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1、冶金反响工程冶金反响工程 彭志宏彭志宏博士、教博士、教授授07309冶金学的开展冶金学的开展冶金化学冶金反响热力学冶金反响动力学宏观反响动力学冶金反响工程学冶金系统工程化学热力学传输景象化学动力学反响器系统工程一、一、绪 论冶金反响工程学冶金反响工程学 冶冶金金反反响响工工程程学学是是以以研研讨讨和和解解析析冶冶金金反反响响器器和和系系统统的的操操作作过过程程为为中中心心的的新新兴兴工工程程学科，即研讨冶金反响工程问题的科学。学科，即研讨冶金反响工程问题的科学。运运用用现现代代化化学学工工程程学学、计计算算流流膂膂力力学学、传传输输实实际际等等知知识识，利利用用数数学学解解析析方方法法和和计计
2、算算技技术术，来来定定量量分分析析和和处处理理冶冶金金学学实实际际和和工艺方面的问题工艺方面的问题。冶金反响工程学开展冶金反响工程学开展冶金冶金过程本程本质上属于化学上属于化学过程。程。鞭鞭岩岩把把化化学学反反响响工工程程学学的的研研讨方方法法和和手手段段运运用用于于冶冶金金领域域，72年年初初次次提提出出了冶金反响工程学称号。了冶金反响工程学称号。70年代末引入我国。年代末引入我国。反响工程学的内容和义务反响工程学的内容和义务l反反响响器器内内根根本本景景象象研研讨反反响响器器内内反反响响动力力学学的的控控制制环节，以以及及流流动、传热、传质等等宏宏观要要素素的的特特征征和它和它们对反响速率
3、的影响；反响速率的影响；l反反响响器器的的比比例例放放大大设计根根据据宏宏观动力力学学的的规律律，把把实验安安装装科科学学地地放放大大到到工工业规模模，确确定定反反响响器器的的外外形、大小和反响物到达的形、大小和反响物到达的转化程度；化程度；l过程程最最优化化在在给定定的的工工艺和和设备条条件件以以及及原原料料和和产品品条条件件下下，确确定定最最优的的操操作作条条件件，到到达达最最好好的的消消费目目的的。为运运用用最最优化化数数学学方方法法，把把要要到到达达的的目目的的用用函数方式表达，成函数方式表达，成为目的函数。目的函数。冶冶金金反反响响工工程程学学和和化化学学反反响响工工程程学学在在根根
4、本本内内容容和和方法上是一致的。但冶金方法上是一致的。但冶金过程有本人的特点：程有本人的特点：l在在高高温温下下进展展的的冶冶金金过程程，由由于于高高温温测试手手段段不不完完备，获得信息困得信息困难且数量少；且数量少；l高高温温下下化化学学反反响响速速度度快快，传质是是控控制制环节的的较多多，根根本不涉及催化；本不涉及催化；l所所用用原原料料成成分分复复杂、种种类繁繁多多，杂质往往往往比比有有用用金金属属高出高出许多倍，要思索其它副反响；多倍，要思索其它副反响；l冶冶金金过程程涉涉及及的的流流体体是是矿浆、金金属属熔熔体体渣渣，对这些流体性些流体性质的了解比普通流体差；的了解比普通流体差；l冶
5、冶金金产品品不不仅要要求求化化学学成成分分，而而且且还对组织构构造造、偏偏析和析和夹杂物有要求；物有要求；l冶金炉的冶金炉的设计根本上依托根本上依托阅历。因因此此冶冶金金反反响响工工程程学学主主要要用用于于解解析析冶冶金金过程程、优化工化工艺操作和操作和过程控制等程控制等传送过程传送过程研研讨讨冶冶金金反反响响器器内内的的传传送送过过程程规规律律及对反响过程的影响。及对反响过程的影响。涉及热量、动量和质量传送。涉及热量、动量和质量传送。冶金宏观动力学冶金宏观动力学传统化化学学动力力学学以以反反响响体体系系均均匀匀分分散散为条条件件，研研讨纯化化学学反反响响的的微微观机机理理、步步骤和和速速度度
