第二章 冶金过程动力学基础

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1、钢铁冶金原理,内蒙古科技大学 材料与冶金学院冶金工程系,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。,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,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

2、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。,第二章 冶金过程动力学基础,2.1多相化学反应速率,第二章 冶金过程动力学基础,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。,第二章 冶金过程动力学基础,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。

3、,反应级数,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,第二章 冶金过程动力学基础,二、反应速率方程,第二章 冶金过程动力学基础,3.反应半衰期,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,特征：（1）,（2）,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,。,第二章 冶金过程动力

4、学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,一、固体中的扩散在固体或晶体中，原子扩散比较困难，只有在高温下，通过晶格空位 或间隙进行迁移扩散，温度对扩散的影响较大，符合Arrhenius定律，扩散系数为,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,。,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,二、对流传质

5、系数 （实验模型测定法）,1.边界层理论在湍流流体接近凝聚相界面的一层内，由于湍流脉动作用，流体内部无速度差存在。由于流体与相界面的摩擦阻力，在贴近相界面的流体薄膜内有很大的速度梯度，而相界面上的速度为零，流体内部的速度为u。速度边界层厚度：,求解对流传质系数需利用实验数据在模型法的基础上进行。,流体内部的温度不同于界面温度，由于相界面附近的流体层内出现了温度梯度，成为温度边界层。温度边界层厚度：,流体内部的浓度不同于界面浓度，在相界面附近的流体层内出现了浓度梯度，成为浓度梯度。浓度边界层：,：流体的热扩散系数（导温系数）。,约为,的10倍。,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学

6、基础,如图为流体内沿扩散方向（x轴）的浓度分布。 在x=0的界面处，扩散组分的浓度为,在流体内部（xx1）扩散组分的浓度为c=c，则c发生变化的范围（由,到c）则为浓度边界层,但实际过程中很难确定x1点的位置，但在界面处（x=0）浓度曲线成为一直线，故从x=0作曲线的切线交c=c直线与M点，对应的,则为有效边界层厚度。,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,在x=0处，,（界面浓度不变）是稳定态扩散。,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,据Fick第一定律：,A：相界面积，m2；V：流体的体积，m3。,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,在高

7、温下，界面化学反应速度非常快，,等于反应平衡浓度，,。,分离变量积分：,或,故,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,，可求出传质系数,或,上式为流体内组元扩散的积分式，以,作图，斜率为,及有效边界层厚度,。,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,例题：熔渣与被碳饱和的铁水之间的脱硫反应为：,实验温度为1873K，坩埚的转速为100r/min，铁水的初始含硫量S=0.80%。 硫在铁水内的,，硫在界面的平衡浓度为,，铁水深度h=0.0234m，测得铁水S随时间变化如表2-5所示。计算铁水内的,及,解：,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,以,作

8、图，斜率为-0.033，即,作业：P97：10,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,表面更新理论认为：流体有多个扩散组元浓度为C的体积元组成，它们在对流作用下从流体内部相界面迁移，到达界面时发生组元C的扩散。,若,则组元由界面向体积元内扩散；,传质后该体积元离开界面，另一个体积元到达界面发生组元的扩散，这样通过体积元在界面上的更新，使界面浓度保持不变。,2.表面更新理论,若界面上组元C的浓度为 ,若,则组元C由体积元内向相界面扩散。,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,设体积元在界面上停留的时间为t，距离为l，由于停留时间很短，使体积元内扩散层厚度远小于体积

9、元厚度，扩散相当于一维半无限非稳态扩散过程。,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,这样可得出传质系数为：,：体积元与相界面接触时间，s。,对于一维半无限非稳态扩散，Fick第二定律的解是：,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,例：试利用表面更新理论模型导出气体从流体中流动时，气体表面的传质通量 公式。解：气体在流体中运动时，气泡与流体接触时间为,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,3. 量纲分析法对流传质是一个包含动量、能量、质量传递的复杂现象，不象扩散传质那样容易处理，因为影响 的因素较多，常采用因此分析法。在因此分析法中得到一些无因次数

10、（也称无量纲数）。首先介绍几个与对流传质系数计算有关的无因次量的物理意义。,动量分子传递系数：,热量分子传递系数：,这三个系数有相同的因次：,任两个分子传递系数之比为一个无因次量，称为准数。,(kH：导热系数),质量分子传递系数：D,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,(1)：施密特准数（Schmidt mumber）,（表示流体的物理化学特征）,(2) ：路易斯准数,(3) ：雷诺准数（Reynolds member）,（表示流体流动特征）,(4)：谢伍德准数（Sherword mumber）,（表示流体的传质特征）,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,因

