内容提要

本书针对流体－固体反应体系，系统地介绍了宏观反应动力学的基

本原理以及分析多相反应体系动力学行为的各种方法。主要内容包括

流体物质与固体表面间的传质与传热，气体通过多孔固态介质的扩散

和化学反应步骤的基本规律，气体在固体表面的吸附、脱附及多相催

化反应动力学，固态产物新相晶格形成与长大规律。针对致密和疏松

多孔固态试样参与的反应体系，分别介绍了界面反应模型、区域反应

模型、微粒模型和孔隙模型，并讲述了多相反应的非稳态动力学行为

和多相非催化反应的不稳定性问题。最后，扼要介绍了动力学微分方

程的数值求解方法。

本书可作为高等院校相关专业的研究生和高年级本科生的教学用

书，也可用作相关领域内科技工作者的参考书。

目录

1理论基础

1.1化学反应速率

1.1.1化学反应与化学计量关系

1.1.2反应速率及其表达式

1.2流体－固体反应的主要步骤和主要动力学参数

1.2.1流体－固体反应的主要步骤

1.2.2表观活化能

1.2.3表观反应级数

1.3反应速率理论简介

1.3.1简单碰撞理论

1.3.2过渡状态理论

1.4宏观反应动力学

符号及其意义

参考文献

2固体表面与流体间的传质与传热

2.1固体表面与流体间的传递现象和基本规律

2.1.1固体表面与流体间的传质速率

2.1.2固体表面与流体间的传热速率

2.2传热系数与传质系数

2.2.1单一球形颗粒表面与流体间的传热、传质系数

2.2.2气体主要物理性质估算方法

2.2.3其它形状固体表面与流体间的传热、传质系数

2.3辐射传热

2.3.1黑体辐射定律

2.3.2实际物体的辐射规律

符号及其意义

参考文献

3多孔固态介质中的传递现象

3.1多孔固态介质结构与气体在其中扩散机理

3.1.1均相内扩散

3.1.2通过多孔固态介质扩散

3.2扩散系数及其估算方法

3.2.1气体有效扩散系数

3.2.2固体和液体中的扩散系数

3.3多孔固态介质中的导热现象与有效导热系数

3.3.1导热规律

3.3.2有效导热系数

符号及其意义

参考文献

4吸附现象、晶核形成与长大规律

4.1吸附现象及其基本规律

4.1.1吸附等温方程式

4.1.2吸附、脱附速率方程式

4.2多相催化反应动力学方程的建立方法

4.2.1表面化学反应为速率限制步骤的情况

4.2.2吸附或脱附为速率限制步骤的情况

4.2.3吸附、化学反应和脱附共同控制的情况

4.3晶核形成与长大规律

4.3.1阿乌拉米（Avrami）方程

4.3.2普劳特－汤姆金（Prout－Tompkins）方程

4.3.3说明与评述

符号及其意义

参考文献

5界面反应模型

5.1无固态产物层时的界面反应模型

5.1.1准稳态假定

5.1.2动力学方程的一般形式

5.1.3外传质步骤控制时的动力学方程

5.1.4界面化学反应控制时的动力学方程

5.2有固态产物层生成时的界面反应模型

5.2.1动力学方程的一般形式

5.2.2几种极端情况下的简化动力学方程

5.2.3反应时间加合定律与缩核反应模数

5.2.4动力学参数的确定方法

5.2.5速率限制性环节与阻力分数

5.3多界面反应模型

5.3.1二界面反应模型

5.3.2三界面反应模型

5.4对基本动力学模型的几点扩充

5.4.1非线性反应动力学

5.4.2固态试样体积变化时的动力学方程

符号及其意义

参考文献

6区域反应模型

6.1二区域反应模型

6.1.1第一阶段动力学方程

6.1.2第二阶段动力学方程

6.1.3分析讨论

6.2三区域反应模型

6.2.1基本动力学方程

6.2.2气态反应物浓度分布

