概述32化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)33冶金反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)(編輯修改稿)
2025-08-15 20:31 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 界層內(nèi)，濃度分布為曲線關(guān)系，很難確定邊界層。 為了處理問題方便，把對(duì)流擴(kuò)散折算成穩(wěn)態(tài)的分子擴(kuò)散，在邊界處（ y=0）作濃度分布曲線，使之與主流濃度 C∞A的延長線相交，并過交點(diǎn)作一平行與邊界的平面， 該平面與界面間的區(qū)域 稱為 有效邊界層 ，其厚度用 δ39。C表示。在有效邊界層內(nèi)濃度分布符合： 主流濃度 C∞A在傳質(zhì)過程不發(fā)生變化，界面濃度 CiA在傳質(zhì)過程始終維持熱力學(xué)平衡濃度。這樣就把擴(kuò)散邊界層內(nèi)的非線性濃度分布關(guān)系，轉(zhuǎn)化為有效邊界層內(nèi)呈線性分布的濃度梯度，從而大大簡(jiǎn)化了問題。也就是說，在有效邊界層內(nèi)，對(duì)流擴(kuò)散問題可以用 Fick第一定律（穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散）的形式來處理，即 16 圖 32 邊界層中的速度分別和濃度分布 17 （ 1）解析解 選取控制微元體，依據(jù)衡算條件，建立微分方程，求解得解析解。求解二階偏微分方程非常復(fù)雜，只有少數(shù)簡(jiǎn)單類型的方程才能求出精確解。 （ 2）積分解 選取控制微元體，依據(jù)衡算條件，建立積分方程，求解得解析解。 （ 3）數(shù)值解 選取微元體，依據(jù)衡算條件，建立微分方程，經(jīng)轉(zhuǎn)化得差分方程，計(jì)算機(jī)求解得數(shù)值解。 對(duì)傳輸方程可用三種方法求解： 后兩種方法為近似解法，在工程上應(yīng)用更為普遍。通過縮小截?cái)嗾`差、多次運(yùn)算等，可獲得要求的精確度。 18 ? 依相界面的不同，可將多相反應(yīng)分為五類： 固 — 氣、固 — 液、固 — 固、液 — 氣 和液 — 液 。在這些反應(yīng)中，不同相的反應(yīng)物必須遷移到相界面上來，進(jìn)行反應(yīng)，然后向不同相中遷移或經(jīng)由界面由一個(gè)相遷移至另一相中。 1. 反應(yīng)界面的類型 ? 由化學(xué)反應(yīng)速率和傳質(zhì)速率的定義，可以很容易得出多相化學(xué)反應(yīng)過程表觀速率與界面積成正比的結(jié)論。 2. 界面面積和 界面性質(zhì) ? 在流體與固體或流體與液體的反應(yīng)中，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)為限制性時(shí)，過程的表觀反應(yīng)的速度與兩相的反應(yīng)界面積成正比。即有 3. 界面幾何形狀 三、多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的基本特征及分類 ndW k A Cdt? ? ? ?19 表 31 部分冶金中重要的多相反應(yīng) 20 1．未反應(yīng)核模型 氧化鐵的還原反應(yīng)未反應(yīng)核模型因其數(shù)學(xué)處理簡(jiǎn)單，且較接近反應(yīng)實(shí)際，獲得了廣泛的應(yīng)用。 將一個(gè)致密的礦球，置于濃度足夠高的還原氣體中，在一定溫度下，經(jīng)過一段時(shí)間后取出礦球，將其剖開，可以看到圖示的各種鐵氧化物層狀分布的情況。這說明各還原反應(yīng)是在各層之間的界面上進(jìn)行的。由于擴(kuò)散阻力的影響，從礦球表面到未被還原的 Fe3O4核心表面，還原劑CO的濃度逐漸降低，因而產(chǎn)生了逐層還原的情況。依此提出了 未反應(yīng)核模型。 四、氣 — 固反應(yīng)的動(dòng)力學(xué) 21 圖 36 圖 33 鐵礦石層還原示意圖 圖 3 4 未反應(yīng)核模型 22 （ 5）氣體產(chǎn)物離開礦球表面向氣相內(nèi)部擴(kuò)散； （ 4）氣體產(chǎn)物通過固體產(chǎn)物層向礦球表面擴(kuò)散； （ 3）在反應(yīng)界面上氣體 A與鐵氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，其中包括還原劑的吸附和氣體產(chǎn)物的脫附； （ 2）氣體 A通過多孔的產(chǎn)物層向反應(yīng)介面擴(kuò)散，同時(shí)鐵離子也通過產(chǎn)物層向內(nèi)部擴(kuò)散，稱為內(nèi)擴(kuò)散； （ 1）還原氣體 A通過氣相邊界層向礦球表面擴(kuò)散，即外擴(kuò)散； 未反應(yīng)核模型的 反應(yīng)步驟 為： 23 設(shè)礦球的半徑為 r0，隨著還原反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)界面不斷向礦球內(nèi)部推移，未反應(yīng)的核心半徑 r1不斷縮小。由于鐵氧化物還原產(chǎn)物的體積逐漸縮小，因而，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致礦球體積有收縮的趨勢(shì)，從而在礦球的產(chǎn)物層中產(chǎn)生了許多孔隙和裂紋，這些孔隙和裂紋彌補(bǔ)了整個(gè)礦球的收縮，可以認(rèn)為反應(yīng)前后礦球的體積未變。 由于未反應(yīng)的核心比較致密，而還原產(chǎn)物層是疏松的，所以可認(rèn)為還原反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)區(qū)很薄，可以近似按界面反應(yīng)處理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，此層很薄，可以忽略。因而可得圖 34所示的 經(jīng)簡(jiǎn)化的未反應(yīng)核模型 。 24 鐵礦石的還原反應(yīng)過程是一個(gè)串聯(lián)反應(yīng)，按穩(wěn)態(tài)處理，當(dāng)過程達(dá)到穩(wěn)態(tài) 時(shí)，各步驟的速率相等，可以用幾個(gè)步驟組合來推導(dǎo)速率方程。 氣體還原劑在
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