粉體力學與工程(第三版)（簡體書）

前言
本書第二版於2007年出版。
日常生活中，幾乎人們使用的所有日用品的加工和制備都與粉體加工技術及設備密切相關。近十年來，粉體和散裝固體加工、處理和分析技術領域取得了重要進展，粉體加工技術和裝備的創新發展越來越多地應用於化工、製藥、食品、陶瓷、玻璃、環境保護、資源回收、非金屬礦（采礦及加工）等許多重要領域的生產中。
粉體力學的基本理論以及粉體工程相關機械設備的構造、工作原理與性能對粉體加工、制備的新技術、新工藝、新裝備的研發設計至關重要，其理論基礎和技術原理涉及復雜的科學問題和工程問題，對過程裝備與控制工程、化學工程、機械工程、材料科學與工程等專業的學生以及從事相關工作的技術人員來說，都是非常重要的。因此,根據近年來粉體力學與工程學科的新理論和新技術成果，我們對本書進行了修訂。除對粉體物性一章進行補充外,還增加了料倉設計理論和方法的相關內容。
參加本書第三版修訂工作的有謝洪勇、劉志軍、劉鳳霞。
本書在修訂過程中,部分采用了大連理工大學流體與粉體工程研究設計所的研究成果和實驗數據,大連理工大學教務處對本書的編寫和出版給予了大力支持,在此一並表示感謝。
由於粉體力學的理論體系較為復雜，粉體工程的技術裝備發展比較迅速，加之編著者的經歷與水平有限,不妥之處在所難免,敬請讀者提出寶貴意見。

