六章节冶金过程动力学应用
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金属冶炼过程中的反应动力学
固态金属的塑性变形与扩散
固态金属的塑性变形
在金属冶炼过程中，固态金属在外力作 用下会发生塑性变形，变形程度与外力 大小、金属的力学性质以及温度等因素 有关。
VS
固态金属中的扩散行为
在金属内部，原子或分子的迁移过程称为 扩散，扩散速率受到物质浓度梯度、温度 以及扩散激活能等因素的影响。
相变动力学与金属的凝固
详细描述
利用计算机模拟技术，可以预测金属冶炼过程中不同条 件下的反应行为，从而优化工艺参数，提高冶炼效率和 产品质量。同时，反应动力学模型可以为实际生产提供 理论指导，推动金属冶炼技术的发展。
THANKS
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相变动力学
金属在冶炼过程中会发生相变，即固态、液 态、气态之间的转变，相变过程的动力学规 律与温度、压力以及物质性质有关。
金属的凝固过程
金属由液态转变为固态的过程称为凝固，凝 固过程中会伴随着相变、热量的吸收或释放 以动力学在金属冶炼过程中 的应用
优化冶炼工艺参数
要点一
总结词
要点二
详细描述
高温高压极端条件下的金属冶炼过程具有挑战性，研究其 反应动力学有助于提高冶炼效率和产品质量。
在高温高压条件下，金属冶炼过程中的反应速度和机理可 能发生变化，研究这些变化有助于改进冶炼工艺，提高金 属产品的纯度和性能。
反应动力学模型与计算机模拟的应用
总结词
通过建立反应动力学模型并利用计算机模拟技术，可以 深入理解金属冶炼过程并优化工艺参数。
熔融状态下的化学反应动力学
总结词
熔融状态下，金属及其化合物的化学反应动力学表现出独特 的规律和特点。
详细描述
在高温熔融状态下，金属和其化合物发生一系列化学反应， 如氧化、还原、硫化等。这些反应的动力学特性对于熔炼过 程的控制和优化至关重要，有助于提高金属的纯度和生产效 率。
冶金动力学
绪论
•氧化物（球团）还原过程动力学； •冶金反应器中的混合、流动和传质。
化学反应动力学
§1 化学反应速率与浓度关系
1.1基元反应
一个化学反应方程式仅仅表示反应的初态和末态，即只表明反应的 原始物是什么，产物是什么以及反应的计量系数。至于反应的机理如 何，由反应物变为产物的过程中，要经过什么步骤，这从反应式是看 不出来的。 事实上，化学反应一般多是由若干个简单步骤－基元反应组成的。
n 1
半衰期公式
t1/ 2
2 n 1 1 n 1 (n 1)kCA 0
n 1
注意：k量纲与反应级数有关， mol(1n ) m3( n 1) s 1
化学反应动力学
§2 反应级数的测定
反应级数要由实验确定。首先应通过物理或化学方法测出一系列 浓度和时间关系的实验数据，然后再按以下方法处理。 1）积分法 将几组实验数据分别代入零级、一级、二级、…等反应的积分式 中，计算出k值。如某公式计算得到的k值基本守常，则该公式的 级数就是反应级数。 如果不论哪一公式计算得到的k值都不守常，则该反应一定是不 能用整数级数表示的复杂反应。
k物理意义：单位反应物浓度时的化学反应速率。 k与浓度无关；但是温度的函数。
1/k：化学反应的阻力。
a b C 推动力 a b AC B r kCACB 1/ k 阻力
化学反应动力学
质量作用定律只能用于基元反应。而实际发生的大部分反应为非基元 反应，或不能确定为基元反应，怎么办？ 处理方法：外推法（借助质量作用定律的数学形式） 对一般反应 可写成通式 化学反应级数： aA + bB gG
CA
CA
C A0
CA0 kt
特征1 t
金属冶炼热力学与反应动力学
铜冶炼：研究铜矿石的氧化还原反应和 热力学性质
镍冶炼：研究镍矿石的氧化还原反应和 热力学性质
铝冶炼：研究铝矿石的电解反应和热力学 性质
铅冶炼：研究铅矿石的氧化还原反应和 热力学性质
THANK YOU
汇报人：
热力学与动力学在金属冶炼工艺优化中的作用
热力学：研究金属 冶炼过程中的能量 转换和传递规律， 为工艺优化提供理 论依据
动力学：研究金属 冶炼过程中的化学 反应速率和机理， 为工艺优化提供实 验依据
热力学与动力学的 结合：综合考虑能 量转换和化学反应 速率，为工艺优化 提供全面指导
工艺优化：通过热 力学和动力学的研 究，实现金属冶炼 过程的高效、节能、 环保和稳定生产
热力学第三定律：绝对零度，当温 度接近绝对零度时，系统的熵趋于 零，即系统达到完全有序的状态。
添加标题
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热力学第二定律：熵增原理，孤立 系统的熵总是增加的，即系统总是 自发地向熵增的方向发展。
热力学函数：包括内能、焓、熵、 吉布斯自由能等，它们都是描述系 统状态的重要参数。
热力学第一定律和第二定律
热力学原理：法拉第定律，电 化学势，吉布斯自由能
动力学原理：电解质溶液的电 导率，电极反应速率，过电位
应用实例：铝电解槽的设计， 电解温度的控制，电解质的选 择
铜熔炼过程的热力学与动力学研究
铜熔炼过程：包括熔炼、精炼、浇铸等步骤
热力学原理：应用热力学第一定律和第二定律，分析熔炼过程中的能量转换和热平衡
金属冶炼过程中的热力学与动力学模型联合应用
热力学模型：描述金属冶炼过程中的能量转换和物质变化
动力学模型：描述金属冶炼过程中的反应速率和反应条件
金属冶炼工艺中的流体动力学与传质
强化反应条件
通过优化温度、压力、浓度等反 应条件，提高金属冶炼效率。
高效混合与分散
研究高效混合与分散技术，促进反 应物之间的混合与分散，加速化学 反应进程。
过程强化与集成
通过多物理场耦合、多过程集成等 手段，实现金属冶炼过程的强化与 集成，提高整体效率。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
THANK YOU