6、，称微称微观动力学。力学。冶冶金金反反响响工工程程学学实践践冶冶金金反反响响过程程中中的的动力力学学是是思思索索了了伴伴随随反反响响发生生的的各各种种传送送过程程的的动力学。力学。研研讨冶冶金金反反响响器器内内的的传送送过程程规律律及及宏宏观反反响响动力力学学，即即所所谓三三传一一反反，既既是是冶冶金金反反响响工工程学的研程学的研讨范畴，又是其最重要的范畴，又是其最重要的实际根底。根底。过程解析过程解析冶冶金金反反响响工工程程学学的的过过程程解解析析对对象象主主要要是是各各类类冶冶金金反反响响器器，其其解解析析方方法法通通常常是是在在三三传传一一反反研研讨讨根根底底上上，对对反反响响器器内内发
7、发生生的的各各种种景景象象和和子子过过程程及及其其相相互互关关系系进进展展综综合合分分析析，运运用用流流动动、混混合合及及分分布布函函数数的的概概念念，在在一一定定的的合合理理简简化化假假定定条条件件下下，经经过过动动量量、热热量量和和物物料料的的衡衡算算来来建建立立反反响响器器操操作作过过程程数数学学模模型型，然然后后经经过过求求解解该该数数学学模模型型，对对反反响响器器操操作作过过程程进进展展工工程程学学解解析析，获获得得不不同同条条件件下下的的反反响响器器操操作作特特性性及及各各过过程程参参数数变变化化规规律律，寻寻求求最最正正确确操操作作参参数数反反响响器器的的优优化化操操作作和和确确
8、定定合合理的反响器尺寸和构造参数反响器优化设计。理的反响器尺寸和构造参数反响器优化设计。比例放大比例放大根根据据小小型型实实验验安安装装获获得得的的数数据据和和结结果果来来设设计计工业规模反响器。工业规模反响器。以以类类似似原原理理为为根根底底的的比比例例放放大大，适适用用以以物物理理变变化化过过程程为为主主的的单单元元操操作作。对对于于以以化化学学反反响响为为中中心心的的反反响响器器的的比比例例放放大大，运运用用类类似似原原理理方方法法很很困困难难。传传统统的的冶冶金金反反响响器器设设计计中中通通常常采采用用逐逐级级放放大大法。耗资耗时。法。耗资耗时。反反响响工工程程学学的的比比例例放放大大
9、法法是是将将反反响响器器内内部部的的过过程程分分解解为为化化学学反反响响和和各各类类传传送送等等子子过过程程，在在分分别别研研讨讨其其规规律律的的根根底底上上，进进展展合合理理简简化化，使使得得能能用用数数学学方方程程来来描描画画各各个个子子过过程程，而而反反响响其其内内部部发发生生的的行行为为和和结结果果，可可以以经经过过联联立立求求解解这这些些方方程程获获得。得。比例放大步骤：比例放大步骤：1.小小型型实验研研讨化化学学反反响响规律律，建建立立宏宏观动力力学学方程，确定其方程，确定其动力学参数；力学参数；2.冷冷模模型型实验研研讨传送送过程程规律律，建建立立传送送过程程方程，确定各方程，确
10、定各传送送过程参数；程参数；3.在在1和和2的的根根底底上上，建建立立反反响响器器操操作作过程程数数学学模模型型，求求解解，预测实践践反反响响器器性性能能，优选其其尺尺寸寸和操作条件；和操作条件；4.在在3结果果指指点点下下，建建立立中中间实验反反响响器器，检验数学模型的等效性，修正模型，确定模型参数；数学模型的等效性，修正模型，确定模型参数；5.根根据据修修正正后后的的数数学学模模型型，用用计算算机机设计消消费规模的反响器。模的反响器。冶金反响工程学的数学模型冶金反响工程学的数学模型冶冶金金反反响响工工程程学学的的中中心心是是对对冶冶金金反反响响器器内内发发生生的的过过程程进进展展定定量量的
11、的工工程程学学解解析析。因因此此，无无论论是是在在改改良良和和强强化化反反响响器器操操作作中中，寻寻觅觅最最优优化化操操作作条条件件，还还是是在在新新技技术术、新新流流程程开开发发中中，指指点点设设计计、处处理理比比例例放放大大问问题题，都都必必需需对对所所研研讨讨的的对对象象进进展展定定量量描描画画，即即用用数数学学公公式式来来描描画画各各类类参参数数之之间间的的关系，这就是数学模型。关系，这就是数学模型。流流体体流流动动过过程程有有Navier-Stokes方方程程，传传热热过过程程为为Fourier定定律律，传传质质过过程程为为Fick定定律律，化化学学反反响响速速率率为为质质量量作作用
