冶金反應(yīng)動力學(xué)課件

冶金過程動力學(xué)

Kineticsofreactionsinmetallurgicalprocesses1冶金過程動力學(xué)

Kineticsofreactions第五章冶金反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)5.1概述（1）基本定義（2）所屬范疇（3）應(yīng)用實(shí)例（4）參考書2第五章冶金反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)5.1概述2所屬范疇冶金過程動力學(xué)3所屬范疇冶金過程3定義與相關(guān)課程ChemicalkineticsTransportphenomenaMetallurgyKineticsofreactionsinmetallurgicalprocesses4定義與相關(guān)課程ChemicalkineticsTransp實(shí)例FeOFe5實(shí)例FeOFe5參考書張家蕓主編，冶金物理化學(xué)，冶金工業(yè)出版社，2004郭漢杰編著,冶金物理化學(xué)教程,冶金工業(yè)出版社,2006韓其勇主編，冶金過程動力學(xué)，冶金工業(yè)出版社，1983G.H.蓋格、D.R.波伊里爾著，冶金中的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，冶金工業(yè)出版社，1981（俞景祿、魏季和譯）鞭巖、森山昭著，冶金反應(yīng)工程學(xué)，科學(xué)出版社，1981

（蔡志鵬、謝裕生譯）6參考書張家蕓主編，冶金物理化學(xué)，冶金工業(yè)出版社，200465.2化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)（1）反應(yīng)進(jìn)度（2）反應(yīng)速率（3）速率方程

(4)反應(yīng)級數(shù)（5）速率方程解析（6）反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系75.2化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)（1）反應(yīng)進(jìn)度7化學(xué)反應(yīng)/Chemicalreactions反應(yīng)物

；生成物。8化學(xué)反應(yīng)/Chemicalreactions反應(yīng)物（1）反應(yīng)進(jìn)度/Extentofreactiont=0~t范圍內(nèi)，反應(yīng)進(jìn)度為：

式中

、初始和某一時刻物質(zhì)的量,mol;無論i是反應(yīng)物或生成物，反應(yīng)進(jìn)度均為正值。

9（1）反應(yīng)進(jìn)度/Extentofreactiont導(dǎo)出10導(dǎo)出10（2）反應(yīng)速率/Reactionratemol·s?1

mol·m-3·s?1

11（2）反應(yīng)速率/Reactionratemol·s?1（3）速率方程/Rateequation質(zhì)量作用定律：對于一個基元反應(yīng)，一定溫度下的反應(yīng)速率與各反應(yīng)物濃度冪指數(shù)的乘積成正比。---速率方程(Lawofmassaction:19世紀(jì)中期G.M.古德貝格和P.瓦格)(k---反應(yīng)速度常數(shù))12（3）速率方程/Rateequation質(zhì)量作用定律：（4）反應(yīng)級數(shù)/Reactionordern=(-A)+(-B)對于基元反應(yīng):反應(yīng)級數(shù)13（4）反應(yīng)級數(shù)/Reactionordern=(-（5）速率方程解析不可逆反應(yīng)：AB14（5）速率方程解析不可逆反應(yīng)：14不可逆反應(yīng):n=0,1,2一級二級零級15不可逆反應(yīng):n=0,1,2一級二級零級15（6）反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系由阿累尼烏斯方程(Arrheniusequation)：

式中，E---反應(yīng)活化能（activationenergy）,A---頻率因子（frequencyfactor）。16（6）反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系由阿累尼烏斯方程(ArrheniuA與T對k的作用*T---普通分子活化分子轉(zhuǎn)化的推動力。*E---普通分子活化分子轉(zhuǎn)化時需要的能量。*A---普通分子全部轉(zhuǎn)化成活化分子時反應(yīng)速度常數(shù)。17A與T對k的作用*T---普通分子活化分子轉(zhuǎn)化的5.3擴(kuò)散與相間傳質(zhì)

Diffusionandinterphasetransmission擴(kuò)散---熱運(yùn)動導(dǎo)致的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)由高化學(xué)勢向低化學(xué)勢區(qū)域的運(yùn)動過程。傳質(zhì)---化學(xué)勢梯度引起的原子、分子運(yùn)動以及外力場或密度差造成的流體微元運(yùn)動產(chǎn)生的物質(zhì)遷移過程。185.3擴(kuò)散與相間傳質(zhì)