目的
满足工业、制造业和日常生活对 金属材料的需求，同时实现资源 的有效利用和环境保护。
金属冶炼的工艺流程
01
02
03
04
矿石准备
破碎、磨细、筛分等工序，将 矿石处理成适合冶炼的物理状
态。
熔炼
将矿石或废旧金属加热至熔融 状态，进行氧化、还原反应，
提取金属。
精炼
通过加入适当的添加剂和去除 杂质，提高金属纯度。
金属冶炼工艺的改进与创新
绿色冶炼技术
研发环保型的金属冶炼工 艺，减少对环境的污染和 资源消耗，实现可持续发 展。
高效分离技术
研究新型分离方法，实现 金属与杂质的高效分离， 提高金属纯度。
智能化控制
利用人工智能和大数据技 术，实现金属冶炼过程的 智能化控制，提高生产效 率和产品质量。
提高金属冶炼效率的方法与途径
开发新型反应器
利用流体动力学与传质原理，设计新 型反应器以优化金属冶炼过程，提高 反应效率和产物纯度。
强化传质过程
研究金属冶炼过程中物质传递的规律 ，通过优化工艺参数和操作条件，强 化传质过程，提高金属提取率。
探索新型流态化技术
利用流态化技术实现金属矿物的快速 加热和混合，提高传热和传质效率， 降低能耗。
02
通过流体动力学研究，可以了解 熔体流动对熔炼过程中传热、传 质以及化学反应的影响，为熔炼 工艺的优化提供理论支持。
高温冶金原理-冶金反应过程的动力学
1.0
C0 lnC0 t0.5 lnt0.5
2.0 0.6931 2.5 0.9163
5.0 1.6094 1 0
斜率＝-1＝－（n－1），n＝2
lnt 0.5
0.8
0.6
0.4
Y=A+B*X
Parameter Value Error
0.2
----------------------------------------------
研究冶金动力学的目的
在于了解反应在各种条件下组成环节及其速率 表达式；导出总反应的速率方程，确定反应过程限制 环节；讨论反应的机理以及各种因素对速率的影响； 以便选择合适的反应条件，控制反应的进行，达到强 化冶炼过程，缩短冶炼时间及提高反应器生产效率的 目的。
§ 4.1 化学反应的速率
一、化学反应速度式
计算硫在熔铁中的传质系数及边界层的厚度。
分析： ln w [ S ] w [ S ]e Ds t t
w [ S ]0 w [ S ]e L
L
作ln（w[S]-w[S]e)－t图，
斜率＝
L
解：计算ln（w[S]-w[S]e)
时间/min w[s]
w[s]-w[s]e ln(w[s]-w[s]e)
A
A A
未占据的面积分数：
1A
A
吸附平衡常数：
KA
A P A(1 A
)
A
K A PA 1 KAPA
吸附反应的速率正比于θA：
v
k A A
k A K A PA 1 KAPA
如发生溶解组分A吸附：
v kAK AaA 1 K Aa A
－朗格缪尔吸附等温式
当KPA或KaA>>1时，
冶金过程动力学总结
27
• 高碳钢脱碳：
dnC V Ar dpCO dt RT dt
w[O]s
p CO / p θ 104 K CO w[C]
17
例：低碳钢脱碳
p CO / p θ VAr dpCO k d A ( w[C ] 4 ) RT dt M [C ] 10 K CO w[O]
B
k d ART VM [C ]
16
[N] [O] [C] [H]
钢液边界层内扩 散是控制环节
吹氩脱碳-气泡内压力变化
w[C]s
p CO / p θ 104 K CO w[O]
• 低碳钢脱碳：
dnC k d A ( w[C ] w[C ] s ) dt M [C ] dnC k d A ( w[O] w[O] s ) dt M [O ]
20
真空脱气
dnA dcA V dt dt
dnA Akd (c c s ) dt
dcA A s k d (c A c A ) dt V
cA c A ln o kd t 21 V cA c
s A s A
液-液相反应步骤
[A] + (B z+ ) = (Az+ ) + [B]
p 'H dVAr
2
RT
103 Wd [ H ] 2M [ H ]
VAr,0
273 Ar 1.12W V 1 1 ( ) T K H 2 [ H ]t [ H ]0
/ m3
• 脱碳与脱氢关系：
d[C ] 6K CO[C ][O] d[ H ] dt dt K H [ H ] 2
N [Mn] A
• 高碳钢脱碳：
dnC V Ar dpCO dt RT dt
w[O]s
p CO / p θ 104 K CO w[C]
17
例：低碳钢脱碳
p CO / p θ VAr dpCO k d A ( w[C ] 4 ) RT dt M [C ] 10 K CO w[O]
B
k d ART VM [C ]
16
[N] [O] [C] [H]
钢液边界层内扩 散是控制环节
吹氩脱碳-气泡内压力变化
w[C]s
p CO / p θ 104 K CO w[O]
• 低碳钢脱碳：
dnC k d A ( w[C ] w[C ] s ) dt M [C ] dnC k d A ( w[O] w[O] s ) dt M [O ]
20
真空脱气
dnA dcA V dt dt
dnA Akd (c c s ) dt
dcA A s k d (c A c A ) dt V
cA c A ln o kd t 21 V cA c
s A s A
液-液相反应步骤
[A] + (B z+ ) = (Az+ ) + [B]
p 'H dVAr
2
RT
103 Wd [ H ] 2M [ H ]
VAr,0
273 Ar 1.12W V 1 1 ( ) T K H 2 [ H ]t [ H ]0
/ m3
• 脱碳与脱氢关系：
d[C ] 6K CO[C ][O] d[ H ] dt dt K H [ H ] 2
N [Mn] A
金属冶炼过程中的气体动力学与流体力学
详细描述
04
CHAPTER
金属冶炼过程中的气体动力学与流体力学应用