12、用定定律律。这这些些定定律律都都是是微微分分方方程程式。式。冶金反响工程学中的数学模型普通包括四部分：冶金反响工程学中的数学模型普通包括四部分：冶金反响工程学中的数学模型普通包括四部分：冶金反响工程学中的数学模型普通包括四部分：反响器内各主要反响的宏观动力学方程反响器内各主要反响的宏观动力学方程反响器内各主要反响的宏观动力学方程反响器内各主要反响的宏观动力学方程宏宏观观反反响响动动力力学学方方程程经经常常运运用用综综合合反反响响速速度度式式。对对于于均均相相体体系系可可用用普普通通的的化化学学动动力力学学方方法法描描画画；而而对对于于冶冶金金中中常常见见的的各各类类多多相相反反响响，要要根根据
13、据所所选选用用的的反反响响模模型型写写出出相应的综合反响速度式。相应的综合反响速度式。在在建建立立反反响响工工程程模模型型时时，应应该该排排除除对对实实践践反反响响过过程程速速度度本本质质上上几几乎乎没没有有影影响响的的子子过过程程，以以便便获获得得尽尽能能够够简简化化的的数数学学表表达达式式；对对于于综综合合反反响响速速度度式式本本身身的的容容量量要要素素，应应根根据据反反响响体体系系特特征征，可可以以是是单单位位床床层层体体积积、单单个个颗颗粒粒、某相的单位体积或单位面积。某相的单位体积或单位面积。综综合合反反响响速速度度式式中中的的动动力力学学参参数数，如如反反响响速速度度常常数数、边边
14、境境层层传传质质系系数数和和多多孔孔体体内内的的分分散散系系数数等等，在在没没有有准准确确的可利用资料时，应经过小型运用获得最根底的资料。的可利用资料时，应经过小型运用获得最根底的资料。反响器内主要传送过程方程反响器内主要传送过程方程包括质量、热量和动量的传送。包括质量、热量和动量的传送。对对于于可可以以看看作作等等温温过过程程的的数数学学模模型型只只需需求求建建立立传传质质和和流流动动过过程程的的数数学学表表达达式式；对对于于非非等等温温过过程程，还还要要有有传传热热过过程程方方程程。传传送送过过程程规规律律及及有有关关参参数数普普通通需需求求经经过过实实验验求求取取，其其中中冷冷模模型型实
15、实验验是是常常利利用用的的手手段段，也也可可以以借借用现有类似消费安装或文献数据。用现有类似消费安装或文献数据。衡算方程衡算方程在在建建立立数数学学模模型型时，常常需需求求对整整个个体体系系或或其其中中一一部部分分进展展质量量、能能量量、动量量的的平平衡衡计算算。在在一一定定简化化假假设条条件件下下，就就反反响响器器内内某某一一代代表表性性单元元体体积或或整整个个反反响响器器体体积内内的的各各相相，对所所研研讨的的物物理理量量如如质量量、热量量和和动量等分量等分别列出一切的列出一切的输入速度和入速度和输出速度。出速度。衡算的原那么是守恒定律，衡算方程通式衡算的原那么是守恒定律，衡算方程通式为：
16、各各输入速度入速度总和和各各输出速度出速度总和和总耗耗费速度速度=积累速度累速度该式式为反响工程数学模型中最根本的方程。反响工程数学模型中最根本的方程。质量物料和量物料和热量衡算方程通式分量衡算方程通式分别为：流入速度流入速度-流出速度流出速度-反响耗反响耗费速度速度=积累速度累速度伴伴随随物物料料流流入入的的热输入入速速度度-伴伴随随物物料料流流出出的的热输出出速速度度+反响放反响放热速度速度-与系与系统外外热交交换的的热损失速度失速度=蓄蓄热速度。速度。方程中的系数方程中的系数必必需需确确定定数数学学表表达达方方程程式式中中的的系系数数。有有两两类类通通称称为模型参数：为模型参数：一一类类
