气体-液体间的反应.docx

冶金反应工程学气体一液体间的反应梁小平重庆大学材料科学与工程学院气液反应研究的重要性 火法钢铁冶金炼钢转炉的碳氧反应、RH、VOD及各种二次精炼过程 有色金属冶金铜转炉吹炼冰铜,粗铅的空气精炼 湿法冶金用还原气体还原沉淀金属，铜电解液的空气净化除铁 冶金环保废气的淋洗塔和填料吸收塔处理气一液反应的分类气液反应的分类 气液两相的接触方式气液两相移动接触/气相分散通过液相，如：气泡、泡沫和射流/液相分散通过气相，如：喷淋或雾化A气液两相持续接触气一液反应的分类气液反应的分类 根据反应产物进行分类没有化合物生成的反应有化合物生成的反应仁】+仙6)OCO3FeW)或(Feo)23.1气泡与液体间反应3.1.1气泡的形成形核方式溶液过饱和产生气相核心，长大形成气泡/均相成核 均质系统处于高度的过饱和状态/非均相成核 气泡是在与熔体接触的表面上形成 冶金熔体中的产生的气泡都是非均相成核 形核点一一耐火材料炉底和炉衬上未被液态金属填满的微孔、裂纹或缺陷内存在的气体都有可能成为气泡的形核点浸没在液相中喷嘴喷吹气体产生气泡非均相成核-形核过程A假设：一个盛装熔体的容器，水平表面上有许多细小的空穴，空穴底部有少量气体微小气泡内的压强PrGPa-气泡表面处液体的压强。一表面张力一曲率半径当过饱和的压强超过P,G的变化，气泡将不断长大当气泡的浮力超过表面阻力时，气泡将脱离形核点固体孔隙中气泡的形成气泡在容器壁上某孔隙内的长大无法预测由已知表面释放气泡的总速率非均相成核研究难点无法预测任何给定时刻，在已知熔池表面上的有效形核点的数目喷嘴上气泡的形成气体流量的影响> Reo<500气体流量很小，产生的气泡的大小取决于浮力和表面张力的平衡，气流区域为静力学区气泡直接与喷嘴径的1/3次方成正比，与气体的流量无关> 500<Reo<2100气流量增大，气泡表面张力相对于惯性力可以忽略，气流区域为为动力学区气泡主要在浮力和惯性力的控制下形成气泡直径随气流量的增加而增大喷嘴上气泡的形成气体流量的影响> Reo>2100/气流量很大，气流区域为射流区/喷入的气体很快分裂成许多小气泡/Re。越大，气泡直径越小> Reo>100OO/气泡直径近似为常数喷嘴上气泡的形成脱落过程膨胀过程脱落时状态气泡在液体中的运动3.1.2气泡在液体中的运动运动速度上升速度取决于作用于气泡的浮力、粘性力和形状阻力当作用力达到平衡时，气泡匀速上升类似于固体颗粒在气体或液体中的下落/差异1：气泡不是刚体，在力的作用下会变形/差异2：气泡上浮时泡内气体可以循环流动R.b ="阳（雷诺数）Eob=S（奥托斯准数）特征数气泡在液体中的运动气泡在液体中的运动特征数分析> 当RCbV2时，形成球形小气泡，行为类似于刚体，上升速度为夕广夕熄（18）(3-16)> 当2vReb<400且气泡为球形，气泡内气体循环流动，形状阻力减少，上升速度为UtI的1.5倍> 当Reb>lOOO且Web>18,或E0b>50,在低粘度或中等粘度液体中上升，气泡呈球冠形，上升速度与液体性质无关t=1.02(M2)i2(3-17)气泡与液体间的传质.1.3气泡与液体间的传质影响因素>气泡内气体循环、气泡变形和振动等>通常比气液间的传质过程复杂> RebVI0的区域,气泡行为类似刚球> IvRebVlOO区域/气泡内不发生循环流动传质系数=0.99(Refc严S力=2+0.55R"°”Sc°33>IooVRebV400区域（尚无计算式）/气泡内气体循环流动,引起气泡变形和振动等>Reb>400区域传质通量其中kcl由（17）、（20）式解出。Sh=.28(R)Sc)(3-20)NAy一丁）(3-22)NA1dnAbdt气泡一液体间的反应(3-22)3.1.4气泡与液体间的反应般而言，气体与液态金属间的化学反应速度都比扩散速度快，故气泡与液体间的反应通常受传质过程控制，界面上达到化学反应平衡。以分子状态溶解的气体有ca=hpa(3-23)双原子分子从液态金属中析出时有(3-24)式中H，为亨利系数的倒数，PA为扩散组分在气泡中的分压，若无其它成分时，等于气泡内总压。