Diffusionandinte擴(kuò)散與傳質(zhì)的區(qū)別擴(kuò)散傳質(zhì)：靜止介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散；層流中的傳質(zhì)；紊流中的傳質(zhì)；相際傳質(zhì)。19擴(kuò)散與傳質(zhì)的區(qū)別擴(kuò)散傳質(zhì)：靜止介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散；19擴(kuò)散過程/Diffusionprocess20擴(kuò)散過程/Diffusionprocess20(1)菲克第一定律

Fick’sfirstlawofdiffusiondc/dt=0（穩(wěn)態(tài)）dc/dx=(c2-c1)/△x=常數(shù)mol/m2s摩爾擴(kuò)散通量JA,x，濃度cA的SI單位為molm-3。21(1)菲克第一定律

Fick’sfirstlaw(2)菲克第二定律

Fick’ssecondlawofdiffusionJ=-D(〆c/〆x)22(2)菲克第二定律

Fick’ssecondlaw非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散

Diffusionwithnon-steadystate實(shí)際情況23非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散

Diffusionwithnon-stead從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)變化12傳導(dǎo)介質(zhì)氣相內(nèi)B濃度B+N2Xt=0t=t1t=t2t=t3t=t4t=t∞cBbcBc24從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)變化12傳導(dǎo)介質(zhì)氣相內(nèi)B濃度B+N2Xt=0t(3)擴(kuò)散系數(shù)和溫度的關(guān)系

Relationshipofdiffusioncoefficientwithtemperature經(jīng)驗(yàn)公式:

ED擴(kuò)散活化能,J·mol-1。D0－頻率因子,與D的單位同為m2·s-1。

25(3)擴(kuò)散系數(shù)和溫度的關(guān)系

Relationship（4）邊界層/Boundarylayeru---速度邊界層c---擴(kuò)散邊界層c’--有效擴(kuò)散邊界層26（4）邊界層/Boundarylayeru---速度邊界速度邊界層與擴(kuò)散邊界層當(dāng)流體以層流狀態(tài)流過平板時金屬液與熔渣的Sc(Schmidt)值103-104，所以兩者的δc<δu。27速度邊界層與擴(kuò)散邊界層當(dāng)流體以層流狀態(tài)流過平板時金屬液與熔渣擴(kuò)散邊界層流體以層流狀態(tài)流過平板時：同一位置上，擴(kuò)散邊界層隨流體粘度增大而增厚，隨流體流速增大而減薄。28擴(kuò)散邊界層流體以層流狀態(tài)流過平板時：28有效擴(kuò)散邊界層界面處的濃度梯度：

瓦格納(C.Wagner)定義為有效擴(kuò)散邊界層。29有效擴(kuò)散邊界層界面處的濃度梯度：29在兩相界面處(x=0)流體u=0,為純分子擴(kuò)散：根據(jù)：30在兩相界面處(x=0)流體u=0,為純分子擴(kuò)散：根據(jù)：30有效擴(kuò)散邊界層與菲克定律在界面處(x=0)，流體流速u=0,為純分子擴(kuò)散，有代入有效擴(kuò)散系數(shù)當(dāng)cb不隨傳質(zhì)過程變化，cs又保持熱力學(xué)平衡濃度，這樣就符合菲克第一定律的穩(wěn)定擴(kuò)散，簡化了數(shù)學(xué)處理過程。31有效擴(kuò)散邊界層與菲克定律在界面處(x=0)，流體流速u=0,（5)傳質(zhì)系數(shù)

Masstransfercoefficient考慮相間傳質(zhì)阻力集中在有效擴(kuò)散邊界層，?。河?/p>

傳質(zhì)方程，kd---傳質(zhì)系數(shù)，cm/s。32（5)傳質(zhì)系數(shù)

Masstransfe氣-固間傳質(zhì)系數(shù)(雷諾準(zhǔn)數(shù)：Reynolds）(舍伍德準(zhǔn)數(shù)

:Sherwood)(施密特準(zhǔn)數(shù)：Schmidt)33氣-固間傳質(zhì)系數(shù)(雷諾準(zhǔn)數(shù)：Reynolds）(舍伍德準(zhǔn)數(shù)Sh,Re,Sc的關(guān)系平板上流動傳質(zhì)：層流Sh=0.662Re1/2Sc1/3紊流Sh=0.037Re0.8Sc1/3球面上流體傳質(zhì)：Sh=2+0.6Re1/2Sc1/3