17、是是和和过过程程的的运运动动变变化化亲亲密密相相关关的的，如如反反响响动动力力学学常常数数、湍湍流流粘粘度度系系数数和和传传质质传传热热系系数数等等，这这些系数往往要和传送过程联立求解；些系数往往要和传送过程联立求解；另另一一类类为为介介质质的的物物理理性性质质，如如密密度度、粘粘度度、分分散系数和热导率等，需求经过实验测定。散系数和热导率等，需求经过实验测定。有有些些参参数数可可以以从从文文献献资资料料中中援援用用，有有些些如如综综合合反反响响速速度度常常数数、相相间间接接触触面面积积和和关关键键的的传传送送过过程程速度系数等往往须由实验求取。速度系数等往往须由实验求取。冶金反响器的分类冶金
18、反响器的分类不不同同的的冶冶金金反反响响和和冶冶金金过过程程，所所实实验验的反响器种类和构造性能均不同。的反响器种类和构造性能均不同。冶金反响器的分类及适用单元过程冶金反响器的分类及适用单元过程分类根据分类根据反响器类别反响器类别冶金反响器实例冶金反响器实例适用冶金单元过程实例适用冶金单元过程实例外形外形管式管式槽式槽式回转窑，竖炉回转窑，竖炉转炉，精练钢包转炉，精练钢包焙烧，复原，烧成焙烧，复原，烧成精练，吹炼精练，吹炼操作方式操作方式间歇式间歇式延续式延续式半间歇式半间歇式转炉，固定床竖炉转炉，固定床竖炉挪动床竖炉，回转窑挪动床竖炉，回转窑喷粉精练钢包喷粉精练钢包精练，吹炼，复原精练，吹炼
19、，复原复原，烧成复原，烧成精炼精炼物料流动形状物料流动形状活塞流活塞流完全混合流完全混合流非理想流动非理想流动理想管式反响器理想管式反响器理想槽式反响器理想槽式反响器流态化反响器流态化反响器复原，煤的气化复原，煤的气化反响体系相态反响体系相态均相均相气固气固液固液固气液气液液液液液固固固固气液固气液固气体熄灭器气体熄灭器气固流化床，竖炉气固流化床，竖炉浸出槽，液固流化床浸出槽，液固流化床转炉，转炉，RH钢包钢包有机溶剂萃取器有机溶剂萃取器回转窑回转窑闪速熔炼炉，烧结机闪速熔炼炉，烧结机煤的熄灭煤的熄灭焙烧，复原，烧成焙烧，复原，烧成浸出，熔化，凝固浸出，熔化，凝固精练，吹炼精练，吹炼萃取萃取焙
20、烧，复原，烧成焙烧，复原，烧成复原，熔炼，烧结复原，熔炼，烧结传热方式传热方式外部热交换外部热交换绝热绝热高炉炉缸，连铸结晶器高炉炉缸，连铸结晶器近似处置的氧气转炉近似处置的氧气转炉铸造铸造二、宏二、宏观反响反响动力学力学宏观动力学的义务就是研讨在工业消费条宏观动力学的义务就是研讨在工业消费条件下过程进展的速度。它不同于微观动力学之件下过程进展的速度。它不同于微观动力学之处在于：除化学反响外，还要思索到其它的物处在于：除化学反响外，还要思索到其它的物理过程，即传质过程、传热过程和动量传送过理过程，即传质过程、传热过程和动量传送过程。程。主要是运用数学模型，即对体系的反响情主要是运用数学模型，即
21、对体系的反响情况加以简化，使其能用一定的数学式表示反响况加以简化，使其能用一定的数学式表示反响速度与其影响要素间的关系。速度与其影响要素间的关系。微微观观动动力力学学主主要要涉涉及及到到均均相相反反响响，而而宏宏观观动动力力学学可可以以是是均均相相，也也可可以以是是非非均均相相反反响响。多多数数冶冶金金反反响响发发生生在在不不同同相相的的相相间间，属属于于多多相相反反响响,也也有均相反响。有均相反响。冶金相间反响的分类和实例冶金相间反响的分类和实例界面类型反响类型实例气固S1+G=S2S1+G1=S2+G2S1=S2+GS1+G1=G2金属的氧化氧化物气体复原氧化物、碳硫酸盐分解碳熄灭气液L1