此时，式(322)为过程总速度方程。在求解时有时需要把所有因变量改为气泡体积和深度的函数，当(3-25)(3-26)(3-27)15NAdi=kACAh-cAi)(3-22)气泡一液体间的反应于是有(3-28)(3-29)dnAldt-(1/RTXybdPAldt+pdVb/dt)dpaIdt=UbdpAldZ=ubgpl联立式(22)-(29)可得(3-30)(3-31)可采用数值法积分式(3-30)o若已知或能计算炉底气泡生成频率，则可计算整个过程的气泡脱除杂质的速度气泡一液体间的反应3.1.4气泡与液体间的反应A(g) + B(Z)P反应过程气相组分A通过气膜扩散到达相界面，在相界面上达到气液平衡组分A从相界面进入液膜，同时液相组分B从液相主体扩散进入液膜，A,B在液膜内接触并产生反应液膜中未反应完的组分A扩散进入液体主体，液相组分B进行反应气体一液体间的反应.1.4气泡与液体间的反应-过程分析>A,B之间的反应发生在液膜与液相主体中/气相组分A需越过相界面进入液膜才能与B发生反应/液相组分B不挥发，不能穿过界面达到气相中>当反应达到定常态时，穿过相界面的A的速率就与A消失的宏观速率相等气体一液体间的反应!.1.4气泡与液体间的反应过程分析气液反应是传质过程与反应过程的综合过程/反应速率大于传质速率，反应速率由传质速率决定/当传质速率远大于反应速率，反应速率等于本征反应速率/当传质速率与反应速率相当，反应速率要同时考虑传质和反应的影响3. 2持续接触的气液相间反应3.2.1气液间的传质理论研究重要性气液相间的反应及气体的吸收或解吸，通常均受气液传质过程的控制-气液间的传质理论界膜模型（界膜学说）渗透理论表面更新理论气液间的传质理论3.2.1.1 界膜模型（界膜学说）-模型假设一1流体与界面间的传质阻力完全集中于紧贴于界面的薄膜内，膜内传质靠分子扩散且浓度分布稳定，膜以外的流体中浓度均匀-模型假设一2气液相界面两侧存在气膜与液膜，是很薄的静止层或滞留层气相组分向液相组分扩散时，必需先到达气液相界面，并在相界面达到气液平衡气膜之外的气相主体和液膜之外的液相主体，均达到完全的混合均匀全部传质阻力都集中在膜内气液间的传质理论界膜模型（界膜学说）-基本方程组分A由气体主体扩散进入液体主体的途径/气相主体一气膜一界面气液平衡f液膜一液相主体主分A的物料平衡/扩散入扩散出累积量：O模型基本方程d2CX界面法线方向的距离5界膜厚度Ca一组分A的浓度气液间的传质理论界膜模型（界膜学说）边界条件传质通量NA=DacICa/dx=Da(CAi-CAb)/气液间的传质理论.3.2.1.2渗透理论-理论假设A液体表面上由许多液体微元体构成液体表面上的微元体不断被来自主体且具有主体浓度的新微元体所更换微元体在表面的停留时间很短且均相等气体主分A在微元体的渗透视为在半无限大液体中的非稳态扩散-基本方程DA X2通过对气液界面的微元体进行物料平衡计算气液间的传质理论渗透理论-边界条件CA=CAb 0,0<x<CG,>0,% = 0G4 = CAb t> 0, X =瞬时传质通量（瞬时吸收速度） 平均传质通量（平均吸收速度）气液间的传质理论32L3表面更新理论 理论假设 =se st流体微元体在表面上的停留时间服从统计规律，存在一个停留时间分布 与渗透理论的区别A在渗透理论中，各个微元体每隔一定的时间同时被更新A在表面更新理论中，认为流体微元体的更新与寿命无关,是随机产生的 平均传质通量QOTVa=JNdt=JSz)A(CAi-CAb)气液间的传质理论三种传质理论的分析 传质通量通式NA=k-b)CAb液体主体上A的浓度C一气泡与液体界面上A的浓度ktl-一传质系数气液间的传质理论三种传质理论的分析 三种理论的传质系数kd=?（界膜模型）加=2.匹渗透理论）VEkL =飞SDA 俵.气液间的传质理论三种传质理论的分析-三种理论的传质系数kd =?（界膜模型）加=2.匹渗透理论）VEkL=飞SDA俵.