冶金反應(yīng)工程學(xué)發(fā)展

冶金反應(yīng)工程彭志宏博士、教一反應(yīng)相同的反應(yīng)條件（溫度、壓力）相同的反應(yīng)器體積相同的反應(yīng)物料組成和濃度反應(yīng)結(jié)果（反應(yīng)速率、反應(yīng)進(jìn)度）是否相同？不同反應(yīng)器結(jié)構(gòu)不同的操作方式問題：影響冶金工業(yè)生產(chǎn)反應(yīng)結(jié)果（反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率）的主要因素有哪些？反應(yīng)本身特性：反應(yīng)熱力學(xué)、動力學(xué)反應(yīng)器的特性：質(zhì)量傳遞、混和狀態(tài)等冶金反應(yīng)工程的主要內(nèi)容主要內(nèi)容：宏觀反應(yīng)動力學(xué)和反應(yīng)器。宏觀反應(yīng)動力學(xué)：從工程應(yīng)用的角度闡明反應(yīng)速率與各項物理因素（溫度、濃度、壓力等）之間的關(guān)系。反應(yīng)器：在宏觀反應(yīng)動力學(xué)的基礎(chǔ)上，論述反應(yīng)器的設(shè)計和操作的優(yōu)化等問題。工業(yè)上影響反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率的主要因素：研究對象：工業(yè)生產(chǎn)中的反應(yīng)過程研究目的：工業(yè)生產(chǎn)中反應(yīng)過程的優(yōu)化優(yōu)化對象：工業(yè)反應(yīng)器的型式、結(jié)構(gòu)、操作方式、工藝條件等目標(biāo)函數(shù)：反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率、能量消耗、設(shè)備費用、運行費用等。主要研究內(nèi)容參考教材：《冶金反應(yīng)工程學(xué)基礎(chǔ)》，東北大學(xué)編，冶金工業(yè)出版社出版冶金學(xué)的發(fā)展冶金化學(xué)冶金反應(yīng)熱力學(xué)冶金反應(yīng)動力學(xué)宏觀反應(yīng)動力學(xué)冶金反應(yīng)工程學(xué)冶金系統(tǒng)工程化學(xué)熱力學(xué)傳輸現(xiàn)象化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)器系統(tǒng)工程一、緒論冶金反應(yīng)工程學(xué)

冶金反應(yīng)工程學(xué)是以研究和解析冶金反應(yīng)器和系統(tǒng)的操作過程為中心的新興工程學(xué)科，即研究冶金反應(yīng)工程問題的科學(xué)。應(yīng)用現(xiàn)代化學(xué)工程學(xué)、計算流體力學(xué)、傳輸理論等知識，利用數(shù)學(xué)解析方法和計算技術(shù)，來定量分析和解決冶金學(xué)理論和工藝方面的問題。冶金反應(yīng)工程學(xué)發(fā)展

冶金過程本質(zhì)上屬于化學(xué)過程。鞭巖把化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)的研究方法和手段應(yīng)用于冶金領(lǐng)域，72年首次提出了冶金反應(yīng)工程學(xué)名稱。

70年代末引入我國。反應(yīng)工程學(xué)的內(nèi)容和任務(wù)l

反應(yīng)器內(nèi)基本現(xiàn)象——研究反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)動力學(xué)的控制環(huán)節(jié)，以及流動、傳熱、傳質(zhì)等宏觀因素的特征和它們對反應(yīng)速率的影響；以獲得進(jìn)行工業(yè)反應(yīng)器的設(shè)計和操作所必需的動力學(xué)知識。

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反應(yīng)器的比例放大設(shè)計——依據(jù)宏觀動力學(xué)的規(guī)律，把實驗裝置科學(xué)地放大到工業(yè)規(guī)模，確定反應(yīng)器的形狀、大小和反應(yīng)物達(dá)到的轉(zhuǎn)化程度；

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過程最優(yōu)化——在給定的工藝和設(shè)備條件以及原料和產(chǎn)品條件下，確定最優(yōu)的操作條件，達(dá)到最好的生產(chǎn)目標(biāo)。為運用最優(yōu)化數(shù)學(xué)方法，把要達(dá)到的目標(biāo)用函數(shù)形式表達(dá)，成為目標(biāo)函數(shù)。

