粉体力学与工程（第三版）

前言
本书第二版于2007年出版。 
日常生活中，几乎人们使用的所有日用品的加工和制备都与粉体加工技术及设备密切相关。近十年来，粉体和散装固体加工、处理和分析技术领域取得了重要进展，粉体加工技术和装备的创新发展越来越多地应用于化工、制药、食品、陶瓷、玻璃、环境保护、资源回收、非金属矿（采矿及加工）等许多重要领域的生产中。
粉体力学的基本理论以及粉体工程相关机械设备的构造、工作原理与性能对粉体加工、制备的新技术、新工艺、新装备的研发设计至关重要，其理论基础和技术原理涉及复杂的科学问题和工程问题，对过程装备与控制工程、化学工程、机械工程、材料科学与工程等专业的学生以及从事相关工作的技术人员来说，都是非常重要的。因此,根据近年来粉体力学与工程学科的新理论和新技术成果，我们对本书进行了修订。除对粉体物性一章进行补充外,还增加了料仓设计理论和方法的相关内容。
参加本书第三版修订工作的有谢洪勇、刘志军、刘凤霞。
本书在修订过程中,部分采用了大连理工大学流体与粉体工程研究设计所的研究成果和实验数据,大连理工大学教务处对本书的编写和出版给予了大力支持,在此一并表示感谢。 
由于粉体力学的理论体系较为复杂，粉体工程的技术装备发展比较迅速，加之编著者的经历与水平有限,不妥之处在所难免,敬请读者提出宝贵意见。 

