气体-液体间的反应

冶金反应工程学气体－液体间的反应梁小平重庆大学材料科学与工程学院第一篇冶金反应宏观动力学2¨气液反应研究的重要性§火法钢铁冶金Ø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Ø铜转炉吹炼冰铜,粗铅的空气精炼§湿法冶金Ø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Ø废气的淋洗塔和填料吸收塔处理引言3¨气液反应的分类§气液两相的接触方式Ø气液两相移动接触ü气相分散通过液相，如：气泡、泡沫和射流ü液相分散通过气相，如：喷淋或雾化Ø气液两相持续接触气－液反应的分类4¨气液反应的分类§根据反应产物进行分类Ø没有化合物生成的反应Ø有化合物生成的反应气－液反应的分类5¨3.1.1气泡的形成§形核方式Ø溶液过饱和产生气相核心，长大形成气泡ü均相成核•均质系统处于高度的过饱和状态ü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－－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Ø浸没在液相中喷嘴喷吹气体产生气泡3.1气泡与液体间反应6¨非均相成核§形核过程Ø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Ø微小气泡内的压强Pr,GPa—气泡表面处液体的压强σ－表面张力r－曲率半径Ø当过饱和的压强超过Pr,G的变化，气泡将不断长大Ø当气泡的浮力超过表面阻力时，气泡将脱离形核点气泡的形成rPPaGrs2,+=7固体孔隙中气泡的形成气泡在容器壁上某孔隙内的长大8¨非均相成核§研究难点Ø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Ø无法预测由已知表面释放气泡的总速率气泡的形成9¨喷嘴上气泡的形成§气体流量的影响ØReo500ü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ü气泡直接与喷嘴径的1/3次方成正比，与气体的流量无关Ø500Reo2100ü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ü气泡主要在浮力和惯性力的控制下形成ü气泡直径随气流量的增加而增大气泡的形成10¨喷嘴上气泡的形成§气体流量的影响ØReo2100ü气流量很大，气流区域为射流区ü喷入的气体很快分裂成许多小气泡üReo越大，气泡直径越小ØReo10000ü气泡直径近似为常数气泡的形成11喷嘴上气泡的形成膨胀过程脱落过程脱落时状态12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Ø上升速度取决于作用于气泡的浮力、粘性力和形状阻力Ø当作用力达到平衡时，气泡匀速上升Ø类似于固体颗粒在气体或液体中的下落ü差异1：气泡不是刚体，在力的作用下会变形ü差异2：气泡上浮时泡内气体可以循环流动§特征数)(1雷诺数murbebdR=)W2（韦伯数sruLbebd=)()(gE2Ob奥托斯准数＝srrgLbd-)(M34莫顿数sruLLObg=13气泡在液体中的运动¨气泡在液体中的运动§特征数分析Ø当Reb2时，形成球形小气泡，行为类似于刚体，上升速度为Ø当2Reb400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ut1的1.5倍Ø当Reb1000且Web18,或Eob50，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)18/()(21mrrugdgLbt-=2/1)2/(02.1btgd=u（3-17）（3-16）气泡与液体间的传质¨3.1.3气泡与液体间的传质§影响因素Ø气泡内气体循环、气泡变形和振动等Ø通常比气液间的传质过程复杂§传质系数ØReb1.0的区域ü气泡行为类似刚球Ø1Reb100区域ü气泡内不发生循环流动Ø100Reb400区域（尚无计算式）ü气泡内气体循环流动,引起气泡变形和振动等ØReb400区域3/1)(Re99.0ScShb=33.055.055.02ScRSheb+=2/1)/(28.1ScRSheb=§传质通量其中kd由（17）、（20）式解出。（3-20）)(1ibAAdAbACCkdtdnAN-==（3-22）15气泡－液体间的反应¨3.1.4气泡与液体间的反应一般而言，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双原子分子从液态金属中析出时有)(1ibAAdAbACCkdtdnAN-==（3-22）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（3-22）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，当忽略pAd时有)](['zHgpHClgAi-+=r（3-25）2/1'AipHCA=AApHCi'=（3-24）（3-23）RTVpnVAbAAbb/,3/2==f又（3-26）（3-27）16气泡－液体间的反应)(1ibAAdAbACCkdtdnAN-==（3-22）于是有)//)(/1(/dtdVpdtdpVRTdtdnbAAbA+=（3-28）0VV0bbz==处，)(])(['3/2zHgpVgHzHgpCuVRTkdzdVlgbllgAbdbbb-++--+´=rrrf（3-31）（3-30）lbAbAgudzdpudtdpr==//联立式（22）-（29）可得（3-29）其边界条件为可采用数值法积分式（3-30）。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17气泡－液体间的反应¨3.1.4气泡与液体间的反应§反应过程Ø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Ø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Ø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R®B+A)()(lbg18气体－液体间的反应¨3.1.4气泡与液体间的反应§过程分析ØA,B之间的反应发生在液膜与液相主体中ü气相组分A需越过相界面进入液膜才能与B发生反应ü液相组分B不挥发，不能穿过界面达到气相中Ø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19¨3.1.4气泡与液体间的反应§过程分析Ø气液反应是传质过程与反应过程的综合过程ü反应速率大于传质速率，反应速率由传质速率决定ü当传质速率远大于反应速率，反应速率等于本征反应速率ü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气体－液体间的反应203.2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Ø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Ø界膜模型（界膜学说）Ø渗透理论Ø表面更新理论21气液间的传质理论¨3.2.1.1界膜模型（界膜学说）§模型假设－1Ø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－2Ø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Ø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Ø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Ø全部传质阻力都集中在膜内22气液间的传质理论¨界膜模型（界膜学说）§基本方程Ø组分A由气体主体扩散进入液体主体的途径ü气相主体→气膜→界面气液平衡→液膜→液相主体Ø主分A的物料平衡ü扩散入扩散出ü累积量：0Ø模型基本方程022=dxCdDAAdxdCDAA)(dxdCCdxdDAAA+×X－界面法线方向的距离δ－界膜厚度CA－组分A的浓度23气液间的传质理论¨界膜模型（界膜学说）§边界条件§界膜内的浓度分布§传质通量AiACCx==,0bAACCx==,ddxCCCCAiAbAiA÷÷øöççèæ--=11d/)(/AbAiAAAACCDdxdCDN-=-=24气液间的传质理论¨3.2.1.2渗透理论§理论假设Ø液体表面上由许多液体微元体构成Ø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Ø微元体在表面的停留时间很短且均相等Ø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Ø通过对气液界面的微元体进行物料平衡计算tCxCDAAA¶¶=¶¶2225气液间的传质理论¨渗透理论§边界条件§瞬时传质通量（瞬时吸收速度）§平均传质通量（平均吸收速度）ïîïíì¥====¥==xtCCxtCCxtCCAbAAiAAbA,00,00,0()AbAiAACCtDN-=p()AbAiAACCtDN-=p226气液间的传质理论¨3.2.1.3表面更新理论§理论假设Ø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Ø在渗透理论中，各个微元体每隔一定的时间同时被更新Ø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stset-=)(f()AbAiAAACCsDdtNN-=×=ò¥0f27气液间的传质理论¨三种传质理论的分析§传质通量通式CAb－－液体主体上A的浓度CAi－－气泡与液体界面上A的浓度kd－－传质系数)(AbAidACCkN-=28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)(表面更新理论ALsDk=（渗透理论）tDkALp2=（界膜模型）dAdDk=29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)(表面更新理论ALsDk=（渗透理论）tDkALp2=（界膜模型）dAdDk=