钢铁冶金原理教案4
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第二章 冶金过程动力学基础
冶金热力学可通过体系状态函数的改变，判断反应进行的可能性、方向性及最大限度。但反应进行的途径、机理及速度则是动力学解决的任务。
微观动力学：据参加反应的物质的性质，从分子理论出发研究化学反应的机理和速度。 宏观动力学：结合反应体系中的流体流动、传质、传热及反应器条件等宏观因素来研究反应的速度和机理。
钢铁冶金过程中的反应是在高温、有流体流动、传热、传质等复杂状态下进行的多相反应。如炼钢过程中钢—渣界面上元素的氧化反应由三个步骤或三个环节组成，组元由钢渣内部向界面的传质，界面化学反应、产物离开界面向钢渣内部传质。其中最慢的步骤为过程的限制性环节。通过分析影响反应速度的因素，可确定加速反应的措施，以实现控制冶金工艺、提高生产效率的目的。
动力学研究的主要内容：研究反应构成环节（机理）、建立各环节及总体反应速率公式、分析影响反应速度的因素，建立加快翻印速度的措施。
§2.1多相化学反应速率
§2.1.1化学反应速率的表示方法
化学反应的速率通常用某一时刻反应物或生成物的浓度对时间的变化率来表示。
dD bB aA =+
dt
dC v dt dC v dt dC v D
B A =-=-
=,, C ：体积摩尔浓度，3
m
mol
，v ：s
m mol
⋅3
d b a dC dC dC D B A ::::=
dt
dC
d dt dC b dt dC a D B A ⋅=⋅-=⋅-∴111
基元反应：化学反应的速率与反应物的浓度的若干次方成正比，且反应级数与反应物
的计量系数相等。
b
B a A A
C kC dt
dC v =-
= 反应级数b a n +=（n=0,1,2,3…或分数） 非基元反应：化学反应的速率与反应物的浓度的若干次方成正比，但反应级数与反应物的计量系数不相等。
、
、b B a A A C kC dt
dC v =-= 反应级数b a b a n +≠+=//
k ：化学反应的速率常数，n 不同k 的单位不同，k=f(T)。 作业：基元反应与非基元反应 二、反应速率方程 1.一级反应 D B A +→
1A A
kC dt
dC =-
，k ：单位s -1
I kt C A +-=ln
设0=t 时，0A A C C =，则0ln ln A A C kt C +-=，kt C C A A
-=0
ln
半衰期：反应物浓度降到初始浓度的一半所需的反应时间，2
1t 。
2
10
21ln kt C C A A -=，2121ln kt -=，k t 2ln 21= 一级反应的特征：
（1） 反应速率与反应物的浓度的一次方成正比。1kC dt
dC
=-
（2） LnC —t 为一直线，斜率为-k 。0ln ln C kt C +-= （3） 反应半衰期k
t 2
ln 2
1=
2.二级反应 设D B A →+
B A A
C kC dt
dC =-
，k ：单位113--⋅⋅s mol m 设0=t 时，00,B B A A C C C C == 设t t =时，B B A A C C C C ==,
()0000ln
A B B
A A
B C C kt C C C C -=
设D B A +→2
2
A A kC dt dC =-
011A A C kt C += 02
11A kC t =
二级反应的特征：
（1） 反应速率与反应物的浓度的平方成正比。2
A A kC dt
dC =-
（2）
t c
-1
为一直线，斜率为k 。011A A C kt C +=
（3） 反应半衰期0
2
11
A kC t =
3.n 级反应
D B nA +→ n
A A kC dt dC =-
()kt n C C n A n A 11110
1-=--- 特征：
()t C n n A
---1
11
为一直线，斜率为k 。 4.可逆反应的速率方程 dD eE bB aA +=+ 正反应速率：b
B a
A C C k v ++= 逆反应速率：d D e
E C C k v --=
净反应速率：d
D e
E b
B a
A C C k C C k v v v -+-+-=-= 当反应达到平衡时：o v =，-+=v v
d D
e E b B a A C
C k C C k -+=
K C C C C k k b
B a A d
D e
E =⎪⎪⎭⎫
⎝⎛=-+平
K k k ,,-+：正、你反应速率常数及平衡常数。
⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-=-=-=++-+-+-+d D e E b B a A d D e E b B a A d
D e
E b B a A C C K C C k C C k k C C k C C k C C k v v v 1 特征： （1）
K k k =-
+
（2）⎪⎭
⎫ ⎝
⎛-
=+d D e E b
B a A
C C K C C k v 1 例：试推导出FeO 为CO 还原反应：()()2CO Fe CO FeO S S +=+速率的微分及积分式。假定气流速度足够快，CO 、CO 2的界面浓度与相内浓度相同。已知此反应为一级可逆反应。 解：()()2CO Fe CO FeO S S +=+ 正反应速率：CO C k v ++= 逆反应速率：2CO C k v --=