冶金原理气固反应动力学
金属冶炼中的气固反应技术
直接还原法
总结词
直接还原法是一种将金属氧化物在高温下还原成金属的工艺，通常使用天然气或煤作为 还原剂。
详细描述
直接还原法通常在竖炉或反应罐中进行，将金属氧化物与还原剂（如天然气或煤）在高 温下反应，生成金属单质和氧化物气体。该方法适用于处理高品位铁矿石，同时具有较
低的能耗和污染排放。
金属热还原法
高能耗
传统气固反应技术通常需 要高温高压条件，导致能 耗较高。
ห้องสมุดไป่ตู้低效率
传统气固反应技术通常需 要较长时间才能达到反应 平衡，导致效率低下。
环境污染
传统气固反应技术会产生 大量废气、废水和固体废 弃物，对环境造成污染。
新型气固反应技术的研发
高效催化剂
环保型气固反应技术
通过研发高效催化剂，降低反应温度 和压力，提高反应速率和选择性。
气固反应的机理与动力学
总结词
气固反应的机理涉及到气体分子与固体表面原子或分子的相 互作用，包括吸附、扩散和化学反应等过程。动力学则描述 了反应速率和反应机理之间的关系。
详细描述
气固反应的机理通常包括表面吸附、化学键合和扩散等过程 。动力学则通过反应速率常数、活化能等参数来描述反应速 率与温度、压力等条件的关系。
新型气固反应技术在金属冶炼中的成功案例
总结词
新型气固反应技术在金属冶炼中成功应用， 实现了高效、环保的冶炼过程，为行业的技 术进步做出了贡献。
详细描述
近年来，随着科技的不断进步，新型气固反 应技术逐渐在金属冶炼领域得到应用。该技 术通过先进的工艺和设备，优化了反应过程 ，提高了金属的提取率和资源利用率。同时 ，该技术还具有环保、节能等优点，为行业
金属冶炼中的气固反 应技术
冶金原理气固反应动力学课件
1 / Fp
k 't
对单一致密球体在C0为常数的条件下，化学反应控制时，1-(1-R)1/3 与 t 成直线关系，直线通过原点。 反应的表观活化能E较大，为30~85kJ· mol-1 实例：白钨矿的苏打分解： CaWO4(s)+Na2CO3(aq) = CaCO3(s) + Na2WO4(aq)
（3）应用：
2 D2Co 2 t 1 R (1 R ) 2 r0 3
2 3
2 D2C0 a. t 2 r0
项↑，则R↑，故提高反应率的途径为：减
少原料粒度ro，加大溶液浓度，提高温度以加大扩散系数；
b. 求扩散活化能D2。
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
控制步骤：外扩散控制 内扩散控制 化学反应控制 任务：找出控制性步骤，有针对地性强化
方法：查明诸控制过程的规律性，与实际对照。
13.2 化学反应控制
1．动力学方程的推导： 设单一致密固体颗粒，表面各处化学活性相同，反应速率：
假设为球体：
微分可得：
dm v kAC n dt 4 3 2 m r A 4r 3
3．问题分析
(1)内扩散控制时的主要特征： 气（液）/固反应在固相为单一
球形的致密颗粒，反应剂浓度不变、反应前后颗粒直径不变的情况
2 下，当属内扩散控制，则 1 R (1 R ) 2 / 3 与反应时间t成直线 3
(5)气固催化反应宏观动力学精品PPT课件
制，ces/cb趋近于零，颗粒
外部效率因子也接近于零。
当Da准数愈来愈小时，极限
传质速率远大于极限反应速 率，过程逐渐变为反应控制，
ces/cb趋近于1，颗粒外部效
率因子也接近于1。
Da准数可作为颗粒外部传质 影响程度大小的判据。Da准
数愈大，外部传质过程影响 愈严重。
等温条件下的催化剂颗粒内部传质过程
催化剂颗粒通常是多孔结构 以增大它的内表面积。颗粒的内 表面积远大于其外表面，有时可 达104倍。因此，催化剂颗粒的 内表面是主要的反应表面。
对于气固催化反应，反应物 必需通过催化剂颗粒的内孔边向 内扩散，边进行化学反应；而反 应产物必须由里向外扩散至孔口， 然后进入气流主体。因此，内部 传质过程是传质和反应同时发生 并交互影响的过程。
k Cbn1 De
L VP SP
颗粒体积 颗粒外表面积
对球形颗粒 LVP
4 3
rP3
rP
与 的关系为 L
SP 4rP2 3 3L
内部效率因子
内部效率因子为颗粒实际反应速率与无内扩
散阻力时反应速率的比值，即
2
R
kC
n es
由于颗粒内部具有一定的浓度分布，使得催
