冶金动力学基础.ppt

冶金物理化学第十章冶金动力学基础,PhysicalChemistryofMetallurgy,第十章.冶金动力学基础,研究化学（冶金）反应的方向，反应能达到的最大限度，外界条件对反应平衡的影响。热力学只能预测反应的可能性。无法确定反应的速率，无法了解反应的机理。,一热力学的研究对象和局限性,1概述,10.冶金动力学基础,化学（冶金）反应的速率化学（冶金）反应的机理（历程）温度、压力、催化剂、溶剂及其它外界因素对反应速率的影响热力学的反应可能性变为现实性。点火，加温或催化剂C+O2=CO2(g)点火，加温,二动力学的研究对象,扩散与传质过程比化学反应慢，往往构成冶金反应的限制环节。因此，冶金动力学研究必然涉及动量传递、热量传递和质量传递等问题。目的：找出影响反应速率因素，选择合适的反应条件，控制反应的按照人们期望的速率进行。,10.冶金动力学基础,三冶金反应的类型,均相反应参与反应的各物质均处于同一个相内进行化学反应。非均相反应参与反应的各物质处于不同的相内进行化学反应。,10.冶金动力学基础,特点：一高三多,化学反应动力学：反应速率和反应机理。以单位时间内反应物或生成物浓度的变化来表示。如反应A+BAB的速率,10.冶金动力学基础,2化学反应动力学基础,JA,JB,JAB-分别表示反应物A,B及生成物AB的反应速率,注意：若反应物和生成物的化学计量系数不同，则以各物质浓度随时间变化所表示的反应速率亦不同。物质浓度表示方法不同，在处理不同类型的反应时，应该采用相应的反应速率表示方法。,以质量百分数表示时，如炼钢过程钢液的降碳速率：,10.冶金动力学基础,在均相反应中，浓度采用单位体积内物质的量表示，,在流体与固体的反应中，以单位质量固体中所含物质A的物质的量来表示浓度，则：,10.冶金动力学基础,在两流体间进行的界面反应，如渣钢反应；或者气固界面反应，如高炉中CO还原铁矿石的反应。以界面上单位面积S为基础，即用单位界面上所含的物质的量来表示浓度，则：,在气固相反应中，有时也以固体物质的单位体积来表示浓度：,由此可见，欲求反应速率，就必须求浓度对时间的变化率。,10.冶金动力学基础,质量作用定律：一定温度下的反应速率与各个反应物浓度的若干次方成正比：,10.冶金动力学基础,3化学反应动力学基础,10.冶金动力学基础,均相反应，多相反应。高温冶金反应多半属于多相反应，例如燃料的燃烧、金属的氧化、铁矿石的还原、钢液的脱硫、脱磷等。多相反应特征：在不同的界面上发生，反应物要从相内部传输到反应界面，并在界面处发生化学反应，生成物要从界面处离开。,10.冶金动力学基础,反应总速率取决于各个环节中最慢的环节，这一环节称为限制环节。首先必须找出反应的限制环节，然后再导出动力学方程。,10.冶金动力学基础,3限制性环节,以一级反应为例，设物质A由相的内部扩散到相界面处，并在界面上发生化学反应，其速率：,物质A的扩散量，即单位时间、通过单位截面积的物质流：,当反应为稳态时：J=JA,10.冶金动力学基础,可以看出，反应的总阻力等于界面反应阻力于传质阻力之和。当kmk时，即传质阻力可忽略，过程的总速率由界面反应速率所决定，界面化学反应为限制环节。,10.冶金动力学基础,1.综合控制；,2.反应过程中限制环节发生改变；,10.冶金动力学基础,10.冶金动力学基础,4确定限制性环节的方法,基于温度对多相反应速率的影响来预测；一般情况下，界面化学反应活化能大于150400kJ/mol；气相中组元的扩散活化能为413kJ/mol；铁液中组元的扩散活化能为1785kJ/mol；熔渣中组元的扩散活化能为170400kJ/mol。当活化能E400kJ/mol，过程处于界面化学反应控制。若E20100时，则表明渣中传质阻力很小，过程主要受钢液中传质所控制。,缺陷：双膜理论认为界面两侧的膜是静止不动的，而且两相中的传质是各自独立进行的，互不影响，这不符合实际情况。但是，在两相流体间反应过程存在双重阻力的观点至今仍有很大的实用价值。液-液相反应只有在两相接触时才能进行传质，因而一相运动必然要影响到另一相。所以两相的传质系数kM和ks是相互关联的，而不是独立变化的参数。,10.冶金动力学基础,Richardson在研究界面两侧流体运动的速度分布时，发现存在下述关系：,10.冶金动力学基础,7气液相反应动力学,10.冶金动力学基础,在冶金生产中,有很多过程,如炼钢过程最重要的脱碳反应、氧气流股与熔池间的作用以及金属液体中气体的溶解与排除等都属于气-液反应。研究气-液冶金过程动力学对强化冶金过程和提高产品质量是非常必要和具有实际意义。,气液相反应动力学的基本规律渗透理论,双膜理论：有关“两相界面不变”的概念，与气-液两相界面的实际状况不符。,Higbie在双膜理论的基础上，接受了“双重阻力”的观点，即认为传质阻力主要集中在界面两侧边界层之内。摒弃了在界面两侧存在静止不动的膜以及膜内传质不受流体内流动状态影响的概念。,10.冶金动力学基础,提出：流体是由许多微元组成。流体微元不断地穿过边界层趋向界面，在界面上与另一流体相接触，然后又离开界面。流体微元在界面上停留的时间（寿命）很短，只有0.0010.1s。流体微元在在界面上停留期间还是发生了传质过程。由于流体微元在界面上停留的时间（寿命）很短，扩散过程不可能达到稳定状态，而是处于“渗透”阶段。,在界面处气相中组元的浓度为：,并且,液体微元在界面的停留时间为te,10.冶金动力学基础,可以把组元A在微元中的传质视为半无限体中的一维非稳态扩散过程,10.冶金动力学基础,10.冶金动力学基础,10.冶金动力学基础,10.冶金动力学基础,10.冶金动力学基础,10.冶金动力学基础,10.冶金动力学基础,10.冶金动力学基础,10.冶金动力学基础,10.冶金动力学基础,8脱碳反应动力学,4气泡冶金动力学,以上讨论了单个气泡的脱氧情况,0C时,脱出的氧占熔池中熔体的重量百分比,9真空冶金动力学,10液-固相反应动力学,废钢熔解过程动力学,在炼钢过程，特别是氧气顶吃转炉熔炼过程往往采用废钢做冷却机。废钢熔化过程是复杂的传热和传质过程。废钢的熔点是其成分的函数，只是达到液相线以上温度时，它才能熔化。因此，废钢的熔解速率同时受传热速率和传质速率（即碳的迁移速率）所控制。当废钢的人碳含量C低于熔钢的碳含量C时，有两种情况出现：其一，当熔体的温度高于废钢的液相线温度时，废钢的熔解不受碳含量的限制，废钢的熔解速率决定于熔池向废钢的传热速率。,考虑到废钢熔化过程从四周向中心进行，故t时刻废钢的的厚度x由下式给出