VS
描述金属冶炼过程中气体流动的规律和特性，包括流动状态、速度分布、压力损失等。
详细描述
在金属冶炼过程中，气体的流动特性对于工艺过程的控制和优化至关重要。气体在反应器、管道和设备中的流动状态可以是层流或湍流，其速度分布和压力损失需要被准确描述。了解这些流动特性有助于优化工艺参数，提高冶炼效率和产品质量。
流体静力学研究流体在静止状态下的平衡规律，而流体动力学则研究流体在运动状态下的力学行为。这些概念在金属冶炼过程中有着广泛的应用。
总结词
在金属冶炼过程中，需要对流体进行加压、输送和调节，这涉及到流体静力学中的压力、浮力和压强等概念。同时，为了优化冶炼过程和提高生产效率，需要了解流体动力学中的速度、流量和阻力的关系，以及如何通过改变流体的流动状态来控制其行为。
密度
气体的质量与其所占据的体积的比值，单位为千克每立方米（kg/m³）。
体积
气体所占据的空间，单位为立方米（m³）。
压力
气体对容器壁的压强，单位为帕斯卡（Pa）。
PV=nRT，其中P表示压力，V表示体积，n表示摩尔数，R表示气体常数，T表示温度。
理想气体状态方程
p+1/2ρv²+ρgh=C，其中p表示压力，v表示速度，ρ表示密度，g表示重力加速度，h表示高度，C表示常数。
06
CHAPTER
未来展望
随着技术的不断进步，金属冶炼过程将更加高效，降低能耗和缩短冶炼周期。
高效化
环保要求日益严格，金属冶炼技术将更加注重环保，减少污染物的排放。
环保化
随着人工智能和自动化技术的发展，金属冶炼过程将逐步实现智能化控制，提高生产效率和产品质量。
04
CHAPTER
金属冶炼过程中的气体动力学与流体力学应用
VS
描述金属冶炼过程中气体流动的规律和特性，包括流动状态、速度分布、压力损失等。
详细描述
在金属冶炼过程中，气体的流动特性对于工艺过程的控制和优化至关重要。气体在反应器、管道和设备中的流动状态可以是层流或湍流，其速度分布和压力损失需要被准确描述。了解这些流动特性有助于优化工艺参数，提高冶炼效率和产品质量。
流体静力学研究流体在静止状态下的平衡规律，而流体动力学则研究流体在运动状态下的力学行为。这些概念在金属冶炼过程中有着广泛的应用。
总结词
在金属冶炼过程中，需要对流体进行加压、输送和调节，这涉及到流体静力学中的压力、浮力和压强等概念。同时，为了优化冶炼过程和提高生产效率，需要了解流体动力学中的速度、流量和阻力的关系，以及如何通过改变流体的流动状态来控制其行为。
密度
气体的质量与其所占据的体积的比值，单位为千克每立方米（kg/m³）。
体积
气体所占据的空间，单位为立方米（m³）。
压力
气体对容器壁的压强，单位为帕斯卡（Pa）。
PV=nRT，其中P表示压力，V表示体积，n表示摩尔数，R表示气体常数，T表示温度。
理想气体状态方程
p+1/2ρv²+ρgh=C，其中p表示压力，v表示速度，ρ表示密度，g表示重力加速度，h表示高度，C表示常数。
06
CHAPTER
未来展望
随着技术的不断进步，金属冶炼过程将更加高效，降低能耗和缩短冶炼周期。
高效化
环保要求日益严格，金属冶炼技术将更加注重环保，减少污染物的排放。
环保化
随着人工智能和自动化技术的发展，金属冶炼过程将逐步实现智能化控制，提高生产效率和产品质量。
金属冶炼反应动力学
实验精度
通过多次重复实验和对比实验等方法 提高实验精度，确保结果的准确性和 可靠性。
05
金属冶炼反应动力学的应用实例
钢铁工业中的应用
铁矿石的还原
研究铁矿石还原过程中的反应速率和机理，提高炼铁效率。
钢的连铸和轧制
通过反应动力学模型预测和控制钢在连铸和轧制过程中的相变和 组织演变。
钢铁材料的表面处理
人工智能与机器学习在反应动力学中的应用
利用人工智能和机器学习技术，对金属冶炼反应过程进行实时监测和预测，提高反应效率和产品质量 。
新型传感器和检测技术的应用
开发新型传感器和检测技术，实时监测反应过程中的温度、压力、浓度等参数，为优化反应过程提供 数据支持。
反应动力学理论的发展
建立更精确的数学模型
基于实验数据和理论分析，建立更精确的数学模型，用于描述金属冶炼反应的动力学过 程，提高预测精度。
，提高资源利用率。
02
金属冶炼反应动力学原理
化学反应速率
反应速率定义
化学反应速率是指反应过程中物质浓 度随时间变化的速率，通常用单位时 间内反应物或生成物的浓度变化来表 示。
反应速率分类
反应速率的影响因素
反应温度、压力、反应物浓度、催化 剂等都会影响化学反应速率。
根据反应速率的不同表现形式，可以 分为零级反应、一级反应、二级反应 等。
THANKS
感谢观看
பைடு நூலகம்
反应速率常数与活化能
反应速率常数
01
反应速率常数是描述化学反应速率与反应物浓度关系的常数，
它反映了反应的快慢程度。
活化能
02
活化能是表示化学反应速率与反应温度关系的能量，是决定反
应速率的重要因素。
通过多次重复实验和对比实验等方法 提高实验精度，确保结果的准确性和 可靠性。
05
金属冶炼反应动力学的应用实例
钢铁工业中的应用
铁矿石的还原
研究铁矿石还原过程中的反应速率和机理，提高炼铁效率。
钢的连铸和轧制
通过反应动力学模型预测和控制钢在连铸和轧制过程中的相变和 组织演变。
钢铁材料的表面处理
人工智能与机器学习在反应动力学中的应用
利用人工智能和机器学习技术，对金属冶炼反应过程进行实时监测和预测，提高反应效率和产品质量 。
新型传感器和检测技术的应用
开发新型传感器和检测技术，实时监测反应过程中的温度、压力、浓度等参数，为优化反应过程提供 数据支持。
反应动力学理论的发展
建立更精确的数学模型
基于实验数据和理论分析，建立更精确的数学模型，用于描述金属冶炼反应的动力学过 程，提高预测精度。
，提高资源利用率。
02
金属冶炼反应动力学原理
化学反应速率
反应速率定义
化学反应速率是指反应过程中物质浓 度随时间变化的速率，通常用单位时 间内反应物或生成物的浓度变化来表 示。
反应速率分类
反应速率的影响因素