化剂内部各处实际反应速率也各不相同，因而颗
( r A ) f(T i,sC i) s f(T b ,C b ) 在实际气固催化反应器中，由于存在热质传递，为
校正由Tb和cb代替Tis和cis计算反应速率而引起的差别，
必需引入校正因子，即反应速率效率因子：
(rA) f(T b,C b) 效率因子反映了内外扩散阻力的影响，若无内外扩 散阻力，则效率因子为1。
气固反应动力学模型
气固反应动力学模型
气固反应动力学模型主要描述了气体和固体之间的反应速率以及反应机制。
这种模型在冶金、化学工业、环保等领域都有广泛的应用。
在气固反应动力学中，我们通常需要考虑以下几个因素：
1. 气固反应的速率：这取决于气体和固体之间的相互作用力、反应物的表面结构、温度、压力等。
2. 反应机理：这包括反应的起始、中间和结束阶段，以及各个阶段的反应速率和产物。
3. 反应过程中的能量变化：这包括反应的热效应、激活能等。
气固反应动力学模型的应用可以帮助我们更好地理解和控制气固反应过程，从而优化反应条件和提高产物的质量和产量。
《气固相反应动力学》课件
目录
• 气固相反应动力学概述 • 气固相反应动力学的基本原理 • 气固相反应的动力学实验研究 • 气固相反应的动力学模拟研究 • 气固相反应动力学的应用研究 • 总结与展望
01
气固相反应动力学概述
定义与特点
定义
气固相反应动力学是研究气体与固体 物质之间反应速率和反应机制的学科 。
科学研究
气固相反应动力学是化学反应工 程和物理化学等领域的重要分支 ，对于深入理解反应机制和探索 新反应路径具有重要意义。
气固相反应动力学的发展历程
早期研究
早在19世纪，科学家就开始研究气固相反应，初期主要关注燃烧和氧 化等简单反应。
理论模型建立
随着实验技术的发展，20世纪初开始建立气固相反应的动力学模型， 如扩散控制模型和化学反应控制模型等。
工业粉尘治理
通过气固相反应技术对工业生产过程中产生的粉尘进行控制和处理 ，减少空气污染。
土壤修复
利用气固相反应技术对受污染的土壤进行修复，如通过化学氧化还原 反应降低土壤中的重金属含量。
在新材料研发中的应用
纳米材料制备
气固相反应技术可用于制备纳米材料，如纳米碳管、纳米氧化物 等，具有广泛的应用前景。
实验技术进步
20世纪中叶以后，实验技术的进步为气固相反应动力学研究提供了更 多手段，如激光诱导荧光、质谱仪等技术的应用。
当前研究热点
目前，气固相反应动力学的研究重点包括新型催化剂的设计与制备、 反应机理的深入研究以及计算机模拟在动力学研究中的应用等。
02
气固相反应动力学的基本 原理
化学反应动力学基础
跨学科合作
气固相反应动力学涉及多个学科领域，需要加强跨学科合 作，促进多学科交叉融合，共同推动气固相反应动力学的 发展。
高温冶金原理-冶金反应过程的动力学
1.0
C0 lnC0 t0.5 lnt0.5
2.0 0.6931 2.5 0.9163
5.0 1.6094 1 0
斜率＝-1＝－（n－1），n＝2
lnt 0.5
0.8
0.6
0.4
Y=A+B*X
Parameter Value Error
0.2
----------------------------------------------
研究冶金动力学的目的
在于了解反应在各种条件下组成环节及其速率 表达式；导出总反应的速率方程，确定反应过程限制 环节；讨论反应的机理以及各种因素对速率的影响； 以便选择合适的反应条件，控制反应的进行，达到强 化冶炼过程，缩短冶炼时间及提高反应器生产效率的 目的。
§ 4.1 化学反应的速率
一、化学反应速度式
计算硫在熔铁中的传质系数及边界层的厚度。
分析： ln w [ S ] w [ S ]e Ds t t
w [ S ]0 w [ S ]e L
L
作ln（w[S]-w[S]e)－t图，
斜率＝
L
解：计算ln（w[S]-w[S]e)
时间/min w[s]
w[s]-w[s]e ln(w[s]-w[s]e)
A
A A
未占据的面积分数：
1A
A
吸附平衡常数：
KA
A P A(1 A
)
A
K A PA 1 KAPA
吸附反应的速率正比于θA：
v
k A A
k A K A PA 1 KAPA
如发生溶解组分A吸附：
v kAK AaA 1 K Aa A