冶金反應(yīng)工程學(xué)和化學(xué)反應(yīng)工程學(xué)在基本內(nèi)容和方法上是一致的。但冶金過程有自己的特點：l

在高溫下進(jìn)行的冶金過程，由于高溫測試手段不完備，獲得信息困難且數(shù)量少；l

高溫下化學(xué)反應(yīng)速度快，傳質(zhì)是控制環(huán)節(jié)的較多，基本不涉及催化；l

所用原料成分復(fù)雜、種類繁多，雜質(zhì)往往比有用金屬高出許多倍，要考慮其它副反應(yīng)；l

冶金過程涉及的流體是礦漿、金屬熔體（渣），對這些流體性質(zhì)的了解比一般流體差；l

冶金產(chǎn)品不僅要求化學(xué)成分，而且還對組織結(jié)構(gòu)、偏析和夾雜物有要求；l

冶金爐的設(shè)計基本上依靠經(jīng)驗。

因此冶金反應(yīng)工程學(xué)主要用于解析冶金過程、優(yōu)化工藝操作和過程控制等

傳遞過過程研究冶冶金反反應(yīng)器器內(nèi)的的傳遞遞過程程規(guī)律律及對對反應(yīng)應(yīng)過程程的影影響。。涉及熱熱量、、動量量和質(zhì)質(zhì)量傳傳遞。。冶金宏宏觀動動力學(xué)學(xué)傳統(tǒng)化化學(xué)動動力學(xué)學(xué)以反反應(yīng)體體系均均勻分分散為為條件件，研研究純純化學(xué)學(xué)反應(yīng)應(yīng)的微微觀機(jī)機(jī)理、、步驟驟和速速度，，稱微微觀動動力學(xué)學(xué)。冶金反反應(yīng)工工程學(xué)學(xué)（實實際冶冶金反反應(yīng)過過程））中的的動力力學(xué)是是考慮慮了伴伴隨反反應(yīng)發(fā)發(fā)生的的各種種傳遞遞過程程的動動力學(xué)學(xué)。研究冶冶金反反應(yīng)器器內(nèi)的的傳遞遞過程程規(guī)律律及宏宏觀反反應(yīng)動動力學(xué)學(xué)，即即所謂謂三傳傳一反反，既既是冶冶金反反應(yīng)工工程學(xué)學(xué)的研研究范范疇，，又是是其最最重要要的理理論基基礎(chǔ)。。過程解解析冶金反反應(yīng)工工程學(xué)學(xué)的過過程解解析對對象主主要是是各類類冶金金反應(yīng)應(yīng)器，，其解解析方方法通通常是是在三三傳一一反研研究基基礎(chǔ)上上，對對反應(yīng)應(yīng)器內(nèi)內(nèi)發(fā)生生的各各種現(xiàn)現(xiàn)象和和子過過程及及其相相互關(guān)關(guān)系進(jìn)進(jìn)行綜綜合分分析，，運用用流動動、混混合及及分布布函數(shù)數(shù)的概概念，，在一一定的的合理理簡化化假定定條件件下，，通過過動量量、熱熱量和和物料料的衡衡算來來建立立反應(yīng)應(yīng)器操操作過過程數(shù)數(shù)學(xué)模模型，，然后后通過過求解解該數(shù)數(shù)學(xué)模模型，，對反反應(yīng)器器操作作過程程進(jìn)行行工程程學(xué)解解析，，獲得得不同同條件件下的的反應(yīng)應(yīng)器操操作特特性及及各過過程參參數(shù)變變化規(guī)規(guī)律，，尋求最佳佳操作參參數(shù)（反反應(yīng)器的的優(yōu)化操操作）和和確定合合理的反反應(yīng)器尺尺寸和結(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)（反應(yīng)應(yīng)器優(yōu)化化設(shè)計））。工業(yè)反應(yīng)應(yīng)器的放放大與設(shè)設(shè)計問題的提提出：在在造造船、筑筑壩等很很多領(lǐng)域域上相似似理論和和因次分分析為基基礎(chǔ)的相相似放大大法是非非常有效效的，但但相似放放大法在在化學(xué)反反應(yīng)器放放大方面面則無能能為力，，因為無無法使反反應(yīng)器同同時做到到擴(kuò)散、、流體力力學(xué)、熱熱和化學(xué)學(xué)相似。。目前使用用的化學(xué)學(xué)反應(yīng)器器放大法法有：(1)逐級經(jīng)驗驗放大法法（主要要靠經(jīng)驗驗）；(2)數(shù)學(xué)模型型法。可可以提高高放大倍倍數(shù)，縮縮短開發(fā)發(fā)周期；；(3)半經(jīng)驗放放大法；；采用逐級級放大法法費時費費力，但但采用數(shù)數(shù)學(xué)模型型放大法法時，往往往由于于缺乏對對過程的的深刻認(rèn)認(rèn)識而告告失敗。。目前實實際的反反應(yīng)器放放大介于于兩者之之間，既既有數(shù)學(xué)學(xué)模型放放大法的的理論分分析又加加入經(jīng)驗驗處理方方法。