反应温度、压力、反应物浓度、催化 剂等都会影响化学反应速率。
根据反应速率的不同表现形式，可以 分为零级反应、一级反应、二级反应 等。
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反应速率常数与活化能
反应速率常数
01
反应速率常数是描述化学反应速率与反应物浓度关系的常数，
它反映了反应的快慢程度。
活化能
02
活化能是表示化学反应速率与反应温度关系的能量，是决定反
应速率的重要因素。
金属冶炼中的热力学与动力学研究
案例三
要点一
总结词
新兴金属冶炼工艺包括钛、锆、铪等稀有金属的冶炼。
要点二
详细描述
在钛冶炼中，热力学与动力学研究对于了解四氯化钛制备 过程中的反应机理和速率至关重要。锆、铪等稀有金属的 冶炼工艺中，研究重点在于探索高效分离和提纯方法，以 降低生产成本和提高资源利用率。新兴金属冶炼工艺中的 热力学与动力学研究还涉及环境友好型工艺的开发，以降 低对环境的负面影响。
PART 05
案例分析
案例一：钢铁冶炼中的热力学与动力学研究
总结词
钢铁冶炼中的热力学与动力学研究主要关注高炉炼铁、平炉炼钢和电弧炉炼钢等工艺过程。
详细描述
在高炉炼铁过程中，热力学与动力学研究有助于了解铁矿石还原反应的机理和速率，优化反应条件，提高铁产量 和降低能耗。平炉炼钢和电弧炉炼钢中，研究重点在于熔池中元素迁移、相变和夹杂物形成等过程，以实现高效 、低耗和环保的冶炼目标。
热力学第二定律
熵增加原理，表示自发反 应总是向着熵增加的方向 进行，即熵是反应自发性 的度量。
热力学第三定律
绝对熵的概念，表示在绝 对零度时，系统的熵为零 。
金属冶炼过程中的热力学原理
1 2 3
熔化与凝固
热力学原理可以解释金属的熔化凝固过程，以 及这些过程中发生的相变和能量变化。
氧化与还原
热力学原理可以预测金属在冶炼过程中是否容易 被氧化或还原，以及如何控制反应条件以获得所 需的产物。
定义
金属冶炼是指通过一系列物理和 化学过程，从矿石或其他含金属 原料中提取和纯化金属的过程。
目的
金属冶炼的目的是为了获得高纯 度、高质量的金属，以满足工业 、科技和日常生活等领域的需要 。
金属冶炼的基本流程
冶金热力学及动力学
◆应用方法见李文超主编的《冶金与材料物理
冶金动力学 概述
七 冶金动力学中速率的表达方式 •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+B￫AB 的速率
rA dC A dt
rB dCB dt
rAB dC AB dt
rA, rB, rAB---分别表示反应物A,B及生成物AB 的反应速率
•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：
dnA 1 rA dt VS dt dC A
dnA 1 rA dt S dt
dCA
由此可见，欲求反应速率，就必须求浓度对时间的变化率
冶金动力学 概述
• 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。
冶金动力学 概述
五 冶金动力学的研究方法（建立动力学模型 的方法）
◆建立动力学模型需要注意的几个问题。 ◆建立动力学模型的通用规则。
冶金动力学 概述
六 冶金动力学的数据库的应用
◆国外:
KINDAS
◆国内：IDMSKM
( Intelledualiged database management system on kinetics of metallurgy ) 化学》P358-372
冶金动力学 概述
•在均相反应中，浓度采用单位体积内物质的 量表示；
dnA 1 rA dt V dt dCA
•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：
动力学理论在冶金工程中的应用研究
动力学理论在冶金工程中的应用研究在冶金工程中，动力学理论是一种重要的分析方法，经过多年的发展与研究，已经逐渐成为研究冶金工程问题的重要手段之一。
动力学理论的本质是通过对物料系统中各种物理、化学反应的速率进行分析，并研究其与其他参数之间的关系，推导出一系列数学模型，以此为依据来指导各种工程实践。
在冶金工程中，动力学理论可应用于许多方面。
常见的领域包括材料的变形和变化、金属的腐蚀、矿物的粉碎和浮选、冶炼过程的热学和传质、以及在生产炉内的化学反应等等。
这些都是非常复杂的过程，通常需要通过动力学理论进行分析和解决。
其中，最常见的应用是在冶金反应中的研究。
动力学理论能够描述化学反应、腐蚀等现象中物质的变化规律，确定反应的速率常数，并预测反应的发展趋势。
因此，它在研究冶金反应动力学过程中的应用非常广泛。
例如当我们需要控制钢的硫含量时，动力学就是必备工具之一。
通过对化学反应的速率方程建模，我们可以预测各种参数之间的相互影响，以此来控制出钢中的硫含量。
另外，动力学理论还可以在材料力学中发挥作用。
在材料研究中，我们需要知道材料的强度和断裂特性等参数，以便进行结构设计和性能优化。
通过动力学理论，我们可以通过对应变速率和力学应力反应的定量分析来研究这些参数，获得材料的力学性质与构造状况之间的关系。
此外，动力学理论也可在热力学和传质领域中应用。
在冶炼过程中，热学和传质是至关重要的，两者都涉及到物料的流动、相变、传热等过程。
通过动力学理论，我们可以对这些过程做出一些定量化的分析和预测，以此来优化工艺过程和提高生产效率。
总体来说，动力学理论已经成为冶金工程研究及应用的必备手段之一。
在未来，随着科学技术的发展和理论不断的完善，动力学理论在冶金工程中的应用也将会更加广泛和深入。
冶金过程动力学2
２） 对不可逆反应，则未反应核表面浓度总是 等于零，即cAi 0。此时
r0 ri dnA 4πDeff cAb dt r0 ri
由于
4πri2 B dri dnA dnB dt bdt bM B dt
代入，得 分离变量，积分
