铁氧化物/碳混合物非等温还原的耦合气-固反应动力学解析

铁氧化物/碳混合物的还原是通过CO还原铁氧化物和碳气化这两个同时发生气-固反应耦合作用实现的。耦合作用使其中一个反应影响另一个反应的平衡和反应速率。.非等温耦合气-固反应动力学研究的科学问题是耦合气-固反应动力学方程的建立及其解析方法，技术问题是实验测得两个气-固反应的耦合作用之间的相互关系和程度。.研究中，（1）定义非等温条件下耦合气-固反应体系中的两个气-固反应速率之比为"耦合作用因子"，用于定量表征耦合作用程度，建立耦合气-固反应模型；用Arrhenius微分式对耦合气-固反应动力学进行解析，揭示耦合作用对两个反应速率的影响程度。（2）采用能够同步测量试样的质量、热量和逸出气体的热分析-质谱-气相色谱联动装置，进行铁氧化物/碳混合物还原的实验，揭示还原机理，测定耦合作用因子。.通过本项研究，将解决非等温耦合气-固反应动力学及其解析的科学问题和实验技术问题。

铁氧化物/碳混合物的还原是通过CO还原铁氧化物和碳的气化两个气-固反应耦合完成的。反应体系中两个气-固反应同时发生，一个反应影响另一个反应的平衡和反应速率。其中石墨/焦炭-CO2/H2O气化反应属于多相反应，反应过程中伴随较大热效应，各个步骤产生的热效应不仅能够反映出反应机理，而且反应所产生的热效应的大小与反应速率和反应时间等密切相关。.本研究工作中，利用热分析技术获得了石墨/焦炭气化规律，采用热分析动力学解析了该规律的机理；同时，基于界面反应、气体产物扩散和固体产物核长大模型建立的等温速率式，考虑了热力学条件、气体产物压力、固体结构参数和（或）转化率等因素，以碳酸钙非等温热分解为主要研究对象，分析了不同速率限制环节的活化能的变化规律和范围。.（1）对于石墨气化反应，在慢速气化阶段，气化为通过吸附的界面反应，吸附放热和通过吸附的界面反应吸热的综合结果使反应产生放热；在快速气化阶段，吸附位上气体产物脱附后留下的空位不再具有吸附性能，吸附环节消失，气化只为界面反应；通过吸附的界面反应比界面反应需要克服更高的能碍。.（2）对于焦炭气化反应，不存在吸附和通过吸附的界面反应，只为界面反应；焦炭气化反应比石墨气化反应需要克服更高的能碍。.（3）对于同一实验样品，在CO2气氛中的活化能最大，在CO2+H2O气氛中的活化能次之，在H2O气氛中的活化能最小。.（4）升温速率对反应动力学参数有显著影响。升温速率不同，其相应的活化能和指前因子也各不相同，活化能和指前因子都随升温速率增大而减小。.（5）基于固体分解反应涉及的界面反应、气体产物扩散和固体产物核长大三个环节建立的等温速率式除了与Arrihanius速率常数式和模式函数有关外，还与反应条件对反应速率影响的有效性函数f(y1, y2, …)有关。.（6）在非等温动力学中考虑反应条件对反应速率的影响，或引入“变活化能”的概念，可以提高非等温动力学速率式的有效性，对揭示复杂的固体分解反应的本质，对非等温动力学解析结果的分析判断具有重要意义。