可可以預(yù)測測，隨著著人們對對反應(yīng)過過程基本本規(guī)律的的認(rèn)識不不斷加深深，數(shù)學(xué)學(xué)模型放放大法將將逐步取取代現(xiàn)有有的經(jīng)驗驗和半經(jīng)經(jīng)驗方法法，成為為反應(yīng)器器放大法法的主流流比例放大大根據(jù)小型型試驗裝裝置獲得得的數(shù)據(jù)據(jù)和結(jié)果果來設(shè)計計工業(yè)規(guī)規(guī)模反應(yīng)應(yīng)器。以相似原原理為基基礎(chǔ)的比比例放大大，適用用以物理理變化過過程為主主的單元元操作。。對于以以化學(xué)反反應(yīng)為中中心的反反應(yīng)器的的比例放放大，應(yīng)應(yīng)用相似似原理方方法很困困難。傳傳統(tǒng)的冶冶金反應(yīng)應(yīng)器設(shè)計計中通常常采用逐逐級放大大法。耗耗資耗時時。反應(yīng)工程程學(xué)的比比例放大大法是將將反應(yīng)器器內(nèi)部的的過程分分解為化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)和各類類傳遞等等子過程程，在分分別研究究其規(guī)律律的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，進(jìn)進(jìn)行合理理簡化，，使得能能用數(shù)學(xué)學(xué)方程來來描述各各個子過過程，而而反應(yīng)其其內(nèi)部發(fā)發(fā)生的行行為和結(jié)結(jié)果，可可以通過過聯(lián)立求求解這些些方程獲獲得。比例放大大步驟：：1.小型實驗驗研究化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)規(guī)律，，建立宏宏觀動力力學(xué)方程程，確定定其動力力學(xué)參數(shù)數(shù)；2.冷模型實實驗研究究傳遞過過程規(guī)律律，建立立傳遞過過程方程程，確定定各傳遞遞過程參參數(shù)；3.在1和2的基礎(chǔ)上上，建立立反應(yīng)器器操作過過程數(shù)學(xué)學(xué)模型，，求解，，預(yù)測實實際反應(yīng)應(yīng)器性能能，優(yōu)選選其尺寸寸和操作作條件；；4.在3結(jié)果指導(dǎo)導(dǎo)下，建建立中間間實驗反反應(yīng)器，，檢驗數(shù)數(shù)學(xué)模型型的等效效性，修修正模型型，確定定模型參參數(shù)；5.根據(jù)修正正后的數(shù)數(shù)學(xué)模型型，用計計算機(jī)設(shè)設(shè)計生產(chǎn)產(chǎn)規(guī)模的的反應(yīng)器器。反應(yīng)器設(shè)設(shè)計的基基本內(nèi)容容包括：：選擇合適適的反應(yīng)應(yīng)型式；；確定最佳佳操作條條件；；根據(jù)操作作負(fù)荷和和規(guī)定的的轉(zhuǎn)化程程度，確確定反應(yīng)應(yīng)器的體體積和尺尺寸；；要完成上上述任務(wù)務(wù)，需要要使用下下列三類類基本設(shè)設(shè)計方程程：物料衡算算式(描述濃度度變化)—連續(xù)性方方程能量衡算算式(描述溫度度變化)動量衡算算式(描述壓力力變化)這三個式式子是相相互耦聯(lián)聯(lián)的，需需要同時時求解。。冶金反應(yīng)應(yīng)工程學(xué)學(xué)的數(shù)學(xué)學(xué)模型冶金反應(yīng)應(yīng)工程學(xué)學(xué)的核心心是對冶冶金反應(yīng)應(yīng)器內(nèi)發(fā)發(fā)生的過過程進(jìn)行行定量的的工程學(xué)學(xué)解析。。因此，，無論是是在改進(jìn)進(jìn)和強(qiáng)化化反應(yīng)器器操作中中，尋找找最優(yōu)化化操作條條件，還還是在新新技術(shù)、、新流程程開發(fā)中中，指導(dǎo)導(dǎo)設(shè)計、、解決比比例放大大問題，，都必須須對所研研究的對對象進(jìn)行行定量描描述，即即用數(shù)學(xué)學(xué)公式來來描述各各類參數(shù)數(shù)之間的的關(guān)系，，這就是是數(shù)學(xué)模模型。流體流動動過程有有Navier-Stokes方程，傳傳熱過程程為Fourier定律，傳傳質(zhì)過程程為Fick定律，化化學(xué)反應(yīng)應(yīng)速率為為質(zhì)量作作用定律律。這些定律律都是微微分方程程式。冶金反應(yīng)應(yīng)工程學(xué)學(xué)中的數(shù)數(shù)學(xué)模型型一般包包括四部部分：1，反應(yīng)器器內(nèi)各主主要反應(yīng)應(yīng)的宏觀觀動力學(xué)學(xué)方程宏觀反應(yīng)應(yīng)動力學(xué)學(xué)方程經(jīng)經(jīng)常使用用綜合反反應(yīng)速度度式。