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冶金过程动力学Kinetics of reactions in metallurgical processes 第五章 冶金反应动力学基础 5.1 概述 （1）基本定义 （2）所属范畴 （3）应用实例 （4）参考书 所属范畴 定义与相关课程 实例 参考书 张家芸主编，冶金物理化学，冶金工业出版社，2004 郭汉杰编著,冶金物理化学教程,冶金工业出版社,2006 韩其勇主编，冶金过程动力学，冶金工业出版社，1983 G. H. 盖格、D. R. 波伊里尔著，冶金中的传热传质现象，冶金工业出版社，1981 （俞景禄、魏季和译） 鞭岩、森山昭著，冶金反应工程学，科学出版社，1981 （蔡志鹏、谢裕生译） 5.2 化学反应动力学基础 （1）反应进度 （2）反应速率 （3）速率方程 4 反应级数 （5）速率方程解析 （6） 反应速率与温度的关系 化学反应 / Chemical reactions （1）反应进度 / Extent of reaction 导出 （2）反应速率/ Reaction rate （3）速率方程 / Rate equation 质量作用定律：对于一个基元反应，一定温度下的反应速率与各反应物浓度幂指数的乘积成正比。 （4）反应级数/ Reaction order （5）速率方程解析 不可逆反应： A?B 不可逆反应: n 0, 1, 2 （6）反应速率与温度的关系 A 与 T 对k 的作用 * T---普通分子?活化分子转化的推动力。 * E---普通分子?活化分子转化时需要的能量。 * A---普通分子全部转化成活化分子时反应速度常数。 5.3 扩散与相间传质Diffusion and interphase transmission 扩散--- 热运动导致的物质质点由高化学势向低化学势区域的运动过程。 传质--- 化学势梯度引起的原子、分子运动以及外力场或密度差造成的流体微元运动产生的物质迁移过程。 扩散与传质的区别 扩散过程 / Diffusion process 1 菲克第一定律Fick’s first law of diffusion dc/dt 0（稳态） dc/dx c2-c1 /△x 常数 2 菲克第二定律Fick’s second law of diffusion J -D 〆c/〆x 非稳态扩散Diffusion with non-steady state 从非稳态到稳态变化 3 扩散系数和温度的关系 Relationship of diffusion coefficient with temperature 经验公式: （4）边界层/Boundary layer 速度边界层与扩散边界层 扩散边界层 流体以层流状态流过平板时： 同一位置上，扩散边界层随流体粘度增大而增厚，随流体流速增大而减薄。 有效扩散边界层 界面处的浓度梯度： 瓦格纳 C.Wagner 定义为有效扩散边界层。 在两相界面处 x 0 流体u 0, 为纯分子扩散： 有效扩散边界层与菲克定律 在界面处 x 0 ，流体流速u 0, 为纯分子扩散，有 代入有效扩散系数 当cb不随传质过程变化，cs又保持热力学平衡浓度，这样就符合菲克第一定律的稳定扩散，简化了数学处理过程。 （5 传质系数 Mass transfer coefficient 考虑相间传质阻力集中在有效扩散边界层，取： 有 传质方程，kd ---传质系数，cm/s。 气-固间传质系数 雷诺准数 ：Reynolds） Sh, Re, Sc的关系 平板上流动传质： 层流 Sh 0.662Re1/2Sc1/3 紊流 Sh 0.037Re0.8Sc1/3 球面上流体传质： Sh 2 + 0.6Re1/2Sc1/3 1 Re 7x104, Sc 0.6 （6）相间传质理论 1、双膜理论 （two-film theory） 2、溶质渗透理论 （solute penetration theory） 3、表面更新理论 （surface renewal theory） 4、薄膜-渗透理论 （film-penetration theory） 双膜理论（W.G.Whitman,1923） 1 两种流体相互接触，两相间存在一个稳定的相界面；相界面两侧，各存在一个薄膜；薄膜内，流体静止，不受流体主体运动状态影响，传质阻力主要集中在膜内；薄膜外，流体强烈搅动，浓度均匀一致，传质阻力很小。 2 在相界面上，物质交换处于动态平衡状态。 3 物质在薄膜内传质为分子扩散，符合菲克第一定律。 双膜模型示意图 kd 渗透理论（R.Higbie,1935） 1 流体由无数个流体微元组