冶金动力学(1)-10解析
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冶金过程动力学导论
冶金过程动力学导论
冶金过程动力学是一门研究冶金过程中反应动力学规律与机理的学科，它涉及多种领域，包括物理化学、材料科学、热力学等。
冶金过程动力学主要关注的是控制金属在冶炼过程中的变化过程，从而实现冶炼过程的优化和控制。
在冶金过程中，反应动力学起着至关重要的作用。
反应动力学研究的是反应速率和反应机理，以及反应条件对反应速率和反应机理的影响。
反应速率是指单位时间内反应物浓度变化的速率，其大小决定了反应的快慢。
而反应机理则是指反应过程中各个步骤和反应产物的形成路径，了解反应机理和速率对于冶金工艺优化和炉料控制极为重要。
常见的冶金过程动力学反应包括金属与非金属元素的化学反应、金属之间的化学反应、固态反应以及气相反应等。
在冶金过程中，重要的反应有铁矿石还原、碳酸钙分解、焦炭氧化等。
掌握这些反应的动力学规律，对于调节炉料组分、掌握反应动力学规律都有着极为重要的意义。
综上所述，冶金过程动力学的研究可以为冶金工艺提供基础支撑和科学指导。
冶金过程的优化和控制，离不开对反应动力学规律和机理的深入研究。
冶金动力学
绪论
•氧化物（球团）还原过程动力学； •冶金反应器中的混合、流动和传质。
化学反应动力学
§1 化学反应速率与浓度关系
1.1基元反应
一个化学反应方程式仅仅表示反应的初态和末态，即只表明反应的 原始物是什么，产物是什么以及反应的计量系数。至于反应的机理如 何，由反应物变为产物的过程中，要经过什么步骤，这从反应式是看 不出来的。 事实上，化学反应一般多是由若干个简单步骤－基元反应组成的。
n 1
半衰期公式
t1/ 2
2 n 1 1 n 1 (n 1)kCA 0
n 1
注意：k量纲与反应级数有关， mol(1n ) m3( n 1) s 1
化学反应动力学
§2 反应级数的测定
反应级数要由实验确定。首先应通过物理或化学方法测出一系列 浓度和时间关系的实验数据，然后再按以下方法处理。 1）积分法 将几组实验数据分别代入零级、一级、二级、…等反应的积分式 中，计算出k值。如某公式计算得到的k值基本守常，则该公式的 级数就是反应级数。 如果不论哪一公式计算得到的k值都不守常，则该反应一定是不 能用整数级数表示的复杂反应。
k物理意义：单位反应物浓度时的化学反应速率。 k与浓度无关；但是温度的函数。
1/k：化学反应的阻力。
a b C 推动力 a b AC B r kCACB 1/ k 阻力
化学反应动力学
质量作用定律只能用于基元反应。而实际发生的大部分反应为非基元 反应，或不能确定为基元反应，怎么办？ 处理方法：外推法（借助质量作用定律的数学形式） 对一般反应 可写成通式 化学反应级数： aA + bB gG
CA
CA
C A0
CA0 kt
特征1 t
2冶金动力学基础
(1)以质量百分数表示时，如炼钢过程钢液的降碳速率
rA
dCA dt
d[wA / w0 ] dt
(2)在均相反应中，浓度采用单位体积内物质的量表示
rA
dCA dt
1 V
dnA dt
2.1 化学反应的速率
2.1.1 化学反应的速率式
2.1.1.2 质量作用定律
(3)在流体与固体的反应中，以单位质量固体中 所含物质A的物质的量来表示浓度
2.1 化学反应的速率
2.1.1 化学反应的速率式
2.1.1.1 化学反应速率的表示方法
化学反应的速率表示单位时间消耗物质的量， 与反应物和生成物的浓度有关的，其定义式为：
r dn dt
对于化学反应：aA+bB=AaBb 表示方法：1）以反应物浓度表示化学反应的速率
2）以产物浓度表示化学反应的速率
rA
dCA dt
kA
C
a A
C
b B
rB
dCB dt
kB
C
a A
C
b B
rAB
dCAB dt
k AB
C
a A
C
b B
式中：kA、kB和KAB都成为化学反应速率常数；
n＝a+Βιβλιοθήκη 称为反应级数。2.1 化学反应的速率
2.1.1 化学反应的速率式
2.1.1.2 质量作用定律
2.1 化学反应的速率
2.1.1 化学反应的速率式 2.1.1.1 化学反应速率的表示方法
对于化学反应：aA+bB=AaBb
冶金动力学第一章化学反应速率基础知识
增加实验课程比重
希望后续课程能增加实验课程的比重，通过实验来验证和巩固理论 知识，提高实践能力和创新能力。
拓展应用领域知识
