冶金原理动力学

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1、第四章动力学一、名词解释基元反应，化学反应过程的限制性环节，化学反应的级数，化学反应的速率常数，化学反应的活化能，反应过程的准稳态，准稳态过程，对流传质，过程的限制性环节，局部平衡，扩散传质，非稳态扩散二、填空1.冶金热力学研究冶金过程进行的和;冶金动力学是研究。化学反应速率常数与温度的关系式是，其关系式中参数由反应的机理来决定。2、基元反应是指。而反应的活化能是扌旨。3、温度对化学反应速率的影响可用公式来衡量。4、某一气相反应A(g):B(g)+C(g)，若用Ca、Cb、Cq表示反应过程中A(g)、B(g)、C(g)的浓度，则企等于，该反应的平衡常数dt用速率常数来表示为。ki5.某一气相(

2、可逆)反应A(g)二B(g)+C(g)，若用Ca、Cb、Cc表示k2A(g)、B(g)、C(g)在反应过程中的浓度，则妲等于，该反应dt的平衡常数与该反应的速率常数的关系为。k已知某一气相反应A(g)k；B(g)+C(g)在300K时，标准状态下ki=0.21s-1,k2=5X10-9s-1，贝U该反应的平衡常数为，反应的标准吉布斯自由能的变化值为(J),反应进行的方向为。.:Ak2已知某复合反应的反应历程为B，B+DJ，反应过程中A、B、DJ物质的浓度分别用Ca、CB、CD、Cj表示，则A物质的浓度随时间的变化率dCAdt)等于kik28已知某复合反应的反应历程为A二B,B+DJ，则A的浓度

3、随时间的变k丄dCa化率dt等于，D的浓度随时间的变化率空等于dt09、均相多组分体系中物质的传质分为扩散传质和对流传质，它们的区别是。还原气体CO在铁矿石中的迁移是传质，其特点是;熔渣中的硫在渣相内的迁移是传质。对气一固反应，化学反应的速率常数与温度的关系为，气体在固体内的扩散过程的扩散系数与温度的关系为，通常高温情况下，化学反应不会成为限制性环节，而扩散为限制性环节，那是因为。11.已知某一气相反应A(g)k2B(g)+C(g)右用Ca、Cb、Cc表示A(g)、B(g)、C(g)的浓度，弓空等于，该反应的平衡常数用速率常数来表示dt为。在298K时，ki=0.21s-1，k2=5X10-9

4、s-1，则该反应在298K时的平衡常数为，该反应的标准吉布斯自由能的变化为J。依据质量作用定律可表达出化学反应的速率方程，质量作用定律适用于反应的速率方程。已知某复合反应的反应历程为A：-B,若A、k2B的浓度分别用Ca和Cb表示，则B的浓度随时间的变化率唾为dt。13、一个基元反应的反应级数为二级时，其动力学特征为14、双膜理论适用于，钢液中的元素氧化反应过程可表示为：M+O=(MO)，若分析该反应的动力学机理，适用模型。15、反应FeO(s)CO二Fe(s)CO2为可逆反应，其=-2288024.26丁Jmol二，则1173K时反应的平衡常数K等于。若在该温度下，反应正向的速率常数为3.0

5、Of，逆反应的速率常数等于16、依据表面更新理论，传质系数的计算式为，依据边界层理论传质系数的计算式为o1117、若反应A-B的速率式为1二kt1，其中C0为A的初始浓度，Ca为CaC0反应t时刻A的浓度，则该反应的级数为级。若反应A-B的速率式为lnCa=-ktlnC。，其中C。为A的初始浓度，Ca为反应t时刻A的浓度，则该反应的级数为级。18、致密铁矿石被CO气体还原，其动力学机理服从反应模型，整个过程为个环节；通常认为在冶金高温过程中，化学反应环节不会成为整个过程的限制性环节，其依据是o19、反应FeO(s)+CO=Fe(s)+CC2为可逆反应，其G一-2288024.26TJmolu。