(1<Re<7x104,Sc>0.6)34Sh,Re,Sc的關(guān)系平板上流動傳質(zhì)：34（6）相間傳質(zhì)理論1、雙膜理論（two-filmtheory）2、溶質(zhì)滲透理論（solutepenetrationtheory）3、表面更新理論（surfacerenewaltheory）4、薄膜-滲透理論

（film-penetrationtheory）35（6）相間傳質(zhì)理論1、雙膜理論35雙膜理論（W.G.Whitman,1923）(1)兩種流體相互接觸，兩相間存在一個穩(wěn)定的相界面；相界面兩側(cè)，各存在一個薄膜；薄膜內(nèi)，流體靜止，不受流體主體運(yùn)動狀態(tài)影響，傳質(zhì)阻力主要集中在膜內(nèi)；薄膜外，流體強(qiáng)烈攪動，濃度均勻一致，傳質(zhì)阻力很小。(2)在相界面上，物質(zhì)交換處于動態(tài)平衡狀態(tài)。(3)物質(zhì)在薄膜內(nèi)傳質(zhì)為分子擴(kuò)散，符合菲克第一定律。36雙膜理論（W.G.Whitman,1923）(1)兩種流體雙膜模型示意圖濃度距離實(shí)際濃度分布雙膜理論37雙膜模型示意圖濃距離實(shí)際濃度分布雙膜理論37kd38kd38滲透理論（R.Higbie,1935）(1)流體由無數(shù)個流體微元組成，相間傳質(zhì)是由流體微元完成的；(2)自然對流或紊流流動，把流體2中具有濃度cb一個微元帶到界面與流體1接觸。當(dāng)流體1大于流體2的濃度，則物質(zhì)由流體1向流體2微元中遷移，導(dǎo)致界面處流體2一側(cè)該組元濃度cs大于流體2內(nèi)該組元濃度cb；(3)流體2微元在界面上瞬間停留（約0.01-0.1s），被稱作微元壽命te;經(jīng)過te時間后，又進(jìn)入流體2內(nèi)，微元濃度增加cb+c；(4)假設(shè)組元滲透到微元的深度小于微元厚度，可以把某組元向微元內(nèi)傳質(zhì)看作非穩(wěn)態(tài)一維半無限擴(kuò)散過程。39滲透理論（R.Higbie,1935）(1)流體由無數(shù)個流體溶質(zhì)滲透模型示意圖40溶質(zhì)滲透模型示意圖40一維半無限體擴(kuò)散解析解I.C.t0，x0，c

cbB.C.0<t

te，x0，ccs,

x，ccb菲克第二定律的解:41一維半無限體擴(kuò)散解析解I.C.t0，x0，cKd在te時間內(nèi)平均擴(kuò)散流：42Kd在te時間內(nèi)平均擴(kuò)散流：42表面更新理論（P.V.Danckwerts,1951）(1)流體2微元與流體1接觸的微元壽命te并不相等，而是按0-分布服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，認(rèn)為單位時間接觸的面積中，只有S部分被更新，定義S為表面更新率，即單位時間內(nèi)更新表面積占總表面積的比例；(2)提出一個接觸時間分布函數(shù)(t)，其物理意義：壽命為t的微元面積占微元總面積的分?jǐn)?shù)；(3)界面上不同壽命的微元面積總和為1，即43表面更新理論（P.V.Danckwerts,1951）(1)流體微元接觸時間分布函數(shù)44流體微元接觸時間分布函數(shù)44推導(dǎo)（t-dt)到t間隔內(nèi)，界面上微元面積為(t)dt；

t到t+dt間隔內(nèi)，更新的微元面積為(t)dtSdt；

t到t+dt間隔內(nèi)，未被更新的面積為(t)dt(1-Sdt)；那么，t到t+dt間隔內(nèi)未被更新的面積等于該時刻界面上的微元面積(t+dt)dt,即(t+dt)dt=(t)dt(1-Sdt)45推導(dǎo)（t-dt)到t間隔內(nèi)，界面上微元面積為(t)dt；4Kd根據(jù)界面上所有各種壽命流體微元的總傳質(zhì)：46Kd根據(jù)界面上所有各種壽命流體微元的總傳質(zhì)：46積分公式：47積分公式：47流體間傳質(zhì)系數(shù)te流體微元壽命或在表面的滯留時間，s，S表面更新率,s-1。即，單位時間內(nèi)更新的表面積占表觀表面積的比率。

