钢铁冶金和有色冶炼专业的本科生教材，同时兼
顾研究生的教学需要，亦可供有关研究人员和工程技术人员参考。
由于编著者水平有限，书中错误或不妥之处在所难免，敬请
读者批评指正。
编著者
1996—07—25

冶金反应工程学基础 内容简介

内容简介
本书内容分为冶金宏观动力学、反应器理论和典型冶金反应器操作特
性及解析方法三篇。在选材上，既包括了冶金反应工程学的基本理论和研
究方法，又选入了各类冶金反应器操作解析的典型实例，同时还分类评述
了有关研究的发展概况，供读者进一步深入学习时参考。
本书可以作为钢铁冶金和有色冶炼专业的本科生和研究生教材。
片断：
我国著名冶金学家叶渚沛［12］在50年代就阐明应用传输理论
来研究冶金过程的思想，发表了强化高炉冶炼过程，重视发展氧
气转炉等论文，并在中国科学院创办化工冶金研究所，堪称我国
在这一领域研究工作的先驱。化工冶金研究所在我国复合矿综合
利用、新型冶炼方法、流态化和多相反应工程等方面开展了冶金
反应工程学研究，并创办了《化工冶金》杂志，刊载许多这一领
域的研究论文，对我国冶金反应工程学的发展起了推动作用。中
国金属学会1980年在北京召开全国冶金系统高校的冶金传输原
理教学讨论会，1983年在昆明召开冶金反应工程教学讨论会，这
两次会议促进了冶金传输原理及反应工程的教学和科研工作的发
展，各院校先后开展了相应的教学和研究生培养工作，并编印了
讲义或出版有关教科书［13～20］，预示着这一学科的发展后继有人。
1982年在中国金属学会冶金过程物理化学学会内成立了冶金过
程动力学学科组（1990年正式改名为冶金反应工程学术委员会），
并召开了多次全国性学术会议，这些会议的论文集［21～27］中所发表
的诸多论文，以及在炼铁、炼钢和连铸等全国性学术会议上一些
理论性论文，反映了我国学者在这一新兴学科领域内的研究工作
十分活跃和发展相当迅速。为了总结二十余年来我国在这一学科
领域的教学和研究工作，进一步推动其理论的发展和学术水平的
提高，1993年由东北大学萧泽强教授建议，中国金属学会和冶金
工业出版社大力支持，组织全国众多专家学者参加撰写《冶金反
应工程学丛书》，这预示着我国在这一新的学科领域的教学和研究
工作将达到更高水平。
1.2冶金反应工程学的范畴及与相关学科的关系
冶金反应工程学，顾名思义，是研究冶金反应工程问题的科
学。它以实际冶金反应过程为研究对象，研究伴随各类传递过程的
冶金化学反应的规律。它又以解决工程问题为目的，研究实现不同
冶金反应的各类冶金反应器的特征，并把二者有机结合起来形成
一门独特学科体系，即以研究和解析冶金反应器和系统的操作过
程为中心的新兴工程学科。图1－1示出了该学科的范畴、主要研究
内容及与相关学科的联系。这里仅简要说明其中几个主要问题。
1.2.1传递过程
所谓传递（或称传输）系指动量、热量和质量的传递。