均均相體系系可用一一般的化化學(xué)動力力學(xué)方法法描述；；對于冶冶金中常常見的各各類多相相反應(yīng)，，要根據(jù)據(jù)所選用用的反應(yīng)應(yīng)模型寫寫出相應(yīng)應(yīng)的綜合合反應(yīng)速速度式。。在建立反反應(yīng)工程程模型時時，應(yīng)該該排除對對實際反反應(yīng)過程程速度本本質(zhì)上幾幾乎沒有有影響的的子過程程，以便便獲得盡盡可能簡簡化的數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)達(dá)式；對對于綜合合反應(yīng)速速度式本本身的容容量因素素，應(yīng)根根據(jù)反應(yīng)應(yīng)體系特特征，可可以是單單位床層層體積、、單個顆顆粒、某某相的單單位體積積或單位位面積。。綜合反應(yīng)應(yīng)速度式式中的動動力學(xué)參參數(shù)，如如反應(yīng)速速度常數(shù)數(shù)、邊界界層傳質(zhì)質(zhì)系數(shù)和和多孔體體內(nèi)的擴(kuò)擴(kuò)散系數(shù)數(shù)等，在在沒有準(zhǔn)準(zhǔn)確的可可利用資資料時，，應(yīng)通過過小型使使用獲得得最基礎(chǔ)礎(chǔ)的資料料。2，反應(yīng)器器內(nèi)主要要傳遞過過程方程程包括質(zhì)量量、熱量量和動量量的傳遞遞。對于可以以看作等等溫過程程的數(shù)學(xué)學(xué)模型只只需要建建立傳質(zhì)質(zhì)和流動動過程的的數(shù)學(xué)表表達(dá)式；；對于非非等溫過過程，還還要有傳傳熱過程程方程。。傳遞過過程規(guī)律律及有關(guān)關(guān)參數(shù)一一般需要要通過實實驗求取取，其中中冷模型型實驗是是常利用用的手段段，也可可以借用用現(xiàn)有類類似生產(chǎn)產(chǎn)裝置或或文獻(xiàn)數(shù)數(shù)據(jù)。3，衡算方方程在建立數(shù)數(shù)學(xué)模型型時，常常需要對對整個體體系或其其中一部部分進(jìn)行行質(zhì)量、、能量、、動量的的平衡計計算。在在一定簡簡化假設(shè)設(shè)條件下下，就反反應(yīng)器內(nèi)內(nèi)某一代代表性單單元體積積（或整整個反應(yīng)應(yīng)器體積積）內(nèi)的的各相，，對所研研究的物物理量（（如質(zhì)量量、熱量量和動量量等）分分別列出出所有的的輸入速速度和輸輸出速度度。衡算的原原則是守守恒定律律，衡算算方程通通式為：：各輸入速速度總和和—各輸出速速度總和和—總消耗速速度=積累速度度質(zhì)量（物物料）和和熱量衡衡算方程程通式分分別為：：流入速度度-流出速度度-反應(yīng)消耗耗速度=積累速度度熱輸入速速度-熱輸出速速度+反應(yīng)放熱熱速度-熱損失速速度=蓄熱速度度4，方程中中的系數(shù)數(shù)必須確定定數(shù)學(xué)表表達(dá)方程程式中的的系數(shù)。。有兩類類（通稱稱為模型型參數(shù)））：一類是和和過程的的運動變變化密切切相關(guān)的的，如反反應(yīng)動力力學(xué)常數(shù)數(shù)、湍流流粘度系系數(shù)和傳傳質(zhì)傳熱熱系數(shù)等等，這些些系數(shù)往往往要和和傳遞過過程聯(lián)立立求解；；另一類為為介質(zhì)的的物理性性質(zhì)，如如密度、、粘度、、擴(kuò)散系系數(shù)和熱熱導(dǎo)率等等，需要要通過實實驗測定定。有些參數(shù)數(shù)可以從從文獻(xiàn)資資料中引引用，有有些（如如綜合反反應(yīng)速度度常數(shù)、、相間接接觸面積積和關(guān)鍵鍵的傳遞遞過程速速度系數(shù)數(shù)等）往往往須由由實驗求求取。冶金反應(yīng)應(yīng)器的分分類不同的冶冶金反應(yīng)應(yīng)和冶金金過程，，所實驗驗的反應(yīng)應(yīng)器種類類和結(jié)構(gòu)構(gòu)性能均均不同。。冶金反應(yīng)應(yīng)器的分分類及適適用單元元過程分類依據(jù)反應(yīng)器類別冶金反應(yīng)器實例適用冶金單元過程實例形狀管式槽式回轉(zhuǎn)窯，豎爐轉(zhuǎn)爐，精練鋼包焙燒,還原,燒成精練，吹煉操作方式間歇式連續(xù)式半間歇式轉(zhuǎn)爐，固定床豎爐移動床豎爐,回轉(zhuǎn)窯噴粉精練鋼包精練,吹煉,還原還原，燒成精煉物料流動狀態(tài)活塞流完全混合流非理想流動理想管式反應(yīng)器理想槽式反應(yīng)器流態(tài)化反應(yīng)器