编著者
2020年3月


第一版前言
粉体力学与工程又称颗粒学，是一门新兴的综合性技术科学。由于其跨学科、跨技术的交叉性和基础理论的概括性，因此它既与若干基础科学相毗邻，又与工程应用广泛联系。20世纪40年代有了颗粒学的第一部专著《Micromeritics》。由于石油化工、能源和矿山技术的发展，颗粒学在二十世纪六七十年代得到了迅速的发展，在世界各地出版了各种版本的颗粒学专著。这些颗粒学专著对粉体工程理论与应用的发展起到了很大的推动作用。
20世纪80年代以来，随着微米和超细颗粒材料制备与应用技术的发展，由于微米和超细颗粒的行为与颗粒的行为差异很大，微米和超细颗粒成为颗粒学热门研究课题。自20世纪90年代以来，纳米材料制备与应用技术的发展赋予了颗粒学新的生命，从原子和分子的微观尺度来表征颗粒的性能，从原子和分子的微观尺度和纳米尺度来研究颗粒的行为，使颗粒学成为一门多学科交叉的尖端学科。
粉体同人类的生活和生产活动有着极其广泛的联系并具有重要的作用。在自然界中，粉体是常见的一种物质存在形式，如河沙、粉尘等。在日常生活中，粉体是不可缺少的生活用品，如食盐、米、面粉、洗衣粉等。在工业中，粉体有着更重要的位置；如在食品、医药、电子、冶金、矿山、能源等工业中，粉体不仅是重要的原料，也是重要的产品。特别是化学工业，约60%的产品是粉体；如果加上粉体悬浮在液体的产品，粉体和含粉体的产品可达80%；考虑粉体原料和中间产物，在化学工业中粉体的处理量可达粉体产品的3～4倍。
由于粉体在工业中有着重要的地位，对国民经济的发展也有举足轻重的作用。美国各工业粉体的销售额示于图0-1。由图0-1可见，粉体的销售总额约为1万亿美元，占美国国民生产总值的15%，可见粉体在国民经济中的重要性。其中，化学工业粉体产品的销售额约为3020亿美元，为粉体销售总额的30.2%；其次是食品和饮料工业的粉体销售额，约为2680亿美元，为粉体销售总额的26.8%。
图0-1美国各工业粉体的销售额
虽然粉体的操作单元可追溯到19世纪或更早，但是直到20世纪50年代，Rumpf教授首次在德国Karlsruhe大学化工机械系开展了粉体工程的教学活动，对粉体工程学科的发展起到了推动作用。20世纪60年代Williams博士在英国Bradford大学化学工程系建立了粉体技术研究生院（Graduate School of Post-graduate Studies in Powder Technology），从事本科生及研究生的教学及科研活动，以及对企业技术人员的培训工作，并创办了《粉体技术(Powder Technology)》杂志。目前，世界各国对粉体工程都有不同程度的教学与科研活动。如德国现有13所大学、日本有24所大学从事粉体工程的教学与科研活动。美国自然科学基金（NSF）在1994～1995年间扶持了50所大学从事粉体工程的教学与科研活动。
随着粉体工程教学和科研活动的开展，一些国际组织也应运而生。20世纪70年代由20多家跨国公司集资成立了“国际细粉学会”（International Fine Particle Research Institute）。该学会每年出资设立30个项目用于解决与粉体有关的生产问题及产品开发研究，现已发展为约40家成员公司。20世纪90年代起美国化学工程师学会每4年举办一次的“颗粒技术论坛”，对粉体工程的科研及教学的发展很有影响。于1990年召开的“显微隧道扫描技术国际会议”预示着纳米技术的诞生，每两年一次的“纳米技术国际会议”已举办了6次。20世纪80年代在中科院过程工程研究所（原化冶所）郭慕孙院士的建议下成立了“中国颗粒学会”，对促进粉体工程学科在我国的发展起到了积极的推动作用。
随着粉体工程学科的不断发展，各国对粉体工程的投资强度也在增加。1985年英国科委（SERC）设立了颗粒技术专项基金（Specially Promoted Programme in Particles Technology），用于支持高校在粉体工程领域的科研及教学活动。1991年美国杜邦公司（DuPont）和陶氏化学公司（Dow Chemicals）共投资24亿美元用于建立“颗粒技术中心”。这一投资强度相当于当年美国化学工业R&D（非军事）总经费的一半，10倍于联邦政府给高校化学和化工（非军事）的研究经费。在1994～1995年期间，美国自然科学基金（NFS）出资扶持了50所大学从事粉体工程的教学和科研活动。近年来随着纳米技术的发展，世界各国均制定了相应的研究与发展计划。1990年，中国制定了为期10年的“纳米科学攀登计划”。1995年，日本政府已将纳米技术列为应开发的4大基础科学技术项目之一。2000年，美国制定了“国家纳米技术规划”，计划在5年间投资10亿美元用于资助纳米基础研究。
由于粉体工程涉及众多的工业领域，粉体涉及广泛的操作单元，可粗略地概括为粉体的储存、输送、混合、分离、制粉、造粒、流态化等操作单元。这些操作单元涉及了工程、力学、物理、化学、材料等学科的基础理论和技术，所以粉体工程学科是一门多学科交叉的综合学科。虽然粉体工程学科已有近半个世纪的历史，但粉体工程学科的基础理论还很不完善，粉体操作单元的设计仍主要依赖于经验或半经验半理论的结果。
20世纪80年代美国一家咨询公司对美国和加拿大在20世纪80年代建立的37家与粉体有关（原料或产品）的工厂作了调研，得到如下的结论：
①　2/3工厂的运行负荷小于90%的设计负荷；
②　1/3工厂的运行负荷小于60%的设计负荷；
③　20世纪80年代与60年代的设计水平相当。
可见粉体工程学科仍处于早期的发展阶段。
本书的宗旨是介绍粉体工程的基础理论及其在粉体操作单元中的应用。第1章为颗粒物性，着重介绍颗粒的尺寸、颗粒的球形度及其测量方法、颗粒间的作用力及颗粒的团聚性、颗粒的阻力系数与沉降速度。第2章为粉体物性，着重介绍粉体的库仑定律、Molerus 粉体分类、粉体的流动性。第3章为粉体静力学，着重介绍粉体应力分析方法和Rankin应力状态。第4章为粉体动力学，着重介绍粉体流动的Jenike塑性理论和塑黏性流体模型。第5章为气-固两相系统，着重介绍Reh气-固两相接触操作图、Geldart流态化颗粒分类、颗粒反应动力学及流化床反应器模拟。第6章为造粒，着重介绍火焰CVD法制备纳米陶瓷颗粒材料及过程模拟及喷雾干燥造粒技术，简单介绍机械化学法制备纳米材料技术。第7章为粉碎，简单介绍颗粒的强度和Bond粉碎功定律及其应用。第8章为混合，简单介绍混合操作的过程与设备。
本书的部分内容是在教育部回国人员科研启动费、辽宁省自然科学基金、大连理工大学人才基金和大连理工大学材料学科基金资助下完成的，作者在此表示衷心的谢意。本书的很多内容均采用马丽霞、张州波、陈淑花、张大为、张华丽、王达望等同学的研究工作，在此向他们表示衷心的感谢。本书说明图和工艺图的制作得到了李铭老师的大力帮助，在此表示诚挚的谢意。由于粉体工程涉及面很广，加之著者的经历与水平有限，在取材上的疏漏和编写上的错误在所难免，敬请读者提出宝贵意见。