6、标准状态下，还原反应发生的最低温度是;1173K时反应的平衡常数K等于。若在该温度下，反应逆方向的速率常数为5.320匕，则正反应方向的速率常数等于s。20、体系中物质的迁移分为扩散传质和对流传质。还原气体CO在铁矿石中的迁移是传质；熔渣中的硫在液态渣相内的迁移是传质，其特点是。三、问答1、什么是浓度边界层？由边界层理论计算传质系数的基本思想是什么?2、表面更新理论计算传质系数的基本思想及传质系数的计算式。:号学：名姓：级班业专线订装I；3、某冶金反应为气一固反应，写出化学反应的速率常数与温度的关系和扩散系；数与温度的关系，说明其中每个符号的意义。并依此说明，通常情况下高温化;学反应不会成为限

7、制性环节而扩散成为限制性环节的原因。I；4.描述反应Mn+(FeO)=(MnO)+Fe的组成环节？；5.举例说明扩散传质与对流传质的区别。I；8、研究通过渣-铁反应去Mn反应Mn+(FeO)=(MnO)+Fe。丄(1)写出化学反应的离子方程式。线|(2)用哪一种动力学模型处理该过程较为合理？；(3)描述过程的组成环节。I；9、钢液中Mn的氧化反应为Mn+(FeO)=(MnO)+Fe。|(1)写出离子反应方程式。丨(2)从动力学角度分析其过程的组成环节。IEa10、阿累尼乌斯公式为k二ke市，依据此关系式讨论温度对化学反应速率的影|响。Ii11.co还原铁矿石过程的动力学方程为II；(C0；C平

8、)t-3-2R-3(1-R)23丄1-(1-R)13，式中各符号的意义：;rP6Dekr!气体的初始浓度C0，矿球的初始半径r。，反应t时刻矿球的半径r，反应气体的II:平衡浓度C平，产物层内气体的有效扩散系数De，设矿球的密度反应前后不变，密!已还原的矿球的量R为矿球的还原度(R=已还原的矿球的量)，k为化学反应的速率常数。丨矿球的原始量II;(1)写出矿球完全反应时间的表达式。i(2)若内扩散为限制性环节，其速率表示式如何？I；(3)反应是内扩散为限制性环节的特征是什么？IIIIi四、综合Ii1、针对用co还原铁矿石(近似认为铁矿石是致密固体)的反应，回答下列问题:(1) 用哪种动力学模型

9、处理较为合理，并描述过程的组成环节;若过程的速率式为：R心3一：6De2_2R_3(1_R)3Kk(1K)i1一(1R)3二(CoC平)t式中：R为还原度；B为气体在气相中的传质系数；ro为矿球的原始半径；De为内扩散系数；K为平衡常数；k+为正反应的速率常数；C0为还原气体的初始浓度；C平为反应平衡浓度；p为矿球的密度(假定反应前后矿球的密度不变)。问：若内扩散为限制性环节，过程速率式的形式如何？在此情况下，矿石完全反应的时间与矿粒半径的关系为何？影响反应过程速率的因素有哪些？2、(气体物质的化学反应AB(g)=A(g)+B(g)，为一级反应。已知在温度T=593K时该化学反应的速率常数k=

10、2.210占s。试求该化学反应进行2小时时反应物AB(g)的分解率(分解率R=已分解的AB浓度)AB初始浓度3、试导出铁矿石(近似为球形)为CO气体还原时，固相层内CO扩散单独成为限制环节的速率方程。并标明方程中各种符号的意义。碳酸钙为致密的固体物，在冶炼过程中加热分解反应为CaCO3(S)CaO(S)+CQ(g)(1) 分析过程的组成环节。2当界面反应的速率为u=4灯k十(1-Pg/K)，CO2在产物层内的传质速率4二DerrU2丙芦式中r、r0反应的某一时刻矿球的半径、矿球的原始半径，K、k界面P0化学反应的平衡常数、正反应速率常数，巴。2、PCo2反应界面CO2的分压、矿球表面CO2的分

