冶金反應工程學.基礎篇 吳鏗 9787502499037 【台灣高等教育出版社】

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書名：冶金反應工程學.基礎篇
ISBN：9787502499037
出版社：冶金工業
著編譯者：吳鏗
頁數：230
所在地：中國大陸 *此為代購商品
書號：1714030
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內容簡介
冶金過程與化工過程存在很大的差異，如全盤移植化學反應工程學的結構體系來構建冶金反應工程學，則不能完全適合冶金過程的要求，因此要依據冶金過程的特性和任務建立相應的知識體系。冶金反應工程學基礎的內涵為”三傳一反”（包括傳輸微分方程，邊界層理論、定解條件、傳輸係數等）和適應冶金反應過程動力學的分段嘗試法。《冶金反應工程學：基礎篇》以冶金過程的相關動力學參數（”三傳一反”傳輸方程的傳輸係數和定解條件）來構建基礎部分的結構體系，重點介紹建立和改進分段嘗試法。以此為建立完整和獨立的冶金反應工程學學科體系奠定必要的基礎。
《冶金反應工程學：基礎篇》可以作為冶金工程等相關專業的本科生教材，也可以作為有關人員學習冶金反應工程學的參考書。

目錄

1 冶金反應工程學學科的建立和發展
1 1 化學反應工程學學科結構體系的建立和發展
1 2 冶金反應工程學學科的發展
1 3 本章 小結
思考題
參考文獻
2 冶金反應工程學基礎的內涵和結構體系
2 1 冶金反應工程學的相關基礎學科
2 1 1 冶金傳輸原理和冶金物理化學
2 1 2 “三傳一反”基本方程
2 2 冶金反應工程學的進展和結構體系
2 2 1 冶金反應工程學的進展和現狀
2 2 2 冶金反應工程學的結構體系
2 2 3 冶金過程與化工過程的差異
2 3 適合冶金過程的冶金反應工程學基礎的構建
2 3 1 適合冶金過程的冶金反應工程學基礎
2 3 2 適合冶金過程特點的冶金反應工程學基礎的內涵
2 3 3 冶金過程中相關動力學參數的特點
2 4 本章 小結
思考題
參考文獻
3 動量、熱量和質量傳輸基本方程及邊界層理論
3 1 動量傳輸的基本方程
3 1 1 流體靜力學平衡微分方程
3 1 2 動量傳輸微分方程
3 2 熱量傳輸的基本方程
3 2 1 導熱微分方程
3 2 2 對流換熱微分方程
3 3 質量傳輸的基本方程
3 3 1 分子擴散微分方程
3 3 2 對流傳質微分方程
3 4 邊界層理論
3 4 1 邊界層理論提出的背景
3 4 2 邊界層的基本概念
3 4 3 邊界層微分方程的簡化
3 5 對流換熱邊界層微分方程組
3 5 1 溫度（熱）邊界層
3 5 2 對流換熱邊界層微分方程組
3 6 對流傳質邊界層微分方程組
3 7 本章 小結
思考題
參考文獻
4 定解條件及”三傳”基本方程的傳輸係數
4 1 定解條件及傳熱和傳質的邊界條件
4 1 1 定解條件
4 1 2 熱量傳輸的邊界條件
4 1 3 質量傳輸的邊界條件
4 2 動量傳輸過程的阻力係數
4 2 1 牛頓流體的黏性係數
4 2 2 流體流動的阻力係數
4 3 熱量傳輸過程的傳熱係數
4 3 1 傅里葉導熱係數
4 3 2 對流換熱係數
4 4 質量傳輸過程的傳質係數
4 4 1 菲克分子擴散係數
4 4 2 對流傳質係數
4 5 雷諾類比和柯爾伯恩類比
4 5 1 雷諾類比
4 5 2 柯爾伯恩類比
4 6 冶金過程複雜條件下”三傳”數學模型的傳輸係數
4 7 本章 小結
思考題
參考文獻
5 高爐風口前水平方向不同位置試樣的物性參數
6 冶金物理化學中的反應過程動力學
7 冶金反應工程學研究反應過程動力學的方法
8 採用分段嘗試法研究半焦高溫反應過程動力學
9 不可逆過程熱力學及傳輸現象之間的耦合
10 等溫下分段嘗試法研究反應過程動力學的完善
11 非等溫下分段嘗試法研究反應過程動力學的完善
12 討論和展望
附錄

