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。