概述化学反应的动力学基础冶金反应的动力学基础知识课件

式中的比例系数kA、kB、kAB称为反应的速度常数。 对复杂反应不能直接应用质量作用定律，而应按照分解
的基元反应分别讨论或经试验测定，确定其表观速率。
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1. 反应级数 由质量作用定律表示的反应式中，各反应物浓度的指
数之和称为反应的反应级数。与复杂化学反应相对应的反 应级数，称为表观反应级数，其值取决于反应的控制环节， 常常只能由试验测定。
用同样的方法作出t=3hr、10hr时的C-x图，如图所示。
图3-1 20#钢渗碳过程C-x曲线
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2.有效边界层的概念
图3-2给出了流场中的浓度和速度分布曲线。可以看出，在扩散边界
层内，浓度分布为曲线关系，很难确定边界层。为了处理问题方便，把
对流扩散折算成稳态的分子扩散，在边界处（y=0）作浓度分布曲线，使
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动力学研究的内容: 探讨反应的速率和机 理
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冶金动力学包括：微观动力学和宏观动力学
微观动力学
宏观动力学
➢ 研究冶金动力学首先 要了解化学反应动力学 基础，如化学反应速率 与浓度的关系、与温度 的关系等。这种在理想 条件下（例如温度恒定） 研究化学反应进行的速 度和机理的内容称为化 学反应动力学或称为微 观动力学
解：20#钢平均碳含量（即初始浓度）为C0=0.20%，取钢表 面为x=0，则边界条件为Ci=1.0%。这是一个半无限体的扩散 问题。所以有
C x ,t C 0 (C C 0 i)1 (e(2 rx D f) 1 .t0 0 .8 e(2 rx D f) t
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当t=1h=3600s时，对应不同的x可得出一系列的C（x，t）， 然后作出C-x图。
第三章 冶金反应动力学基础
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本 章 要 点
➢ 冶金反应动力学中反应速度的表示方法及换算； ➢ 质量作用定律的表示式及其含义； ➢ 冶金反应表观速度常数、表观反应活化能等的含义； ➢ 冶金反应的动力学环节，重点是限制性环节； ➢ 冶金传输相关知识，有效边界层； ➢ 气/固反应模型——未反应核模型；
➢ 液/液反应模型——双膜理论模型。
2. 温度对反应速率的影响
反应速度常数随反应温度的提高而迅速增大。对简单
的化学反应，二者的定量关系可用Arrhenius公式确定：
k
k0
exp( ER ) RT
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3.2 冶金反应动力学基础
在同一相内进行的反应称为均相反应，而在不同相间发生的反应 则称为多相反应。
多 相 反 应
研究冶金反应动力学主要是确定反应速率。反应的总速率取决于 各个环节中最慢的环节，这一环节称为限制性环节。
之与主流浓度C∞A的延长线相交，并过交点作一平行与边界的平面，该平
面与界面间的区域称为有效边界层，其厚度用δ'C表示。在有效边界层内
浓度分布符合：
(CyA)y0
CA CA i
' C
主流浓度C∞A在传质过程不发生变化，界面浓度CiA在传质过程始终维 持热力学平衡浓度。这样就把扩散边界层内的非线性浓度分布关系， 转化为有效边界层内呈线性分布的浓度梯度，从而大大简化了问题。 也就是说，在有效边界层内，对流扩散问题可以用Fick第一定律（稳态 扩散）的形式来处理，即
限制环节不是一成不变的，当外界条件改变时，限制环节可能发 生相应变化。
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根据Arrhenius公式
lnklnAE 1 RT
可以由lnk对1/T 作 图，直线的斜率即 为活化能，进而可 由活化能确定多相 反应的限制性环节 。
1、活化能法
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 差较大者为限制性 环节。
➢ 冶金过程速率及机 理的研究要求在化 学反应动力学基础 上，研究流体的流 动特性、传质和传 热的特点等对过程 速率的影响，这部 分内容又称为宏观 动力学。
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JC
dCc dt
d[%C] dt
JAddC AtV1(ddA nt)
JA
1 WS
(dnA ) dt
JAddC AtS 1(ddA nt)
2、浓度差法
如果一个反应，温 度对其反应速率影 响不大，而增加搅 拌强度时，反应速 率迅速增大，则说 明扩散传质是限制 环节，因为搅拌强 度对反应速率不产 生影响。
3、搅拌强度法
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二、扩散理论基础
1. 扩散理论
如对一维非稳态扩散方程，给出相应的边界条件：
CA t
DA(2xC2A)
初始条件：t=0，x≥0，C=C0； 边界条件：t>0，x=0，C=Ci；x=∞，C=C0；
分离变量法
Ci C erf(c x )
Ci C0
2 Dt
式中erfc（）称为误差函数，可用误差函数表计算。这是一个典型 的半无限体的扩散问题求解。
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例3-1 将20#钢在980℃（奥氏体区）置于还原气氛中渗碳，其反 应为
2CO=CO2+[C] 钢表面上碳的平衡浓度为1.0%。假设碳在钢中的扩散速度为过 程的限制环节，试计算1、3、10h时碳的浓度分布曲线。 已知980℃时，DC=20×10-2cm2/s。
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表3-1 部分冶金中重要的多相反应
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四、气—固反应的动力学
1．未反应核模型 氧化铁的还原反应未反应核模型因其数学处理简单，且较接近反应
实际，获得了广泛的应用。 将一个致密的矿球，置于浓度足够高的还原气体中，在一定温度下
，经过一段时间后取出矿球，将其剖开，可以看到图示的各种铁氧化物 层状分布的情况。这说明各还原反应是在各层之间的界面上进行的。由 于扩散阻力的影响，从矿球表面到未被还原的Fe3O4核心表面，还原剂 CO的浓度逐渐降低，因而产生了逐层还原的情况。依此提出了未反应 核模型。
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JA
1 VS
(dnA ) dt
fA
nA0 nA nA0
JA
CA0
dfA dt
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二、质量作用定律 一定温度下的反应速率，与各个反应物的浓度的若干
次方成正比。对基元反应，每种反应物浓度的指数等于反应 式中各反应物的系数。
dCA dt
kACAaCBb
，
dCB dt
kBCAaCBb
，ddCAtBkABCAaCBb
JAD A( C yA)y0D C 'A(C A i C A )
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图3-2 边界层中的速度分别和浓度分布
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对传输方程可用三种方法求解：
后两种方法为近似解法，在工程上应用更为普遍。通过 缩小截断误差、多次运算等，可获得要求的精确度。
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三、多相反应动力学的基本特征及分类
dWkACn
dt