概述32 化学反应的动力学基础33 冶金反应的动力学基础.ppt

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1、第三章冶金反应动力学基础冶金反应动力学中反应速度的表示方法及换算；质量作用定律的表示式及其含义；冶金反应的动力学环节，重点是限制性环节；气/固反应模型——未反应核模型；冶金传输相关知识，有效边界层；液/液反应模型——双膜理论模型。本章要点冶金反应表观速度常数、表观反应活化能等的含义；动力学研究的内容:探讨反应的速率和机理微观动力学宏观动力学研究冶金动力学首先要了解化学反应动力学基础，如化学反应速率与浓度的关系、与温度的关系等。这种在理想条件下（例如温度恒定）研究化学反应进行的速度和机理的内容称为化学反应动力学或称为微观动力学冶金过程速率及机理的研究要求在化学反

2、应动力学基础上，研究流体的流动特性、传质和传热的特点等对过程速率的影响，这部分内容又称为宏观动力学。冶金动力学包括：微观动力学和宏观动力学3.2化学反应的动力学基础一、化学反应速度的表示方法化学反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物的减少浓度增加值表示。例如：反应必须指出，若反应方程式中反应物和生成物的化学计量数不同，则以各物质浓度随时间变化所表示的反应速率易不同。A+B=AB速度表达二、质量作用定律一定温度下的反应速率，与各个反应物的浓度的若干次方成正比。对基元反应，每种反应物浓度的指数等于反应式中各反应物的系数。，，式中的比例系数kA、kB、kA

3、B称为反应的速度常数。对复杂反应不能直接应用质量作用定律，而应按照分解的基元反应分别讨论或经试验测定，确定其表观速率。1.反应级数由质量作用定律表示的反应式中，各反应物浓度的指数之和称为反应的反应级数。与复杂化学反应相对应的反应级数，称为表观反应级数，其值取决于反应的控制环节，常常只能由试验测定。2.温度对反应速率的影响反应速度常数随反应温度的提高而迅速增大。对简单的化学反应，二者的定量关系可用Arrhenius公式确定：3.2冶金反应动力学基础研究冶金反应动力学主要是确定反应速率。反应的总速率取决于各个环节中最慢的环节，这一环节称为限制性环节。限制环节不是一

4、成不变的，当外界条件改变时，限制环节可能发生相应变化。多相反应在同一相内进行的反应称为均相反应，而在不同相间发生的反应则称为多相反应。根据Arrhenius公式可以由lnk对1/T作图，直线的斜率即为活化能，进而可由活化能确定多相反应的限制性环节。1、活化能法当界面反应速率很快，同时有几个扩散环节存在时，其中相内与界面浓度差较大者为限制性环节。2、浓度差法如果一个反应，温度对其反应速率影响不大，而增加搅拌强度时，反应速率迅速增大，则说明扩散传质是限制环节，因为搅拌强度对反应速率不产生影响。3、搅拌强度法1.扩散理论如对一维非稳态扩散方程，给出相应的边界条件：初

5、始条件：t=0，x≥0，C=C0；边界条件：t>0，x=0，C=Ci；x=∞，C=C0；式中erfc（）称为误差函数，可用误差函数表计算。这是一个典型的半无限体的扩散问题求解。二、扩散理论基础分离变量法例3-1将20#钢在980℃（奥氏体区）置于还原气氛中渗碳，其反应为2CO=CO2+[C]钢表面上碳的平衡浓度为1.0%。假设碳在钢中的扩散速度为过程的限制环节，试计算1、3、10h时碳的浓度分布曲线。已知980℃时，DC=20×10-2cm2/s。解：20#钢平均碳含量（即初始浓度）为C0=0.20%，取钢表面为x=0，则边界条件为Ci=1.0%。这是一个半无

6、限体的扩散问题。所以有当t=1h=3600s时，对应不同的x可得出一系列的C（x，t），然后作出C-x图。用同样的方法作出t=3hr、10hr时的C-x图，如图所示。图3-120#钢渗碳过程C-x曲线2.有效边界层的概念图3-2给出了流场中的浓度和速度分布曲线。可以看出，在扩散边界层内，浓度分布为曲线关系，很难确定边界层。为了处理问题方便，把对流扩散折算成稳态的分子扩散，在边界处（y=0）作浓度分布曲线，使之与主流浓度C∞A的延长线相交，并过交点作一平行与边界的平面，该平面与界面间的区域称为有效边界层，其厚度用δ'C表示。在有效边界层内浓度分布符合：概念主流浓

7、度C∞A在传质过程不发生变化，界面浓度CiA在传质过程始终维持热力学平衡浓度。这样就把扩散边界层内的非线性浓度分布关系，转化为有效边界层内呈线性分布的浓度梯度，从而大大简化了问题。也就是说，在有效边界层内，对流扩散问题可以用Fick第一定律（稳态扩散）的形式来处理，即图3-2边界层中的速度分别和浓度分布对传输方程可用三种方法求解：后两种方法为近似解法，在工程上应用更为普遍。通过缩小截断误差、多次运算等，可获得要求的精确度。三、多相反应动力学的基本特征及分类表3-1部分冶金中重要的多相反应1．未反应核模型氧化铁的还原反应未反应核模型因其数学处理简单，且较接近反应

8、实际，获得了广泛的应用。将一个致密的矿