編著者
2020年3月


第一版前言
粉體力學與工程又稱顆粒學，是一門新興的綜合性技術科學。由於其跨學科、跨技術的交叉性和基礎理論的概括性，因此它既與若幹基礎科學相毗鄰，又與工程應用廣泛聯系。20世紀40年代有了顆粒學的第一部專著《Micromeritics》。由於石油化工、能源和礦山技術的發展，顆粒學在二十世紀六七十年代得到了迅速的發展，在世界各地出版了各種版本的顆粒學專著。這些顆粒學專著對粉體工程理論與應用的發展起到了很大的推動作用。
20世紀80年代以來，隨著微米和超細顆粒材料制備與應用技術的發展，由於微米和超細顆粒的行為與顆粒的行為差異很大，微米和超細顆粒成為顆粒學熱門研究課題。自20世紀90年代以來，納米材料制備與應用技術的發展賦予了顆粒學新的生命，從原子和分子的微觀尺度來表征顆粒的性能，從原子和分子的微觀尺度和納米尺度來研究顆粒的行為，使顆粒學成為一門多學科交叉的尖端學科。
粉體同人類的生活和生產活動有著極其廣泛的聯系並具有重要的作用。在自然界中，粉體是常見的一種物質存在形式，如河沙、粉塵等。在日常生活中，粉體是不可缺少的生活用品，如食鹽、米、面粉、洗衣粉等。在工業中，粉體有著更重要的位置；如在食品、醫藥、電子、冶金、礦山、能源等工業中，粉體不僅是重要的原料，也是重要的產品。特別是化學工業，約60%的產品是粉體；如果加上粉體懸浮在液體的產品，粉體和含粉體的產品可達80%；考慮粉體原料和中間產物，在化學工業中粉體的處理量可達粉體產品的3～4倍。
由於粉體在工業中有著重要的地位，對國民經濟的發展也有舉足輕重的作用。美國各工業粉體的銷售額示於圖0-1。由圖0-1可見，粉體的銷售總額約為1萬億美元，占美國國民生產總值的15%，可見粉體在國民經濟中的重要性。其中，化學工業粉體產品的銷售額約為3020億美元，為粉體銷售總額的30.2%；其次是食品和飲料工業的粉體銷售額，約為2680億美元，為粉體銷售總額的26.8%。
圖0-1美國各工業粉體的銷售額
雖然粉體的操作單元可追溯到19世紀或更早，但是直到20世紀50年代，Rumpf教授首次在德國Karlsruhe大學化工機械系開展了粉體工程的教學活動，對粉體工程學科的發展起到了推動作用。20世紀60年代Williams博士在英國Bradford大學化學工程系建立了粉體技術研究生院（Graduate School of Post-graduate Studies in Powder Technology），從事本科生及研究生的教學及科研活動，以及對企業技術人員的培訓工作，並創辦了《粉體技術(Powder Technology)》雜志。目前，世界各國對粉體工程都有不同程度的教學與科研活動。如德國現有13所大學、日本有24所大學從事粉體工程的教學與科研活動。美國自然科學基金（NSF）在1994～1995年間扶持了50所大學從事粉體工程的教學與科研活動。
隨著粉體工程教學和科研活動的開展，一些國際組織也應運而生。20世紀70年代由20多家跨國公司集資成立了“國際細粉學會”（International Fine Particle Research Institute）。該學會每年出資設立30個項目用於解決與粉體有關的生產問題及產品開發研究，現已發展為約40家成員公司。20世紀90年代起美國化學工程師學會每4年舉辦一次的“顆粒技術論壇”，對粉體工程的科研及教學的發展很有影響。於1990年召開的“顯微隧道掃描技術國際會議”預示著納米技術的誕生，每兩年一次的“納米技術國際會議”已舉辦了6次。20世紀80年代在中科院過程工程研究所（原化冶所）郭慕孫院士的建議下成立了“中國顆粒學會”，對促進粉體工程學科在我國的發展起到了積極的推動作用。
隨著粉體工程學科的不斷發展，各國對粉體工程的投資強度也在增加。1985年英國科委（SERC）設立了顆粒技術專項基金（Specially Promoted Programme in Particles Technology），用於支持高校在粉體工程領域的科研及教學活動。1991年美國杜邦公司（DuPont）和陶氏化學公司（Dow Chemicals）共投資24億美元用於建立“顆粒技術中心”。這一投資強度相當於當年美國化學工業R&D（非軍事）總經費的一半，10倍於聯邦政府給高校化學和化工（非軍事）的研究經費。在1994～1995年期間，美國自然科學基金（NFS）出資扶持了50所大學從事粉體工程的教學和科研活動。近年來隨著納米技術的發展，世界各國均制定了相應的研究與發展計劃。1990年，中國制定了為期10年的“納米科學攀登計劃”。1995年，日本政府已將納米技術列為應開發的4大基礎科學技術項目之一。2000年，美國制定了“國家納米技術規劃”，計劃在5年間投資10億美元用於資助納米基礎研究。
由於粉體工程涉及眾多的工業領域，粉體涉及廣泛的操作單元，可粗略地概括為粉體的儲存、輸送、混合、分離、制粉、造粒、流態化等操作單元。這些操作單元涉及了工程、力學、物理、化學、材料等學科的基礎理論和技術，所以粉體工程學科是一門多學科交叉的綜合學科。雖然粉體工程學科已有近半個世紀的歷史，但粉體工程學科的基礎理論還很不完善，粉體操作單元的設計仍主要依賴於經驗或半經驗半理論的結果。
20世紀80年代美國一家咨詢公司對美國和加拿大在20世紀80年代建立的37家與粉體有關（原料或產品）的工廠作了調研，得到如下的結論：
①　2/3工廠的運行負荷小於90%的設計負荷；
②　1/3工廠的運行負荷小於60%的設計負荷；
③　20世紀80年代與60年代的設計水平相當。
可見粉體工程學科仍處於早期的發展階段。
本書的宗旨是介紹粉體工程的基礎理論及其在粉體操作單元中的應用。第1章為顆粒物性，著重介紹顆粒的尺寸、顆粒的球形度及其測量方法、顆粒間的作用力及顆粒的團聚性、顆粒的阻力系數與沉降速度。第2章為粉體物性，著重介紹粉體的庫侖定律、Molerus 粉體分類、粉體的流動性。第3章為粉體靜力學，著重介紹粉體應力分析方法和Rankin應力狀態。第4章為粉體動力學，著重介紹粉體流動的Jenike塑性理論和塑黏性流體模型。第5章為氣-固兩相系統，著重介紹Reh氣-固兩相接觸操作圖、Geldart流態化顆粒分類、顆粒反應動力學及流化床反應器模擬。第6章為造粒，著重介紹火焰CVD法制備納米陶瓷顆粒材料及過程模擬及噴霧幹燥造粒技術，簡單介紹機械化學法制備納米材料技術。第7章為粉碎，簡單介紹顆粒的強度和Bond粉碎功定律及其應用。第8章為混合，簡單介紹混合操作的過程與設備。
本書的部分內容是在教育部回國人員科研啟動費、遼寧省自然科學基金、大連理工大學人才基金和大連理工大學材料學科基金資助下完成的，作者在此表示衷心的謝意。本書的很多內容均采用馬麗霞、張州波、陳淑花、張大為、張華麗、王達望等同學的研究工作，在此向他們表示衷心的感謝。本書說明圖和工藝圖的制作得到了李銘老師的大力幫助，在此表示誠摯的謝意。由於粉體工程涉及面很廣，加之著者的經歷與水平有限，在取材上的疏漏和編寫上的錯誤在所難免，敬請讀者提出寶貴意見。