48流體間傳質(zhì)系數(shù)te流體微元壽命或在表面的滯留時間，s，雙膜理論應(yīng)用

雙膜傳質(zhì)理論是劉易斯(W.K.Lewis)和惠特曼（W.Whitman）于1923年提出的。薄膜理論在兩個流體相界面兩側(cè)的傳質(zhì)中應(yīng)用，是經(jīng)典的傳質(zhì)理論之一。WhitmanWG.Chem.andMet.Eng.,1923,29:14749雙膜理論應(yīng)用雙膜傳質(zhì)理論是劉易斯(W.K.Lewis)渣-金反應(yīng)示意圖

Schematicdiagramofslag-metalreaction雙膜理論50渣-金反應(yīng)示意圖

Schematicdiagramof解析-151解析-151解析-2在I、II相中在界面上其中

52解析-2在I、II相中52穩(wěn)態(tài)過程

Steadystateprocess定義：對于一個串聯(lián)過程反應(yīng)，當(dāng)各步驟的速度相等，各點(diǎn)的濃度相對穩(wěn)定，或者各點(diǎn)濃度變化消耗的物質(zhì)量比界面反應(yīng)消耗的物質(zhì)量少得多，則稱反應(yīng)處于穩(wěn)態(tài)過程。r=r1=r2=…=rn

主要用途：用于處理不存在或找不到唯一的控速環(huán)節(jié)反應(yīng)時，聯(lián)立方程，消去不能測量的濃度項(xiàng)。53穩(wěn)態(tài)過程

Steadystateprocess定義：對穩(wěn)態(tài)化處理

Steadystatetreatment穩(wěn)態(tài)下各過程的速度相等消去不易測量的界面濃度

54穩(wěn)態(tài)化處理

Steadystatetreatment穩(wěn)態(tài)控速環(huán)節(jié)

Ratecontrollingstep定義：對于一個串聯(lián)過程反應(yīng)，如果某一步驟的阻力比其它步驟的阻力大得多，總反應(yīng)速度基本由這一步驟速度決定，這一步驟稱為反應(yīng)的控速環(huán)節(jié)。r=riR1R2R3R4R5UI=U/R:R=R1+R2+R3+R4+R555控速環(huán)節(jié)

Ratecontrollingstep定義：對化學(xué)反應(yīng)控速環(huán)節(jié)

Chemical-controlledreaction有說明傳質(zhì)速度比化學(xué)反應(yīng)速度充分快，反應(yīng)界面濃度幾乎等于液相本體的濃度，反應(yīng)速度不受傳質(zhì)的影響。有時為了達(dá)到這種條件，采取反應(yīng)器內(nèi)充分?jǐn)嚢枇黧w的辦法。

56化學(xué)反應(yīng)控速環(huán)節(jié)

Chemical-controlledr(ii)傳質(zhì)控速環(huán)節(jié)

Masstransfer-controlledreaction有說明傳質(zhì)速度非常慢或化學(xué)反應(yīng)非常快，在反應(yīng)街面上瞬間達(dá)到化學(xué)平衡，界面濃度等于平衡濃度。57(ii)傳質(zhì)控速環(huán)節(jié)

MasstransferI,II相內(nèi)相對阻力大小根據(jù)I,II相內(nèi)相對阻力，還可分以下兩種情況：可以注意到，速度阻力中含有化學(xué)平衡常數(shù)。

58I,II相內(nèi)相對阻力大小根據(jù)I,II相內(nèi)相對阻力，還可分結(jié)束語

Concludingremarks比較簡單、直觀的方法：一般情況下，反應(yīng)界面積一定時，攪拌強(qiáng)度增大總反應(yīng)速度變大的肯定不是界面反應(yīng)控速，溫度升高總反應(yīng)速度變大肯定不是傳質(zhì)控速。多相反應(yīng)涉及到界面化學(xué)反應(yīng)、傳質(zhì)和傳熱等過程，確切地說每個因素都會影響總反應(yīng)速度。但是，抓住主要矛盾可以大大地簡化問題。因此，了解反應(yīng)的控制環(huán)節(jié)相當(dāng)重要。59結(jié)束語

