[發明專利]一種適用于薄板或塊狀固體的宏觀氣固反應動力學模型

在審

• 申請號: 201610262343.4
• 申請日: 2016-04-26
• 公開（公告）號: CN107315897A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 劉靜;楊峰;熊茫茫;祝圓圓;馬亞芹;楊闖
• 申請（專利權）人: 貴州師范大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 貴陽中新專利商標事務所52100
• 代理人: 劉楠,李余江

技術領域

本發明涉及宏觀氣固反應動力學領域，適用于對薄板或塊狀固體的氧化、氮化、滲碳及氫化等反應過程動力學進行表征和機理分析。

背景技術

宏觀氣固反應動力學是研究傳遞過程在內的宏觀綜合反應速度，涉及到諸如高溫氧化還原反應、氣體滲氮及滲碳過程、氫化及脫氫反應和礦石的焙燒等領域。但是，氣固反應大多比較復雜，比如：(1)固體物料本身是反應的參與者，反應過程中固體反應物被消耗并發生結構變化，因此反應具有明顯的暫態性；(2)反應性能往往是固體結構的反映，而它不僅與固體物料的微觀結構因素有關，也與固體的宏觀結構因素有關；(3)固相轉化反應類型多且復雜，包括有固體生成物的氣固反應、固體分解反應等，有時還常常伴隨發生；(4)反應常常伴隨大量的熱效應，而體系的熱力學性質會對反應過程產生重要影響等等。鑒于此，人們對宏觀氣固反應動力學性能及其模型的研究結果差異很大，建立的宏觀動力學模型有的比較繁瑣，牽涉大量微分和積分；有的僅能給出方程的特征解，同時大量對數的引入也進一步放大了模型擬合誤差；有的適用范圍小，條件稍有改變就會帶來很大誤差。因此，目前亟待建立一種可將固體反應物結構參數、宏觀反應條件、熱力學性能和體系宏觀動力學聯系起來的具有普適性的宏觀動力學模型。

已知的最接近的現有技術是：由貴州師范大學的劉靜發明的，申請號為201310087042.9申請日為2013年03月19日，名稱為“一種宏觀氣固反應動力學模型”的中國發明專利申請公開文獻，該申請中動力學模型包含以表面滲透及內擴散作為控速環節的顯函數表達式；通過將1組以上實際反應體系的動力學數據及反應熱力學參數代入到模 型公式中，利用非線性擬合可求得氣固反應或其逆反應的特征時間tc、表觀活化能Δε、最佳反應溫度及對應的最短反應時間，同時可分析反應動力學機理。該技術主要針對粉體材料的氣固反應過程，并不能用于板狀及塊狀固體。另外，該技術不能模擬混合控制情況下的氣固反應過程，適用范圍有限。

發明內容

本發明的目的是：提供一種適用于薄板或塊狀固體的宏觀氣固反應動力學模型，該模型包括一系列顯函數表達式。可利用模型中的公式和已知的熱力學、動力學試驗數據計算出反應表觀活化能ΔE(ΔE_Asp、ΔE_Aad)和一定反應條件下的特征反應時間，判斷氣固反應過程的動力學機理，并進一步預測任意溫度及初始壓力下的氣固反應動力學過程。針對放熱型的氣固反應，還可通過模型計算理論最佳反應溫度，為工業生產和科學試驗提供理論指導，以克服現有技術的不足。

本發明是這樣實現的：利用權利要求1中所描述的宏觀氣固反應動力學模型，通過Van’t Hoff公式擬合或通過數據庫查到具體反應的熱力學參數焓變ΔH和及熵變ΔS，并找到1組以上實際反應體系的動力學數據，將熱力學參數和動力學數據代入模型公式：

表面滲透控速：

擴散控速：

混合控速：

在上述模型公式中，ξ為反應分數，ξ_sp和ξ_d分別為受“表面滲透控制”和“擴散控制”下氣固反應過程的反應分數；t為反應時間，T為反應溫度，D_ld是不同材料的零部件表面經過滲透和擴散后氣固反應所能進行的極限深度；K_Asp和K_Ad分別為受“表面滲透控制”和“擴散控制”的速率常數因子項；ΔE_Asp和ΔE_Aad分別為受“表面滲透控制”和“擴散控制”的氣固反應過程表觀活化能；和P^θ分別表示氣相中的氣體分壓和標準大氣壓；ΔH是反應焓變，ΔS是反應熵變，R是氣體常數；而v_m、D_ld、K_Asp和K_Ad都是與溫度無關的量。

公式(3)中n為調控系數，其值在一定反應條件(固體成分、密度、表面性質、氣體介質及催化相條件)下為常數，它的意義是對兩種控速過程在氣固反應過程中所占比例進行調控。n的取值有效范圍是(0～∞)，當n值為0時，整個氣固反應過程完全受內擴散控制；當n值趨近于∞時，整個氣固反應過程完全受表面滲透控制。當n值小于1時，氣固反應中內擴散控制所占的比重大于滲透控制。當n大于1時，反之。