《氣固反應原理》是科學出版社出版的圖書，作者是李振山,蔡寧生。
基本介紹
- 中文名：氣固反應原理
- 作者：李振山,蔡寧生
- 出版社：科學出版社
- ISBN：9787030636669
內容簡介,圖書目錄,
內容簡介
本書深入闡述氣固反應過程所涉及的傳遞、表面反應、固體結構改變三個核心科學問題，分為微觀尺度與介觀尺度兩部分，共10章。第1～5章介紹氣固反應所涉及的微觀尺度知識。第1章為量子化學與勢能面。第2～5章介紹化學平衡、化學反應動力學、固體結構、缺陷化學、表面吸附與反應等氣固反應所涉及的有關基礎知識。第6～10章介紹氣固反應所涉及的介觀尺度知識。第6、7章對氣固反應中固體產物的生長及產物層擴散原理、機制及數學模型和數值求解算法進行較詳細的討論。第8章介紹固體顆粒內部孔隙形成與演化的原理、機制及數學模型，第9章介紹多孔固體反應，第10章介紹固體物質的燒結。
圖書目錄
前言
第1章 量子化學與勢能面 1
1.1 簡介 1
1.2 薛丁格方程 2
1.2.1 波與粒子 2
1.2.2 波粒二象性 4
1.2.3 薛丁格方程 6
1.2.4 波函式 7
1.3 一維勢阱的量子力學分析與思考 10
1.3.1 一維勢阱 10
1.3.2 不確定性原理 14
1.3.3 互補原理 15
1.3.4 量子力學隧道效應 15
1.3.5 量子力學隧道效應的套用 18
1.4 算符 21
1.5 薛丁格方程的簡單套用 25
1.5.1 諧振子 25
1.5.2 分子剛性轉子模型 28
1.5.3 電子能量 29
1.6 玻恩-奧本海默近似原理 34
1.7 量子化學計算的變分方法 36
1.7.1 變分法概述 36
1.7.2 線性變分法 37
1.8 量子化學計算的哈特里-福克方法 41
1.8.1 泛函的變分方法 41
1.8.2 哈特里平均場理論 43
1.8.3 哈特里-福克理論 46
1.9 量子化學計算的密度泛函理論 47
1.9.1 Hohenberg-Kohn定理 47
1.9.2 Kohn-Sham方程 50
1.9.3 Kohn-Sham方程計算的LDA方法 55
1.10 化學反應勢能面 56
1.10.1 勢能面概念 56
1.10.2 勢能面的構建 58
1.10.3 勢能面上的過渡態 62
1.10.4 過渡態搜尋算法 64
1.10.5 過渡態的測量 68
1.10.6 勢能面的套用 69
1.11 小結 71
符號表 73
參考文獻 74
第2章 統計力學與化學平衡 79
2.1 簡介 79
2.2 能級 79
2.3 基於最大熵法的統計力學 82
2.3.1 最大熵法 82
2.3.2 能量約束 84
2.3.3 近獨立粒子系統 85
2.3.4 混合物粒子系統 87
2.4 配分函式的套用 89
2.4.1 熱力學函式的統計力學表示 89
2.4.2 狀態方程的推導 90
2.5 基於統計力學的化學平衡 92
2.5.1 化學平衡計算的統計力學推導 92
2.5.2 化學平衡的數值計算算法 96
2.6 化學平衡計算的元素勢能法 102
2.6.1 元素勢能法 102
2.6.2 元素勢能法的求解方法 105
2.6.3 元素勢能法的數值求解步驟 108
2.7 動力學約束的化學平衡計算 112
2.8 化學平衡常數 119
2.8.1 化學平衡常數的統計力學推導 119
2.8.2 化學平衡常數的統計力學意義 122
2.8.3 化學平衡常數的計算 127
2.8.4 平衡常數的影響因素 128
2.9 氣固反應化學平衡的計算 133
2.9.1 金屬氧化/還原反應的Ellingham圖 134
2.9.2 金屬氧化物與CO2反應的平衡常數 139
2.9.3 同時反應平衡組成的計算 142
2.10 小結 147
符號表 149
參考文獻 150
第3章 化學反應動力學與機理簡化 153
3.1 簡介 153
3.2 化學反應 154
3.2.1 化學反應方程式 154
3.2.2 化學反應速率的質量作用定律 156
3.2.3 基元反應與總包反應 160
3.3 化學反應動力學的阿倫尼烏斯形式 163
