不可逆过程热力学在冶金中的应用研究

论文摘要

冶金过程存在着大量的不可逆现象。例如，火法冶金和湿法冶金的传热、传质和化学反应都是不可逆过程。应用不可逆过程热力学理论研究冶金体系发生的不可逆过程，具有重要的理论和实际意义。 应用不可逆过程热力学理论，根据不可逆过程热力学力和热力学通量之间存在函数关系的假设，建立了均相只存在单一化学反应体系的不可逆过程热力学的化学反应速率方程。和线性热力学不同的是方程中含有高次项。将建立的动力学方程应用于气相体系中的化学反应—水煤气反应和一氧化氮的氧化反应。对于水煤气反应而言，得到与实验数据吻合的五次关系式；而一氧化氮的氧化反应，则得到与实验数据吻合的三次关系式。将建立的动力学方程应用到液相反应体系中去，对于高锰酸钠氧化苯酚和苯胺的反应，均得到了在不同初始条件下，与实验数据吻合的三次关系式。 利用不可逆过程热力学理论推导了扩散过程的动力学方程，描述了三组分溶液的耦合扩散，利用Hankel变换，求出了解析解，通过实例计算和分析，说明当交互扩散系数达到主扩散系数的5％～7％时，耦合扩散对组分迁移和浓度的影响不容忽略。 建立了均相存在化学反应和扩散体系的动力学反应方程，将建立的方程应用于双氧水分解反应，得到了298K以及308K和实验数据吻合的四次关系式，并分析了温度对拟合关系式次数的影响。 建立了液—液相反应体系化学反应控制、扩散控制、化学反应和扩散共同控制的动力学方程。在渣金体系的氧化锰还原反应中应用动力学方程，得到了和实验数据吻合的三次关系式。对于无固体产物生成的气—固相反应建立了化学反应、扩散以及化学反应和扩散共同为限制步骤条件下的动力学方程，将动力学方程应用于二氧化钛加碳氯化的反应，在1073K和1273K得到了与实验结果吻合的二次拟合关系式，讨论了温度和唯象系数之间的关系。建立了固—固相反应的动力学模型，并应用于固相合成钛酸锶反应，证明了在1061K～1207K范围内，固相合成钛酸锶反应主要由扩散控制。应用于二氧化硅和碳酸钡反应，得到了与实验吻合的四次关系式。建立了浸出过程的动力学模型，研究了三氯化铁溶液浸出锌精矿的反应，结果表明从328K到368K逐渐由化学反应控制过渡到扩散控制。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 不可逆过程热力学的发展、基本内容及其应用
• 1.2.1 不可逆过程热力学的发展
• 1.2.2 不可逆过程热力学的基本内容
• 1.2.3 不可逆过程热力学的应用
• 1.3 不可逆过程热力学在冶金中的应用
• 1.3.1 冶金过程理论的发展
• 1.3.2 不可逆过程热力学在冶金中的应用
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 均相体系化学反应的动力学
• 2.1 引言
• 2.2 基本方程
• 2.3 气相反应
• 2.3.1 水煤气反应
• 2.3.2 一氧化氮的氧化反应
• 2.4 液相反应
• 2.4.1 高锰酸钠氧化水中苯酚的动力学
• 2.4.2 高锰酸钠氧化水中苯胺的动力学
• 2.5 本章小结
• 第三章 均相体系多组元扩散的耦合
• 3.1 引言
• 3.2 耦合扩散基本方程
• 3.3 三组元溶液颗粒内耦合扩散问题的研究
• 3.3.1 三组分溶液颗粒内耦合扩散模型的建立及其数值解
• 3.3.2 计算实例与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 均相体系化学反应和扩散共存的动力学
• 4.1 引言
• 4.2 基本原理
• 4.3 双氧水反应
• 4.4 本章小结
• 第五章 非均相体系化学反应的动力学
• 5.1 引言
• 5.2 不连续体系的不可逆过程热力学理论
• 5.3 液—液相反应
• 5.3.1 两个连续液相间的扩散与化学反应
• 5.3.1.1 化学反应为过程的限制步骤
• 5.3.1.2 扩散为过程的限速步骤
• 5.3.1.3 扩散和化学反应共同为过程的限速步骤
• 5.3.2 渣—金反应—渣中氧化锰还原反应
• 5.4 气—固相反应—二氧化钛加碳氯化反应
• 5.4.1 只生成气体产物的气—固相反应
• 5.4.1.1 气体边界层扩散控制
• 5.4.1.2 气—固界面化学反应控制
• 5.4.1.3 扩散和化学反应共同控制
• 5.4.2 二氧化钛加碳氯化反应
• 5.5 固—固相反应
• 5.5.1 固—固相反应动力学
• 5.5.1.1 界面化学反应为限制步骤
• 5.5.1.2 扩散为限制步骤
• 5.5.1.3 界面化学反应和扩散共同为限制步骤
• 5.5.2 固相合成钛酸锶
• 2与BaCO₃固相反应'>5.5.3 SiO₂与BaCO₃固相反应
• 5.6 浸出过程
• 5.6.1 浸出过程不可逆过程动力学
• 5.6.1.1 液膜层扩散控制
• 5.6.1.2 内扩散控制
• 5.6.1.3 界面化学反应控制
• 5.6.1.4 共同控制
• 5.6.2 锌精矿的浸出过程
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的论著和取得的其它成果
• 致谢