冶金动力学基础2

1,第二章冶金动力学基础,1,2,二、反应过程速率的影响因素,一、气固相反应的动力学模型,第三节气固相反应的动力学模型,2,一、气固相反应的动力学模型,固体()=固体()+气体碳酸盐、硫化物、氧化物的分解固体()+气体()=固体()+气体()氧化物间接还原,1、未反应核模型(收缩核模型),图1区域化学反应示意图,气固相反应类型:,气固相反应定义：,一个固相消失，另一个固相产生，同时有气体参与的反应。,模型如图1所示。图中层称为边界层（相界面附近存在浓度梯度的一凝聚相厚度层），Fe层称为固体产物层，FeO称为未反应层。,3,区域化学反应（局部化学反应）：,未反应模型（气-固相反应）组成环节:,(1)气体在气相内的扩散，主要是通过边界层的扩散外扩散；(2)气体在固相产物层（已还原层）内的扩散内扩散；(3)界面化学反应；(4)气体产物在固相产物层（已还原层）内向外扩散；(5)气体产物在气相内向外扩散。,沿固体内部相界面附近区域发展的反应。,4,反应速度随时间的变化曲线,分三个时期：诱导期、自动催化期和反应界面缩小期，其产生原因如下：诱导期产生原因：反应在表面的活化中心进行,活化中心面积(反应面积)很小。自动催化期(反应界面形成即扩大期)产生原因:随着反应的进行,反应面积不断增加,反应速度也不断增加。反应界面缩小期(前沿汇合期)产生原因:每个活化中心反应界面相交,称为反应面的前沿汇合。此时反应速率最大,之后,由于反应面积减小,反应速率降低。,2、气固相反应的动力学曲线,气固相反应的动力学曲线：,气固相反应的动力学曲线的特点,5,反,气固相反应的动力学曲线,6,3、未反应核模型速率微分式,界面化学反应速率：,产物层内扩散速率：,（）,（）,（）,用气体反应物表示：,稳定态过程，J为常量：,式（）,7,限制环节是内扩散,限制环节是界面反应,未反应核模型速率微分式讨论：,限制环节是混合限制环节,8,4、未反应核模型速率积分式,用固相反应物表示的速率式：,又,9,界面反应成为限制环节,限制环节是内扩散,未反应核模型速率积分式讨论：,限制环节是混合限制环节,10,以反应度R或穿透度f表示速率式及其限制环节速率式,反应度（转化率）：矿球已反应了的百分数，R表示。,穿透度：矿球半径改变的分数,二者关系：,11,限制环节是界面反应,限制环节是内扩散,限制环节是混合限制环节,气-固相反应速率积分式讨论：,12,二、反应过程速率的影响因素,1、温度,低温下，界面反应是限制环节，在高温下，扩散是限制环节。,2、固相物的孔隙度,固体反应物的孔隙度高，孔隙又是开口的，构成了贯穿于固体整个体积内的细微通道网络，气体能沿这些通道扩散，除了固体的宏观表面外，还有内部孔隙的微表面也是反应的界面，使反应成体积性的发展。固相生成物的孔隙特性直接影响气固相反应的有效扩散系数。,13,4、流体流速,在对流运动的体系内，传质系数随着流体的流速而增加。在扩散范围，流速增加能使扩散环节速率增大，从而使整个过程的速率加快。流速增加对界面化学反应成为限制环节的过程的速率没有影响。,3、固相物的粒度及形状,在生产上，应根据矿石结构的性能，选择适当的粒度。矿料比较致密时，要选择较小的粒度。过小的粒度（如粉料）也不适宜，会妨碍炉料的透气性。,14,三、速率限制环节的确定方法,1、利用测定的活化能估计法,反应物浓度为1单位或者浓度梯度为1的速率,由直线的斜率求得的活化能就是限制环节的活化能。如果直线在某温度发生转折，说明限制环节通过该温度后有改变。一般来说，若反应为2级，活化能又很大，界面反应是限制环节。若反应为1级，活化能又比较小，扩散是限制环节。,15,2、搅拌强度改变法,当一个反应的速率受温度的影响不大，而增加流体的搅拌强度能使反应速率迅速增加，扩散是限制环节。进步改变影响各组分扩散速率的其他条件，确定哪一个组分的扩散是限制者。,3、假设的最大速率法,分别计算界面反应和参加反应的各物质扩散的最大连率（即在所有其他环节不呈现阻力时，该环节的速率即最大），其中速率最小者，是总反应过程的限制环节。,16,重点、作业与思考题,气固相反应类型；未反应核模型特点及各组成环节速率式；气固相反应的动力学曲线；反应过