冶金反应工程学VIP

2020/6/6,第19章冶金反应工程学,1,第19章冶金反应工程学研究方法MetallurgicalReactiveEngineering,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,2,第一节概述,1.1冶金反应工程学的研究内容,把冶金设备抽象成反应器，包括:转炉、电炉、精炼炉、中间包和结晶器等,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,3,第一节概述,1.1冶金反应工程学的研究内容,借助：反应速率理论（冶金物化原理中的动力学部分）传递过程理论（冶金传输原理）目的：阐明反应器的特性；决定反应操作条件；力求按最佳的状态控制反应过程；最终取得综合的技术经济效益。,定义,教材p443,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,4,反应器的设计和放大传统上主要依赖于直接实验的纯经验方法（水模型）；现在已经逐步过渡到理论分析和数学模型为主。,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,5,冶金反应器中发生过程有两大类：化学反应过程和传递过程。（填空）设备尺寸主要影响到流动、传热和传质过程，即动量、热量和质量“三传”过程，即传递过程的规律。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。（重要依据）,冶金反应工程学定义,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,6,冶金反应工程学丛书,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,7,丛书书目,工艺部分有色金属材料的真空冶金钢冶金学钢冶金过程动力学金属轧制过程人工智能优化化工冶金过程人工智能优化熔融还原有色冶金炉窑仿真与优化模拟部分钢的精炼过程数学物理模拟连续铸钢过程数学物理模拟理论部分冶金传输原理基础冶金反应工程学基础传递理论和计算,陈家镛,赫冀成,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,8,1.2冶金反应工程学的研究方法,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,9,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；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。,基于相似原理的物理模拟法；,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,10,考察物料在反应器内的停留时间和停留时间分布(Remaintimedistribution或RTD)；,第二节停留时间分布法(RTD),2020/6/6,第19章冶金反应工程学,11,2.1研究意义冶金反应器大多处在高温状态，如转炉、电炉和精炼炉等，对其温(传热）、速度（流动）和浓度（传质）进行直接测量困难大，就要采用间接的测量技术，一种替代的办法就是应用室温下的物理模型。,第二节停留时间分布法(RTD),2020/6/6,第19章冶金反应工程学,12,2.2停留时间分布的表示方法所谓停留时间，是指物料从其进入设备起至离开设备止的那段时间，即物料在设备内总的停留时间。通过停留时间分布的预测可以推知所考察的反应器处于怎样的流动状态；用的是刺激响应技术，实质是：在设备入口处给系统一个信号，然后分析出口处信号的变化，由此得到关于系统的某些数据。,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,13,C的单位是质量/体积，q单位是体积/时间，t是时间，得到G是质量,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,14,停留时间典型分布,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,15,第三节物理模拟法（1）,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,16,2.2重要概念:相似在由实物到模型模拟过程中存在着各种相似:几何相似运动相似动力相似,第三节物理模拟法（2）,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,17,几何相似:或形状相似,A系统的任一长度与B系统对应长度比值都相同,该比值称为比例系数几何相似是模拟过程中最基本的条件,但要做到完全相似却不易,此时只要模型的一些关键尺寸与实物尺寸成比例就可,不要求其他次要尺寸,该方法称为畸变模型法,第三节物理模拟法,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,18,运动相似表示运动状态的相似性,考察速度矢量.在几何相似前提下,如果对应点速度相同,数值比是一固定值,则A、B系统运动相似。,第三节物理模拟法,动力相似表示系统的受力相似，当AB系统对应点上所受力之比为一个固定值时，系统间处于动力相似。惯性力、压力、粘性力、重力，有外场作用时考虑电磁力。,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,19,2.4相似原理相似第一定律：彼此相似的现象必须有数值相同的相似准数相似第二定律：凡同一类现象，若有关的相似准数数值相等，则现象相似相似第三定律：描述某现象的各种量之间的关系可以表示成相似准数之间的关系。相似原理为模型研究提供了理论基础,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,20,非是要求原型和模型的每点受力都对应成比例，而是将这些力作比值，可获得一些重要的无因次组合（无量纲组合无单位组合），重新予以定义为相似准数,新思路,F1F2F3F4,F1/F2F3/F4,（无因次组合）,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,21,因次/量纲分析,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,22,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,23,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,24,2.5物理模拟法,H0,顶吹水模型,不同参数下测试Tm，求出H0的表达式,用于指导生产,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,25,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,26,平台建立依据：根据相似原理建立实验台，要求满足几何相似、动力相似。