還原，煤的氣化反應(yīng)體系相態(tài)均相氣固液固氣液液液固固氣液固氣體燃燒器氣固流化床，豎爐浸出槽，液固流化床轉(zhuǎn)爐，RH鋼包有機(jī)溶劑萃取器回轉(zhuǎn)窯閃速熔煉爐，燒結(jié)機(jī)煤的燃燒焙燒，還原，燒成浸出，熔化，凝固精練，吹煉萃取焙燒，還原，燒成還原，熔煉，燒結(jié)傳熱方式外部熱交換絕熱高爐爐缸缸，連鑄鑄結(jié)晶器器近似處理理的氧氣氣轉(zhuǎn)爐鑄造二、宏觀觀反應(yīng)動動力學(xué)微觀動力力學(xué)是以以反應(yīng)體體系均勻勻分散為為條件，，研究純純化學(xué)反反應(yīng)的微微觀機(jī)理理、步驟驟和速度度。宏觀動力力學(xué)的任任務(wù)就是是研究在在工業(yè)生生產(chǎn)條件件下過程程進(jìn)行的的速度，，除化學(xué)學(xué)反應(yīng)外外，還要要考慮到到其它的的物理過過程，即即傳質(zhì)過過程、傳傳熱過程程和動量量傳遞過過程。主要是應(yīng)應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)模型，，即對體體系的反反應(yīng)情況況加以簡簡化，使使其能用用一定的的數(shù)學(xué)式式表示反反應(yīng)速度度與其影影響因素素間的關(guān)關(guān)系。微觀動力力學(xué)主要要涉及到到均相反反應(yīng)，而而宏觀動動力學(xué)可可以是均均相，也也可以是是非均相相反應(yīng)。。多數(shù)冶冶金反應(yīng)應(yīng)發(fā)生在在不同相相的相間間，屬于于多相反反應(yīng),也有均相相反應(yīng)。。冶金相間間反應(yīng)的的分類和和實例界面類型反應(yīng)類型實例氣—固