冶金反应工程学基础 目录

目录
1绪论
1.1冶金科学的发展及冶金反应工程学
1.2冶金反应工程学的范畴及与相关学科的关系
1.2.1传递过程
1.2.2冶金宏观动力学
1.2.3过程解析
1.2.4比例放大
1.3冶金反应工程学的数学模型
1.3.1反应器内各主要反应的宏观动力学方程
1.3.2反应器内主要传递过程方程
1.3.3衡算方程
1.3.4方程中的系数
1.4冶金反应器的分类
习题
参考文献
**篇冶金宏观动力学概论
2气体－固体间反应
2.1引言
2.2不生成固体产物层的无孔颗粒与气体间反应
2.2.1反应过程描述及模型化
2.2.2反应过程数学模型的解
2.3生成固体产物层的无孔颗粒与气体间反应
2.3.1反应过程描述及模型化——缩小的未反应核模型
2.3.2反应过程数学模型的解及讨论
2.3.3反应过程数学模型解的扩展
2.4多孔固体与气体间反应
2.4.1多孔固体的气化反应
2.4.2有固体产物生成的多孔固体与气体间的反应
习题
参考文献
3气体－液体间反应
3.1气泡与液体间反应
3.1.1气泡的形成
3.1.2气泡在液体中的运动
3.1.3气泡与液体间的传质
3.1.4气泡与液体间的反应
3.2持续接触的气液相间反应
3.2.1气液间传质理论概述
3.2.2界膜模型在气液反应中的应用
习题
参考文献
4液体－液体间反应
4.1渣和金属反应概述
4.2渣和金属反应的速度表达式
习题
参考文献
5液体－固体间反应
5.1固体在液态金属中的溶解
5.1.1供热为控制步骤情况
5.1.2液体边界层内扩散为控制步骤情况
5.2浸出过程
5.2.1浸出反应过程
5.2.2浸出过程解析
习题
参考文献
6固体－固体间反应
6.1固体－固体加成反应模型
6.1.1化学反应控制模型
6.1.2扩散控制模型
6.2有气体中间产物的固－固反应模型
6.2.1模型表达式
6.2.2极限情况的讨论
习题
参考文献
第二篇反应器理论基础
7理想反应器
7.1有关理想反应器的基本概念
7.1.1理想流动模型和理想反应器
7.1.2停留时间、空间时间和空间速度
7.1.3反应器分析与设计的基础
7.2间歇式全混槽
7.2.1基本方程
7.2.2等温操作的解
7.2.3绝热操作的解
7.2.4间歇式全混槽设计计算举例
7.3连续式全混槽
7.3.1基本方程
7.3.2等温等容解
7.3.3连续式全混槽设计计算举例
7.4半连续式全混槽
7.4.1**种情况的物质衡算方程
7.4.2第二种情况的物质衡算方程
7.4.3热量衡算方程
7.5活塞流反应器
7.5.1基本方程
7.5.2绝热解和等温解
7.5.3活塞流反应器设计计算举例
7.6串联全混槽
7.6.1只有一种流体的情况
7.6.2有两种流体的情况
7.7理想反应器的比较
7.7.1操作特性的比较
7.7.2转化率的比较
7.7.3反应器容积的比较
7.7.4理想反应器数学模型的启示
7.8反应器选择的一般原则
7.8.1单一反应
7.8.2复杂反应
习题
参考文献
8非理想流动反应器
8.1停留时间分布
8.1.1停留时间分布概念
8.1.2停留时间分布函数
8.2停留时间分布函数的数学特性
8.2.1分布的均值t
8.2.2分布的方差σ2
8.2.3δ函数和单位阶梯函数
8.2.4卷积分
8.2.5传递函数
8.3停留时间分布的实验测定
8.3.1刺激－响应实验技术
8.3.2C曲线和E曲线
8.3.3F曲线
8.3.4闭式反应器中不同流动类型的FC和E曲线
8.4停留时间分布信息的应用
8.4.1利用分布的方差判断流动类型
8.4.2利用分布曲线分析流体流动状态
8.4.3利用分布函数预测反应的效率
8.5非理想流动反应器数学模型
8.5.1扩散模型
8.5.2槽列模型
8.5.3组合模型
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
习题
参考文献
9搅拌和反应器内液体的混合
9.1搅拌对冶金反应的意义
9.2冶金中应用的搅拌方式
9.3气体搅拌
9.3.1气体搅拌的类型
9.3.2混合时间的实验测定
9.3.3tm与ε之间关系的理论分析
9.3.4气体搅拌功率的计算
9.4机械搅拌
9.4.1搅拌器的主要参数
9.4.2机械搅拌的功率密度