编著者
2002年10月


第二版前言
本书第一版于2003年出版。
为了使学生更好地理解和掌握本书的基本内容，本版在修订中增加了相应的例题和习题。根据粉体力学与工程国内外近几年的发展及编著者近几年在粉体力学与工程领域所取得的科研成果，本版增加了粉粒体数值模拟一章，由刘志军编写。并在第5章气-固两相系统中，增加了流化床气泡与密相、气泡相与密相传质实验与理论的研究成果。在第7章造粒中，增加了火焰CVD法制备纳米含碳TiO2，火焰CVD法制备纳米/超细颗粒材料过程的动力理论及工艺过程的计算与分析方法及机械化学制备亚微米B4C的研究成果。在第8章粉碎中，增加了研磨过程动力学及研磨过程分析计算方法的研究成果。
参加本书第二版编写及修订工作的有谢洪勇、刘志军。
本书在编写及修订过程中，采用了大连理工大学流体与粉体工程研究所的马丽霞、张州波、陈淑花、张大为、张华丽、王达望、张薇、宋春林、郝晓梅、邓丰等同学的研究数据和结论，再次表示感谢。
许晓飞、赵亚、杨凌等对本书的部分文字和图表加工做了许多工作，在此深表谢意。
大连理工大学教务处对本书的编写和出版给予了大力支持，在此表示感谢。
由于粉体工程涉及面很广，加之著者的经历与水平有限，在取材上的疏漏及编写上的不妥在所难免，敬请读者提出宝贵意见。

编著者
2007年6月

刘志军，大连理工大学，全国过程装备与控制工程专业分教指委委员兼秘书长，教务处处长、教授。 
宝钢教育基金会优xiu教师特等奖，霍英东教育基金会青年教师奖、教育部国家大学生创新创业训练计划卓越成就奖。国家优xiu教学成果一等奖1项、二等奖2项；辽宁省教学成果一等奖7项。辽宁省百千万人才工程千人层次人选、辽宁省高校优xiu青年骨干教师。
教育部国家大学生创新创业训练专家工作组成员兼秘书长、教育部机械类过程装备与控制工程专业教学指导分委员会委员兼秘书长、教育部卓越计划专家工作组秘书、中国工程教育认证协会学术委员会委员、中国高等教育学会教学研究分会常务理事、中国机械工程学会高级会员、中国化工学会化工机械专业委员会委员；辽宁省高校创新创业教育指导委员会委员兼秘书长、辽宁省机械类专业教学指导委员会委员、辽宁省精品在线开放课建设与应用专家工作组成员。主要研究化工与环境流体特殊流动技术与装备、多相流体、超临界流体、超高压流体理论与技术研究工作，发表学术论文50余篇；先后主持完成国家自然科学基金3项、辽宁省自然科学基金2项，主持完成中石化、中石油、中海油等企业委托的课题40余项，其中粉体相关课题约20余项，项目经费5000余万元。

本书介绍粉体力学的基础理论及其在粉体操作单元中的应用，主要包括颗粒物性、粉体物性、粉体静力学、粉体动力学、料仓设计、气-固两相系统、粒体数值模拟、造粒、粉碎、混合等方面的内容。本书可供过程装备与控制工程的本科生或研究生作为教材使用，亦可作为相关工程技术人员的参考书。

1颗粒物性
1.1颗粒的尺寸与尺寸分布1
1.1.1颗粒尺寸1
1.1.2颗粒的尺寸分布3
1.1.3颗粒的平均尺寸6
1.1.4尺寸分布宽度7
1.1.5颗粒密度和多孔率8
1.2颗粒的形状8
1.2.1Heywood形状系数9
1.2.2颗粒的球形度10
1.2.3Stokes形状系数11
1.3颗粒的阻力系数与自由沉降速度13
1.3.1球形颗粒的阻力系数与自由沉降速度13
1.3.2非球形颗粒的阻力系数与自由沉降速度15
1.4颗粒间的作用力21
1.4.1分子间的范德华力21
1.4.2颗粒间的范德华力23
1.4.3颗粒间的毛细力29
1.4.4颗粒间的静电力30
1.5颗粒的团聚性31
1.5.1团聚机理31
1.5.2聚团强度32
习题34
参考文献34

2粉体物性
2.1粉体的堆积物性35
2.1.1粉体的堆积密度35
2.1.2粉体堆积的填充率和空隙率36
2.1.3颗粒的配位数38
2.2粉体的可压缩性40
2.3粉体的安息角41
2.4粉体的摩擦性42
2.4.1库仑定律42
2.4.2内摩擦角43
2.4.3库仑定律的理论推导45
2.5Molerus粉体分类47
2.5.1Molerus Ⅰ类粉体47
2.5.2Molerus Ⅱ类粉体47
2.5.3Molerus Ⅲ类粉体47
2.6粉体的流动性48
2.6.1粉体的开放屈服强度48
2.6.2Jenike流动函数49
2.6.3拱应力分析50
习题50
参考文献51