3.4 化學反應速率的分子碰撞理論 165
3.4.1 硬球碰撞理論 165
3.4.2 氣體分子運動速度的麥克斯韋-玻爾茲曼分布 168
3.4.3 分子有效碰撞理論 172
3.5 過渡態理論 177
3.5.1 過渡態理論的Eyring 公式 178
3.5.2 分子配分函式(q′T，qV，qE和qR)表達式 181
3.5.3 反應速率與配分函式間的關係 184
3.5.4 化學反應速率過渡態理論的Eyring公式熱力學特性 185
3.6 單分子反應的RRKM理論 187
3.6.1 Lindemann理論 187
3.6.2 Lindemann-Hinshelwood理論 189
3.6.3 RRK理論 189
3.6.4 RRKM理論 189
3.7 化學反應詳細機理 190
3.8 化學反應詳細機理的簡化 195
3.8.1 骨架機理的建立 195
3.8.2 準穩態假設 197
3.8.3 選擇並消去準穩態組分所對應的一組線性無關的快反應 199
3.8.4 建立總包反應速率方程 204
3.8.5 準穩態組分矩陣的求解 207
3.8.6 減少計算量的一些技巧 209
3.9 選擇性非催化還原詳細機理的簡化 210
3.10 化學反應過程的總包反應 214
3.10.1 總包反應的建立 214
3.10.2 總包反應中反應速率常數k及階數α的搜尋算法 215
3.11 煤粉低氮燃燒中含硫氣相組分的總包反應 216
3.11.1 含硫組分氣相反應詳細機理 217
3.11.2 含硫組分氣相總包反應 218
3.11.3 含硫組分氣相總包反應動力學參數的最佳化 219
3.11.4 敏感性分析 224
3.11.5 總包反應的驗證 226
3.12 小結 228
符號表 229
參考文獻 231
第4章 固體結構與缺陷化學 236
4.1 簡介 236
4.2 固體中原子間作用力 236
4.2.1 離子鍵 237
4.2.2 共價鍵 240
4.2.3 金屬鍵 242
4.2.4 分子鍵和分子晶體 243
4.2.5 氫鍵 246
4.2.6 結合能 247
4.3 固體結構 250
4.3.1 晶體的結構及點陣 252
4.3.2 晶系和點陣類型 255
4.3.3 晶面和晶向指數 257
4.3.4 常見晶體結構及幾何特徵 263
4.4 固體中的缺陷及平衡 267
4.4.1 缺陷類型 267
4.4.2 缺陷的熱力學平衡 268
4.4.3 缺陷的符號表示 271
4.4.4 缺陷反應及其書寫原則 273
4.5 內缺陷、外缺陷及缺陷締合物 274
4.5.1 內缺陷 274
4.5.2 外缺陷 275
4.5.3 質子缺陷 285
4.5.4 缺陷締合物 287
4.6 能帶 288
4.7 電子缺陷 292
4.8 非化學計量化合物 294
4.8.1 非化學計量概念 294
4.8.2 非化學計量內缺陷 297
4.8.3 非化學計量外缺陷 298
4.9 小結 300
符號表 301
參考文獻 302
第5章 固體表面結構與氣固表面反應 306
5.1 簡介 306
5.2 固體表面結構 307
5.2.1 平移對稱性和點對稱性 307
5.2.2 二維點陣的米勒指數 309
5.2.3 二維表面結構的表示方法 313
5.2.4 二維表面結構的倒易點陣 317
5.3 表面熱力學與表面能 320
5.4 物理吸附與化學吸附 325
5.4.1 物理吸附 325
5.4.2 化學吸附 329
5.5 吸附動力學 333
5.5.1 Langmuir等溫吸附式 334
5.5.2 吸附熱的確定 336
5.5.3 Langmuir等溫吸附式在表面反應中的套用 338
5.6 表面反應 342
5.7 表面吸附與反應過程分析 348
5.7.1 表面吸附與反應的部分平衡分析法 349
5.7.2 表面吸附與反應的準穩態分析法 352
5.7.3 反應增強式表面吸附與反應 363
5.8 表面擴散 365
5.8.1 表面擴散係數 366
5.8.2 表面擴散的時間尺度 367
