第三章冶金反应动力学基础 3.3冶金反应动力学基础 在同一相内进行的反应称为均相反应,而在不同相间发生的反应则称为多相 反应。高温冶金反应多半是在炉气、熔渣、金属之间进行的,属于多相反应多相 反应的特征是反应发生在不同的相界面上,反应物要从相内部传输到反应界面 并在界面处发生化学反应,而生成物要从界面处离开。 一般情况下,多相反应由如下几个环节组成 (1)反应物向反应界面扩散 (2)在界面处发生化学反应,通常伴随有吸附、脱附和新相生成 (3)生成物离开反应界面 研究冶金反应动力学主要是确定反应速率。反应的总速率取决于各个环节中 最慢的环节,这一环节称为限制性环节 限制环节不是一成不变的,当外界条件改变时,限制环节可能发生相应变化。 即使在同一条件下,随着反应的进行,由于反应物不断地消耗,生成物逐渐增加, 可能引起浓度的变化,从而使限制性环节发生改变。 确定限制性环节的方法 活化能法 根据 Arrhenius公式 Ink=Ina- E R T 可以由lnk对1/T作图,直线的斜率即为活化能,进而可由活化能确定多相 反应的限制性环节。 2.浓度差法 当界面反应速率很快,同时有几个扩散环节存在时,其中相内与界面浓度差 较大者为限制性环节, 3.搅拌强度法 如果一个反应,温度对其反应速率影响不大,而增加搅拌强度时,反应速率 迅速增大,则说明扩散传质是限制环节,因为搅拌强度对反应速率不产生影响 三、界面反应和吸附 在冶金反应中,反应物由相内传输到界面,往往是先发生吸附,再进行化学 反应,然后生成物经脱附离开反应界面。在某些情况下,吸附和脱附可能成为限 制环节。对吸附和脱附问题可以用兰格缪尔方程进行描述。 四、扩散理论基础 冶金反应多是在高温下进行的多相反应,在这种情况下,一般说化学反应的 速率很快,不会成为限制性环节。而扩散过程则往往成为控制冶金反应速率的限 制环节。因此,研究冶金反应过程的传质在冶金反应动力学研究中具有十分重要 的意义 1.扩散理论 (1)稳态扩散 FICK第一定律 (3-29) (2)非稳态扩散第三章 冶金反应动力学基础 45 3．3 冶金反应动力学基础 在同一相内进行的反应称为均相反应，而在不同相间发生的反应则称为多相 反应。高温冶金反应多半是在炉气、熔渣、金属之间进行的，属于多相反应多相 反应的特征是反应发生在不同的相界面上，反应物要从相内部传输到反应界面， 并在界面处发生化学反应，而生成物要从界面处离开。 一般情况下，多相反应由如下几个环节组成： （1） 反应物向反应界面扩散； （2） 在界面处发生化学反应，通常伴随有吸附、脱附和新相生成； （3） 生成物离开反应界面； 研究冶金反应动力学主要是确定反应速率。反应的总速率取决于各个环节中 最慢的环节，这一环节称为限制性环节。 限制环节不是一成不变的，当外界条件改变时，限制环节可能发生相应变化。 即使在同一条件下，随着反应的进行，由于反应物不断地消耗，生成物逐渐增加， 可能引起浓度的变化，从而使限制性环节发生改变。 确定限制性环节的方法： 1． 活化能法 根据 Arrhenius 公式 R T E k A 1 ln = ln − ⋅ 可以由ln k 对1/T 作图，直线的斜率即为活化能，进而可由活化能确定多相 反应的限制性环节。 2． 浓度差法 当界面反应速率很快，同时有几个扩散环节存在时，其中相内与界面浓度差 较大者为限制性环节。 3． 搅拌强度法 如果一个反应，温度对其反应速率影响不大，而增加搅拌强度时，反应速率 迅速增大，则说明扩散传质是限制环节，因为搅拌强度对反应速率不产生影响。 三、 界面反应和吸附 在冶金反应中，反应物由相内传输到界面，往往是先发生吸附，再进行化学 反应，然后生成物经脱附离开反应界面。在某些情况下，吸附和脱附可能成为限 制环节。对吸附和脱附问题可以用兰格缪尔方程进行描述。 四、 扩散理论基础 冶金反应多是在高温下进行的多相反应，在这种情况下，一般说化学反应的 速率很快，不会成为限制性环节。而扩散过程则往往成为控制冶金反应速率的限 制环节。因此，研究冶金反应过程的传质在冶金反应动力学研究中具有十分重要 的意义。 1. 扩散理论 （1） 稳态扩散 FICK 第一定律 A A A J = −D gradC (3-29) （2） 非稳态扩散 45