6.2.3动力学模型适用条件及其判断依据

6.2.4动力学参数的确定方法

符号及其意义

参考文献

7微粒模型

7.1基本动力学方程

7.1.1由球形微粒组成的球团参与的多相反应体系

7.1.2动力学微分方程的一般形式

7.2动力学微分方程的求解

7.2.1极端情况

7.2.2Fg＝1时动力学方程解析表达式

7.2.3一般情况下微分方程的数值解

7.3动力学方程的近似表达式

7.3.1忽略外传质阻力时的动力学方程近似表达式

7.3.2气体通过边界层的传质阻力的影响

7.3.3微粒的固态产物层对气－固反应动力学的影响

符号及其意义

参考文献

8孔隙模型

8.1单孔模型

8.1.1动力学方程的建立

8.1.2主要参数确定方法

8.1.3最大转化率

8.2随机孔隙模型

8.2.1随机孔隙模型的建立

8.2.2分析讨论

8.3孔穴阻塞模型和裂孔模型

8.3.1孔穴阻塞模型

8.3.2裂孔模型

符号及其意义

参考文献

9非稳态宏观反应动力学

9.1非等温动力学模型

9.1.1非等温动力学模型的建立

9.1.2固态试样内部温度分布及其随时间变化情况

9.1.3固态试样内部蓄积热能对热平衡的影响

9.2压差现象与压差模型

9.2.1压差模型的建立

9.2.2主要参数的确定方法

9.2.3压差对反应速率的影响

9.2.4压差对气－固反应动力学规律的影响

9.2.5数值分析与主要结论

9.3多相非催化反应中的不稳定性问题

9.3.1几何不稳定性

9.3.2介稳态温度引起的热不稳定性

9.3.3速率限制性环节突然变化引起的热不稳定性

符号及其意义

参考文献

10数值计算方法简介

10.1差分方程的建立

10.1.1泰勒（Taylor）级数法

10.1.2控制体积法

10.2建立差分方程时应遵守的四条原则

10.3边界条件和源项的处理

10.3.1边界条件的处理

10.3.2源项的线性化

10.4控制体积交界处的传递系数值

10.5显式迭代和隐式迭代

10.5.1全显示迭代

10.5.2半显半隐式迭代

10.5.3全隐式迭代

参考文献

1.4宏观反应动力学

所谓宏观反应动力学是指除考虑化学反应步骤外，还须综合考虑

传质、扩散、传热等物理过程，研究多相化学反应速率及其变化规律

的科学。

如果在反应过程中，固态物质本身不发生变化，这种情况下的多

相反应动力学称为多相催化反应动力学（heterogeneouscatalyticreac－

tionkinetics）。反之，如果在多相反应过程中，固态反应物的组成、质

量、结构等发生变化，这种情况下的多相反应动力学称为多相非催化

反应动力学（heterogeneousnoncatalyticreactionkinetics）。在冶金生

产实践中涉及的流体－固体反应大多数属于后一种情况。

尽管在冶金和化工生产实践中，在诸如焙烧、浸出、沉淀、凝固

等涉及流体－固体反应的各单元操作中，各球团（或颗粒）所处的环境

不尽相同，但从理论上说，在已知反应器内温场、流场及浓度（压

力）场以及球团（或颗粒）在反应器内的空间分布和停留时间分布的

情况下，只要弄清每一球团（或颗粒）的动力学行为，根据相应的边

界条件和初始条件，就可以定量地描述该单元操作过程。在此基础上，

可以优化单元操作、设计，改进生产设备和完善操作条件，放大生产

规模，实现自动控制等。

因此，截止到目前，流体－固体宏观反应动力学研究一般都是针对

单一球团（或颗粒）展开的。在一系列假设基础上，建立动力学模型，

按照相应的边界和初始条件，求解微分方程，确定反应的转化率（或

与有关物质的质量相关的物理量）与反应时间的关系。