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：
dnA 1 rA dt W dt dC A
冶金动力学 概述
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：
冶金反应动力学基础*
一、化学反应动力学
核心内容：反应速率和反应机理 主要内容：各级反应速率方程，阿氏方程，有关计算 1．反应速率定义和反应速率方程 （1）反应速率定义 dnB νB B 化学反应：0 ，反应进度：dξ
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： θ
rA dCA dt d[w A /w ] dt
兰州理工大学研究生学位课程——冶金热力学及动力学
冶金动力学 概述
一 热力学的研究对象和局限性 ◆ 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。
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二 动力学的研究对象
冶金动力学 概述
三 冶金反应的类型 高温
特点：一高三多
◆均相反应
多相 多组分 多种传递方式并存
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。
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四 冶金过程动力学分类
◆微观动力学microscopic kinetics
化学反应动力学 ◆宏观动力学macroscopic kinetics 结合流体流动形式和反应器形状研究化 学反应速率和机理的科学
冶金动力学 概述
JA JA′
x传质方向
S
x 1 , c1
S
x 2 ,c 2
•传质过程的速率 J 扩散通量，单位时间通过单位截面的 质点数(质点数/s.cm2) 1 dn
JA S
A
dt
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八 确定限制性环节的方法 (1)活化能法
• 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150～ 400kJ/mol；气相中组元的扩散活化能为4～13 kJ/mol； 铁液中组元的扩散活化能为17～85 kJ/mol；熔渣中组 元的扩散活化能为170～ 400kJ/mol。 • 当活化能E> 400kJ/mol，过程处于界面化学反应控制。 • 若E<150kJ/mol，过程位扩散传质所控制。
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(2)浓度差法 • 当界面反应速率很快：同时有几个扩散环节存 在时： – 其中相内与界面浓度差较大者为限制环节； – 各环节的浓度差相差不大，则同时对过程起 作用。 • 如果在界面附近不出现浓度差或浓度差极小， 则说明过程处于界面化学反应控制之中。
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(3)搅拌法 • 如果温度对反应速率影响不大，而增 加搅拌强度，则使反应速率迅速增大， 这就说明扩散传质是限制环节。
◆ 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。
H 2 1 2O2 H 2O( l ) 点火，加温或催化剂
C + O2 = CO2(g)
点火，加温
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•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，控制反应使之按照人们期望 的速率进行。
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九 界面反应和吸附 • 在冶金反应过程中：反应物由相内传输到界 面，往往是先发生吸附，再进行活性反应然 后生成物经脱附后离开反应界面。 • 在一些情况下，吸附和脱附亦可能成为限制 环节。
物理吸附：分子间力，吸附力较弱，随温度升高吸 附量减少。多分子层吸附，无选择性。 化学吸附：化学键力，单分子层吸附，有选择性。 （有时把化学吸附作为化学反应处理）
► 研究生学位课程
冶金热力学及动力学 Metallurgical Thermodynamics and kinetics
兰州理工大学
兰州理工大学研究生学位课程——冶金热力学及动力学
第六章 冶金动力学基础
1 2 1 3 4 1
6.1 6.2 6.3 6.4
概述 冶金反应动力学基础 扩散及其应用 流体中的传质及相际传质