Concludingremarks比較簡單、直1、每一個成功者都有一個開始。勇于開始，才能找到成功的路。12月-2212月-22Tuesday,December13,20222、成功源于不懈的努力，人生最大的敵人是自己怯懦。08:00:3408:00:3408:0012/13/20228:00:34AM3、每天只看目標(biāo)，別老想障礙。12月-2208:00:3408:00Dec-2213-Dec-224、寧愿辛苦一陣子，不要辛苦一輩子。08:00:3408:00:3408:00Tuesday,December13,20225、積極向上的心態(tài)，是成功者的最基本要素。12月-2212月-2208:00:3408:00:34December13,20226、生活總會給你另一個機(jī)會，這個機(jī)會叫明天。13十二月20228:00:34上午08:00:3412月-227、人生就像騎單車，想保持平衡就得往前走。十二月228:00上午12月-2208:00December13,20228、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2022/12/138:00:3408:00:3413December20229、我們必須在失敗中尋找勝利，在絕望中尋求希望。8:00:34上午8:00上午08:00:3412月-2210、一個人的夢想也許不值錢，但一個人的努力很值錢。12/13/20228:00:34AM08:00:3413-12月-2211、在真實(shí)的生命里，每樁偉業(yè)都由信心開始，并由信心跨出第一步。12/13/20228:00AM12/13/20228:00AM12月-2212月-22謝謝大家1、每一個成功者都有一個開始。勇于開始，才能找到成功的路。160冶金過程動力學(xué)

Kineticsofreactionsinmetallurgicalprocesses61冶金過程動力學(xué)

Kineticsofreactions第五章冶金反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)5.1概述（1）基本定義（2）所屬范疇（3）應(yīng)用實(shí)例（4）參考書62第五章冶金反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)5.1概述2所屬范疇冶金過程動力學(xué)63所屬范疇冶金過程3定義與相關(guān)課程ChemicalkineticsTransportphenomenaMetallurgyKineticsofreactionsinmetallurgicalprocesses64定義與相關(guān)課程ChemicalkineticsTransp實(shí)例FeOFe65實(shí)例FeOFe5參考書張家蕓主編，冶金物理化學(xué)，冶金工業(yè)出版社，2004郭漢杰編著,冶金物理化學(xué)教程,冶金工業(yè)出版社,2006韓其勇主編，冶金過程動力學(xué)，冶金工業(yè)出版社，1983G.H.蓋格、D.R.波伊里爾著，冶金中的傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，冶金工業(yè)出版社，1981（俞景祿、魏季和譯）鞭巖、森山昭著，冶金反應(yīng)工程學(xué)，科學(xué)出版社，1981

（蔡志鵬、謝裕生譯）66參考書張家蕓主編，冶金物理化學(xué)，冶金工業(yè)出版社，200465.2化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)（1）反應(yīng)進(jìn)度（2）反應(yīng)速率（3）速率方程

(4)反應(yīng)級數(shù)（5）速率方程解析（6）反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系675.2化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基礎(chǔ)（1）反應(yīng)進(jìn)度7化學(xué)反應(yīng)/Chemicalreactions反應(yīng)物

；生成物。68化學(xué)反應(yīng)/Chemicalreactions反應(yīng)物（1）反應(yīng)進(jìn)度/Extentofreactiont=0~t范圍內(nèi)，反應(yīng)進(jìn)度為：

式中

、初始和某一時刻物質(zhì)的量,mol;無論i是反應(yīng)物或生成物，反應(yīng)進(jìn)度均為正值。

69（1）反應(yīng)進(jìn)度/Extentofreactiont導(dǎo)出70導(dǎo)出10（2）反應(yīng)速率/Reactionratemol·s?1

