冶金反应动力学.pptx
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1、冶金过程动力学Kinetics of reactions in metallurgical processes,1,第五章 冶金反应动力学基础,5.1 概述(1)基本定义(2)所属范畴(3)应用实例(4)参考书,2,所属范畴,冶金过程动力学,3,定义与相关课程,Chemical kinetics,Transport phenomena,Metallurgy,Kinetics of reactions in metallurgical processes,4,实例,5,参考书,张家芸主编,冶金物理化学,冶金工业出版社,2004郭汉杰编著,冶金物理化学教程,冶金工业出版社,2006韩其勇主编,冶金
2、过程动力学,冶金工业出版社,1983G. H. 盖格、D. R. 波伊里尔著,冶金中的传热传质现象,冶金工业出版社,1981 (俞景禄、魏季和译)鞭岩、森山昭著,冶金反应工程学,科学出版社,1981 (蔡志鹏、谢裕生译),6,5.2 化学反应动力学基础,(1)反应进度(2)反应速率(3)速率方程 (4) 反应级数(5)速率方程解析 (6) 反应速率与温度的关系,7,化学反应 / Chemical reactions,反应物,;生成物,。,8,(1)反应进度 / Extent of reaction,t =0t 范围内,反应进度 为:,式中 、 初始和某一时刻物质的量, mol;无论i是反应物或
3、生成物,反应进度均为正值。,9,导出,10,(2)反应速率/ Reaction rate,mols1,molm-3s1,11,(3)速率方程 / Rate equation,质量作用定律:对于一个基元反应,一定温度下的反应速率与各反应物浓度幂指数的乘积成正比。,-速率方程,(Law of mass action:19世纪中期G.M.古德贝格和P.瓦格),(k-反应速度常数),12,(4)反应级数/ Reaction order,n = (-A)+(-B),对于基元反应:,反应级数,13,(5)速率方程解析,不可逆反应: AB,14,不可逆反应: n = 0, 1, 2,一级,二级,零级,15,
4、(6)反应速率与温度的关系,由阿累尼乌斯方程(Arrhenius equation):式中,E-反应活化能(activation energy), A-频率因子(frequency factor)。,16,A 与 T 对k 的作用,* T-普通分子活化分子转化的推动力。* E-普通分子活化分子转化时需要的能量。* A-普通分子全部转化成活化分子时反应速度常数。,17,5.3 扩散与相间传质Diffusion and interphase transmission,扩散- 热运动导致的物质质点由高化学势向低化学势区域的运动过程。传质- 化学势梯度引起的原子、分子运动以及外力场或密度差造成的流体微
5、元运动产生的物质迁移过程。,18,扩散与传质的区别,扩散 传质:,静止介质中质点的扩散; 层流中的传质;紊流中的传质; 相际传质。,19,扩散过程 / Diffusion process,20,( 1 ) 菲克第一定律Ficks first law of diffusion,dc/dt=0(稳态) dc/dx=(c2-c1)/x=常数,mol/m2 s,摩尔扩散通量 JA, x,浓度cA的SI单位为molm-3。,21,( 2 ) 菲克第二定律Ficks second law of diffusion,J=-D(c/x),22,非稳态扩散Diffusion with non-steady st
6、ate,实际情况,23,从非稳态到稳态变化,1,2,传导介质,气相内B浓度,B+N2,X,t=0,t=t1,t=t2,t=t3,t=t4,t=t,cBb,cB,c,24,( 3 ) 扩散系数和温度的关系 Relationship of diffusion coefficient with temperature,经验公式:,ED扩散活化能, Jmol -1。D0频率因子, 与D的单位同为m2s-1。,25,(4)边界层/Boundary layer,u-速度边界层,c-扩散边界层,c-有效扩散边界层,26,速度边界层与扩散边界层,当流体以层流状态流过平板时,金属液与熔渣的Sc (Schmidt
7、) 值103-104,所以两者的cu。,27,扩散边界层,流体以层流状态流过平板时:同一位置上,扩散边界层随流体粘度增大而增厚,随流体流速增大而减薄。,28,有效扩散边界层,界面处的浓度梯度: 瓦格纳(C.Wagner) 定义为有效扩散边界层。,29,在两相界面处(x=0),流体u=0, 为纯分子扩散:,根据:,30,有效扩散边界层与菲克定律,在界面处(x=0),流体流速u=0, 为纯分子扩散,有 代入有效扩散系数当cb不随传质过程变化,cs又保持热力学平衡浓度,这样就符合菲克第一定律的稳定扩散,简化了数学处理过程。,31,(5) 传质系数 Mass transfer coefficient,
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