5.8.3 表面擴散係數的實驗測量 368
5.8.4 表面擴散的理論計算 369
5.9 表面反應的非線性動力學 373
5.9.1 化學反應的振盪現象 373
5.9.2 表面反應的振盪現象 375
5.9.3 表面反應的自組織行為 377
5.9.4 氣固反應的自組織行為 378
5.10 小結 379
符號表 381
參考文獻 382
第6章 固體產物形成與生長 388
6.1 簡介 388
6.2 氣固反應中的固體產物結構 389
6.3 氣固反應中固體產物形成與生長圖像 394
6.3.1 CaO與CO2反應 395
6.3.2 MgO與SO2和O2反應中MgSO4產物的形成與生長 396
6.3.3 CaCO3在高溫高濃度CO2下的表面形貌變化 398
6.3.4 CaCO3與SO2和O2的直接硫化反應 401
6.3.5 Ca(OH)2與SO2反應的AFM圖像 401
6.3.6 Fe和Cu的氧化 403
6.3.7 NiO的還原 406
6.4 固體粒子的化學勢及吉布斯-湯姆孫方程 407
6.4.1 固體粒子的化學勢 407
6.4.2 吉布斯-湯姆孫方程 409
6.4.3 固體粒子的表面擴散 410
6.5 固體產物的成核與生長 411
6.5.1 固體產物生長模式 411
6.5.2 均相成核 412
6.5.3 異相成核 414
6.5.4 固體反應物表面上的成核 417
6.5.5 固體產物的生長 419
6.5.6 固體產物島的形態 420
6.6 Ostwald粗化 422
6.6.1 動力學方程 422
6.6.2 一維連續性方程 425
6.6.3 質量守恆方程 426
6.7 Ostwald粗化方程的解析解 430
6.8 固體產物成核、生長及粗化對動力學的影響 436
6.9 氣固反應中固體產物生長的速率方程理論 439
6.9.1 物理圖像 439
6.9.2 速率方程 441
6.9.3 速率方程的物理含義 446
6.9.4 速率方程的離散與數值解法 447
6.9.5 速率方程的套用 450
6.10 氣固反應中臨界產物層及調控 453
6.11 小結 457
符號表 459
參考文獻 460
第7章 產物層擴散 465
7.1 簡介 465
7.2 菲克擴散定律 468
7.2.1 菲克擴散定律 468
7.2.2 非穩態擴散的玻爾茲曼解法 470
7.2.3 俁野解法 473
7.3 固態擴散的微觀理論 475
7.3.1 菲克擴散定律的微觀形式 475
7.3.2 擴散原子的隨機行走理論 477
7.3.3 固態擴散的微觀機制 479
7.4 固體原子互擴散的克肯達爾效應 487
7.4.1 克肯達爾效應 487
7.4.2 克肯達爾效應的達肯公式 489
7.4.3 克肯達爾效應的實際套用 492
7.4.4 產物層擴散中的克肯達爾效應 495
7.5 晶界擴散 500
7.5.1 晶界 500
7.5.2 晶界擴散的Fisher模型 501
7.5.3 晶界擴散動力學及與產物層擴散係數的關係 505
7.6 氣固反應中的產物層擴散 508
7.6.1 晶粒內的產物層擴散 508
7.6.2 固體孔隙內的產物層擴散 511
7.7 產物層擴散與電場的耦合 514
7.7.1 菲克擴散定律的熱力學表述 514
7.7.2 金屬氧化過程中產物層擴散的Wagner理論 517
7.7.3 Wagner理論在氣固反應上的拓展 523
7.7.4 金屬氧化的Cabrera-Mott理論 526
7.7.5 Cabrera-Mott理論的套用 532
7.7.6 金屬氧化理論的不足 537
7.8 氣固反應的簡化速率方程理論 538
7.8.1 簡化速率方程理論 538
7.8.2 外來離子對產物層擴散的影響 543
7.8.3 水蒸氣對硫酸化反應的影響 547
7.8.4 金屬氧化的速率方程理論 553
7.9 小結 558
符號表 561
參考文獻 561
第8章 孔隙結構的形成與演化 566
8.1 簡介 566
8.2 金屬氧化物還原過程中孔隙結構形成與演化圖像 567