mol·m-3·s?1

71（2）反應(yīng)速率/Reactionratemol·s?1（3）速率方程/Rateequation質(zhì)量作用定律：對于一個基元反應(yīng)，一定溫度下的反應(yīng)速率與各反應(yīng)物濃度冪指數(shù)的乘積成正比。---速率方程(Lawofmassaction:19世紀(jì)中期G.M.古德貝格和P.瓦格)(k---反應(yīng)速度常數(shù))72（3）速率方程/Rateequation質(zhì)量作用定律：（4）反應(yīng)級數(shù)/Reactionordern=(-A)+(-B)對于基元反應(yīng):反應(yīng)級數(shù)73（4）反應(yīng)級數(shù)/Reactionordern=(-（5）速率方程解析不可逆反應(yīng)：AB74（5）速率方程解析不可逆反應(yīng)：14不可逆反應(yīng):n=0,1,2一級二級零級75不可逆反應(yīng):n=0,1,2一級二級零級15（6）反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系由阿累尼烏斯方程(Arrheniusequation)：

式中，E---反應(yīng)活化能（activationenergy）,A---頻率因子（frequencyfactor）。76（6）反應(yīng)速率與溫度的關(guān)系由阿累尼烏斯方程(ArrheniuA與T對k的作用*T---普通分子活化分子轉(zhuǎn)化的推動力。*E---普通分子活化分子轉(zhuǎn)化時需要的能量。*A---普通分子全部轉(zhuǎn)化成活化分子時反應(yīng)速度常數(shù)。77A與T對k的作用*T---普通分子活化分子轉(zhuǎn)化的5.3擴(kuò)散與相間傳質(zhì)

Diffusionandinterphasetransmission擴(kuò)散---熱運(yùn)動導(dǎo)致的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)由高化學(xué)勢向低化學(xué)勢區(qū)域的運(yùn)動過程。傳質(zhì)---化學(xué)勢梯度引起的原子、分子運(yùn)動以及外力場或密度差造成的流體微元運(yùn)動產(chǎn)生的物質(zhì)遷移過程。785.3擴(kuò)散與相間傳質(zhì)

Diffusionandinte擴(kuò)散與傳質(zhì)的區(qū)別擴(kuò)散傳質(zhì)：靜止介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散；層流中的傳質(zhì)；紊流中的傳質(zhì)；相際傳質(zhì)。79擴(kuò)散與傳質(zhì)的區(qū)別擴(kuò)散傳質(zhì)：靜止介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散；19擴(kuò)散過程/Diffusionprocess80擴(kuò)散過程/Diffusionprocess20(1)菲克第一定律

Fick’sfirstlawofdiffusiondc/dt=0（穩(wěn)態(tài)）dc/dx=(c2-c1)/△x=常數(shù)mol/m2s摩爾擴(kuò)散通量JA,x，濃度cA的SI單位為molm-3。81(1)菲克第一定律

Fick’sfirstlaw(2)菲克第二定律

Fick’ssecondlawofdiffusionJ=-D(〆c/〆x)82(2)菲克第二定律

Fick’ssecondlaw非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散

Diffusionwithnon-steadystate實(shí)際情況83非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散

Diffusionwithnon-stead從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)變化12傳導(dǎo)介質(zhì)氣相內(nèi)B濃度B+N2Xt=0t=t1t=t2t=t3t=t4t=t∞cBbcBc84從非穩(wěn)態(tài)到穩(wěn)態(tài)變化12傳導(dǎo)介質(zhì)氣相內(nèi)B濃度B+N2Xt=0t(3)擴(kuò)散系數(shù)和溫度的關(guān)系

Relationshipofdiffusioncoefficientwithtemperature經(jīng)驗(yàn)公式:

ED擴(kuò)散活化能,J·mol-1。D0－頻率因子,與D的單位同為m2·s-1。

85(3)擴(kuò)散系數(shù)和溫度的關(guān)系

Relationship（4）邊界層/Boundarylayeru---速度邊界層c---擴(kuò)散邊界層c’--有效擴(kuò)散邊界層86（4）邊界層/Boundarylayeru---速度邊界速度邊界層與擴(kuò)散邊界層當(dāng)流體以層流狀態(tài)流過平板時金屬液與熔渣的Sc(Schmidt)值103-104，所以兩者的δc<δu。87速度邊界層與擴(kuò)散邊界層當(dāng)流體以層流狀態(tài)流過平板時金屬液與熔渣擴(kuò)散邊界層流體以層流狀態(tài)流過平板時：同一位置上，擴(kuò)散邊界層隨流體粘度增大而增厚，隨流體流速增大而減薄。88擴(kuò)散邊界層流體以層流狀態(tài)流過平板時：28有效擴(kuò)散邊界層界面處的濃度梯度：

