冶金反應工程學發(fā)展(編輯修改稿)
2025-01-19 03:17 本頁面
【文章內容簡介】 二、宏觀反應動力學二、宏觀反應動力學微觀動力學是以反應體系均勻分散為條件，研究純化學反應的微觀機理、步驟和速度。 宏觀動力學的任務就是研究在工業(yè)生產(chǎn)條件下過程進行的速度，除化學反應外，還要考慮到其它的物理過程，即傳質過程、傳熱過程和動量傳遞過程。主要是應用數(shù)學模型，即對體系的反應情況加以簡化，使其能用一定的數(shù)學式表示反應速度與其影響因素間的關系。微觀動力學主要涉及到均相反應，而宏觀動力學可以是均相，也可以是非均相反應。多數(shù)冶金反應發(fā)生在不同相的相間，屬于多相反應 ,也有均相反應。冶金相間反應的分類和實例界面類型 反應類型 實 例氣 — 固S1+G=S2S1+G1=S2+G2S1=S2+GS1+G1=G2金屬的氧化氧化物氣體還原氧化物、碳（硫）酸鹽分解碳燃燒氣 — 液 L1+G=L2L1+G1=L2+G2 氣體吸收冰銅吹煉，吹氧煉銅液 — 液 L1=L2 溶劑萃取，渣金反應液 — 固 L1+S=L2L1+S1=L2+S2 溶劑浸出置換沉淀固 — 固S1+S2=S3+GS1+S2=S3+S4S1+S2=S3氧化物碳還原氧（鹵）化物金屬還原合金化，固體滲碳，金屬氧化物陶瓷化注： G— 氣體； S— 固體； L— 液體 相間反應的研究比均相反應要復雜得多。在宏觀動力學研究中必須考慮由此而產(chǎn)生的一下特點：（ 1） 分步驟完成 由于反應物分別存在于不同相內，各相主體中的反應物必須不斷傳輸?shù)椒磻缑?，流體反應產(chǎn)物必須適時地離開界面并傳輸?shù)街黧w中去，反應才能持續(xù)進行，而固體反應產(chǎn)物則導致反應界面移動。因此，過程是分步驟完成的。一般條件下，阻力最大的步驟將決定過程總速度，為限制環(huán)節(jié)，或控制步驟。（ 2） 界面積和幾何形狀 綜合反應速度正比于反應界面積，固體顆粒的幾何形狀對過程進行速度有重要影響。固體粉料的流態(tài)化、噴粉精練、液體霧化和乳化及氣體鼓泡和噴射等都是增大相間反應界面積，強化過程的重要手段。隨反應的進行， 球形或圓柱顆粒 的反應界面積不斷減少，而 平板或圓盤狀固體 的反應界面積基本不變。（ 3） 界面的性質 界面張力、界面吸附現(xiàn)象、界面潤濕性及界面電化學現(xiàn)象等界（表）面現(xiàn)象對相間反應進行的速度有很大影響。(4)流體相的流動速度 當傳質為控制環(huán)節(jié)時，增大氣體流速可提高氣體 — 固體間反應過程速度，強化攪拌會使液體 — 固體間反應速度增大。 （ 5） 相比 相間反應中兩相體積（或質量）比稱為相比。相比不同可使過程中反應物濃度甚至溫度變化不同，從而對過程速度有明顯影響，甚至改變過程控制步驟。固 — 液比大的體系，反應過程中液相反應物濃度顯著降低，反應速度也隨之下降，過程的控制環(huán)節(jié)可能由化學反應轉化為擴散步驟；固 — 液比小時，液相反應物濃度變化較小，過程中反應速度變化不大。(6)固體產(chǎn)物性質 對于有固體產(chǎn)物在反應物表面形成并生長的反應， 固體產(chǎn)物層的擴散阻力隨著產(chǎn)物層致密程度和厚度的增加而增大 。如果固體產(chǎn)物層很疏松，則流體反應物能擴散通過該產(chǎn)物層到達反應界面，使反應能夠持續(xù)進行；當產(chǎn)物層非常致密時，過程速度大幅度降低，甚至導致反應不能持續(xù)進行。 （ 7） 溫度的影響 傳質和化學反應速度均隨溫度提高而增加，溫度對前者的影響比后者小得多。對于通常的化學反應，其速度常數(shù)與溫度的關系遵循 Arrenius定律，其活化能大于 40kj/mol。對于流體與固體間反應：l 為化學反應控制時，活化能應大于 40kj/mol；l 傳質為控制步驟時，活化能一般為 4～ 13kj/mol；l 為混合控制時，活化能為 20～ 25kj/mol。同一反應有可能在低溫下是化學反應控制，隨著溫度的升高，轉化為混合控制，并在更高溫度下，擴散傳質成為限制環(huán)節(jié)。?化學反應速率?反應速率與濃度的關系?反應速率與溫度的關系 化學反應過程的速率反應速率的定義及表示方法單位時間單位體積反應層中某組分的反應量或生成量。反應速率與濃度的關系 對于 恒容 反應：dV/dt=0 － rA＝－ dCA/dt()反應速率常數(shù) k與溫度的關系1/TlnKEa大Ea小1/TlnKcd k的大小與溫度和催化劑等有關，與反應物濃度無關反應速率方程與反應級數(shù)r＝ k(T)f(CA， CB， CP)r＝ k(T)g(xA， xB) － rA＝ kCAaCBb 注意點? 反應級數(shù)不能獨立地預示反應速率的大小，只表明反應速率對濃度變化的敏感程度。? 反應級數(shù)是由實驗獲得的經(jīng)驗值，只有基元反應時，才與計量系數(shù)相等。? 反應級數(shù)可以是整數(shù)，也可以是分數(shù)和負數(shù)。但在一般情況下反應級數(shù)為正值且小于 3。? 反應級數(shù)會隨實
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