相似依据：只要原型和模型的相似准数相同，则原型和模型相似。实验手段：温度、流速（激光测速仪）和浓度（电导率仪）可以直接测量，了解水模型中流动状态。,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,27,资料1,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,28,资料2,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,29,资料3,研究不同对象时，由经验确定需要满足的准数,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,30,eg3,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,31,一、定义所谓数学模型方法，就是通过对复杂的实际过程进行分析，按照等效性的原则进行合理的简化，使原型成为易于数学描述的物理模型，并使其符合实际过程的规律性，此即所谓的数学模型，然后通过实验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数。,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,32,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,33,数学模型法实例,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,34,二、基本特点数学模型方法的基本特点是：简化：把一个复杂的实际过程先简化为物理图像简单的物理模型。是将研究对象本身加以简化，简化到能作简单的数学描述等效性：所得的模型必须基本上等于考察对象，否则就失真了。这种等效性是针对一定的研究目的，在一定范围内是有效的。,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,35,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,36,第五节数学模拟法（1）,在用数学模拟法分析反应器时，分以下的步骤：要建立反应器的相关性质（能量、动量和质量等）的微分方程；并确定边界条件；然后进行解析。,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,37,对冶金反应器而言，只有极少数情况才能获得解析解，多数情况无法得到解析解，需要用到数值分析（离散化）方法。数学模拟有一个很重要的特点就是:可以考察在极端情况下的设备情况，这是任何其他先进实验研究方法做不到的。,第五节数学模拟法（2）,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,38,随着计算机技术的发展，直接对冶金过程进行数学模拟（考察其流动、传热和传质）成为可能，并逐渐走向程序化和标准化，出现了各样的软件包，如ANSYS、CFX和FLUID等,第五节数学模拟法（3）,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,39,在一定的体系中，无论化学反应、流体流动或者传热传质都是守恒的,所有的因变量都服从一个通用的守恒定律。如果用表示因变量（因变量可以代表不同的物理量，如化学组分的质量分数、焓变或者是温度、速度分量）。则通用的微分方程就是：,5.1微分方程的建立,第五节数学模拟法（4）,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,40,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,41,(19-6),把X的值以及各个a的值代入上式中,就可以计算出任何位置的值.,显然,数学模拟法就是把计算域内有限数量位置(叫做网络结点)上的因变量值当作基本量x来处理（数学思路）,基本任务是提供一组关于该未知量的代数方程,并进行离散化求解.,一个微分方程的数值解可以由一组的线性多项式构成，假设用一个关于x的多项式来表示变化：,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,42,所谓离散化，就是将所研究的区域按照一定的规则划分成有限数量的网格结点，结点之间的关系用代数方程表达，然后求解网格结点上未知值(如温度)的代数方程,称为叫做离散化方程。,5.2离散化的概念,求解温度场结果,网格结点划分,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,43,对因变量所作的系统的离散化使得人们有可能用比较容易求解的代数方程取代微分方程。一个离散化方程是一组网格结点处值的代数关系式,与相应的微分方程具有相同的物理信息。可以预料，当网格结点数目很大时，离散化方程的解将趋于相应微分方程的精确解,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,44,ANSYS公司提供,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,45,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,46,计算流体力学软件PHOENICS的初步认识及范例,eg1,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,47,连铸结晶器流场的模拟,eg2,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,48,2020/6/6,第19章冶金反应工程学,49,20