22、+G=L2L1+G1=L2+G2气体吸收冰铜吹炼，吹氧炼铜液液L1=L2溶剂萃取，渣金反响液固L1+S=L2L1+S1=L2+S2溶剂浸出置换沉淀固固S1+S2=S3+GS1+S2=S3+S4S1+S2=S3氧化物碳复原氧卤化物金属复原合金化，固体渗碳，金属氧化物陶瓷化注：G气体；S固体；L液体 相间反响的研讨比均相反响要复杂得多，体系相间反响的研讨比均相反响要复杂得多，体系中存在相界面是相间反响与均相反响体系的本质区中存在相界面是相间反响与均相反响体系的本质区别。因此在其宏观动力学研讨中必需思索由此而产别。因此在其宏观动力学研讨中必需思索由此而产生的一下特点：生的一下特点：1分步分步骤完成完
23、成由由于于反反响响物物分分别存存在在于于不不同同相相内内，各各相相主主体体中中的的反反响响物物必必需需不不断断传输到到反反响响界界面面，流流体体反反响响产物物必必需需适适时地地分分开开界界面面并并传输到到主主体体中中去去，反反响响才才干干继续进展展，而而固固体体反反响响产物物那那么么导致致反反响响界界面面挪挪动。因因此此，过程程是是分分步步骤完完成成的的。普普通通条条件件下下，阻阻力力最最大大的的步步骤将将决决议过程程总速速度度，为限制限制环节，或控制步，或控制步骤。2界面界面积和几何外形和几何外形由由于于综合合反反响响速速度度正正比比于于反反响响界界面面积，因因此此，固固体体颗粒粒的的几几何
24、何外外形形对过程程进展展速速度度有有重重要要影影响响。固固体体粉粉料料的的流流态化化、喷粉粉精精练、液液体体雾化化和和乳乳化化及及气气体体鼓鼓泡泡和和放放射射等等都都是是增增大大相相间反反响响界界面面积，强化化过程程的的重重要要手手段段。随随反反响响的的进展展，球球形形或或圆柱柱颗粒粒的的反反响响界界面面积不不断断减减少少，而平板或而平板或圆盘状固体的反响界面状固体的反响界面积根本不根本不变。3界面的性界面的性质界界面面张力力、界界面面吸吸附附景景象象、界界面面润湿湿性性及及界界面面电化化学学景景象象等等界界表表面面景景象象对相相间反响反响进展的速度有很大影响。展的速度有很大影响。(4)流体相
25、的流流体相的流动速度速度当当传质为控控制制环节时，增增大大气气体体流流速速可可提提高高气气体体固固体体间反反响响过程程速速度度，强化化搅拌会使液体拌会使液体固体固体间反响速度增大。反响速度增大。5相比相比相相间反反响响中中两两相相体体积或或质量量比比称称为相相比比。相相比比不不同同可可使使过程程中中反反响响物物浓度度甚甚至至温温度度变化化不不同同，从从而而对过程程速速度度有有明明显影影响响，甚甚至至改改动过程程控控制制步步骤。如如固固液液比比大大的的体体系系，反反响响过程程中中液液相相反反响响物物浓度度显著著降降低低，反反响响速速度度也也随随之之下下降降，过程程的的控控制制环节能能够由由化化学
26、学反反响响转化化为分分散散步步骤；固固液液比比小小时，液液相相反反响响物物浓度度变化化较小，小，过程中反响速度程中反响速度变化不大。化不大。(6)固体产物性质固体产物性质对于有固体产物在反响物外表构成并生对于有固体产物在反响物外表构成并生长的反响，固体产物层的分散阻力随着产物长的反响，固体产物层的分散阻力随着产物层致密程度和厚度的添加而增大。假设固体层致密程度和厚度的添加而增大。假设固体产物层很疏松，那么流体反响物能分散经过产物层很疏松，那么流体反响物能分散经过该产物层到达反响界面，使反响可以继续进该产物层到达反响界面，使反响可以继续进展；当产物层非常致密时，过程速度大幅度展；当产物层非常致密
27、时，过程速度大幅度降低，甚至导致反响不能继续进展。降低，甚至导致反响不能继续进展。7温度的影响温度的影响虽然然传质和和化化学学反反响响速速度度均均随随温温度度提提高高而而添添加加，但但温温度度对前前者者的的影影响响比比后后者者小小得得多多。对于于通通常常得得化化学学反反响响，其其速速度度常常数数与与温温度度的的关关系系遵遵照照Arrenius定定律律，其其活活化化能能大大于于40kj/mol。对于于传质过程程，只只需需固固体体中中的的原原子子分分散散系系数数与与温温度度具具有有指指数数关关系系且且具具有有很很高高的的活活化化能能，而而气气体体的的分分子子分分散散系系数数通通常常与与温温度度的的
