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许多重要的冶金单元作业,都涉及固体颗粒与流体相中一种
或多种组分之间的化学反应。浸出、焙烧、气体还原和其它气一固
反应都是这方面的实例。在大多数情况下,通常将矿物预先细
磨,并进行粒度分级作业来制备颗粒。
虽然动力学在这些作业中显然是重要的,但一直很少将颗粒
反应动力学的许多实验室研究结果用于冶金设备的设计。我们从
冶金过程设计开始,着手探讨这方面的问题。过程设计的第一个
问题,就是如何着手设计。解决办法通常是将相关的功能工序加
以综合,也就是拟定一个流程。建立质量平衡和热平衡后,必须
按产量、提取率等项对每个工序拟定作业技术条件。随后,冶金
过程设计者必须确定每步工序符合作业技术条件的措施。在冶金
反应场合,这是一个确定反应器类型及其作业方式的问题,作业
方式可能受到种种制约因素的限制。第二个问题是确定反应器的
大小,以得到所希望的产量和提取率。包括颗粒反应动力学在内
的冶金反应动力学,仅仅是解答第二个问题的手段,从过程设计
工程观点看来,通常不起其它作用。遗憾的是,许多动力学方面
的研究作为一种目的而不是作为一种手段来处理。
过程设计工程师,首先要针对颗粒体系估计过程反应器(反
应设备)的尺寸,所以要掌握的颗粒体系数据必须多于颗粒反应
动力学数据。如果已知给料中颗粒粒度分布和颗粒在反应器中的
滞留时间,那么原则上可以借助计算机作出详尽的综合计算,计
算机能算出与给料速率相适应的反应器尺寸和所要求的转化率j
许多情况十分复杂,以至只有用这种方法才能解决,但这种方法
毕竟费时间、昂贵,并且要求一定的专业水平,但这种专业知识
针对有关颗粒多相化学反应的不同条件,概
括介绍许多这种设计曲线,确定它们的应用范围,并举例说明应
用情况。
为了描述与流体相中一种组分反应的颗粒体系,并作为反应
器平均滞留时间的函数来确定反应率,需要掌握四种资料:(1)
只要求按表象描述的颗粒反应动力学机理;(2)速率控制步骤和
颗粒反应的比速率;(3)颗粒粒度分布;(4)颗粒在反应器(流
态化焙烧炉、浸出槽等)中滞留时间的分布。
所幸,这四种资料的每一种都有一些典型例子,能够用数学
方程描述,并经常发生在一些矿物体系内,起码可适用于工程近
似法的需要。
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