S1+G=S2S1+G1=S2+G2S1=S2+GS1+G1=G2金屬的氧化氧化物氣體還原氧化物、碳（硫）酸鹽分解碳燃燒氣—液L1+G=L2L1+G1=L2+G2氣體吸收冰銅吹煉，吹氧煉銅液—液L1=L2

溶劑萃取，渣金反應(yīng)液—固L1+S=L2L1+S1=L2+S2溶劑浸出置換沉淀固—固S1+S2=S3+GS1+S2=S3+S4S1+S2=S3氧化物碳還原氧（鹵）化物金屬還原合金化，固體滲碳，金屬氧化物陶瓷化注：G—氣體；S—固體；L—液體相間反應(yīng)應(yīng)的研究究比均相相反應(yīng)要要復(fù)雜得得多。在在宏觀動動力學(xué)研研究中必必須考慮慮由此而而產(chǎn)生的的一下特特點：（1）分分步驟完完成由于反應(yīng)應(yīng)物分別別存在于于不同相相內(nèi)，各各相主體體中的反反應(yīng)物必必須不斷斷傳輸?shù)降椒磻?yīng)界界面，流流體反應(yīng)應(yīng)產(chǎn)物必必須適時時地離開開界面并并傳輸?shù)降街黧w中中去，反反應(yīng)才能能持續(xù)進(jìn)進(jìn)行，而而固體反反應(yīng)產(chǎn)物物則導(dǎo)致致反應(yīng)界界面移動動。因此此，過程程是分步步驟完成成的。一一般條件件下，阻阻力最大大的步驟驟將決定定過程總總速度，，為限制制環(huán)節(jié)，，或控制制步驟。。（2）界界面積和和幾何形形狀綜合反應(yīng)應(yīng)速度正正比于反反應(yīng)界面面積，固固體顆粒粒的幾何何形狀對對過程進(jìn)進(jìn)行速度度有重要要影響。。固體粉料料的流態(tài)態(tài)化、噴噴粉精練練、液體體霧化和和乳化及及氣體鼓鼓泡和噴噴射等都都是增大大相間反反應(yīng)界面面積，強(qiáng)強(qiáng)化過程程的重要要手段。。隨反應(yīng)的的進(jìn)行，，球形或圓圓柱顆粒粒的反應(yīng)界界面積不不斷減少少，而平板或圓圓盤狀固固體的反應(yīng)界界面積基基本不變變。（3）界界面的性性質(zhì)界面張力力、界面面吸附現(xiàn)現(xiàn)象、界界面潤濕濕性及界界面電化化學(xué)現(xiàn)象象等界（（表）面面現(xiàn)象對對相間反反應(yīng)進(jìn)行行的速度度有很大大影響。。(4)流體相的的流動速速度當(dāng)傳質(zhì)為為控制環(huán)環(huán)節(jié)時，，增大氣氣體流速速可提高高氣體—固體間反反應(yīng)過程程速度，，強(qiáng)化攪攪拌會使使液體—固體間反反應(yīng)速度度增大。。（5）相相比相間反應(yīng)應(yīng)中兩相相體積（（或質(zhì)量量）比稱稱為相比比。相比比不同可可使過程程中反應(yīng)應(yīng)物濃度度甚至溫溫度變化化不同，，從而對對過程速速度有明明顯影響響，甚至至改變過過程控制制步驟。。固—液比大的的體系，，反應(yīng)過過程中液液相反應(yīng)應(yīng)物濃度度顯著降降低，反反應(yīng)速度度也隨之之下降，，過程的的控制環(huán)環(huán)節(jié)可能能由化學(xué)學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為擴(kuò)擴(kuò)散步驟驟；固—液比小時時，液相相反應(yīng)物物濃度變變化較小小，過程程中反應(yīng)應(yīng)速度變變化不大大。(6)固體產(chǎn)物性質(zhì)質(zhì)對于有固體產(chǎn)產(chǎn)物在反應(yīng)物物表面形成并并生長的反應(yīng)應(yīng)，固體產(chǎn)物層的的擴(kuò)散阻力隨隨著產(chǎn)物層致致密程度和厚厚度的增加而而增大。如果固體產(chǎn)物物層很疏松，，則流體反應(yīng)應(yīng)物能擴(kuò)散通通過該產(chǎn)物層層到達(dá)反應(yīng)界界面，使反應(yīng)應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)進(jìn)行；當(dāng)產(chǎn)物層非常常致密時，過過程速度大幅幅度降低，甚甚至導(dǎo)致反應(yīng)應(yīng)不能持續(xù)進(jìn)進(jìn)行。（7）

溫度的的影響傳質(zhì)和化學(xué)反反應(yīng)速度均隨隨溫度提高而而增加，溫度度對前者的影影響比后者小小得多。對于于通常的化學(xué)學(xué)反應(yīng)，其速速度常數(shù)與溫溫度的關(guān)系遵遵循Arrenius定律，其活化化能大于40kj/mol。對于流體與與固體間反應(yīng)應(yīng)：為化學(xué)反應(yīng)控控制時，活化化能應(yīng)大于40kj/mol；傳質(zhì)為控制步步驟時，活化化能一般為4～13kj/mol；為混合控制時時，活化能為為20～25kj/mol。同一反應(yīng)有可可能在低溫下下是化學(xué)反應(yīng)應(yīng)控制，隨著著溫度的升高高，轉(zhuǎn)化為混混合控制，并并在更高溫度度下，擴(kuò)散傳傳質(zhì)成為限制制環(huán)節(jié)?；瘜W(xué)反應(yīng)速率率反應(yīng)速率與濃濃度的關(guān)系反應(yīng)速率與溫溫度的關(guān)系2.1化學(xué)反應(yīng)過程程的速率反應(yīng)速率的定定義及表示方方法單位時間單位位體積反應(yīng)層層中某組分的的反應(yīng)量或生生成量。反應(yīng)速率與濃濃度的關(guān)系對于恒容反應(yīng)：dV/dt=0－rA＝－dCA/dt(11.3.19)反應(yīng)速率常數(shù)數(shù)k與溫度的關(guān)系系1/TlnKEa大Ea小1/TlnKcdk的大小與溫度度和催化劑等等有關(guān)，與反反應(yīng)物濃度無無關(guān)反應(yīng)速率方程程與反應(yīng)級數(shù)數(shù)r＝k(T)f(CA，CB，CP)r＝k(T)g(xA，xB)－rA＝kCAaCBb注意點反應(yīng)級數(shù)不能能獨立地預(yù)示示反應(yīng)速率的的大小，只表表明反應(yīng)速率率對濃度變化化的敏感程度度。反應(yīng)級數(shù)是反應(yīng)級數(shù)可以是整數(shù)，也可以是分?jǐn)?shù)和負(fù)數(shù)。但在一般情況下反應(yīng)級數(shù)為正值且小于3。反應(yīng)級數(shù)會隨實驗條件的變化而變化。為什么？