瓦格納(C.Wagner)定義為有效擴(kuò)散邊界層。89有效擴(kuò)散邊界層界面處的濃度梯度：29在兩相界面處(x=0)流體u=0,為純分子擴(kuò)散：根據(jù)：90在兩相界面處(x=0)流體u=0,為純分子擴(kuò)散：根據(jù)：30有效擴(kuò)散邊界層與菲克定律在界面處(x=0)，流體流速u=0,為純分子擴(kuò)散，有代入有效擴(kuò)散系數(shù)當(dāng)cb不隨傳質(zhì)過程變化，cs又保持熱力學(xué)平衡濃度，這樣就符合菲克第一定律的穩(wěn)定擴(kuò)散，簡化了數(shù)學(xué)處理過程。91有效擴(kuò)散邊界層與菲克定律在界面處(x=0)，流體流速u=0,（5)傳質(zhì)系數(shù)

Masstransfercoefficient考慮相間傳質(zhì)阻力集中在有效擴(kuò)散邊界層，?。河?/p>

傳質(zhì)方程，kd---傳質(zhì)系數(shù)，cm/s。92（5)傳質(zhì)系數(shù)

Masstransfe氣-固間傳質(zhì)系數(shù)(雷諾準(zhǔn)數(shù)：Reynolds）(舍伍德準(zhǔn)數(shù)

:Sherwood)(施密特準(zhǔn)數(shù)：Schmidt)93氣-固間傳質(zhì)系數(shù)(雷諾準(zhǔn)數(shù)：Reynolds）(舍伍德準(zhǔn)數(shù)Sh,Re,Sc的關(guān)系平板上流動傳質(zhì)：層流Sh=0.662Re1/2Sc1/3紊流Sh=0.037Re0.8Sc1/3球面上流體傳質(zhì)：Sh=2+0.6Re1/2Sc1/3

(1<Re<7x104,Sc>0.6)94Sh,Re,Sc的關(guān)系平板上流動傳質(zhì)：34（6）相間傳質(zhì)理論1、雙膜理論（two-filmtheory）2、溶質(zhì)滲透理論（solutepenetrationtheory）3、表面更新理論（surfacerenewaltheory）4、薄膜-滲透理論

（film-penetrationtheory）95（6）相間傳質(zhì)理論1、雙膜理論35雙膜理論（W.G.Whitman,1923）(1)兩種流體相互接觸，兩相間存在一個穩(wěn)定的相界面；相界面兩側(cè)，各存在一個薄膜；薄膜內(nèi)，流體靜止，不受流體主體運(yùn)動狀態(tài)影響，傳質(zhì)阻力主要集中在膜內(nèi)；薄膜外，流體強(qiáng)烈攪動，濃度均勻一致，傳質(zhì)阻力很小。(2)在相界面上，物質(zhì)交換處于動態(tài)平衡狀態(tài)。(3)物質(zhì)在薄膜內(nèi)傳質(zhì)為分子擴(kuò)散，符合菲克第一定律。96雙膜理論（W.G.Whitman,1923）(1)兩種流體雙膜模型示意圖濃度距離實(shí)際濃度分布雙膜理論97雙膜模型示意圖濃距離實(shí)際濃度分布雙膜理論37kd98kd38滲透理論（R.Higbie,1935）(1)流體由無數(shù)個流體微元組成，相間傳質(zhì)是由流體微元完成的；(2)自然對流或紊流流動，把流體2中具有濃度cb一個微元帶到界面與流體1接觸。當(dāng)流體1大于流體2的濃度，則物質(zhì)由流體1向流體2微元中遷移，導(dǎo)致界面處流體2一側(cè)該組元濃度cs大于流體2內(nèi)該組元濃度cb；(3)流體2微元在界面上瞬間停留（約0.01-0.1s），被稱作微元壽命te;經(jīng)過te時間后，又進(jìn)入流體2內(nèi)，微元濃度增加cb+c；(4)假設(shè)組元滲透到微元的深度小于微元厚度，可以把某組元向微元內(nèi)傳質(zhì)看作非穩(wěn)態(tài)一維半無限擴(kuò)散過程。99滲透理論（R.Higbie,1935）(1)流體由無數(shù)個流體溶質(zhì)滲透模型示意圖100溶質(zhì)滲透模型示意圖40一維半無限體擴(kuò)散解析解I.C.t0，x0，c