前言/序言
在化學反應工程學發展的推動下，日本鞭岩教授等首次提出了”冶金反應工程學”，並於1972年出版了專著《冶金反應工程學》。冶金反應工程學引入我國後，國內相繼出版了一系列的冶金反應工程學教材。與此同時，國內各冶金院校陸續開始將冶金傳輸原理作為冶金工程專業的必修課，代替傳統的冶金爐及熱工計算等課程，對冶金反應工程學學科的發展起到了極大促進作用。
冶金反應工程學相關的教材基本上是將化學反應工程學的研究方法移植到冶金過程的研究。但是，由於冶金過程與化工過程本質上的差異，全盤移植化學反應工程學結構體系，即將其學科定義、研究目的、研究方法中的”化工”替換為”冶金”來建立冶金反應工程學，並不適合冶金過程的要求，主要體現在基礎內涵和結構體系及研究重點等方面的差異；同時，化學反應過程動力學的研究方法對冶金過程的適用性也存在爭議。
儘管冶金學科和化工學科都起源於化學學科，但隨著對各自規律認識的不斷深入，冶金學科和化工學科共性之外的差異日趨明顯，因而在不斷發展中各自形成獨立的新學科。
化學反應工程學和冶金反應工程學都是以動量傳輸、熱量傳輸和質量傳輸（”三傳”）和化學反應（”一反”）作為基礎，建立數學模型（傳輸微分方程）。根據不可逆過程熱力學，可以認為化學反應也是一種傳輸現象，微分方程的傳輸係數中包括化學反應速度常數。由數學模型和相關動力學參數（”三傳一反”傳輸方程的傳輸係數和定解條件）來解析各反應過程，進而設計和優化操作工藝參數，以便最終控制反應過程。
儘管有上述共性，但這兩個學科的差異也是很明顯的。與冶金過程相比，化工過程可以看作是”低溫、高壓”過程，化學反應是整個過程的控制環節 。化學反應工程學主要研究”三傳”對”一反”的影響，以及如何提高化學反應的速度。在壓力很高條件下，化工過程的反應設備大都為細長圓管狀，反應物質多為單一且均勻，氣相反應在化工過程中占主導作用。在壓力很高時反應管內物質可用廣義流體的概念來處理，壓力損失主要來自流體與管壁的摩擦。在”三傳”中對氣體在圓管內不同流動狀態已經進行了非常深入的研究，可直接應用已有的成熟結論，按其特點建立不同類型反應器，進而獲得相應的數學模型。鑒於低溫時單一和均勻物質求解數學模型的相關動力學參數比較簡便，可準確解析化工反應過程。簡而言之，化學反應工程學基礎部分的內涵是化學動力學（”一反”）和反應器（”三傳”），研究的重點是不同的反應器，由反應器建立了基礎部分的結構體系。利用化工過程的特點，採用反應器概念對設備眾多、形狀多樣，而反應物質相態相對簡單的化工設備進行分類，以便同類反應器中的研究方法和結果可以相互借鑒，從而簡化研究、提高效率，這在化工生產過程中已得到成功驗證。
國內冶金反應工程學教材全面移植化學反應工程學的結構體系，採用反應器的理論和反應器操作的思路，將冶金學科中鋼鐵冶金課程中與冶金反應過程中”三傳”相關內容用不同反應器進行分類，其基礎部分”一反”採用冶金物理化學的反應動力學的內容，”三傳”採用了不同反應器的內容，同樣以反應器概念為主線建立了其基礎部分的結構體系，試圖在此基礎上進行冶金反應過程控制的相關研究。