8.2.1 NiO還原 567
8.2.2 Fe3O4還原 569
8.2.3 Cu2O還原 570
8.2.4 孔隙結構對金屬氧化物還原動力學的影響 572
8.3 CaCO3煅燒分解過程中的孔隙結構 573
8.4 CaCO3煅燒中CaO晶體結構的拓撲轉變機制 578
8.5 孔隙結構形成與演化的速率方程理論 581
8.5.1 模型描述 581
8.5.2 CaCO3煅燒分層模型 582
8.5.3 CO2擴散方程 583
8.5.4 孔隙生長速率方程 584
8.5.5 孔隙模型求解結果 589
8.6 煤粉熱解中煤焦孔隙結構形成與演化的速率方程理論 591
8.6.1 模型描述 593
8.6.2 化學反應動力學 595
8.6.3 速率方程理論 596
8.6.4 傳遞方程 599
8.6.5 煤粉低氮燃燒灰渣中氣泡的形成 605
8.7 氣固反應中孔隙結構的蒙特卡羅模擬 606
8.7.1 CaCO3煅燒分解過程孔隙結構的蒙特卡羅模擬 606
8.7.2 去合金化過程孔隙結構的蒙特卡羅模擬 609
8.8 小結 612
符號表 613
參考文獻 614
第9章 多孔固體反應 617
9.1 簡介 617
9.2 氣體擴散係數 618
9.2.1 分子擴散係數 620
9.2.2 克努森擴散係數 628
9.2.3 表面擴散係數 631
9.3 多孔固體氣固反應的外擴散 634
9.4 多孔固體氣固反應的內擴散 643
9.5 氣固反應中固體顆粒結構變化 652
9.6 多孔煤焦顆粒氣固反應的零維模型 665
9.6.1 反應模型 666
9.6.2 氣體在顆粒孔隙內的擴散 667
9.6.3 反應導致的顆粒直徑、密度及比表面積的變化 667
9.6.4 熱失活 668
9.6.5 灰的影響 669
9.6.6 多孔煤焦顆粒氣固反應的綜合模型在煤粉鍋爐模擬中的套用 670
9.7 氣固反應的晶粒模型 671
9.7.1 晶粒模型推導過程 672
9.7.2 晶粒模型數值計算結果 675
9.8 基於速率方程理論的晶粒模型 677
9.8.1 速率方程理論晶粒模型推導過程 677
9.8.2 速率方程理論晶粒模型數值計算結果 681
9.9 基於速率方程理論的氣固反應多尺度模型 682
9.9.1 表面尺度 684
9.9.2 晶粒尺度 685
9.9.3 顆粒尺度 687
9.9.4 多尺度模型計算結果 689
9.10 氣固反應的孔隙模型 691
9.10.1 物理假設條件 692
9.10.2 孔隙分布模型 693
9.10.3 CO2與CaO反應模型 694
9.10.4 模型計算結果與討論 697
9.11 氣固反應模型的求解算法 698
9.11.1 數值求解算法 698
9.11.2 差分方程的數值算法 700
9.11.3 近似解析解法 704
9.12 小結 707
符號表 710
參考文獻 710
第10章 固體燒結 716
10.1 簡介 716
10.2 頸部燒結 718
10.2.1 燒結機制及熱力學分析 718
10.2.2 燒結動力學 720
10.2.3 不等徑球的燒結動力學 728
10.3 燒結過程中顆粒比表面積變化 730
10.4 載體物質對燒結的影響 736
10.4.1 惰性載體對固體顆粒燒結的抑制作用 737
10.4.2 載體的空間限域作用 743
10.4.3 載體與活性組分的相互作用 745
10.5 燒結過程的蒙特卡羅模擬 750
10.5.1 蒙特卡羅模擬的基本思想 750
10.5.2 蒙特卡羅模擬中的Metropolis算法 750
10.5.3 晶粒生長的蒙特卡羅模擬 752
10.5.4 蒙特卡羅模擬結果 753
10.6 燒結過程的相場模擬 754
10.6.1 自由邊界與擴散邊界模型 754
10.6.2 相場變數 756
10.6.3 材料自由能 758
10.6.4 相場動力學方程 759
10.7 燒結過程的分子動力學模擬 761
10.8 燒結過程的能量分析 762
10.9 小結 764
符號表 766