－朗格缪尔吸附等温式
当KPA或KaA>>1时，
《冶金热力学与动力学实验》
《冶金热力学与动力学实验》指导书实验一 、 碳的气化反应一．实验目的1．测定恒压下不同温度时反应的平衡常数。
2．了解在恒温恒压下反应达平衡时测定平衡常数的方法。
3．了解影响反应平衡的因素。
二．实验原理在高炉炼铁、鼓风炉炼铜、铅、锌以及煤气发生炉等生产实践中，固体碳的气化反应具有十分重要的意义。
其反应为：C ＋CO 2＝2CO该反应的自由度为F ＝2－2＋2＝2,即反应平衡时，气相成分取决于温度和系统的压力。
在一大气压时，该反应的平衡常数为：%)(%)(2222CO CO P P K CO CO P ==（1—1）由等压式知B RT H K P +∆-=303.2lg （1—2）式中ΔH 为反应热，R 为气体常数，T 为绝对温度，B 为常数。
三．实验装置如图2-3所示，由二氧化碳气瓶、气体净化系统、管式高温炉及控温仪表、气体分析仪器组成。
图1-3碳的汽化反应实验装置1.CO2气瓶2 流量计3.管式电阻炉4.铂铑热电偶5.温度控制器6. CO2传感器；7.计算机8实验台四．实验步骤1．按图装好仪器设备，将碳粒装入电炉内瓷管的高温带，塞上胶塞，用融化的石蜡密封好。
2．分段检查系统是否漏气，重新密封，直至不漏气为止。
3.通电升温接通电源，打开控温器电流为5A，逐步升到10～12 A。
在升温的同时；打开气瓶，以较大的气流（40ml／分）排出系统内的空气，排气5分钟后调流量为20ml／分，并保持此流量不变。
4.炉温在600℃恒温5分钟后，接通CO2气体传感器，计算机读数，记录CO2％含量。
5. 再按上述操作连续4点，700℃，800℃，900℃，1000℃。
分析反应平衡气体中CO2含量同上操作，再取该温度下反应平衡气体，记录CO2％含量。
7．实验完毕，恢复仪器原状，切断电源，关闭气体。
五．实验报告要求1.计算各温度下平衡气相成分，以体积百分数表示，取10次结果的平均值。
2.计算各温度下的平衡常数K p。
3.绘制平衡气相中一氧化碳与温反t的关系曲线。
冶金动力学5气固-气液相反应动力学
吸附速率： 脱附速率： 吸附平衡时，
ra ka pA(1A)2
rd
kd
2 A
ra rd
Kp
A 1 Kp
在低压时， A
p ；在高压时， (1 A )
1 p
双分子吸附
A ka A B ka B
A的吸附速率： A的脱附速率： A吸附平衡时， B吸附平衡时，
rA a
ka
r2 k2CO k2 CO2
整理得
r
k1k2 k1
pCO
k k 1 2k3 k1k2k3
pCO2
1
k1 k1
pCO
k3 k3
pCO2
上式就是还原反应得速度公式。
r
k2 ApCO源自pCO2 K1 ApCO BpCO2
讨论
如果系统中CO2的压力很小，则
r k2 ApCO 1 ApCO
C+O2=CO2
MO+CO=M+CO2
19
气-固相反应的特征
Ⅰ
反应气体传质
化学反应
Ⅱ
反应气体扩散
Ⅲ
生成气体传质
Ⅴ
气体边界层
生成气体扩散
Ⅳ
生成物层 反应界面
金属氧化过程： I - II - III 碳酸盐分解过程: III - IV – V 碳的燃烧过程： I - III – V 氧化物还原过程： I - II - III - IV - V
1
kdA 4r02
cA,b r0 ri
DeA 4r0ri
铁）和吸附态的CO2; 3. 吸附的CO2脱附。 上面这些步骤都是可逆反应。
实验表明，吸附和脱附的速度比较快，界面化学反应比较慢， 是整个反应的限制性环节。这一机理常称为LangmuirHinshewood机理。
气固相催化反应宏观动力学
气固相催化反应宏观动力学化学反应工程主要研究化学反应器的原理，研究物理因素对化学反应的影响，以研究反应动力学为主要内容，并据此进行工业反应器的设计及放大。
工业中，气固相催化反应十分常见，如SO 2催化氧化、H 2和CO 低压合成甲醇、由乙炔合成醋酸乙烯等，所以气固相催化反应的宏观动力学是教学重点。
但气固相催化反应宏观动力学这部分的知识较难理解，公式复杂，反应速率表达形式多，我们在教学过程中很难理解和掌握。
以下就这部分知识进行说明和分析。
反应动力学有本征动力学和宏观动力学之分。