編著者
2002年10月


第二版前言
本書第一版於2003年出版。
為了使學生更好地理解和掌握本書的基本內容，本版在修訂中增加了相應的例題和習題。根據粉體力學與工程國內外近幾年的發展及編著者近幾年在粉體力學與工程領域所取得的科研成果，本版增加了粉粒體數值模擬一章，由劉志軍編寫。並在第5章氣-固兩相系統中，增加了流化床氣泡與密相、氣泡相與密相傳質實驗與理論的研究成果。在第7章造粒中，增加了火焰CVD法制備納米含碳TiO2，火焰CVD法制備納米/超細顆粒材料過程的動力理論及工藝過程的計算與分析方法及機械化學制備亞微米B4C的研究成果。在第8章粉碎中，增加了研磨過程動力學及研磨過程分析計算方法的研究成果。
參加本書第二版編寫及修訂工作的有謝洪勇、劉志軍。
本書在編寫及修訂過程中，采用了大連理工大學流體與粉體工程研究所的馬麗霞、張州波、陳淑花、張大為、張華麗、王達望、張薇、宋春林、郝曉梅、鄧豐等同學的研究數據和結論，再次表示感謝。
許曉飛、趙亞、楊凌等對本書的部分文字和圖表加工做了許多工作，在此深表謝意。
大連理工大學教務處對本書的編寫和出版給予了大力支持，在此表示感謝。
由於粉體工程涉及面很廣，加之著者的經歷與水平有限，在取材上的疏漏及編寫上的不妥在所難免，敬請讀者提出寶貴意見。

編著者
2007年6月

1顆粒物性
1.1顆粒的尺寸與尺寸分布1
1.1.1顆粒尺寸1
1.1.2顆粒的尺寸分布3
1.1.3顆粒的平均尺寸6
1.1.4尺寸分布寬度7
1.1.5顆粒密度和多孔率8
1.2顆粒的形狀8
1.2.1Heywood形狀系數9
1.2.2顆粒的球形度10
1.2.3Stokes形狀系數11
1.3顆粒的阻力系數與自由沉降速度13
1.3.1球形顆粒的阻力系數與自由沉降速度13
1.3.2非球形顆粒的阻力系數與自由沉降速度15
1.4顆粒間的作用力21
1.4.1分子間的範德華力21
1.4.2顆粒間的範德華力23
1.4.3顆粒間的毛細力29
1.4.4顆粒間的靜電力30
1.5顆粒的團聚性31
1.5.1團聚機理31
1.5.2聚團強度32
習題34
參考文獻34