28、1.52次次方方成成正正比比，液液体体的的分分子子分分散散系系数数仅与与温温度度的的1次次方方成成正正比比。因因此此，对于于流流体体与与固固体体间反反响响的的综合合速速度度常常数数，为化化学学反反响响控控制制时，活活化化能能应大大于于40kj/mol；在在传质为控控制制步步骤时，活活化化能能普普通通为413kj/mol；而而混混合合控控制制时，活活化化能能为2025kj/mol。对于于同同一一反反响响，有有能能够在在低低温温下下是是化化学学反反响响控控制制，随随着着温温度度的的升升高高，转化化为混混合合控控制制，并并在在更更高高温温度下，分散度下，分散传质成成为限制限制环节。化学反响速率反响速
29、率与浓度的关系反响速率与温度的关系2.1 2.1 化学反响过程的速率化学反响过程的速率冶金反响按相分类表均相反响气相反响2SO2+O2=2SO3液相反响2CuS(l)=Cu2S(l)+1/2S2(l)气固相反响Fe3O4(s)+H2(g)=3FeO(s)+H2O(g)液固相反响AlOOH(s)+NaOH(l)=NaAlO2(l)+H2O(l)非均相反响气液相反响C(l)+1/2O2(g)=CO(g)液液相反响Mn(l)+(FeO)(l)=(MnO)(l)+Fe(l)固固相反响W(s)+C(s)=WC(s)2.2 2.2 均相反响动力学均相反响动力学均均相相反反响响指指气气相相或或单单一一液液相
30、相中中发发生生的的反反响响，通通常常液液相相中中的的反反响响可可以以为为是是恒恒容容反反响响，气气相相反反响响因因受受压压力力变变化化的的影影响响，可分为恒容和恒压两种情况。可分为恒容和恒压两种情况。等温恒容反响的速率方程等温恒容反响的速率方程 l l 单一反响速率方程式一反响速率方程式 不不可可逆逆单一一反反响响表达式：表达式： A RA R 假假设为一一级反反响响，那么：那么： 等温恒容反响的速率方程等温恒容反响的速率方程 l l连串反响速率方程式串反响速率方程式 许多多水水解解反反响响、卤化化反反响、氧化反响都是响、氧化反响都是连串反响。串反响。 例：例：闪速熔速熔炼过程中程中 ZnS+
31、1.5O2=ZnO+SO2ZnS+1.5O2=ZnO+SO2 2ZnO+ZnS=3Zn2ZnO+ZnS=3Zn+SO2+SO2 连串反响的方式串反响的方式为：等温恒容反响的速率方程等温恒容反响的速率方程 l l 平行反响速率方程式平行反响速率方程式 许多多分分解解反反响响、取取代代反反响、加成反响都是平行反响。响、加成反响都是平行反响。 例：冰例：冰铜熔熔炼造渣造渣过程程 FeS+1.5O2=FeO+SO2FeS+1.5O2=FeO+SO2 3FeS+5O2=Fe3O4+3SO23FeS+5O2=Fe3O4+3SO2 以一以一级反响反响为例：例：等温恒容反响的速率方程等温恒容反响的速率方程 l
32、 l 可逆反响速率方程式可逆反响速率方程式 化化学学平平衡衡常常数数大大的的反反响响可可忽忽略略逆逆反反响响。当当逆逆反反响响不不可可忽忽略略时，需求研，需求研讨可逆反响的速率可逆反响的速率问题。 正正逆逆反反响响均均为一一级的反响：的反响： A A R Rk1k2动动力力学学的的义义务务是是研研讨讨反反响响速速率率过过程程的的影影响响要要素素，确确定定反反响响级级数数、反反响响速速率率常常数数，并建立适当的动力学方程。并建立适当的动力学方程。动动力力学学方方程程中中的的各各项项参参数数只只能能经经过过实实验验来确定。来确定。均相反响速率方程参数确实定均相反响速率方程参数确实定实验测定方法实验
