冶金反應工程學

冶金反應工程學的創立和發展與化學反應工程學發展密切相關。20世紀60年代起，世界冶金工業取得了令人驚嘆的發展，冶金反應工程學也應運而生。日本名古屋大學的鞭岩教授把化學反應工程學研究方法和手段應用於冶金領域，並在1972年出版的專著中首先使用了冶金反應工程學的學科名稱。我國著名冶金學專家葉渚沛在50年代就闡明應用傳輸原理理論來研究冶金過程的思想，並在中國科學院創辦化工冶金研究所。該研究所在我國複合礦綜合利用、新型冶鍊方法、流態化和多相反應工程等方面開展了冶金反應工程學研究。

冶金反應工程學是研究冶金反應工程問題的科學。它以實際冶金反應過程為研究對象，研究伴隨各類傳遞過程的冶金化學反應的規律。它又以解決工程問題為目的，研究實現不同冶金反應的各類冶金反應器的特徵，並把兩者有機結合起來形成一門獨特科學體系，即以研究和解析冶金反應器和系統的操作過程為中心的新興工程學科。

傳輸原理中動量、熱量和質量三個物理量的傳遞速率會直接影響冶金反應過程的速率。最終離開反應器的物料組成，則完全由構成該物料的各微元在反應器的停留時間和所經歷的溫度和濃度的變化所決定。冶金反應器的傳遞過程十分複雜，操作條件變化、反應器的結構改變，甚至單純的尺寸放大都將導致傳遞條件的變化。因此，研究冶金反應器內的傳遞過程規律及對冶金反應過程的影響是十分重要的。

冶金反應工程學是把冶金反應器內發生的過程分別按反應速率理論和傳遞過程理論進行分析，用以闡明反應器的特性，決定反應操作條件和力求按最佳的狀態控制反應過程，以使最終取得綜合的技術經濟效益；同時也為使反應器的設計和放大從主要依賴於直接實驗的純經驗方法，初步過渡到理論分析和數學模型為主的方法。

冶金反應器中發生的過程有化學反應過程和傳遞過程兩類。在反應器自小到大的放大過程中，化學反應的規律並沒有發生變化。設備及反應介質尺度變化主要影響到流動、傳熱和傳質等過程。真正隨尺度而變的不是化學反應的規律而是傳遞過程的規律。因此，對反應器而言，需要跟蹤考察的實際上也只是傳遞過程的規律及其與化學反應規律間的耦合作用。

隨著反應工程理論研究的進展和人們對反應器的內部發生過程的理解逐步深化，許多開發工作者都在探索新的開發方法。例如，著眼於物料，考察物料在反應器內的停留時間和停留時間分佈的停留時間法（remain time distribution或RTD）；基於相似原理的物理模擬實驗法；在對反應過程有深刻理解的基礎上，應用“簡化”和“等效性”原則的數學模型法；以及隨著計算機技術的發展直接應用控制方程和邊界條件分析反應器內的濃度分佈、溫度分佈和速度分佈的數學模擬法等。近年來人們開始考慮過程多尺度對冶金過程的影響，使冶金反應工程學向更深層次發展。

最初，冶金反應工程學借鑒化學反應工程學的方法。經過一段時間的研究，認識到冶金反應工程學有自己的特殊性：

①冶金反應絕大多數屬於非催化型的多相反應；

②冶金原料為天然原料，成分複雜，副反應多；

③冶金過程中不僅依靠化學反應，也依靠熔化、凝固、相變等多種物理過程；

④冶金過程往往利用氣泡、液滴、顆粒構成彌散系統，以增加反應效率，從而也增大了研究難度；

⑤冶金過程在高溫進行，對生產系統測量困難大，過程信息少；

⑥反應介質為高溫熔體（熔渣、熔鹽、熔鋶、金屬液）。

對於高度彌散系統，冶金反應工程學的分析方法具有自身的特點，主要有：

(1)研究測量界面反應，特別是氣泡、液滴、顆粒界面處的反應動力學，建立動力學方程；

(2)描述乳化和彌散現象，包括測定彌散相的微粒尺寸分佈和停留時間分佈函數；

(3)通過平面界面或彌散微粒界面上的物質衡算，把微觀的反應動力學和提取相的數量相聯繫，同理，也可以通過界面上的熱衡算，分析彌散相狀態和傳熱過程的關係，從而得到部分均勻系統的總物質量傳遞和總熱傳遞；

(4)研究和描述總的宏觀體積內的混合，以決定整體不均勻系統中的反應工程。

對於連續介質系統，近年來計算流體力學（CFD）的發展和通用型工程軟體的普及，已經能較方便地求解各種反應器中的流動場。困難在於正確認識和描述邊界條件和設定方程中的係數值，而這和冶金熔煉的高溫物理性質有密切關係。

冶金工業一直是我國國民經濟中非常重要的基礎工業。隨著科學技術和國民經濟不斷發展，對冶金產品的品種、質量和性能要求日趨提高，對冶金過程的環境友好的要求越來越高。在冶金新技術、新型反應器及新的生產流程開發的過程中，冶金反應工程學都將起到非常重要的作用。這是因為：

(1)冶金反應工程學科是在改進和強化反應器操作尋找最優化操作條件，以及在新技術、新流程開發，指導設計、解決比例放大等工作中都能發揮重要作用。

(2)冶金反應工程學的比例放大方法在於根據過程的實質，可以節省大量資金和時間，而且由於採用“計算機模擬試驗”代替了“逐級放大法”中的許多中間試驗，能夠實現比逐級放大法高得多的放大倍數。

(3)數值計算方法、計算機技術的進步，各種現代物理化學測試手段和實驗技術的提高，為發揮冶金反應工程學的優勢提供了日趨穩定的技術保證。