質(zhì)量作用定律律?只有基元反應(yīng)應(yīng)才服從質(zhì)量量作用定律：：在定溫下，，基元反應(yīng)的的速率與所有有反應(yīng)物濃度度的乘積成正正比，各物質(zhì)質(zhì)濃度的方次次等于反應(yīng)式式中相應(yīng)物質(zhì)質(zhì)的化學(xué)計量量數(shù)，如：A→產(chǎn)物r＝k[A]；A＋B→產(chǎn)物r＝k[A][B]；冶金反應(yīng)按相相分類表均相反應(yīng)氣氣相相反應(yīng)2SO2+O2=2SO3液相反應(yīng)2CuS(l)=Cu2S(l)+1/2S2(l)氣—固相反應(yīng)Fe3O4(s)+H2(g)=3FeO(s)+H2O(g)液—固相反應(yīng)AlOOH(s)+NaOH(l)=NaAlO2(l)+H2O(l)非均相反應(yīng)氣氣—液相反應(yīng)［［C］(l)+1/2O2(g)=CO(g)液—液相反應(yīng)［［Mn］(l)+(FeO)(l)=(MnO)(l)+Fe(l)固—固相反應(yīng)W(s)+C(s)=WC(s)2.2均相反應(yīng)動力力學(xué)均相反應(yīng)指氣氣相或單一液液相中發(fā)生的的反應(yīng)，通常常液相中的反反應(yīng)可認(rèn)為是是恒容反應(yīng)，，氣相反應(yīng)因因受壓力變化化的影響，可可分為恒容和和恒壓兩種情情況。求出濃度、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化率隨時間間的變化式（（反應(yīng)速率方方程的積分形形式）核心微分形式的速速率方程各組分間的計計量及平衡關(guān)關(guān)系反應(yīng)條件（溫溫度、壓力、、體積）掌握不同類型型反應(yīng)的特征征均相反應(yīng)動力力學(xué)等溫恒容反應(yīng)應(yīng)的速率方程程l單一反應(yīng)速率率方程式不可逆單一反反應(yīng)表達(dá)式：：AR若為一級反應(yīng)應(yīng)，則：單組分反應(yīng)－dcA/dt＝kcAn＝kcA0n(1－xA)n（n不等于1）kt＝ln(cA0/cA)=lncA0－lncA