t
4πri 2 B dri r0 ri 4πDeff ( )cAb bM B dt r0 ri
dnA dnB dt bdt bM B
2 4πri B
dri dt
得到
4πri2 B dri 2 4πri k rea cAb bM B dt
分离变量，积分
ri t
dri
r0 0
bM B k rea cAb
B
dt
得
t
B r0
bM B k rea cAb
d.内扩散与界面化学反应混合控速
当气体流速较大，同时界面化学反应速率与固相产物 层内的扩散速率相差不大时，可以忽略气膜中的扩散 阻力，认为反应过程由界面化学反应及气体在固相产 物层中的内扩散混合控速。
过程特点
由于忽略外扩散阻力，固体颗粒外表面上反应物A的 浓度与它在气相本体中的浓度相等，即cAs = cAb。 A通过固体产物层的扩散，可由菲克第一定律
在产物层与未反应核界面上的化学反应
dn A 2 4ri k rea c Ai dt
在稳态时，界面上化学反应速率等于通过固体产物层的内 扩散速率，于是
r0 ri 4πDeff ( ) (cAb cAi ) 4ri 2 krea c Ai r0 ri
整理后得
cAi
Deff r0 cAb k rea (r0 ri ri2 ) r0 Deff
冶金动力学研究方法
可重复性原则
实验设计应具有可重复性，以便验证实验结果的一致性和稳 定性。
实验设计原则与步骤
• 经济性原则：实验设计应考虑成本效益，尽量降低实验成 本，提高实验效率。
Hale Waihona Puke 实验设计原则与步骤明确实验目的
确定实验要解决的科学问题或技术难题。
制定实验方案
根据实验目的，选择合适的实验方法、设备和技术手段。
实验设计原则与步骤
热力学在冶金过程中的应用
冶金反应的热效应
计算冶金反应过程中的热量变化，为工艺优化提 供理论依据。
相平衡与相图
分析冶金过程中的相变行为，预测合金的组织和 性能。
热力学数据库
建立冶金热力学数据库，为材料设计和工艺优化 提供数据支持。
热力学计算与模拟方法
01
热力学计算方法
包括热化学计算、相图计算等， 用于预测冶金过程中的热力学性 质。
废弃电子电器产品回收
结合冶金动力学分析，研究废弃电子电器产品中金属的回收和再利 用技术，提高资源利用率并减少环境污染。
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常用实验设备与技术手段
• 真空设备：提供真空环境，用于研究物质在真空 条件下的反应和性能变化。
常用实验设备与技术手段
热力学计算
01
通过热力学计算，预测物质在不同条件下的热力学性质和相变
行为。
动力学模拟
02
利用计算机模拟技术，模拟物质在反应过程中的动态行为，揭
示反应机理和动力学规律。
微观结构分析
03
统计分析
运用统计方法对实验数据进行统计分析，揭示数据间的内在规律和 联系。
机理探讨
根据实验结果探讨反应机理和动力学规律，为冶金过程优化和控制提 供理论依据。
实验设计应具有可重复性，以便验证实验结果的一致性和稳 定性。
实验设计原则与步骤
• 经济性原则：实验设计应考虑成本效益，尽量降低实验成 本，提高实验效率。
Hale Waihona Puke 实验设计原则与步骤明确实验目的
确定实验要解决的科学问题或技术难题。
制定实验方案
根据实验目的，选择合适的实验方法、设备和技术手段。
实验设计原则与步骤
热力学在冶金过程中的应用
冶金反应的热效应
计算冶金反应过程中的热量变化，为工艺优化提 供理论依据。
相平衡与相图
分析冶金过程中的相变行为，预测合金的组织和 性能。
热力学数据库
建立冶金热力学数据库，为材料设计和工艺优化 提供数据支持。
热力学计算与模拟方法
01
热力学计算方法
包括热化学计算、相图计算等， 用于预测冶金过程中的热力学性 质。
废弃电子电器产品回收
结合冶金动力学分析，研究废弃电子电器产品中金属的回收和再利 用技术，提高资源利用率并减少环境污染。
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常用实验设备与技术手段
• 真空设备：提供真空环境，用于研究物质在真空 条件下的反应和性能变化。
常用实验设备与技术手段
热力学计算
01
通过热力学计算，预测物质在不同条件下的热力学性质和相变
行为。
动力学模拟
02
利用计算机模拟技术，模拟物质在反应过程中的动态行为，揭
示反应机理和动力学规律。
微观结构分析
03
统计分析
运用统计方法对实验数据进行统计分析，揭示数据间的内在规律和 联系。
机理探讨
根据实验结果探讨反应机理和动力学规律，为冶金过程优化和控制提 供理论依据。
金属冶炼中的熔炼反应动力学
结果分析
根据对比结果，分析实验数据与理论模型之间的差异，探讨可能的原因和影响因素，为改进和完善熔炼反应动力 学理论提供实验依据。
05 熔炼反应动力学的应用与发展
熔炼反应动力学在金属冶炼中的应用
反应速率常数测定
01
通过熔炼反应动力学，可以测定金属冶炼过程中各种反应的速
率常数，从而了解反应速率与温度、压力等参数的关系。
金属氧化物的分解
01
金属氧化物分解是熔炼反应的重要步骤，涉及金属 氧化物在高温下的分解成金属和氧气。
02
分解反应速率受温度、压力和金属氧化物类型的影 响，通常需要较高的温度才能有效进行。
03
金属氧化物的分解程度取决于熔炼温度和时间，以 及添加的还原剂是否充足。
金属的还原过程
还原过程是熔炼反应的关键步 骤，涉及将金属氧化物还原成 金属单质的过程。
数学模型建立
根据化学反应动力学原理，建立描述熔炼反应过 程的数学模型。
参数估计
通过实验数据拟合，确定模型中的反应速率常数 、活化能等参数。
动力学模型的应用与优化
模拟预测
利用建立的模型模拟熔炼过程，预测不同条件下的反 应结果。
优化设计
根据模拟结果，优化熔炼工艺参数，提高金属冶炼效 率和产品质量。
模型验证与修正