11、压，De内扩散系数；T反应的温度，K；R为气体常数。求达到稳态时的速率方程的微分式。5、对于H2还原FeO的过程，采用一界面未反应核描述时，其速率的积分式为:P。r。T=c。一c平F6D：31-/k1K式中：r。为矿球的原始半径;订矿球的密度（假设反应过程不变）；Co还原气体的初始浓度；c平还原气体的平衡浓度；R为还原度（R=巴原的Fe0质量）；0为还原气体在气相中的传质系数；De为还原原始FeO的质量气体在固体产物层内的扩散系数；K为反应的平衡常数；k为反应的速率常数。（1）当过程处于化学反应的限制环节时，写出相应的速率积分式，计算完全反应所需的时间（表达式）。（2）当内扩散是限制环节时，写

12、出相应的速率积分式，计算完全反应所需的时间（表达式）。6.已知未反应核模型综合控制的速率方程为：21KDeCoK3De323-2R-3（1-R）31-（1-R）3r。：-6r0假定碳酸盐的离解反应可用未反应核模型来描述。今进行碳酸盐离解动力学实验，用不同半径碳酸盐球团试验时，其离解率为1时所对应的反应时间与碳酸盐球团原始半径成正比。试问碳酸盐离解的限制性环节是什么？为什么？7、CO还原铁矿石过程的动力学方程为（Co2C平）tJ3-2R-3（1-R）23丄1-（1-旳13，式中各符号的意义：r：6Dekr气体的初始浓度C，矿球的初始半径r，反应t时刻矿球的半径r，反应气体的平衡浓度C平，产物层内

13、气体的有效扩散系数De,设矿球的密度且反应前后不已还原的矿球量变，R为矿球的还原度R二矿球的初始量，k为化学反应的速率常数。（1）写出矿球完全反应的时间表达式。（2）若化学反应为限制性环节，其速率表示式如何？（3）反应以界面化学反应为限制性环节的特征是什么？8、铁矿石被CO还原的反应为：FeQs）+CO（g）=CO2（g）+Fe（s），界面反应的速率为:Vc=4二r远大于k和De时的速率方程；分析(1)的情况下，影响过程的主要因素。若限制性环节是氧化物的内扩散，则氧化物完全反应的时间与原始氧化物粒度的关系为何？10、用CO气体还原铁氧化物的动力学方程，可根据未反应核模型导出。其速率方程为：k(

14、CC平)，产物层内的扩散速率为:rrJ=4：De(0)(C-C)r一r式中r、r。一矿球的半径、矿球的原始半径，k界面化学反应的速率常数,C、Co、C平一反应界面浓度、气相浓度、反应平衡浓度，De-内扩散系数(1)求当界面反应和产物层内的扩散为限制环节时的速率方程。(2)设矿球的还原度r已还原的矿石量-矿石的初始量),那么用还原度R表示(1)的速率方程为何？(2) 讨论k?De时，过程的控制步骤是什么？其速率方程?9、某氧化物被还原的动力学速率式为：4Pr。tC。C平r。2(1-R)Kk(1K)(1-(1-R)1/3)-*2/3丄工丄.、工1/3CA一Ca,平式中r、ro和订一矿球的半径、矿球

15、的原始半径和密度，K、k界面化学反应的平衡常数、反应速率常数，C、Co反应界面还原气体的浓度、气相中还原气体的浓度，De内扩散系数，1气相的传质系数，R矿球的还原度已还原矿量初始矿量式中，R为铁矿石还原反应的转化率(或还原度)；r。为铁矿球的原始半径；r还原到某一时刻铁矿球的半径。1为还原气体在气体边界层内的传质系数。De为气体还原剂在多孔产物层中的有效扩散系数。K为还原反应的平衡常数。k为界面还原反应的正反应速率常数。cA和ca平分别为气体还原剂反应初始及平衡时物质的量。订为铁矿球的初始密度。请回答下列问题：（1）若矿石界面化学反应为限制环节，其速率方程为何？（2）矿石完全反应的时间与原始矿球半径的平方成正比，则过程的限制环节为何？为什么？（3）指出在（1）的情况下影响反应速率的因素。