33、测定方法实验方法：间歇实验和延续实验实验方法：间歇实验和延续实验 先在固定温度下确定反响速率与浓度的先在固定温度下确定反响速率与浓度的关系，求出级数；关系，求出级数； 在不同温度下求出速率常数与温度的关在不同温度下求出速率常数与温度的关系。系。简单反响的解析方法简单反响的解析方法根据实验数据求速率方程式的方法有：根据实验数据求速率方程式的方法有： 积分法积分法 微分法微分法 半衰期法等半衰期法等积分法积分法积分法适用于间歇实验。积分法适用于间歇实验。首先假设反响的级数与速率方程，然首先假设反响的级数与速率方程，然后在一定温度下测定反响物浓度的变化与后在一定温度下测定反响物浓度的变化与时间的对应
34、关系，作图，比较，实验结果时间的对应关系，作图，比较，实验结果与假设相符即阐明假设正确，否那么要重与假设相符即阐明假设正确，否那么要重新假设。新假设。微分法微分法经过实验测得时间与浓度的关系，作图得经过实验测得时间与浓度的关系，作图得CA-t曲线。由实际解析可得到反响曲线。由实际解析可得到反响积分法的运用。当反响物积分法的运用。当反响物A的转化率到达的转化率到达xA=0.5时，对应的时间为半衰期，用时，对应的时间为半衰期，用t1/2表示。表示。半衰期法半衰期法由表可见，t与初始浓度有关。当1级反响时，CA=0.5CA0，那么t1/2=1/k*ln2为常数，如改动初始浓度CA0，以t与CA0作图
35、应为一平线，t1/2不随CA0变化而变化。而其它各级反响，当n1时为不断线，斜率为负值；n1时为斜率为正值的直线。复杂反响的解析方法复杂反响的解析方法两个以上的反响同时发生。两个以上的反响同时发生。两个以上的速率方程表示，联立方两个以上的速率方程表示，联立方程组难于积分。程组难于积分。微分法微分法2.3 2.3 非均相反响动力学非均相反响动力学 气气固反响固反响动力学力学液液固反响固反响动力学力学固固固反响固反响动力学力学液液液反响液反响动力学力学气气液反响液反响动力学力学流固反响动力学 气气固反响固反响动力学力学 液液固反响固反响动力学力学浸出过程浸出过程流固反响动力学收缩未反响核模型收缩未
36、反响核模型-1-1收缩未反响核模型收缩未反响核模型-1-1流体膜分散控制：流体膜分散控制：X=kt/ro灰层分散控制：灰层分散控制：1-3(1-X)2/3+2(1-X)=kt/ro2or1-2X/3+(1-X)2/3=kt/ro2外表化学反响控制：外表化学反响控制：1-(1-X)1/3=kt/ro收缩未反响核模型收缩未反响核模型-1-1控制步骤判别：控制步骤判别：变化粒径的收缩核模型变化粒径的收缩核模型收缩未反响核模型-2流体膜分散控制：流体膜分散控制：大粒子大粒子1-(1-X)1/2=kt/ro3/2小粒子小粒子1-(1-X)2/3=kt/ro2外表化学反响控制：外表化学反响控制：1-(1-
37、X)1/3=kt/ro收缩未反响核模型收缩未反响核模型-2-2控制步骤判别：控制步骤判别：整体反响拟均相模型整体反响拟均相模型多孔固体与流体之间的反响，流体分散到多孔固体与流体之间的反响，流体分散到固体反响物内部，在分散的同时发生反响。固体反响物内部，在分散的同时发生反响。分无固体生成物和有固体生成物两种。分无固体生成物和有固体生成物两种。多孔碳的熄灭、烧成料的浸出等多孔碳的熄灭、烧成料的浸出等控制步骤的断定气气液反响液反响动力学力学气液反响动力学气液相间传质实际气液相间传质实际界界 膜膜 理理 论论渗渗透透理理论论表表面面更更新新理理论论界膜模型在气液反响中的运用界膜模型在气液反响中的运用瞬瞬间间反反应应固固反响动力学固体固体加成反响模型液液反响动力学渣和金属反响渣和金属反响的速度表达式