（n等于1）(1)零級反應(yīng)(n=0)cA=cA0－kt反應(yīng)速率與反反應(yīng)物的濃度度無關(guān)。半衰期為t1/2=cA0/(2k)，即與初始濃度度成正比。在生物化學(xué)以以及微生物反反應(yīng)中，當(dāng)基基質(zhì)濃度足夠夠高時往往屬屬于零級反應(yīng)應(yīng)。零級反應(yīng)的特特點Ct(2)一級反應(yīng)(n＝1)cA＝cA0e－kt反應(yīng)物濃度與與反應(yīng)時間成成指數(shù)關(guān)系，，只有t→∞時，反應(yīng)物濃濃度才趨近于于零。反應(yīng)物濃度的的對數(shù)與反應(yīng)應(yīng)時間成直線線關(guān)系，以lnk對t作圖可得一直直線，其斜率率為k。半衰期與k成反比，與反反應(yīng)物的初始始濃度無關(guān)。。一級反應(yīng)的特特點－ktCtlncA(3)二級反反應(yīng)(n＝2)反應(yīng)物物濃度度的倒倒數(shù)與與反應(yīng)應(yīng)時間間成直直線關(guān)關(guān)系，，直線線的斜斜率為為k。達(dá)到到一一定定的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化率率所所需需的的時時間間與與反反應(yīng)應(yīng)物物初初始始濃濃度度有有關(guān)關(guān)，，反反應(yīng)應(yīng)物物的的初初始始濃濃度度越越大大，，達(dá)達(dá)到到一一定定的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化率率所所需需的的時時間間越越短短。。半衰衰期期與與k和CA0的積積成成反反比比二級級反反應(yīng)應(yīng)的的特特點點kttC等溫溫恒恒容容反反應(yīng)應(yīng)的的速速率率方方程程l連串串反反應(yīng)應(yīng)速速率率方方程程式式許多多水水解解反反應(yīng)應(yīng)、、鹵鹵化化反反應(yīng)應(yīng)、、氧氧化化反反應(yīng)應(yīng)都都是是連連串串反反應(yīng)應(yīng)。。例：：閃閃速速熔熔煉煉過過程程中中ZnS+1.5O2=ZnO+SO22ZnO+ZnS=3Zn+SO2連串串反反應(yīng)應(yīng)的的形形式式為為：：一級級串串聯(lián)聯(lián)反反應(yīng)應(yīng)A→P→QCQCPCAtCCA0在恒恒溫溫恒恒容容條條件件下下有有：：等溫溫恒恒容容反反應(yīng)應(yīng)的的速速率率方方程程l平行行反反應(yīng)應(yīng)速速率率方方程程式式許多多分分解解反反應(yīng)應(yīng)、、取取代代反反應(yīng)應(yīng)、、加加成成反反應(yīng)應(yīng)都都是是平平行行反反應(yīng)應(yīng)。。例：：冰冰銅銅熔熔煉煉造造渣渣過過程程FeS+1.5O2=FeO+SO23FeS+5O2=Fe3O4+3SO2以一一級級反反應(yīng)應(yīng)為為例例：：平行行反反應(yīng)應(yīng)A→αPP；A→αQQCPCQtCCA0CA同時時存存在在2個以以上上反反應(yīng)應(yīng)的的復(fù)復(fù)合合反反應(yīng)應(yīng)，，將將同同時時產(chǎn)產(chǎn)生生多多種種產(chǎn)產(chǎn)物物。。產(chǎn)物物P:產(chǎn)物物Q:等溫溫恒恒容容反反應(yīng)應(yīng)的的速速率率方方程程l可逆逆反反應(yīng)應(yīng)速速率率方方程程式式化學(xué)學(xué)平平衡衡常常數(shù)數(shù)大大的的反反應(yīng)應(yīng)可可忽忽略略逆逆反反應(yīng)應(yīng)。。當(dāng)當(dāng)逆逆反反應(yīng)應(yīng)不不可可忽忽略略時時，，需需要要研研究究可可逆逆反反應(yīng)應(yīng)的的速速率率問問題題。。正逆逆反反應(yīng)應(yīng)均均為為一一級級的的反反應(yīng)應(yīng)：：ARk1k2可逆逆單單一一反反應(yīng)應(yīng)APPAtCCPeCAe在恒溫恒恒容條件件下有：：-dCA/dt＝k1CA-動力學(xué)的的任務(wù)是是研究反反應(yīng)速率率過程的的影響因因素，確確定反應(yīng)應(yīng)級數(shù)、、反應(yīng)速速率常數(shù)數(shù)，并建建立適當(dāng)當(dāng)?shù)膭恿αW(xué)方程程。動力學(xué)方方程中的的各項參參數(shù)只能能通過實實驗來確確定。均相反應(yīng)應(yīng)速率方方程參數(shù)數(shù)的確定定實驗測定定方法實驗方法法：間歇歇實驗和和連續(xù)實實驗先在固定定溫度下下確定反反應(yīng)速率率與濃度度的關(guān)系系，求出出級數(shù)；；在不同溫溫度下求求出速率率常數(shù)與與溫度的的關(guān)系。。簡單反應(yīng)應(yīng)的解析析方法根據(jù)實驗驗數(shù)據(jù)求求速率方方程式的的方法有有：積分法微分法積分法積分法適適用于間間歇實驗驗。首先假設(shè)設(shè)反應(yīng)的的級數(shù)與與速率方方程，然然后在一一定溫度度下測定定反應(yīng)物物濃度的的變化與與時間的的對應(yīng)關(guān)關(guān)系，作作圖，比比較，實實驗結(jié)果果與假設(shè)設(shè)相符即即說明假假設(shè)正確確，否則則要重新新假設(shè)。。微分法通過實驗驗測得時時間與濃濃度的關(guān)關(guān)系，作作圖得CA-t曲線。由由理論解解析可得得到反應(yīng)應(yīng)積分法的的應(yīng)用。。當(dāng)反應(yīng)應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率率達(dá)到xA=0.5時，對應(yīng)應(yīng)的時間間為半衰衰期，用用t1/2表示。半衰期法法由表可見見，t?與初始濃濃度有關(guān)關(guān)。當(dāng)1級反應(yīng)時時，CA=0.5CA0，則t′1/2=1/k*ln2為常數(shù)，，如改變變初始濃濃度CA0，以t?與CA0作圖應(yīng)為為一平線線，t′1/2不隨CA0變化而變變化。而而其它各各級反應(yīng)應(yīng)，當(dāng)n>1時為一直直線，斜斜率為負(fù)負(fù)值；n<1時為斜率率為正值值的直線線。復(fù)雜反應(yīng)應(yīng)的解析析方法兩個以上上的反應(yīng)應(yīng)同時發(fā)發(fā)生。兩個以上上的速率率方程表表示，聯(lián)聯(lián)立方程程組難于于積分。。微分法反應(yīng)速率率常數(shù)k與溫度的的關(guān)系1/TlnKEa大Ea小1/TlnKcdk的大小與與溫度和和催化劑劑等有關(guān)關(guān)，與反反應(yīng)物濃濃度無關(guān)關(guān)2.3非均均相相反反應(yīng)應(yīng)動動力力學(xué)學(xué)?氣—固反反應(yīng)應(yīng)動動力力學(xué)學(xué)?液—固反反應(yīng)應(yīng)動動力力學(xué)學(xué)?固—固反反應(yīng)應(yīng)動動力力學(xué)學(xué)