兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散

1、17.3 兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散1氣固兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散氣固兩相反應(yīng)典型過程：鐵礦石還原。 氣體還原劑通過氣膜向氣固界面擴(kuò)散 氣體還原劑及反應(yīng)生成物氣體在反應(yīng)生成物固體中的擴(kuò)散 在固態(tài)氧化物和固態(tài)還原物界面上的化學(xué)反應(yīng) 兩相：氣固、氣液兩相。17.3 兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散氣體還原劑：氣相中的濃度cf界面上的濃度cw固相中的濃度ci單位時間內(nèi)氣體還原劑通過氣膜向氣固界面的傳質(zhì)量分分 析析（1）未考慮界面化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定傳質(zhì)過程)(42wfgwgcckrNmol/s式中式中 17.3 兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散kg為氣體還原劑的傳質(zhì)系數(shù)，m/s。氣體還原劑通過還原產(chǎn)物固體層

2、的擴(kuò)散傳質(zhì)量drdcrDNeffs24式中式中 Deff為氣體還原劑于還原固體產(chǎn)物中的有效擴(kuò)散系數(shù)；r為固體層內(nèi)半徑。穩(wěn)定傳質(zhì)過程 wiwirreffsccrdrDNdc24wiwieffsiwrrrrDNcc4)(4wiiwwieffsccrrrrDN積分 17.3 兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散Ng=Ns=NeffwiiwgwifDrrrrkrccN21)(4mol/s穩(wěn)定傳質(zhì)過程氣固相間的傳質(zhì)量式中式中ci實際上就是與反應(yīng)的氣體產(chǎn)物相平衡的平衡濃度，即 平cci17.3 兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散（2）考慮界面化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定傳質(zhì)過程當(dāng)在固相化學(xué)反應(yīng)界面上（r=ri），進(jìn)行等分子數(shù)

3、可逆反應(yīng)時，其反應(yīng)的傳質(zhì)速率為iiiicckrckrN2244平平cckkK式中式中 ci， 分別為氣體還原劑及氣體還原產(chǎn)物濃度； icK為反應(yīng)平衡常數(shù)； k+，k為正逆反應(yīng)速度常數(shù)； ， 為反應(yīng)平衡時，氣體還原劑及氣體還原產(chǎn)物的濃度。 平c平c17.3 兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散對于等分子數(shù)反應(yīng)，在反應(yīng)中總濃度不變，有平平cccciiiicKcc)1 (平iiiicckrckrN2244)(1414414422222平平平）（）（ccKKkrcKcKkrckrcKckrckrNiiiiiiiiiic穩(wěn)定傳質(zhì)過程穩(wěn)定傳質(zhì)過程 NNNNcsg鐵礦石還原過程的綜合傳質(zhì)量)()1 ()(142

4、2平ccKkKrrDrrrrkrNfiweffiiwwgw17.3 兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散2氣液兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散金屬液的吸氣與排氣大致包括氣相中的傳質(zhì)、液相中的傳質(zhì)、界面化學(xué)反應(yīng)、新相（氣泡）生成等四個過程 （1）液相傳質(zhì)控制液膜控制傳質(zhì)的特點是無化學(xué)反應(yīng)阻力和氣膜傳質(zhì)阻力，氣體吸收速率為)cc(Ak)cc(ADNiLi液液17.3 兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散（2）氣相傳質(zhì)控制氣膜控制傳質(zhì)的特點是無化學(xué)反應(yīng)阻力和液膜傳質(zhì)阻力，氣體吸收速率為)pp(Ak)pp(ADNG平平氣氣（3）兩相傳質(zhì)控制兩相控制傳質(zhì)的特點是有液膜傳質(zhì)阻力和氣膜傳質(zhì)阻力，無化學(xué)反應(yīng)阻力，其傳質(zhì)阻力系數(shù)為LG

5、kmkk111)(ccAkNi則 17.3 兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散（4）混合控制混合控制傳質(zhì)的特點是既有液膜傳質(zhì)阻力和氣膜傳質(zhì)阻力，又有化學(xué)反應(yīng)阻力，其傳質(zhì)阻力系數(shù)為kkmkkLG1111k+為正化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù) 式中式中 一般鐵液或鋼水吸氣都屬擴(kuò)散控制。17.3 兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散兩相反應(yīng)中的擴(kuò)散17.4 多孔材料中的擴(kuò)散多孔材料中的擴(kuò)散擴(kuò)散分類擴(kuò)散分類 分子擴(kuò)散 克努森擴(kuò)散 表面擴(kuò)散 擴(kuò)散機(jī)理 當(dāng)多孔介質(zhì)的微孔直徑d遠(yuǎn)大于氣體分子的平均自由程 時（ ），主要發(fā)生分子間的碰撞，氣體遷移以普通分子擴(kuò)散為主。l100/1/dl 利用一般的擴(kuò)散定律，多孔介質(zhì)每單位面積上的氣體擴(kuò)散速率為（1

6、）分子擴(kuò)散特點：特點： 定義：定義： lppDNAAeffAA21,有效擴(kuò)散系數(shù)AeffADD,迷宮系數(shù)與材料大小、粒度分布及小孔結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)，由實驗確定。不固結(jié)的粒料， 對于壓實材料， 0 . 25 . 18717.4 多孔材料中的擴(kuò)散多孔材料中的擴(kuò)散 當(dāng)氣體分子平均自由程 遠(yuǎn)大于介質(zhì)的孔徑d時（ ），氣體分子與孔壁碰撞的幾率超過氣體分子彼此碰撞的幾率，這種擴(kuò)散稱為克努森擴(kuò)散。l10/1/dl（2）克努森（Knudsen）擴(kuò)散定義：定義： 特點：特點： 由氣體分子運動學(xué)說，克努森有效擴(kuò)散系數(shù)為 keffkDD,210 .97AkMTrDMA為組分A的相對分子質(zhì)量；T為熱力學(xué)溫度，K； r為平

7、均孔隙半徑，m。17.4 多孔材料中的擴(kuò)散多孔材料中的擴(kuò)散 除非有大量分子被吸附，否則這種表面擴(kuò)散對介質(zhì)內(nèi)部擴(kuò)散的影響是很小的，如在高溫下可以忽略。 氣體分子在多孔介質(zhì)中不僅能沿著微孔通道擴(kuò)散，而且在孔壁形成吸附表面層，氣體在孔壁表面層具有濃度梯度，因此使吸附分子沿著孔壁表面擴(kuò)散。（3）表面擴(kuò)散定義：定義： 特點：特點： 17.4 多孔材料中的擴(kuò)散多孔材料中的擴(kuò)散擴(kuò)散類型的判別比較擴(kuò)散系數(shù)DA與Dk的大小比較微孔直徑d與氣體平均自由行程 lAkDD 分子擴(kuò)散為主 AkDD 克努森擴(kuò)散為主 AkDD 分子擴(kuò)散和克努森擴(kuò)散均不能忽略 100/1/dl10/1/dl分子擴(kuò)散為主 克努森擴(kuò)散為主 兩者之間，分子擴(kuò)散和克努森擴(kuò)散均不能忽略 17.4 多孔材料中的擴(kuò)散多孔材料中的擴(kuò)散本章小結(jié)本章小結(jié) 基本要求：掌握平壁及圓筒壁擴(kuò)散傳質(zhì)方程的應(yīng)用，傳質(zhì)傅里葉數(shù)與傳質(zhì)畢渥數(shù)的物理意義；會查圖計算各種邊界條件下