9.5电磁搅拌
9.5.1概述
9.5.2电磁搅拌的类型
9.5.3电磁搅拌的基本理论分析
9.5.4电磁搅拌在冶金中的应用举例
习题
参考文献
第三篇典型冶金反应器的操作特性及解析方法
10冶金过程的物理模拟
10.1概述
10.1.1模化法——人类认识自然的一种科学的研究方法
10.1.2物理模拟实验的意义
10.1.3物理模拟的一般原则
10.1.4冶金研究中物理模型的分类
10.2相似特征数的求法
11.2.1相似原理——物理模拟的理论基础
10.2.2相似特征数的求法
10.2.3无因次方程的获得
10.3物理模拟实验
10.3.1探索性实验
10.3.2确定物理模型实验条件
10.3.3半严格的物理模型实验
10.3.41：1几何相似比的应用
10.3.5流动显示和测试技术简介
习题
参考文献
11数学模拟和数学模型化方法
11.1数学模型的分类
11.1.1按对现象认识程度的数学模型分类
11.1.2按其他特征的数学模型分类
11.2建立数学模型的步骤
11.2.1初步研究
11.2.2建立数学模型
11.2.3模型参数的估算
11.2.4编制程序和计算
11.2.5数学模型适用性检验
11.3数学模型的选择
习题
参考文献
12冶金气－固反应器
12.1固定床反应器操作特性解析
12.1.1非催化反应等温固定床操作特性解析
12.1.2以气体净化为目的的固定床操作解析
12.2移动床反应器操作特性解析
12.2.1移动床反应器操作解析概述
12.2.2逆流式移动床反应器等温操作解析
12.2.3非等温逆流式移动床反应器内的温度分布
12.3流化床反应器
12.3.1流化床反应器操作解析概述
12.3.2间歇式等温非催化反应流化床反应器的操作解析
12.3.3多段连续式等温流化床反应器的操作解析
12.3.4流化床反应器的两相模型
12.4回转窑反应器
12.4.1回转窑操作特点及数学模型概述
12.4.2回转窑过程数学模型及其应用
习题
参考文献
13冶金气－液反应器
13.1冶金气－液反应器及其数学模型研究概述
13.2氧气射流及液面冲击坑的形状和表面积
13.2.1拉伐尔喷嘴的氧气射流
13.2.2液面冲击坑的形状和表面积
13.3底吹氩钢包流动的数学模型
13.3.1气液两相流模型
13.3.2流函数－涡量法
13.4真空脱气反应器（钢包）的数学模型
13.4.1RH真空脱气过程模型
13.4.2RH真空脱气钢包内钢水流动及脱碳反应模型
习题
参考文献
14冶金液－液反应器
14.1渣金反应为主的冶金反应器操作解析概述
14.2不同接触方式的渣金反应操作解析
14.2.1间歇式持续接触
14.2.2渣滴连续通过金属相的短促接触
14.2.3金属滴连续通过渣相的短促接触
14.2.4连续式渣金两相逆流接触
14.3浸入式喷粉精炼过程数学模型
14.3.1模型假定
14.3.2基本方程的推导
14.3.3渣相中硫化物饱和时的修正
14.3.4数值计算方法及对喷粉实验的模拟计算结果
习题
参考文献
附录I物理量和化学量的因次
附录Ⅱ常用无因次特征数
附录Ⅲ不同坐标系中的Navier－St0kes方程和扩散方程
附录Ⅳ常用物质的物性值选辑
主题索引
主要符号表

冶金反应工程学基础 作者简介

作者简介
肖兴国，江西永新
人。1941年出生于重庆，
1964年毕业于北京师范
大学，同年到东北大学
任教至今。先后在普通
化学、半导体材料、冶
金反应工程学教研室和
冶金传输原理及反应工
程研究室从事教学和科
研工作。著有《冶金反
应工程学》、《冶金反
应工程问题数值解析》
等书，发表有关学术论
文50余篇。1983～1985
年及1990～1991年先后
作为日本名古屋大学及
神户制钢所的访问学者，
1993年任瑞典皇家工学
院理论冶金系访问教授。
现任东北大学教授。主
要研究领域为冶金传输
现象、冶金宏观动力学
及冶金反应工程学。
作者简介
谢蕴国，云南玉溪
人。1938年出生于昆明，
1961年毕业于重庆大学，
1961～1978年在湖南冷
水江钢铁厂从事技术工
作。1978年调到昆明理
工大学（原昆明工学院）
冶金系任教。1991年在
德国阿亨大学进修。现
任昆明理工大学教授。
主要研究领域为冶金反
应工程学及冶金反应动
力学。