建议课程适当拓展冶金动力学在其他领域的应用知识，如材料科学、 环境科学等，拓宽学员的知识视野和应用能力。
THANK YOU
感谢聆听
掌握了实验技能
通过实验课程的学习，我掌握了测量化学反应速 率的实验技能，包括实验设计、实验操作和数据 处理等方面。
激发了学习兴趣
本次课程的内容丰富、生动有趣，让我对冶金动 力学产生了浓厚的兴趣，期待后续课程的学习。
对未来学习建议和期望
加强理论知识学习
建议后续课程继续加强理论知识的学习，包括反应机理、反应动力 学方程等方面的内容，为后续实验和工程应用提供理论支持。
反应速率的表示方法
反应速率可以用微分法或积分法表示。微分法是通过测量反应过程中某一时刻的反应速率 来表示整个过程的反应速率；积分法则是通过测量反应开始到某一时刻的反应物或生成物 的浓度变化来表示整个过程的反应速率。
学员心得体会分享
1 2 3
加深了对化学反应速率的理解
通过本次课程的学习，我对化学反应速率的定义、 影响因素和表示方法有了更深入的理解，对后续 学习打下了坚实的基础。
温度对催化剂活性的影响
温度不仅直接影响反应速率，还会影响催化剂的活性。对于某些催化剂，存在最佳的反应温度范围，超出此范围 催化剂活性降低。
催化剂对反应速率影响
催化剂降低活化能
催化剂通过提供新的反应路径，使反应 的活化能降低，从而加快反应速率。
VS
催化剂的选择性
不同的催化剂对同一反应可能具有不同的 选择性，即可能促进不同的反应步骤或生 成不同的产物。因此，选择合适的催化剂 对于优化反应过程至关重要。
希望后续课程能增加实验课程的比重，通过实验来验证和巩固理论 知识，提高实践能力和创新能力。
拓展应用领域知识
建议课程适当拓展冶金动力学在其他领域的应用知识，如材料科学、 环境科学等，拓宽学员的知识视野和应用能力。
THANK YOU
感谢聆听
掌握了实验技能
通过实验课程的学习，我掌握了测量化学反应速 率的实验技能，包括实验设计、实验操作和数据 处理等方面。
激发了学习兴趣
本次课程的内容丰富、生动有趣，让我对冶金动 力学产生了浓厚的兴趣，期待后续课程的学习。
对未来学习建议和期望
加强理论知识学习
建议后续课程继续加强理论知识的学习，包括反应机理、反应动力 学方程等方面的内容，为后续实验和工程应用提供理论支持。
反应速率的表示方法
反应速率可以用微分法或积分法表示。微分法是通过测量反应过程中某一时刻的反应速率 来表示整个过程的反应速率；积分法则是通过测量反应开始到某一时刻的反应物或生成物 的浓度变化来表示整个过程的反应速率。
学员心得体会分享
1 2 3
加深了对化学反应速率的理解
通过本次课程的学习，我对化学反应速率的定义、 影响因素和表示方法有了更深入的理解，对后续 学习打下了坚实的基础。
温度对催化剂活性的影响
温度不仅直接影响反应速率，还会影响催化剂的活性。对于某些催化剂，存在最佳的反应温度范围，超出此范围 催化剂活性降低。
催化剂对反应速率影响
催化剂降低活化能
催化剂通过提供新的反应路径，使反应 的活化能降低，从而加快反应速率。
VS
催化剂的选择性
不同的催化剂对同一反应可能具有不同的 选择性，即可能促进不同的反应步骤或生 成不同的产物。因此，选择合适的催化剂 对于优化反应过程至关重要。
冶金动力学条件
冶金动力学条件1. 嘿，你知道冶金动力学条件不？这就像一场精心编排的舞蹈，每个元素都得在合适的时间、合适的地点动起来。
比如说铁的冶炼，那些参与反应的物质就像舞者，温度、压力啥的就是指挥节奏的鼓点。
要是鼓点乱了，舞者就乱套啦，这冶金反应就进行不好。
2. 冶金动力学条件啊，这可不是什么高深莫测的魔法，虽然有时候看起来挺玄乎的。
你看啊，就像做饭一样，火候很重要吧。
在冶金里，温度就像火候，太高了可能烧焦，太低了又半生不熟。
像炼铜的时候，温度不合适，铜可能就不纯了，那可真让人糟心。
3. 哟呵，冶金动力学条件可有意思啦！这就好比一场足球比赛，反应物是球员，场地条件就相当于冶金的动力学条件。
如果场地坑坑洼洼的，球员能跑得顺畅吗？肯定不能啊。
就像在某些金属冶炼中，要是搅拌不均匀（这搅拌就类似场地的平整程度），反应就没法好好进行，这多让人着急啊。
4. 你想过冶金动力学条件像啥不？我觉得像一群小伙伴一起玩接力赛。
每个小伙伴传递接力棒的时候，都得在合适的时机，以合适的速度。
这反应物之间的接触、转化，就像接力棒的传递。
比如说炼铝，每一个环节的条件不合适，就像接力棒掉了，整个过程就乱套了，简直是太扫兴了。