但是，冶金過程與化工過程在反應溫度、反應壓力及反應複雜程度上有明顯差異，特別是在反應壓力上有數量級的差別。需要充分考慮冶金過程的特殊性，與化學反應工程學基礎部分的內涵、結構體系和研究重點加以區分，來科學地構建冶金反應工程學這一新興學科。
化工反應全過程的控制環節 是化學反應。而冶金反應過程的控制環節 前期為化學反應，後期則是擴散傳質。冶金反應工程學的主要目的應該是定量地研究”三傳一反”對整個冶金過程各控制環節 的影響，冶金反應工程學的動力學屬_xFFFF_反應過程動力學（宏觀動力學）。
國內既往的冶金反應工程學教材完全採用冶金物理化學研究反應過程動力學的方法和內容作為其基礎部分，實際上忽略了這兩個學科在研究反應過程動力學目的上的差別，而且還會混淆這兩個學科的研究內容。為了達到對冶金過程的準確解析，不同控制環節 的傳輸係數和轉換時間是重要的相關動力學參數。冶金反應工程學的基礎部分需要建立與其研究目的相適應的、獨立的反應過程動力學研究方法。
化工過程按反應設備特點進行分類可以達到提高效率的目的。但冶金主體流程中設備種類並不多，且單體設備複雜、個性突出，因此相互之間缺乏共性，研究結果之間的可借鑒性很低，無法簡化研究、提高效率的目的。化學反應工程學中反應器的概念建立在細長型圓管內流體流動的”三傳”理論基礎上，冶金過程中的主體設備大部分為矮胖型，工作壓力大都不超過1MPa（10atm），與化工過程有數量級的差別，爐料無法被充分流化。高爐和豎爐中煤氣為非均勻地流過爐料層，流經爐料表面的阻力損失遠大於流經反應器壁的阻力損失。在推導流體通過散料壓力損失的卡門（Carman）公式中，通常忽略流體與反應器壁的阻力損失。需要指出，冶金過程的高壓噴射情況，如噴吹細粉料（煤粉、Ca0粉、炭粉等）和高壓氣體（氧氣、氬氣、CO2等）的壓力較高，流體在細長管內流動，且與噴吹細粉形成流化，可以作為廣義流體來處理，故採用反應器概念進行分類和研究則合適，但這些裝置在冶金過程中大都是附屬設備。由於冶金與化工在主體設備特性上的差異明顯，基於反應器概念的理論不適於冶金主體流程的反應過程研究。另外，由於冶金主體流程數量少，研究項目和論文絕大部分是按主體流程的名稱來分類，這表明冶金反應工程學基礎部分由反應器概念對冶金主體設備進行分類並構建結構體系的嘗試，並沒有得到普遍認同。
從數學上講，微分方程反映同一類現象的共性，而相關動力學參數則反映各具體現象的個性。隨著計算機功能的不斷增強和各種商用軟件的廣泛使用，可以用數值法求解冶金反應過程中”三傳一反”的數學模型，其中最為關鍵的是相關動力學參數。只有獲得冶金過程中的實際相關動力學參數，通過軟件計算才能準確描述冶金過程，達到對冶金反應過程準確地解析，進而探明冶金過程規律，並提出改進操作的措施，逐步實現最優控制。
本教材名稱為《冶金反應工程學一基礎篇》，旨在建立適合冶金過程特點的理論基礎，為複雜冶金反應過程的準確解析提供必要的條件。冶金過程主體流程設備種類不多，但形狀各異，建立”三傳”數學模型需要根據各自情況從基本傳輸微分方程入手，在基礎部分加入”三傳”基本傳輸微分方程、邊界層理論和傳輸係數等。

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