有色金属冶金反应工程(non-ferrous metallurgical reaction engineering)

研究有色金属物料提取冶金过程中的反应器的开发、设计与放大，操作条件的分析与选择，以及最优控制的工程理论学科。是一门将冶金反应过程中的物理和化学因素结合起来考虑、用数学方法分析及计算机计算进行研究的科学。

简史

化学工业经历多年以经验指导生产的阶段，20世纪初才达到科学化与系统化，形成了以单元操作各物理过程为主要内容的化学工程学。对单元操作过程研究积累了丰富知识之后，人们深入研究复杂的工业反应过程，并在数学和计算机技术发展的基础之上，形成了反应工程学。1957年正式使用化学反应工程学这一名称。从此，化学反应工程和单元操作成为化学工程学的两大组成部分。化学工业与化学反应工程学互相促进，互为前题，化学反应工程学逐步形成了完整的学科体系。冶金反应工程学形成于20世纪70年代初，是在化学反应工程学的基础上发展起来的。有色金属提取冶金过程本质上类同于化工过程，同样存在反应器设计放大等方面的各种问题，但同时又有很多不同于化学工业过程的特点。这些特点促使有色金属冶金反应工程形成了自己的发展方向。有色金属种类多，而矿石中的有色金属常远低于脉石和杂质的含量。不同种的有色金属要采用不同的提取工艺方法、流程及设备。即使同种金属也会因矿石种类、矿相结构、杂质含量及种类、对产品要求以及经济和地区条件等的不同，而要求选择不同的处理方法、不同的反应器及相应的前后处理过程及设备。因而有色金属冶金反应工程的研究对象及内容多，而通用性则相对较少。

研究内容

反应器设计最主要的是确定反应器的体积，这首先要知道反应进行的速率。在工业规模的反应器中进行的反应，其速率受多种因素的影响，远比实验室中物理化学意义上的反应速率复杂得多。反应速率与反应温度、物料浓度、反应时间等有关，这些参数在实验室可以准确测定，但在工业规模的反应器中，就变得复杂而难以确定。例如大型工业反应器中的温度不均匀，多数反应过程有吸热或放热，任何传热方法难以使温度达到处处均匀，整个反应器中呈现一个复杂的温度分布。物料浓度也有分布，随着反应的进行，降低了反应物浓度，新加进的物料含反应物浓度高，搅拌混合无法立即达到理想上的均匀。时间对反应的影响很大，但反应物的停留时间也不是均匀的，对于每一微小体积反应物而言，由于流速、路径等不同，它们在反应器内的停留时间也是有分布的，因而各微团的反应转化率也不一样。转化率反过来又影响温度和浓度。另外，工业反应器中的反应速率还受到流动的影响，有色金属冶金工业反应器中多为液固、气固多相反应，流体膜的阻力、固体壳层中的阻力均会影响到反应物的扩散。有色金属冶金反应工程就是研究这些温度、浓度、时间等因素对反应速率的影响，以及它们之间的相互关系。要研究受这种复杂因素作用的工业反应速率，就必须对这些物理及化学因素分别进行研究。反应工程把物理因素影响下的反应动力学称为宏观动力学，对此进行专门的研究。把温度、浓度等变化作为传递现象进行研究。

研究方法

工业反应器中的反应速率，是物理因素作用于化学因素的综合结果，因而问题本身的复杂性决定了它的高难度。解决这种复杂的反应器放大、设计问题，过去用经验方法放大，实践证明逐级放大的纯经验方法，费时耗资、局限性大，往往知其然而不知其所以然。相似论、因次分析方法用于反应工程的研究已被证明是无效的，因为物理和化学的各条件都不可能同时相似。

数学模型方法  是最有可能用来解决上述问题的唯一方法。反应工程还需要将数学模型方法与模拟实验或小试验方法结合研究，以形成反应工程开发放大与设计反应器及优化操作控制最有效的方法。

数学模型方法用数学式来表达各参数之间的关系称为数学模型。实际反应过程的现象既然十分复杂，就不可能在模型中包罗万象，只有对研究对象进行合理的简化才能建立起有用的模型。简化是极为重要的，要把最能反映本质的内容保留在模型中，忽略次要的因素，模型应当与真实过程在主要内容上等效，这种简化才是正确与合理的。简化模型便于数学表达，也便于用计算机计算。例如，流体通过反应器不可避免地出现返混，采用简化数学式，使活塞流流动模型与扩散模型叠加，使其成为表示轴向扩散(返混)的数学模型。总之，不论设计与放大或操作控制，都要有数学模型定量描述，计算机离开数学模型也.无法发挥其作用。

