[科普中国]-冶金反应工程学-

简述

冶金反应工程学的创立和发展与化学反应工程学发展密切相关。20世纪60年代起，世界冶金工业取得了令人惊叹的发展，冶金反应工程学也应运而生。日本名古屋大学的鞭岩教授把化学反应工程学研究方法和手段应用于冶金领域，并在1972年出版的专著中首先使用了冶金反应工程学的学科名称。我国著名冶金学专家叶渚沛在50年代就阐明应用传输原理理论来研究冶金过程的思想，并在中国科学院创办化工冶金研究所。该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。

冶金反应工程学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，并把两者有机结合起来形成一门独特科学体系，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。

传输原理中动量、热量和质量三个物理量的传递速率会直接影响冶金反应过程的速率。最终离开反应器的物料组成，则完全由构成该物料的各微元在反应器的停留时间和所经历的温度和浓度的变化所决定。冶金反应器的传递过程十分复杂，操作条件变化、反应器的结构改变，甚至单纯的尺寸放大都将导致传递条件的变化。因此，研究冶金反应器内的传递过程规律及对冶金反应过程的影响是十分重要的。2

研究内容冶金反应工程学是把冶金反应器内发生的过程分别按反应速率理论和传递过程理论进行分析，用以阐明反应器的特性，决定反应操作条件和力求按最佳的状态控制反应过程，以使最终取得综合的技术经济效益；同时也为使反应器的设计和放大从主要依赖于直接实验的纯经验方法，初步过渡到理论分析和数学模型为主的方法。

冶金反应器中发生的过程有化学反应过程和传递过程两类。在反应器自小到大的放大过程中，化学反应的规律并没有发生变化。设备及反应介质尺度变化主要影响到流动、传热和传质等过程。真正随尺度而变的不是化学反应的规律而是传递过程的规律。因此，对反应器而言，需要跟踪考察的实际上也只是传递过程的规律及其与化学反应规律间的耦合作用。3

方法随着反应工程理论研究的进展和人们对反应器的内部发生过程的理解逐步深化，许多开发工作者都在探索新的开发方法。例如，着眼于物料，考察物料在反应器内的停留时间和停留时间分布的停留时间法（remain time distribution或RTD）；基于相似原理的物理模拟实验法；在对反应过程有深刻理解的基础上，应用“简化”和“等效性”原则的数学模型法；以及随着计算机技术的发展直接应用控制方程和边界条件分析反应器内的浓度分布、温度分布和速度分布的数学模拟法等。近年来人们开始考虑过程多尺度对冶金过程的影响，使冶金反应工程学向更深层次发展。3

特点最初，冶金反应工程学借鉴化学反应工程学的方法。经过一段时间的研究，认识到冶金反应工程学有自己的特殊性：

①冶金反应绝大多数属于非催化型的多相反应；

②冶金原料为天然原料，成分复杂，副反应多；

③冶金过程中不仅依靠化学反应，也依靠熔化、凝固、相变等多种物理过程；

④冶金过程往往利用气泡、液滴、颗粒构成弥散系统，以增加反应效率，从而也增大了研究难度；

⑤冶金过程在高温进行，对生产系统测量困难大，过程信息少；

⑥反应介质为高温熔体（熔渣、熔盐、熔锍、金属液）。

对于高度弥散系统，冶金反应工程学的分析方法具有自身的特点，主要有：

(1)研究测量界面反应，特别是气泡、液滴、颗粒界面处的反应动力学，建立动力学方程；

(2)描述乳化和弥散现象，包括测定弥散相的微粒尺寸分布和停留时间分布函数；

(3)通过平面界面或弥散微粒界面上的物质衡算，把微观的反应动力学和提取相的数量相联系，同理，也可以通过界面上的热衡算，分析弥散相状态和传热过程的关系，从而得到部分均匀系统的总物质量传递和总热传递；

(4)研究和描述总的宏观体积内的混合，以决定整体不均匀系统中的反应工程。

对于连续介质系统，近年来计算流体力学（CFD）的发展和通用型工程软件的普及，已经能较方便地求解各种反应器中的流动场。困难在于正确认识和描述边界条件和设定方程中的系数值，而这和冶金熔炼的高温物理性质有密切关系。1

战略地位冶金工业一直是我国国民经济中非常重要的基础工业。随着科学技术和国民经济不断发展，对冶金产品的品种、质量和性能要求日趋提高，对冶金过程的环境友好的要求越来越高。在冶金新技术、新型反应器及新的生产流程开发的过程中，冶金反应工程学都将起到非常重要的作用。这是因为：

(1)冶金反应工程学科是在改进和强化反应器操作寻找最优化操作条件，以及在新技术、新流程开发，指导设计、解决比例放大等工作中都能发挥重要作用。

(2)冶金反应工程学的比例放大方法在于根据过程的实质，可以节省大量资金和时间，而且由于采用“计算机模拟试验”代替了“逐级放大法”中的许多中间试验，能够实现比逐级放大法高得多的放大倍数。

(3)数值计算方法、计算机技术的进步，各种现代物理化学测试手段和实验技术的提高，为发挥冶金反应工程学的优势提供了日趋稳定的技术保证。1