11、此分析法是一种对实验数据进行处理，获得经验公式或半经验公式的方法。此经验公式中的自变量和因变量均为无因次量。因此分析法建立的基础：假设体系中不同物理量之间的关系可用指数函数的乘积表示。写出函数与之变量的单位，确定指数间的关系。,例：当气体流经特性尺寸为L的固体表面时，传质系数为下列参数的函数。,（1）,根据 定理，上式可写为（ 为无因次量，是常数）,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,带入各参数的单位：,m的指数为：a+b+2c+2d-3e+f=0 s的指数为：-a-b-c-d=0 kg的指数为：e=0 6个未知数，3个方程求解，可用3个数表示另3个数：,d=-a-b-c ；

12、e=0 ；f=a+b带入方程（1）中：,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,整理得：,由于,是一个无因次量，故括号内的每一项都是无因次量，称为准数。,将C1、C2、C3组合可得到与 有关的准数。,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,据因此分析法，与传质过程有关的准数之间的关系，也存在指数函数性质：,对于环流固体表面的气体：当Sc=1时，由实验得出,将,带入得：,当,时，实验得出：,（环流球形物）,（平板表面流动）,其中k、a、b为常数，由模型试验确定。,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,例P74：在直径为7.710-2m的炉管中装有一层直

13、径为1.2710-2m的氧化球团，在1089K及100kPa下，通过流量为8.9L/min的CO气体进行还原。假设球团表面气体的成分为%C0=95，%CO2=5，CO和CO2粘度分别为4.410-5及4.210-5Pas，CO的互扩散系数DCO=1.4410-4m2/S。试求CO的传质系数。,解：这是环流固体表面的气体对流传质,（环流球形物）,可由Re、Sc求出Sh，然后求出,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,V：气体的摩尔体积；,M：气体的摩尔质量，,(1),第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,（2）,（3）,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动

14、力学基础,作业P97：9（环流固体的对流传质）,（5）,（4）,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,4.旋转圆盘实验测定法（多用于固体在液体中的溶解研究）当圆盘物体在流体中高速旋转时，其圆盘表面为反应界面，远处流体垂直流向圆盘表面，附近流体随着圆盘旋转，发生对流传质，由动力学方程得：,：圆盘旋转的角速度（生产中常用圆柱体旋转式样）,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,例：在1663K，用半径为0.77510-2m的烧结白云石圆柱体在转炉渣中做旋转实验，测定白云石中MgO溶解的传质系数。熔渣的粘度0.1PaS,密度3115kg/m3，MgO的扩散系数1.010

15、-9m2/s，圆柱体旋转速度360r/min，试求MgO在熔渣中的传质系数。解：,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,当气体与液体或固体相接触时，气体分子将被吸附到液体或固体表面上，这是由于固体或液体表面的质点处于不稳定的力场当中，具有多余的能量，通过吸引气体分子来达到能量的平衡。气体吸附分为物理和化学吸附两种类型。物理吸附：气体分子在范德华力（分子引力）的作用下被吸附到固体或 液体的表面。化学吸附：气体分子在化学键力的作用下被吸附到固体或液体的表面。 比较：,2.3吸附反应动力学,(1) 物理吸附作用力小，吸附过程释放的

16、热量少：110kcal/mol，化学 吸附作用力大，吸附过程释放的热量多：10150kcal/mol。,第二章 冶金过程动力学基,第二章 冶金过程动力学基础,(2) 分子作用力范围大，物理吸附可能是多层气体吸附，化学吸附作用力范围小，在10-10m范围内，化学吸附可能是单层媳妇，每摩尔气体分子吸附的活化能在80kJ以上；(3) 物理吸附与气体冷凝过程相似，媳妇活化能很低，媳吸附速度很快，化学吸附与化学反应相似，吸附活化能较高（80kJ/mol），吸附速度很慢；(4) 物理吸附只在气体的沸点附近才很明显，在沸点以上吸附量忽略不计。化学吸附之在高温下很明显。一般物理吸附可用于测定多孔固体的表面积及其孔隙分布和孔隙度。化学吸附是组成气液、气固相反应的重要环节，反应常包括反应物在相界面上的吸附及产物从相界面的脱附。 作业：比较物理吸附和化学吸附,