在气固相催化反应中，反应发生在固体催化剂的内表面，完整的反应步骤有：反应物从气相主体扩散，穿过颗粒外气膜滞流层，达到颗粒外表面；反应物从颗粒外表面沿微孔向颗粒内表面扩散；反应物被催化剂颗粒内表面的活性中心吸附；被吸附的反应物在内表面上发生化学反应；产物由内表面上脱附；产物由微孔内向颗粒外表面扩散；产物由外表面穿过气膜层向气流主体扩散。
因此，完整的反应包含了颗粒外的气相扩散、颗粒内的气相扩散和表面催化反应过程。
而扩散现象的存在必然会对反应速率造成影响。
外扩散是纯传质的物理过程，内扩散与表面催化反应是同时进行的，所有又称“内扩散-反应过程”。
如仅研究表面反应过程，即排除内、外扩散影响下的催化剂表面与所接触的气体间的反应情况的动力学，则为本征动力学。
而将所有扩散影响考虑在内的情况，则为宏观动力学。
宏观反应速率不仅和化学反应本征反应速率有关，而且与过程的扩散速率有关。
如当外扩散为控制步骤时，反应的宏观速率就仅取决于传质扩散速率。
1、反应速率的表达及反应速率常数间的相互关系对气固相催化反应，反应速率的表达可以用体积反应速率、表面积反应速率或质量反应速率，即反应区可以用不同的基准，相应地化学反应速率常数的基准也有很多。
体积反应速率的表达为：dVdF r ii v±= (1)式中反应区体积可以指催化剂颗粒床层的堆体积，或者是床层中催化剂颗粒的体积。
气固相反应动力学-PPT课件
0 ' Ea Aexp g ka A f RgT RgT 令： 0 E ' ' ' d Aexp h kd k f RT R T g g
第四节
则有：
气固相催化反应本征动力学方程
0 E E a a A 0 E E d A d 0 0 Ea ，Ed ，，为常数
第四节
气固相催化反应本征动力学方程
将吸附和脱附活化能代入净吸附速率的表达式中： 0 0 E E ' ' a d A A r r r p f exp k f exp a d A A A A R T R T R T R T g g g g
在多孔催化剂上进行的气固相催化反应，由反应物在位于催化剂
内表面的活性位上的化学吸附、活化吸附态组分进行化学反应和 产物的脱附三个连串步骤组成，因此，气固相催化反应本征动力 学的基础是化学吸附。
第四节
下表。
类别
项目 吸附剂
气固相催化反应本征动力学方程
气体在固体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附。二者区别见
Langmuir理想吸附层等温方程
第四节
气固相催化反应本征动力学方程
如果气相中的组分A及B都同时被固体表面吸附，其表面覆盖度分 k p 1 别为θA，θB，则A组分的吸附速率为： r a aA A A B k aA 脱附速率为： r k b A d dA A * k dA k p * a A A A 吸附达平衡时，ra=rd，则有： b p A A 1 A k B dA
1 则： b0 p exp(fA) A ln( b0 p* A) f
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13.1 气（液）/固多相反应过程的机理（收缩核模型） 13.2 化学反应控制 13.3 内扩散控制 13.4 外扩散控制 13.5 混合控制 13.6 影响气（液）/固反应速率的因素 13.7 气（液）/固反应的强化
13.1 气（液）/固多相反应过程的机理（收缩核模型）
B
E D
13.2 化学反应控制
1．动力学方程的推导： 设单一致密固体颗粒，表面各处化学活性相同，反应速率：
假设为球体：
v dm kACn
dt
A 4r 2
m 4 r3
3
（式13-7） （式13-8）
微分可得：
dm 4r2 dr
dt
dt
（式13-9）
将式13-8、式13-9代入式13-7，并整理得： dr kCn dt
lnk
实例： Na2CO3(aq) + CaWO4(s) = Na2WO4(aq) + CaCO3(s)
E= 69.9kJ·mol-1
1/T×103/K-1
13.3 内扩散控制
1．模型
· Cs
E
· Cs
r1
A
aA(s) bB(g,l) eE(s) dD(g,l)
C0
r0 r
2
Co：反应剂的整体浓度 Cs：矿粒表面反应剂浓度 C’s：反应区反应剂浓度 内扩散控制时
