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第六章 冶金过程动力学应用

第六章 冶金过程动力学应用. 本章分四部分，分别介绍气 - 液、气 - 固、液 - 液及液 - 固相反应动力学. 6.1 气固相反应动力学 Kinetics of gas-solid reactions. 碳酸盐分解反应. 金属氧化反应. 碳的燃烧反应. 氧化物还原反应. 反应气体. O 2. CO 2. O 2. CO. 反应界面. CO 2. CO 2. 反应界面. 产物气体. 反应界面. 反应界面. 气体边界层. 气体边界层. 生成物层. 气体边界层. 气体边界层. 生成物层. 生成物层. MCO 3 =MO+CO 2.

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第六章 冶金过程动力学应用

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Presentation Transcript

  1. 第六章 冶金过程动力学应用 本章分四部分，分别介绍气-液、气-固、液-液及液-固相反应动力学

  2. 6.1 气固相反应动力学Kinetics of gas-solid reactions

  3. 碳酸盐分解反应 金属氧化反应 碳的燃烧反应 氧化物还原反应 反应气体 O2 CO2 O2 CO 反应界面 CO2 CO2 反应界面 产物气体 反应界面 反应界面 气体边界层 气体边界层 生成物层 气体边界层 气体边界层 生成物层 生成物层 MCO3=MO+CO2 2M+O2=2MO C+O2=CO2 MO+CO=M+CO2 气-固相反应过程

  4. 化学反应 Ⅰ Ⅱ 反应气体传质 反应气体扩散 Ⅲ 生成气体传质 生成气体扩散 Ⅴ Ⅳ 气体边界层 生成物层 反应界面 气-固相反应的特征 金属氧化过程： I - II - III 碳酸盐分解过程: III - IV – V 氧化物还原过程：I - II - III - IV - V 碳的燃烧过程： I - III - V

  5. 碳燃烧反应: A(g) + bB(s) = cC(g) 动力学步骤： （1）气体反应物通过气体 边界层（外传质）； （2）界面化学反应; (3) 气体产物通过气体 边界层（外传质）。

  6. （1）反应物的外传质 • A(g)通过气相边界层速率： cAb 气相A在气相内的浓度； cAs 气相A在球体外表面的浓度； 4r02 固相反应物原始表面积； kg 气相边界层的传质系数。

  7. （2）界面化学反应 当化学反应为一级不可逆反应: 说明: 逆反应不影响反应速度。那么，产物 气体传质阻力可以忽略。

  8. 反应过程处于稳态时：

  9. 球形粒子的反应速率

  10. 整理 当u→0, Sh≈2 kdA=D/r

  11. 金属氧化反应: A(g) + bB(s) = sS(s) 动力学步骤: (1) A(g)通过气体边界层到达固相表面（外传质）； （2）A(g)通过固相产物层到达反应界面（内矿散）； （3）界面上发生： A(g) + bB(s) = sS(s)。

  12. （1）外传质（外径不变） • A(g)通过气相边界层速率： cAb 气相A在气相内的浓度； cAs 气相A在球体外表面的浓度； 4r02 固相反应物原始表面积； kdA 气相边界层的传质系数。

  13. （2）内扩散 固相产物层内扩散速率： DeA 有效扩散系数。

  14. 稳态扩散

  15. （3）界面化学反应 当1级不可逆反应:

  16. 过程处于稳态时 根据：

  17. 整理

  18. =2.0  0.6Re1/2Sc1/3 注意 • 以上，假设r0为常数条件下获得的关系式，这时kdA也是常数。即 否则，当r0 变化时，kdA 随之变化。

  19. 未反应核模型---抽象化 Unreacted core model

  20. A(g)+ bB(s)=gG(g)+sS(s)反应步骤 • (1) A(g) 穿过气相边界层到达气-固相界面； （外传质） • (2) A(g) 穿过多孔的S(s) 层，扩散到反应界面; （内扩散） • (3) 反应界面上发生： A(g)+ bB(s)=gG(g)+sS(s)； （界面反应） • (4) G(g) 穿过多孔的S(s)层扩散到达气-固相界面； （内扩散） • (5)G(g) 穿过气相边界层到达气相本体内。 （外传质）

  21. 假设条件： • 1、反应物固相粒子是球形； • 2、反应过程中固相球体体积不变； • 3、反应在同一界面上进行。 (i)固体反应物（B）是致密的, 还原产物(S)层 是多孔的; (ii) 扩散速度 << 化学反应速度.

  22. 特殊情况---A(g)外传质控速 • A(g)通过气相边界层速率等于总反应速率 ： cAb 气相A在气相内的浓度； cAs 气相A在球体外表面的浓度； 4r02 固相反应物原始表面积； kdA 气相边界层的传质系数。

  23. = 4r02kdA(cAbcAi) cAs确定 cAs= cAi • 根据控速环节的假设： 可逆反应： cAi=cAe 不可逆反应： cAi≈0

  24. 总反应速率 • 式中 nB  B(s)的量/mol； B  B(s)的摩尔密度。 （A(g) + bB(s) = gG(g) + sS(s)）

  25. 当cAi≈0（不可逆反应） = 4r02kdAcAb 积分: ri=0，即完全反应时间tf：

  26. 反应分数或转化率XB ---反应消耗的B(s)与其原始量之比 。 (conversion fraction)

  27. 特殊情况---A(g)内扩散控速 S(s)内扩散速率等于 总反应速率： 式中 nAA通过产物层物质量； DeA 有效扩散系数。

  28. DeA = 有效扩散系数 Effective diffusion coefficient 式中 p产物层的气孔率；  曲折度系数。

  29. 稳态扩散

  30. cAs与cAi确定 根据假设： cAs = cAb ，cAb>cAi。 可逆反应： cAi=cAe 不可逆反应： cAi=0

  31. 当cAi≈0（不可逆反应） 由于

  32. 积分式 或 XB =1，完全反应时间tf：

  33. 特殊情况---界面化学反应控速 当反应为1级可逆反应:

  34. cAi与cGi 确定 根据控速环节的假设： cAi = cAb，cGi = cGb 不可逆反应 ： cGi≈ 0

  35. 当cGi≈0（不可逆反应）

  36. 完全反应 也可以导出：

  37. 混合控速 Mixed-controlled reaction

  38. A(g)内扩散与界面反应混合控速 根据控速环节假设： cAs = cAb A通过固体产物层的扩散: 稳态条件下，内扩散层内NA,dr=ri=Const.

  39. = 4ri2kr cAi 4ri2kr cAi cAi 确定 一级不可逆反应： 反应过程达到稳态时： NA,d = NA,r

  40. = 4ri2kr cAi 反应速率 (A(g) + bB(s) = gG(g) + sS(s))

  41. 根据 XB = 1-(ri/r0)3

  42. 反应时间的加和性 （内扩散控速） （界面反应控速）

  43. 一般情况 如果串联过程 I, II, III, IV, V阻力相差不大，必须考虑各个 阶段。

  44. 气体边界层内传质

  45. 产物层内扩散

  46. 界面化学反应 aA(g) + bB(s) = gG(g) + sS(s)：a=g=1

  47. 消除cA,s， cA,i，cG,s，cG,i项

  48. 稳态处理

  49. 化学反应关系 令

  50. 气-固相反应物量关系

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