5. 冶金动力学条件啊，简单来说就像盖房子的基础。
基础打不好，房子肯定盖不牢。
在冶金里，各种条件就如同这个基础。
拿炼钢来说，要是气体的扩散条件不好（这扩散就像是房子基础里的钢筋布局），那炼出来的钢质量就没法保证，这不是让人头疼嘛。
6. 我跟你讲哦，冶金动力学条件可重要啦。
它就像一个拼图，每一块都得严丝合缝。
你想啊，要是有一块拼图位置不对，整个图就不完整。
在冶金反应里，各个动力学因素就像拼图块，像锌的冶炼过程中，反应速率的控制要是出问题了，就像拼图乱了一块，结果就不理想，哎呀，真让人无奈。
7. 嘿，你能想象冶金动力学条件像一个交响乐团吗？各种乐器就如同不同的反应因素。
每个乐器都得在正确的时刻奏响正确的音符，这样才能演奏出美妙的音乐。
冶金动力学(1)-10解析
1-n=-0.98
n=1+0.98=1.982
为二级反应
对二级反应，B=1/k
lg 1 3.53 k
k 2.92104 kPa1 s1
化学反应动力学
§3复杂反应分析
由两个或两个以上基元反应组合而成的反应－复杂反应。
根据基元反应的质量作用定量，可推得复杂反应的速率方程。
3.1可逆反应 正向和逆向反应同时进行的反应称为可逆反应。
以最简单的一级可逆反应为例
k1
A
B
k1
t=0 CA0
CB0
t=t CA0-x
CB0＋x
正反应速率 r k1(CA0 x) 逆反应速率 r k1(CB0 x)
化学反应动力学
净速率
r
dCA dt
r
r
k1(CA0
x) k1(CB0
x)
k1CA0 k1CB0 (k1 k1)x
CB
CA0
k1 k1 k2
[1 e(k1k2 )t ]
CC
CA0
k2 k1 k2
[1 e(k1k2 )t ]
3.3串联反应
CB k1 CC k2
一个反应的产物成为另一个反应的反应物，继续反应而得最终产物， 这样连续的两个或两个以上的反应－串联反应。
Fe2O3的逐级还原：Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe
CA0 x
化学反应动力学
3.2平行反应
同样的反应物，同时进行着两个或更多个不同反应，生成不同的产 物－平行反应。
平行反应中，通常把其中速度较快的或产物较多的反应称为主反应， 其余的为副反应。
讨论最简单的平行反应
k1 B A
k2 C
t=0 CA0 CB0 = CC0 =0 t=t CA0-x CB CC
冶金物理化学-冶金动力学基础
①.边界层
当粘性流体沿固体壁面（如平板）流动时，在靠近壁面的流
体薄层内，产生很大的速度梯度。把靠近壁面的流体薄层称
为边界层（或速度边界层）。
粘滞阻力主要集中在边
界层内，边界层以外，
速度梯度为零，可视为
理想流体。
26
10.冶金动力学基础
②.有效边界层
为处理方便，将对流扩散 折算成稳态分子扩散。
率所决定，界面化学反应为限制环节。
1.综合控制； 2.反应过程中限制环节发生改变；
14
10.冶金动力学基础
15
10.冶金动力学基础
4 确定限制性环节的方法
(1)活化能法
基于温度对多相反应速率的影响来预测； 一般情况下，界面化学反应活化能大于150～400kJ/mol；气相中
组元的扩散活化能为4～13 kJ/mol；铁液中组元的扩散活化能为 17～85 kJ/mol；熔渣中组元的扩散活化能为170～ 400kJ/mol。
参与反应的各物质均处于同一个相内进行化 学反应。 ◆ 非均相反应 参与反应的各物质处于不同的相内进行化学 反应。
4
10.冶金动力学基础
§2 化学反应动力学基础
化学反应动力学：反应速率和反应机理。
以单位时间内反应物或生成物浓度的变化来表示。
如反应
A+B￫AB 的速率
JA
dCA dt
JB
dCB dt
反应界面，并在界面处发生化学反应，生成物要从界面处离开。
反应总速率取决于各个环节中最慢的 环节，这一环节称为限制环节。 首先必须找出反应的限制环节，然后 再导出动力学方程。
11
10.冶金动力学基础
3 限制性环节
以一级反应为例，设物质A由相的内部扩散到相界面处，并在界 面上发生化学反应，其速率：
冶金反应动力学(1)
冶金反应动力学(1)
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
2
所属范畴
冶金过程 动力学
3
定义与相关课程
化学反应动力学
均相内物质间
（均相）
反应机理与反应速度
Chemical kinetics