3粉体静力学
3.1颗粒与连续介质52
3.2粉体的应力与应变52
3.2.1粉体的应力规定53
3.2.2莫尔应力圆54
3.3莫尔-库仑定律55
3.4壁面最大主应力方向56
3.5朗肯应力状态57
3.6粉体应力Janssen近似分析方法59
3.6.1柱体应力分析59
3.6.2锥体应力分析62
3.6.3Walters转换应力64
3.6.4料仓应力分析66
3.7粉体应力精确分析方法68
3.7.1应力平衡方程68
3.7.2柱体应力分布的渐近解71
3.7.3锥体应力分布的渐近解72
习题75
参考文献75

4粉体动力学
4.1粉体流动的流型76
4.2质量流量公式77
4.2.1经验关联式77
4.2.2最小能量理论78
4.3质量守恒方程78
4.4动量守恒方程79
4.5莫尔应变率圆80
4.5.1粉体微元体的运动分析80
4.5.2莫尔应变率圆83
4.6粉体流动的本构关系85
4.6.1共轴理论85
4.6.2从Jenike剪切仪获得的应力-应变率关系86
4.6.3塑黏性本构关系89
4.6.4塑黏性流体模型90
4.7柱体内质量流动的速度分布91
4.7.1共轴理论的预测结果与实验结果的比较91
4.7.2塑黏性模型的预测结果与实验结果的比较92
4.8锥体内质量流动的速度分布93
4.8.1共轴理论的预测结果与实验结果的比较93
4.8.2塑黏性模型的预测结果与实验结果的比较96
参考文献96

5料仓设计
5.1料仓内的流动98
5.1.1料仓内粉体的流型98
5.1.2偏析现象98
5.1.3料仓流动问题99
5.1.4Jenike的料仓设计步骤100
5.2料仓结构108
5.2.1流动性质对料仓性能的影响108
5.2.2料斗结构形式109
5.2.3改流体113
参考文献117

6气-固两相系统
6.1气-固的接触形式118
6.2Reh气-固两相接触操作图120
6.2.1固定床颗粒的阻力系数120
6.2.2悬浮颗粒的阻力系数123
6.2.3Reh气-固两相接触操作图126
6.3流化床的应用130
6.3.1流态化技术发展现状130
6.3.2流化床化学反应器133
6.3.3流化床物理操作133
6.3.421世纪的流态化技术134
6.4流态化特征与Geldart颗粒分类137
6.4.1流态化基本特征137
6.4.2最小流态化速度138
6.4.3最小鼓泡速度139
6.4.4流态化气泡特征140
6.4.5Geldart颗粒分类147
6.5流化床化学反应器模拟149
6.5.1流化床反应器模型149
5.5.2气泡与密相的传质系数150
6.5.3气泡与密相传质系数的实验结果152
6.5.4气泡与密相传质的理论分析152
6.5.5气泡相与密相的传质数156
6.5.6颗粒反应动力学160
6.5.7化学反应器的Damkoler数166
6.5.8流化床化学反应器模拟167
习题173
参考文献174

7粉粒体数值模拟
7.1概述175
7.1.1粉粒体模拟的必要性175
7.1.2粉粒体行为的数值模拟177
7.1.3粉粒体数值模拟课题179
7.2连续介质力学的数值模拟方法179
7.2.1有限差分法179
7.2.2有限元法182
7.3颗粒单元数值模拟方法183
7.3.1数值模拟模型183
7.3.2数值模拟计算187
参考文献190

8造粒
8.1造粒方法与颗粒尺寸191
8.2火焰CVD造粒192
8.2.1火焰CVD造粒技术192
8.2.2火焰CVD造粒过程模拟196
8.3喷雾造粒205
8.3.1喷雾干燥造粒205
8.3.2喷雾热解造粒210
8.4机械化学法造粒技术211
参考文献215

9粉碎
9.1颗粒的强度217
9.1.1颗粒的理想强度217
9.1.2颗粒强度218
9.2粉碎功221
9.3粉碎极限222
9.4研磨过程动力学223
9.4.1操作参数的影响223
9.4.2粉碎速率常数223
9.4.3粉碎分布系数225
9.4.4研磨过程模拟计算227
参考文献230

10混合
10.1混合过程机理231
10.2混合度232
10.3取样及样品分析234
10.4混合设备235
10.5影响混合的因素237

附录二维两组分球形颗粒填充数值模拟计算程序