1-(1-R)1/3 1-(1-R)1/3
０
t
t
（3）应用
a. 指明提高反应率的途径
1 (1 R)1/3 kC0n t
r0
式中 kC0n t 项↑则(1- R)1/3↓ R↑
r0
故 时间t↑、C0↑、r0↓、提高温度使k↑，都有利于提高R
b. 利用不同温度下k值求反应的表观活化能
根据Arrhenius公式: lnk E B RT
aA(s) bB(g,l) eE(s) dD(g,l)
A
步骤1：B(g,l)向E(s)表面扩散，外扩散； 步骤2：B(g,l)通过E(s)向反应界面的扩散，内扩散； 步骤3：B在反应界面上与A发生化学反应； 步骤4：生成物D通过E(s)向边界层扩散； 步骤5：生成物D通过边界层向外扩散，外扩散。 控制步骤：外扩散控制 内扩散控制 化学反应控制 任务：找出控制性步骤，有针对地性强化 方法：查明诸控制过程的规律性，与实际对照。
（式13-12b）
2．问题分析
（1）方程式 1 (1 R)1的/3 适用k '范t 围
任何真理都有其一定的适用范围 从推导过程的“假设”知其适用范围为:
反应固相为单一、致密球体，其各方向上的化学性质一致; 反应剂浓度C0保持不变。 对非球体：
1 (1 R)1/Fp k 't
三维尺寸不等时Fp 的取值介于 2和3之间
b. 求扩散活化能D2。
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
D2Co
t
1 2
r12
1 6
r02
1 3
r13 r0
根据（式13-11) r = r0(1-R)1/3
将r1，r0转化为反应分数R，得
（式13-18）
2D2Co
r02
t
1
2 3
R
(1
2
R)3
简化
kt 1 2 R (1 R)2/3
3
3．问题分析
(1)内扩散控制时的主要特征： 气（液）/固反应在固相为单一球
1 (1 R)1/Fp k 't
(2)化学反应控制的主要特征为：
对单一致密球体在C0为常数的条件下，化学反应控制时，1-(1-R)1/3 与 t 成直线关系，直线通过原点。 反应的表观活化能E较大，为30~85kJ·mol-1 实例：白钨矿的苏打分解：
CaWO4(s)+Na2CO3(aq) = CaCO3(s) + Na2WO4(aq)
形的致密颗粒，反应剂浓度不变、反应前后颗粒直径不变的情况下，
当属内扩散控制，则 直线通过原点。
1 2 R (1 R)与2/3反应时间t成直线关系， 3
表观活化能小,8~30kJ·mol-1
1-2/3R-(1-R)2/3
０
t
实例：黄铜矿的硫酸高铁浸出过程：
反应 2Fe2(SO4)3(aq) + CuFeS2(s) = CuSO4(aq) +5FeSO4(aq) + 2S(s)
Cs 0
2．方程式的推导
（1）简化条件：a. 致密单一、球形颗粒；b. 反应剂浓度C0不变； c. 反应过程中未反应核减小、产物层增大、但颗粒大小不变。
2．方程式的推导
（1）简化条件：a. 致密单一、球形颗粒；b. 反应剂浓度C0不变； c. 反应过程中未反应核减小、产物层增大、但颗粒大小不变。
设Ｃ为常数，Ｃ=Ｃ0积分，整理得：
r0
r
k C0n
t
（式13-10)
r0
r
k C0n
t（式13-10）来自通过几何运算求出r，r0与反应分数Ｒ的关系：
r r0 (1 R)1/3
（式13-11）
代入（式13-10）得：
1 (1 R)1/3 kC0n t
r0
（式13-12a）
合并常数 1 (1 R)1/3 k't
（2）推导过程思路：
对反应 aA(s) bB(g,l) eE(s) dD(g,l) 而言，由于内扩散控制
故：单位时间A的反应量 dm 单位时间B的扩散量 J
dt
dm dt
4r12
dr1 dt
根据菲克第一定律求出在Cs = C0时
J
4 D2
r0r1 r0 r1
C0
两式相等，解方程得
时间/h
R
R
（2）适用范围:
a. 致密单一、球形颗粒； b. 反应剂浓度C0不变； c. 反应过程中未反应核减小、产物层增大、但颗粒大小不变。
（3）应用：
2D2Co
r02
t
1
2 3
R
(1
2
R)3
a.
2D2C0
r 2
t
项↑，则R↑，故提高反应率的途径为：减
0
少原料粒度ro，加大溶液浓度，提高温度以加大扩散系数；