传输原理
物质（热量、动量、质量） 相内与相间传输
j Dc xx0
j
D
c'
(cs
cb)
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。
31
（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：
kd
D
c'
有
Jkd(cscb)
传质方程，kd ---传质系数，cm/s。 32
n = (-A)+(-B)
反应级数
13
（5）速率方程解析
不可逆反应： AB
dcA dt
k
cAn
14
不可逆反应: n = 0, 1, 2
零级
n0, [c]cc0 kt c0ck,t cc0kt
一级 二级
n1 , ln c]c c0 [kt ln c0/(c)k,t ln c/c ()ln c0/(c)kt
气-固间传质系数
Sh kd L D
Re uL
Sc
D
(舍伍德准数 :Sherwood) (雷诺准数 ：Reynolds）
(施密特准数 ：Schmidt)
33
Sh, Re, Sc的关系
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
2
所属范畴
冶金过程 动力学
3
定义与相关课程
化学反应动力学
均相内物质间
（均相）
反应机理与反应速度
Chemical kinetics
传输原理
物质（热量、动量、质量） 相内与相间传输
j Dc xx0
j
D
c'
(cs
cb)
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。
31
（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：
kd
D
c'
有
Jkd(cscb)
传质方程，kd ---传质系数，cm/s。 32
n = (-A)+(-B)
反应级数
13
（5）速率方程解析
不可逆反应： AB
dcA dt
k
cAn
14
不可逆反应: n = 0, 1, 2
零级
n0, [c]cc0 kt c0ck,t cc0kt
一级 二级
n1 , ln c]c c0 [kt ln c0/(c)k,t ln c/c ()ln c0/(c)kt
气-固间传质系数
Sh kd L D
Re uL
Sc
D
(舍伍德准数 :Sherwood) (雷诺准数 ：Reynolds）
(施密特准数 ：Schmidt)
33
Sh, Re, Sc的关系
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A半衰期
B半衰期
t1/ 2, A
1 k (CA0 CB0
)
ln(2
C A0 CB0)Fra bibliotekt1/ 2,B
1 k(CA0 CB0 )
ln(2
CB0 C A0
)
化学反应动力学
例题 已知25℃时，有过量盐酸存在下，乙酸甲脂的水解反应对乙酸 甲脂为一级：
CH3COOCH3 H2O H CH3OH CH 3COOH
事实上，化学反应一般多是由若干个简单步骤－基元反应组成的。
基元反应：如果反应物分子在相互作用或碰撞时一步就直接转化成产 物，则该反应称为－基元反应。
如反应物分子要经过两个或两个以上步骤才能转化为产物，则为非基 元反应。
H2+Cl2=2HCl
由以下几个步骤组成
化学反应动力学
Cl2 2Cl Cl + H2 HCl + H H + Cl2 HCl + Cl Cl + Cl Cl2
机理：反应开始生成的氧化铝膜非常致密和牢固
绪论
而有些反应，负值不大，但在室温下且能以相当快的速度进行，如
NO( g )
1 2
O2(
g
)
NO2( g )
G298K 34.9kJ / mol
说明：热力学自发性大，不代表速度也大
为全面了解一个反应，不但要重视其热力学“可能性”，也要重视 动力学的“可行性”。
目前冶金动力学研究的主要方向： •材料氧化过程动力学及其影响因素； •材料合成过程动力学；
绪论
•氧化物（球团）还原过程动力学； •冶金反应器中的混合、流动和传质。
化学反应动力学
§1 化学反应速率与浓度关系
1.1基元反应
一个化学反应方程式仅仅表示反应的初态和末态，即只表明反应的 原始物是什么，产物是什么以及反应的计量系数。至于反应的机理如 何，由反应物变为产物的过程中，要经过什么步骤，这从反应式是看 不出来的。
绪论