数学模型可分为宏观动力学模型、传递模型和流动模型；按其由来又可分为机理模型和经验模型。反应工程所使用的多数属机理模型，少数属半经验模型。

宏观动力学有色金属冶金反应的速率研究以宏观动力学规律为主要对象。把传递过程与反应速率之间的关系用数学式联系起来，把实际的反应器中的反应速率以综合速率表示。在有色金属冶金反应中，矿石的氧化、还原、浸出等多相流固非催化反应极为普遍，现以一般的多相反应为例加以说明，设反应为：

aA(f)+bB(s)------lL(f)+mM(s)

式中a、b、l、m为计量系数，f表示流体相，s表示固相。流体与固体反应的历程为：(1)经过流体膜达到固体表面；(2)通过固体外壳的孔隙进入内部到达反应表面；(3)进行化学反应；(4)反应产生的流体向固体表面扩散；(5)经流体膜向流体主体扩散(见图)。反应过程总的速率由这五个过程的速率综合结果决定。经过流体膜的传质速率(称外扩散速率)为：

综合速率示意图

r_f=k(C_A0-C_Ai)

经固体孔隙的速率(称内扩散速率)为：

r_s=k_e △C_A

式中△C_A为孔隙内的浓度梯度，k_e为孔内传质系数。在反应面上的化学反应速率为：

r=kC_A^m

综合反应速率可按加和原则表示为：

r_T=1/(1/r_f+1/r_s+1/r)

按照实际情况可忽略其中某些步骤，因为这些步骤是串联的，反应速率由最慢的一步决定。此多相反应的宏观动力学模型中的参数，一般要通过实验确定。

传递过程着重研究热量和质量的传递，反应器前后压力差不太大时，动量传递可不考虑。等温过程则不需要考虑热量传递的影响，只需研究质量传递及其模型的建立。传递研究主要是进行动量、热量和质量的速率衡算。其通式为：

输入速率-输出速率=积累速率

此式看似简单，实际上却变化无穷，要根据具体条件及反应种类进行调整，可得到符合需要的模型。当温度及浓度有时间及空间分布的情况下，需要取微小单元体积列出衡算式，从而得到常微分方程或偏微分方程式。解出微分方程即可得到温度或浓度的分布曲线(面)，可供设计反应器之用。由于多数反应有不可忽视的热效应，传递方程中必须考虑反应项，需要物料的质量衡算与热量衡算式联立才可求解。质量和热量传递方程的通式写成矢量式，有如下形式：

式中△、△²别表示σ/σx_i和σ²/σx_i²，r_A为反应速率，v为流速，t为时间，T为温度，P为密度，cp为比热，Sr为反应热，k为导热系数，D为扩散系数，CA为反应物A的浓度。

小型反应器放大后的效果往往不好，这即所谓“放大效应”，“放大效应”实际上就是传递过程不能满足放大的要求。例如d=1m的圆形反应器放大到d=10m，欲保持与小试验中的空速相同，则流体的线速度不可能保持相同，这就会影响到放大以后的传热、传质和反应速率。又如小试验时反应热效应易于控制，但当放大以后，散热或供热条件不可能与小试验保持一致，大型装置中温度难以均匀，也不易控制。而温度往往是反应速率最敏感的因素，结果必然导致放大后反应效果不同于小试验。这些就是流动及传热等传递因素对反应速率的影响，也就是要从动力学与传递的结合角度进行研究。

流动状况反应工程单独列项对流动状况进行研究，流动状况指的是反应器内的流速变化、死角、循环流动及短路流等。这些会影响到反应物的停留时间，从而影响反应的速率，因此传递和流动状况都应包括在宏观动力学的模型中。

展望有色金属冶金工业正向大型、高效、自控方向发展。反应工程的研究内容包括反应器的设计、操作和控制的最优化。由反应器的解析，得到合理的数学模型是设计最优化的基础。同时可用来研究和分析操作条件变动之后，反应器的效果如何变化，以及如何达到最优效果，使操作一直保持在最优操作状态，这乃是动态及静态的最优问题。反应器单体的最优化还需结合整个流程系统的最优化来考虑，才会有最优的经济效益，因此，近年来反应工程正向过程解析和控制以及系统工程发展延伸。有色金属冶金反应工程也必然要向这个方向发展。