还原剂通常是碳、氢、一氧化 碳等可燃气体或固体碳质材料 。
还原反应速率主要受温度和还 原剂浓度影响，高温和充足的 还原剂有利于提高还原速率。
熔融金属的纯化过程
01 在熔炼过程中，金属中的杂质可以通过与添加的 溶剂或清渣剂发生反应而去除。
02 纯化过程可以去除金属中的有害杂质，提高金属 的纯度和质量。
1
熔炼反应动力学基于分子碰撞理论和速率理论， 通过分析反应物质的分子碰撞频率和能量状态来 描述化学反应速率。
根据对比结果，分析实验数据与理论模型之间的差异，探讨可能的原因和影响因素，为改进和完善熔炼反应动力 学理论提供实验依据。
05 熔炼反应动力学的应用与发展
熔炼反应动力学在金属冶炼中的应用
反应速率常数测定
01
通过熔炼反应动力学，可以测定金属冶炼过程中各种反应的速
率常数，从而了解反应速率与温度、压力等参数的关系。
金属氧化物的分解
01
金属氧化物分解是熔炼反应的重要步骤，涉及金属 氧化物在高温下的分解成金属和氧气。
02
分解反应速率受温度、压力和金属氧化物类型的影 响，通常需要较高的温度才能有效进行。
03
金属氧化物的分解程度取决于熔炼温度和时间，以 及添加的还原剂是否充足。
金属的还原过程
还原过程是熔炼反应的关键步 骤，涉及将金属氧化物还原成 金属单质的过程。
数学模型建立
根据化学反应动力学原理，建立描述熔炼反应过 程的数学模型。
参数估计
通过实验数据拟合，确定模型中的反应速率常数 、活化能等参数。
动力学模型的应用与优化
模拟预测
利用建立的模型模拟熔炼过程，预测不同条件下的反 应结果。
优化设计
根据模拟结果，优化熔炼工艺参数，提高金属冶炼效 率和产品质量。
模型验证与修正
还原剂通常是碳、氢、一氧化 碳等可燃气体或固体碳质材料 。
还原反应速率主要受温度和还 原剂浓度影响，高温和充足的 还原剂有利于提高还原速率。
熔融金属的纯化过程
01 在熔炼过程中，金属中的杂质可以通过与添加的 溶剂或清渣剂发生反应而去除。
02 纯化过程可以去除金属中的有害杂质，提高金属 的纯度和质量。
1
熔炼反应动力学基于分子碰撞理论和速率理论， 通过分析反应物质的分子碰撞频率和能量状态来 描述化学反应速率。
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kr 正反应速度m常 /s。数，
46
消除cA,s ， cA,i，cG,s，cG,i项
NI
kdA4r02
cA,b
cA,s,
NII
DeA
4r0ri
r0 ri
cA,s cA,i
NIII
kr 4ri2
cA,i
cG,i
/K
NIV
K
DeG
4r0ri
r0 ri
cG,i / KcG,s / K,
NV
KkdG4r02
cAi 确定
一级不可逆反应：
N A ,r = 4ri2kr cAi
反应过程达到稳态时： NA,d = NA,r
4πDef(fr0r0riri)•(cAbcA)i 4ri2kr cAi
cAi kr(r0riDefrirf2i0)cA rb0Def3f9
反应速率
dn A dt
= 4ri2kr cAi
cAs = cAb ，cAb>cAi。
可逆反应： cAi=cAe 不可逆反应： cAi =0
30
当cAi ≈0（不可逆反应）
ddnAt4πDeffr0r0riri cAb
由于
dnA 4πri2B dir
dt
b dt
4πrb i2Bd dirt4πDef(fr0r0 riri)cAb
31
积分式
t Br02 [13(ri)22(ri)3]
(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）
20
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。
krDeffr0cAbbt
B
1 6kr(r0 33r0ri22ri3)r0riD ef fr0 2D eff
根据 XB = 1-(ri/r0)3
kr DeffcAbb
r02 B
t
1 6kr[12(1XB)3(1XB)3 2]
Deff r0
1
[1(1 XB)3]
41
反应时间的加和性
t r02B
6bDeffcAb
mol/ s
过程IV: NIV
DeG
4r0ri
r0 ri
(cG,i
cG,s )
mol/ s
DeA,DeG 气体A,G的有效扩散系数 m2， / s
45
界面化学反应
aA(g) + bB(s) = gG(g) + sS(s)：a=g=1
假设：界面反可 应逆 是反 一应 级。
过程 III:
NIIIkr4ri2(cA,i cG,i /K) mo/sl
n B
1 b
dnB dt
1 b
d dt
(B
4 ri 3
3
)
B
4 ri 2 d ri
bdt
B : 摩尔密度（ mol / cm 3）
9
整理
nA
B
4ri2dri
bdt
当u→0, Sh≈2
kdA=D/r
tbrkB crA 0,b[1(rr0)k2rD r0(1rr02 2)]
10
金属氧化反应: A(g) + bB(s) = sS(s)
B B(s)的摩尔密度。
24
当cAi≈0（不可逆反应）
4ri2B
b
dri dt
=
4r02kdAcAb
积分 :
t Br0 [1(ri )3]
3bkdAcAb
r0
ri=0，即完全反应时间tf：
tf
Br0
3bkdAcAb
25
反应分数或转化率 XB
XB
1(ri r0
)3
t tf
(conversion fraction)
cG,s
/ KcG,b
/K
47
稳态处理
根 N I N 据 I IN II I N IV N V N
N kdA 1 4r0 2D e r0 A 4 rir0 ri c k A r,b 4 1 c r G i2 ,b /K Kr e0D G 4 r ir0 riK d1 G k 4r0 2
(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.
