第七章 气液相反应动力学

均相成核：气泡在均一相内部产生，需要很大的过饱和度，按照 Richardson研究，需要50~100大气压,一般极难实现。 如在钢液中产生半径10-7m大小的气泡，则表面张力 所产生的附加压力达30MPa.
非均相成核：盛装液体的容器表面上有大量微孔隙，液相未浸入， 孔隙为气液反应形成气泡核心。
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§7.2 气泡与钢液的作用及钢液净化动力学
kd — 传递系数 kd t e 理论）。
,
t e 为接触时间（相间传质渗透
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§7.2.3 速率控制步骤
在冶金中大多数的气液反应的速率控制步骤是气泡与液体间传质， ln CAb t 由（8–1）式知，反应速率与液相中扩散组分A的浓度成正比， 气泡直径越小，转化率 增加。 (如氩气泡从熔融铝中脱氢的过程为传质 过程所控制)
真空脱氢、脱氧遵从上式。 如果脱气过程为传质步骤控制，则表现为一级反应规律。
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§7.3 真空冶金动力学
在真空条件下，去除金属液中溶解的氢、氧等有害杂质。
机理：
1）溶解于金属液中的气体原子通过对流和扩散迁移到金属 液面或气泡表面； 2）在金属液面或气泡表面发生化学反应，生成气体分子； 3）气体分子通过气体边界层扩散进入气相，或被气体带入 气相，被真空泵抽出。
钢液中脱氢、脱氧均由钢液边界层中的传质控制。
第七章 气–液相反应动力学
• §7.1 气泡行为与气–液传质 • §7.2 气泡与钢液的作用及钢液净化动力学 • §7.3 真空冶金动力学
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气–液相反应：炼钢中脱碳，钢液真空脱气、冰铜吹炼、氧化精炼 等。 §7.1 气泡行为与气–液传质 7.1.1 气泡生成 气泡形成途径：①在溶液中溶解气体过饱和形成气相核心； ②气流通过喷咀形成气泡（铜锍转炉吹炼）。
Cs Os COs
3）生成的CO气泡从气泡表面扩散→气泡内部→上浮排出。
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7.2.2 传质速率方程
气泡与液体的传质通量为
dG J Akd (C C s（ ) 8–1） dt
A —气泡表面面积 — A 的浓度；
D
kd — A 在液体中的传质系数；
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C s — A 在气液界面处的浓度；
0 .1
0 ln(C H / C H )
0 .2 0 .3
d 1.0cm
d 0.7cm d 0.4cm
5
10 15 t / min
20
25
氩气铝液脱氢的动力学曲线 如要判断过程是否是扩散控制，可将液体中扩散组分浓度的 对数值与反应时间的关系画在图上，如果所得的关系是直线 则过程就为扩散所控制。 5
传质速率 dG J Ak (C C s ) d
dt
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根据物质平衡
dG dC V dt dt
V —钢液体积
结合两式，得
dC A k d (C Cs ) dt V
假设表面浓度 Cs 为常数，积分得
ln C CS A kd t C0 —钢液的原始浓度 C0 Cs V
利用气泡和钢液的相互作用去除钢中杂质元素称为“气泡冶金”， 如CO去除H、N；Ar（N2）去除H、C。 7.2.1 鼓氮脱氧动力学 1 机理：鼓入氮气泡脱氧机理是利用氮气的稀释作用，降低气泡 中CO分压，促使碳氧反应进行，以CO形式去除钢液中的溶解 氧。 1）溶解在钢中的氧和碳通过钢液边界层扩散到气泡表面： O Os ， C C s 2）在氮气泡表面发生化学反应：