过程速率的影响，这部分内容又称为宏观动力学。
2.特定、现状
热力学：原理性理论，建立在热力学三大定律绝对定理基础上，经严 格数学逻辑性演绎得到的，它没有任何假设，其结论是不可违背的。 动力学：结构性理论，由于研究体系的复杂性、影响因素繁多，要引 入一些假设，其结论不十分严格。 在动力学中，我们会接触到各种各样的数学模型，它们都是建立在一 定的假设基础上的。
冶金动力学包括：微观动力学和宏观动力学
研究冶金动力学首先要了解化学反应动力学基础，如化学反应速率与浓 度的关系、与温度的关系等。这些内容称为化学反应动力学或称为微观 动力学。
另一方面，冶金过程速率还与传质速率有关，同时还受传热以及反应器 的形状、尺寸等因素的影响。冶金过程速率及机理的研究要求在化学反 应动力学基础上，研究流体的流动特性、传质和传热的特点等对
H2+Cl2=2HCl
非基元反应
以上每一步都是基元反应
1.2质量作用定律（反应速率与浓度关系定律）
在一定温度下，基元反应瞬时速率与各反应物瞬时浓度的若干次幂的 乘积成正比，浓度的方次等于化学反应式中相应物质的化学计量系数 －质量作用定律。
设有基元反应
aA + bB dD + eE
化学反应动力学
不考虑逆反应，反应速率可表示为：
0
CA CA0 kt
特征1
t
化学反应动力学
半衰期：反应物由初始浓度消耗一半时所需的时间。 t1/ 2
零级反应半衰期：
t1/ 2
C A0 2k
特征2
2）一级反应
A k B C
r
dCA dt
k CA
lnCA
ln CA ln CA0 kt
t1/ 2
ln 2 k
特征
t
化学反应动力学
3）二级反应
冶金过程动力学（Ⅰ）
绪论
1.冶金动力学研究的目的、意义和内容
冶金物理化学
冶金热力学
冶金动力学
冶金电化学
单独设课
冶金热力学：研究冶金反应的方向、限度和进行的可能性。
手段：利用体系始、末态的性质和状态函数的变化值，如 G(G )
特点：只重视过程变化的两端，而不涉及具体的途径。
绪论
在实际生产过程中，要提高生产率，对过程进行优化和动态控制，必 须解决：
速率
机理（具体步骤）
冶金动力学：研究冶金反应过程的速率和机理的学科分支
热力学
动力学
可能性
可行性
一个反应如在热力学上不可能，则不必进行动力学的可行性研究；
一个反应如在热力学上可能，还必须进行动力学的可行性研究：在什 么条件下能已可观的速度进行；机理如何；有哪些影响因素等。
绪论
一个反应在热力学上“可能”，动力学上不一定“可行”
1/k：化学反应的阻力。
r
kCAaCBb
C
C a b
AB
1/ k
推动力 阻力
化学反应动力学
质量作用定律只能用于基元反应。而实际发生的大部分反应为非基元 反应，或不能确定为基元反应，怎么办？
处理方法：外推法（借助质量作用定律的数学形式）
对一般反应 可写成通式
aA + bB gG
r kCA CB
r dCi
i dt
r dCA dCB dCD dCE adt bdt ddt edt
C: mol/m3 r: mol/m3•s
质量作用定律可表示为：
r CAaCBb
r
k
CAaC
b B
a、b:化学计量系数； k:化学反应速率常数
k物理意义：单位反应物浓度时的化学反应速率。
k与浓度无关；但是温度的函数。
、：由实验确定
化学反应级数：
n= ＋＋• • •
n=0:零级反应 n=1:一级反应 n=2:二级反应 n=分数:分数级反应
化学反应动力学
1.3冶金中常见的几种类型的化学反应速率公式
1）零级反应
A k B
t=0 CA0
t=t CA
r
dCA dt
kCA0
k
积分
CA
CA0
CA
CA0
dCA
t
kdt
分两种情况讨论
Ⅰ)
2A k B
1
CA
r
dCA dt
k CA2
1 1 kt
CA CA0
特征
t
1
t1/ 2 kCA0
化学反应动力学
Ⅱ) A B kC
t＝0 CA0 CB0
0
t=t CA0-x CB0-x x
r
dx dt
k CACB
k (C A0
x)(CB0
x)
1 ln (CA0 x)CB0 kt CA0 CB0 (CB0 x)CA0
H 2( g )
1 2 O2(g )
H 2O(g)
G298K 237 kJ / mol
C(金刚石) C(石墨)
G298K 2778 J / mol
从热力学看，上述两个反应在室温25C都有反应趋势， 实际上，两个反应的速度非常小，基本上观察不到。
Al(s) O2( g ) Al2O3(s)
G298K 0