21
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 ：
ddA nt4r02kdA (cAbcA)s
cAb 气相A在气相内的浓度； cAs 气相A在球体外表面的浓度； 4r02 固相反应物原始表面积；
6bD efcfAb
r0
r0
或
t6bB e D r0 fc 2A f [b 13(1XB)2/32(1XB)]
XB =1，完全反应时间tf ：
tf
Br02
6bDeff cAb
32
特殊情况---界面化学反应控速
当反应为1级可逆反应:
ddntA4ri2kr(cA i cG/iK)
33
cAi 与cGi 确定
t tf
1ri r0
1(1XB)1/3
36
混合控速
Mixed-controlled reaction
37
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
:
NA,d
4ri2DeffcrA
稳态条件下，内扩散层内NA,dr=ri=Const.
NA,d4Def(fcAbcA)ir0r0riri 38
48
化学反应关系 A(g)bB (s)gG (g)sS(s)
令 g1： cA,bcG,bcA,ecG,e
cA ,bcG ,b/K(1K 1)c (A ,bcA ,e)
N
cA,bcA,e
kf
1
4r02
r0ri
Deff4r0ri
kr
1
4ri2(11/K)
式中 1 ： ( 1 1 )/1(1/K), 1 ( 1 1 )/1(1/K)
DeA =
Dp
式中 p产物层的气孔率； 曲折度系数。
28
稳态扩散
4ri2DeAddiA crCo.n sd tdA nt
cAi
dcA
cAs
Con.srit
dri
4πDeff r0 ri2
ddA nt4πD efrf0r0 riri (cA scA)i
29
cAs 与cAi确定
根据假设：
根据控速环节的假设：
cAi = cAb ，cGi = cGb
不可逆反应 ：
cGi ≈ 0
34
当cGi ≈0（不可逆反应）
dnA 4πri2B dir
dt
b dt
4πrbi2Bddirt4πri2krcA b
t Br0 (1 ri )
bkrcAb r0
35
完全反应
tf
B r0
bk r cAb
也可以导出：
（1）反应物的外传质
A(g)通过气相边界层速率：
n A ,i4ri2 kd(A cA bcA)s
cAb 气相A在气相内的浓度； cAs 气相A在球体外表面的浓度； 4r02 固相反应物原始表面积；
kg 气相边界层的传质系数。
6
（2）界面化学反应
当化学反应为一级不可逆反应:
nA,r 4ri2krcAs
NI kdA4r02(cA,b cA,s) NV kdG4r02(cG,s cG,b)
mo/ls mo/ls
kdA,kdG气体 A,G的传质系m/数 s ，
44
产物层内扩散
过程II :
NII
4r2
DeA
cA r
mol/ s
积分得： NII
DeA
4r0ri
r0 ri
(cA,s
cA,i )
3 k f
6 D ef f
k r( 1 1 /K ) r 0B
51
动力学参数求法
令 f ： 1(1X B )1/3
(c A ,b c A ,e)b t3 3 f f2 r 0 (3 f 2 f2 ) 1
否则，当r0 变化时，kdA 随之变化。
Sh kd D A d,R edu,S cD
18
未反应核模型---抽象化
Unreacted core model
19
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）
六章节冶金过程动力学应用
6.1 气固相反应动力学 Kinetics of gas-solid reactions
2
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）。
5
k dA r0
D eA
r0 k rea
t B r0 { k rea [1 ( ri ) 3 ]
bk rea c A,b 3k dA
r0
k rea r0 [1 3( r ) 2 2( r )3 ] [1 ( r )]}
6 D eA
r0
r0
r0
46
消除cA,s ， cA,i，cG,s，cG,i项
NI
kdA4r02
cA,b
cA,s,
NII
DeA
4r0ri
r0 ri
cA,s cA,i
NIII
kr 4ri2
cA,i
cG,i
/K
NIV
K
DeG
4r0ri
r0 ri
cG,i / KcG,s / K,
NV
KkdG4r02
cAi 确定
一级不可逆反应：
N A ,r = 4ri2kr cAi
反应过程达到稳态时： NA,d = NA,r
4πDef(fr0r0riri)•(cAbcA)i 4ri2kr cAi
cAi kr(r0riDefrirf2i0)cA rb0Def3f9
反应速率
dn A dt
= 4ri2kr cAi
cAs = cAb ，cAb>cAi。
可逆反应： cAi=cAe 不可逆反应： cAi =0
30
当cAi ≈0（不可逆反应）
ddnAt4πDeffr0r0riri cAb
由于
dnA 4πri2B dir
dt
b dt
4πrb i2Bd dirt4πDef(fr0r0 riri)cAb
31
积分式
t Br02 [13(ri)22(ri)3]
(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）
20
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。
krDeffr0cAbbt
B
1 6kr(r0 33r0ri22ri3)r0riD ef fr0 2D eff
根据 XB = 1-(ri/r0)3
kr DeffcAbb
r02 B
t
1 6kr[12(1XB)3(1XB)3 2]
Deff r0
1
[1(1 XB)3]
41
反应时间的加和性
t r02B