cbB.C.0<t

te，x0，ccs,

x，ccb菲克第二定律的解:101一維半無限體擴(kuò)散解析解I.C.t0，x0，cKd在te時間內(nèi)平均擴(kuò)散流：102Kd在te時間內(nèi)平均擴(kuò)散流：42表面更新理論（P.V.Danckwerts,1951）(1)流體2微元與流體1接觸的微元壽命te并不相等，而是按0-分布服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，認(rèn)為單位時間接觸的面積中，只有S部分被更新，定義S為表面更新率，即單位時間內(nèi)更新表面積占總表面積的比例；(2)提出一個接觸時間分布函數(shù)(t)，其物理意義：壽命為t的微元面積占微元總面積的分?jǐn)?shù)；(3)界面上不同壽命的微元面積總和為1，即103表面更新理論（P.V.Danckwerts,1951）(1)流體微元接觸時間分布函數(shù)104流體微元接觸時間分布函數(shù)44推導(dǎo)（t-dt)到t間隔內(nèi)，界面上微元面積為(t)dt；

t到t+dt間隔內(nèi)，更新的微元面積為(t)dtSdt；

t到t+dt間隔內(nèi)，未被更新的面積為(t)dt(1-Sdt)；那么，t到t+dt間隔內(nèi)未被更新的面積等于該時刻界面上的微元面積(t+dt)dt,即(t+dt)dt=(t)dt(1-Sdt)105推導(dǎo)（t-dt)到t間隔內(nèi)，界面上微元面積為(t)dt；4Kd根據(jù)界面上所有各種壽命流體微元的總傳質(zhì)：106Kd根據(jù)界面上所有各種壽命流體微元的總傳質(zhì)：46積分公式：107積分公式：47流體間傳質(zhì)系數(shù)te流體微元壽命或在表面的滯留時間，s，S表面更新率,s-1。即，單位時間內(nèi)更新的表面積占表觀表面積的比率。

108流體間傳質(zhì)系數(shù)te流體微元壽命或在表面的滯留時間，s，雙膜理論應(yīng)用

雙膜傳質(zhì)理論是劉易斯(W.K.Lewis)和惠特曼（W.Whitman）于1923年提出的。薄膜理論在兩個流體相界面兩側(cè)的傳質(zhì)中應(yīng)用，是經(jīng)典的傳質(zhì)理論之一。WhitmanWG.Chem.andMet.Eng.,1923,29:147109雙膜理論應(yīng)用雙膜傳質(zhì)理論是劉易斯(W.K.Lewis)渣-金反應(yīng)示意圖

Schematicdiagramofslag-metalreaction雙膜理論110渣-金反應(yīng)示意圖

Schematicdiagramof解析-1111解析-151解析-2在I、II相中在界面上其中

112解析-2在I、II相中52穩(wěn)態(tài)過程

Steadystateprocess定義：對于一個串聯(lián)過程反應(yīng)，當(dāng)各步驟的速度相等，各點(diǎn)的濃度相對穩(wěn)定，或者各點(diǎn)濃度變化消耗的物質(zhì)量比界面反應(yīng)消耗的物質(zhì)量少得多，則稱反應(yīng)處于穩(wěn)態(tài)過程。r=r1=r2=…=rn

主要用途：用于處理不存在或找不到唯一的控速環(huán)節(jié)反應(yīng)時，聯(lián)立方程，消去不能測量的濃度項(xiàng)。113穩(wěn)態(tài)過程

Steadystateprocess定義：對穩(wěn)態(tài)化處理

Steadystatetreatment穩(wěn)態(tài)下各過程的速度相等消去不易測量的界面濃度

114穩(wěn)態(tài)化處理

Steadystatetreatment穩(wěn)態(tài)控速環(huán)節(jié)

Ratecontrollingstep定義：對于一個串聯(lián)過程反應(yīng)，如果某一步驟的阻力比其它步驟的阻力大得多，總反應(yīng)速度基本由這一步驟速度決定，這一步驟稱為反應(yīng)的