气体-液体间的反应

冶金反应工程学

气体－液体间的反应

梁小平

重庆大学材料科学与工程学院

第一篇冶金反应宏观动力学

¨气液反应研究的重要性§火法钢铁冶金

Ø炼钢转炉的碳氧反应、RH、VOD及各种二次精炼过程§有色金属冶金Ø铜转炉吹炼冰铜,粗铅的空气精炼

§湿法冶金Ø用还原气体还原沉淀金属，铜电解液的空气净化除铁§冶金环保Ø

废气的淋洗塔和填料吸收塔处理引言

¨气液反应的分类

§气液两相的接触方式

Ø气液两相移动接触

ü

气相分散通过液相，如：气泡、泡沫和射流ü液相分散通过气相，如：喷淋或雾化Ø气液两相持续接触

气－液反应的分类

¨气液反应的分类

§根据反应产物进行分类

Ø没有化合物生成的反应

Ø有化合物生成的反应

气－液反应的分类

¨3.1.1 气泡的形成§形核方式

Ø溶液过饱和产生气相核心，长大形成气泡ü均相成核

•均质系统处于高度的过饱和状态ü非均相成核

•气泡是在与熔体接触的表面上形成•冶金熔体中的产生的气泡都是非均相成核•形核点－－耐火材料炉底和炉衬上未被液态金属填满的微孔、裂纹或缺陷内存在的气体都有可能成为气泡的形核点Ø浸没在液相中喷嘴喷吹气体产生气泡

3.1 气泡与液体间反应

¨非均相成核

§形核过程

Ø假设：一个盛装熔体的容器，水平表面上有许多细小的空穴，空穴底部有少量气体Ø

微小气泡内的压强P r,G P a —气泡表面处液体的压强σ－表面张力r－曲率半径Ø

当过饱和的压强超过P r,G 的变化，气泡将不断长大Ø当气泡的浮力超过表面阻力时，气泡将脱离形核点

气泡的形成r P P a G

r s 2,+=

固体孔隙中气泡的形成

气泡在容器壁上某孔隙内的长大

¨非均相成核

§研究难点

Ø无法预测任何给定时刻，在已知熔池表面上的有效形核点的数目

Ø

无法预测由已知表面释放气泡的总速率气泡的形成

¨喷嘴上气泡的形成

§气体流量的影响

ØR eo <500

ü

气体流量很小，产生的气泡的大小取决于浮力和表面张力的平衡，气流区域为静力学区ü气泡直接与喷嘴径的1/3次方成正比，与气体的流量无关Ø500

ü气流量增大，气泡表面张力相对于惯性力可以忽略，气流区域为为动力学区ü气泡主要在浮力和惯性力的控制下形成ü气泡直径随气流量的增加而增大

气泡的形成

¨喷嘴上气泡的形成

§气体流量的影响

ØR eo >2100

ü

气流量很大，气流区域为射流区ü喷入的气体很快分裂成许多小气泡üR eo 越大，气泡直径越小ØR eo >10000

ü气泡直径近似为常数

气泡的形成

喷嘴上气泡的形成

膨胀过程脱落过程脱落时状态

气泡在液体中的运动

¨3.1.2 气泡在液体中的运动

§运动速度

Ø上升速度取决于作用于气泡的浮力、粘性力和形状阻力Ø当作用力达到平衡时，气泡匀速上升Ø

类似于固体颗粒在气体或液体中的下落

ü差异1：气泡不是刚体，在力的作用下会变形ü

差异2：气泡上浮时泡内气体可以循环流动

§特征数

)

(1

雷诺数m

ur b eb d R =)

W 2（韦伯数s

r u L

b eb d =)

()

(g E 2Ob 奥托斯准数＝

s

r r g L b d -)(M 3

4莫顿数s

r u L L Ob

g =

气泡在液体中的运动

¨气泡在液体中的运动§特征数分析

Ø

当R eb <2时，形成球形小气泡，行为类似于刚体，上升速度为

Ø

当2

状阻力减少，上升速度为u t1的1.5倍

Ø

当R eb >1000且W eb >18,或E ob >50，在低粘度或中等粘度液体中上升，气泡呈球冠形，上升速度与液体性质无关

)

18/()(21

m r r u g d g

L

b

t -=2

/1)

2/(02.1b t gd =u （3-17）

（3-16）

气泡与液体间的传质

¨3.1.3 气泡与液体间的传质

§影响因素

Ø气泡内气体循环、气泡变形和振动等Ø

通常比气液间的传质过程复杂§传质系数

Ø

R eb <1.0的区域

ü

气泡行为类似刚球Ø

1

ü

气泡内不发生循环流动

Ø

100

ü

气泡内气体循环流动,引起气泡变形和振动等

Ø

R eb >400区域

3

/1)(Re 99.0Sc Sh b =33

.055

.055.02Sc R Sh eb

+=2

/1)/(28.1Sc R Sh eb =§传质通量

其中k 由（17）、（3-20）

)

(1i

b A A d A A

C

C k dt

dn A N

-==（3-22）