6bDeffcAb
mol/ s
过程IV: NIV
DeG
4r0ri
r0 ri
(cG,i
cG,s )
mol/ s
DeA,DeG 气体A,G的有效扩散系数 m2， / s
45
界面化学反应
aA(g) + bB(s) = gG(g) + sS(s)：a=g=1
假设：界面反可 应逆 是反 一应 级。
过程 III:
NIIIkr4ri2(cA,i cG,i /K) mo/sl
n B
1 b
dnB dt
1 b
d dt
(B
4 ri 3
3
)
B
4 ri 2 d ri
bdt
B : 摩尔密度（ mol / cm 3）
9
整理
nA
B
4ri2dri
bdt
当u→0, Sh≈2
kdA=D/r
tbrkB crA 0,b[1(rr0)k2rD r0(1rr02 2)]
10
金属氧化反应: A(g) + bB(s) = sS(s)
B B(s)的摩尔密度。
24
当cAi≈0（不可逆反应）
4ri2B
b
dri dt
=
4r02kdAcAb
积分 :
t Br0 [1(ri )3]
3bkdAcAb
r0
ri=0，即完全反应时间tf：
tf
Br0
3bkdAcAb
25
反应分数或转化率 XB
XB
1(ri r0
)3
t tf
(conversion fraction)
cG,s
/ KcG,b
/K
47
稳态处理
根 N I N 据 I IN II I N IV N V N
N kdA 1 4r0 2D e r0 A 4 rir0 ri c k A r,b 4 1 c r G i2 ,b /K Kr e0D G 4 r ir0 riK d1 G k 4r0 2
(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.
21
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 ：
ddA nt4r02kdA (cAbcA)s
cAb 气相A在气相内的浓度； cAs 气相A在球体外表面的浓度； 4r02 固相反应物原始表面积；
6bD efcfAb
r0
r0
或
t6bB e D r0 fc 2A f [b 13(1XB)2/32(1XB)]
XB =1，完全反应时间tf ：
tf
Br02
6bDeff cAb
32
特殊情况---界面化学反应控速
当反应为1级可逆反应:
ddntA4ri2kr(cA i cG/iK)
33
cAi 与cGi 确定
t tf
1ri r0
1(1XB)1/3
36
混合控速
Mixed-controlled reaction
37
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
:
NA,d
4ri2DeffcrA
稳态条件下，内扩散层内NA,dr=ri=Const.
NA,d4Def(fcAbcA)ir0r0riri 38
48
化学反应关系 A(g)bB (s)gG (g)sS(s)
令 g1： cA,bcG,bcA,ecG,e
cA ,bcG ,b/K(1K 1)c (A ,bcA ,e)
N
cA,bcA,e
kf
1
4r02
r0ri
Deff4r0ri
kr
1
4ri2(11/K)
式中 1 ： ( 1 1 )/1(1/K), 1 ( 1 1 )/1(1/K)
DeA =
Dp
式中 p产物层的气孔率； 曲折度系数。
28
稳态扩散
4ri2DeAddiA crCo.n sd tdA nt
cAi
dcA
cAs
Con.srit
dri
4πDeff r0 ri2
ddA nt4πD efrf0r0 riri (cA scA)i
29
cAs 与cAi确定
根据假设：
根据控速环节的假设：
cAi = cAb ，cGi = cGb
不可逆反应 ：
cGi ≈ 0
34
当cGi ≈0（不可逆反应）
dnA 4πri2B dir
dt
b dt
4πrbi2Bddirt4πri2krcA b
t Br0 (1 ri )
bkrcAb r0
35
完全反应
tf
B r0
bk r cAb
也可以导出：
（1）反应物的外传质
A(g)通过气相边界层速率：
n A ,i4ri2 kd(A cA bcA)s
cAb 气相A在气相内的浓度； cAs 气相A在球体外表面的浓度； 4r02 固相反应物原始表面积；
kg 气相边界层的传质系数。
6
（2）界面化学反应
当化学反应为一级不可逆反应:
nA,r 4ri2krcAs
NI kdA4r02(cA,b cA,s) NV kdG4r02(cG,s cG,b)
mo/ls mo/ls
kdA,kdG气体 A,G的传质系m/数 s ，
44
产物层内扩散
过程II :
NII
4r2
DeA
cA r
mol/ s
积分得： NII
DeA
4r0ri
r0 ri
(cA,s
cA,i )
3 k f
6 D ef f
k r( 1 1 /K ) r 0B
51
动力学参数求法
令 f ： 1(1X B )1/3
(c A ,b c A ,e)b t3 3 f f2 r 0 (3 f 2 f2 ) 1
否则，当r0 变化时，kdA 随之变化。
Sh kd D A d,R edu,S cD
18
未反应核模型---抽象化
Unreacted core model
19
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）
六章节冶金过程动力学应用
6.1 气固相反应动力学 Kinetics of gas-solid reactions
2
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）。
5
k dA r0
D eA
r0 k rea
t B r0 { k rea [1 ( ri ) 3 ]
bk rea c A,b 3k dA
r0
k rea r0 [1 3( r ) 2 2( r )3 ] [1 ( r )]}
6 D eA
r0
r0
r0