2粉體物性
2.1粉體的堆積物性35
2.1.1粉體的堆積密度35
2.1.2粉體堆積的填充率和空隙率36
2.1.3顆粒的配位數38
2.2粉體的可壓縮性40
2.3粉體的安息角41
2.4粉體的摩擦性42
2.4.1庫侖定律42
2.4.2內摩擦角43
2.4.3庫侖定律的理論推導45
2.5Molerus粉體分類47
2.5.1Molerus Ⅰ類粉體47
2.5.2Molerus Ⅱ類粉體47
2.5.3Molerus Ⅲ類粉體47
2.6粉體的流動性48
2.6.1粉體的開放屈服強度48
2.6.2Jenike流動函數49
2.6.3拱應力分析50
習題50
參考文獻51

3粉體靜力學
3.1顆粒與連續介質52
3.2粉體的應力與應變52
3.2.1粉體的應力規定53
3.2.2莫爾應力圓54
3.3莫爾-庫侖定律55
3.4壁面最大主應力方向56
3.5朗肯應力狀態57
3.6粉體應力Janssen近似分析方法59
3.6.1柱體應力分析59
3.6.2錐體應力分析62
3.6.3Walters轉換應力64
3.6.4料倉應力分析66
3.7粉體應力精確分析方法68
3.7.1應力平衡方程68
3.7.2柱體應力分布的漸近解71
3.7.3錐體應力分布的漸近解72
習題75
參考文獻75

4粉體動力學
4.1粉體流動的流型76
4.2質量流量公式77
4.2.1經驗關聯式77
4.2.2最小能量理論78
4.3質量守恒方程78
4.4動量守恒方程79
4.5莫爾應變率圓80
4.5.1粉體微元體的運動分析80
4.5.2莫爾應變率圓83
4.6粉體流動的本構關係85
4.6.1共軸理論85
4.6.2從Jenike剪切儀獲得的應力-應變率關係86
4.6.3塑黏性本構關係89
4.6.4塑黏性流體模型90
4.7柱體內質量流動的速度分布91
4.7.1共軸理論的預測結果與實驗結果的比較91
4.7.2塑黏性模型的預測結果與實驗結果的比較92
4.8錐體內質量流動的速度分布93
4.8.1共軸理論的預測結果與實驗結果的比較93
4.8.2塑黏性模型的預測結果與實驗結果的比較96
參考文獻96

5料倉設計
5.1料倉內的流動98
5.1.1料倉內粉體的流型98
5.1.2偏析現象98
5.1.3料倉流動問題99
5.1.4Jenike的料倉設計步驟100
5.2料倉結構108
5.2.1流動性質對料倉性能的影響108
5.2.2料斗結構形式109
5.2.3改流體113
參考文獻117

6氣-固兩相系統
6.1氣-固的接觸形式118
6.2Reh氣-固兩相接觸操作圖120
6.2.1固定床顆粒的阻力系數120
6.2.2懸浮顆粒的阻力系數123
6.2.3Reh氣-固兩相接觸操作圖126
6.3流化床的應用130
6.3.1流態化技術發展現狀130
6.3.2流化床化學反應器133
6.3.3流化床物理操作133
6.3.421世紀的流態化技術134
6.4流態化特征與Geldart顆粒分類137
6.4.1流態化基本特征137
6.4.2最小流態化速度138
6.4.3最小鼓泡速度139
6.4.4流態化氣泡特征140
6.4.5Geldart顆粒分類147
6.5流化床化學反應器模擬149
6.5.1流化床反應器模型149
5.5.2氣泡與密相的傳質系數150
6.5.3氣泡與密相傳質系數的實驗結果152
6.5.4氣泡與密相傳質的理論分析152
6.5.5氣泡相與密相的傳質數156
6.5.6顆粒反應動力學160
6.5.7化學反應器的Damkoler數166
6.5.8流化床化學反應器模擬167
習題173
參考文獻174

7粉粒體數值模擬
7.1概述175
7.1.1粉粒體模擬的必要性175
7.1.2粉粒體行為的數值模擬177
7.1.3粉粒體數值模擬課題179
7.2連續介質力學的數值模擬方法179
7.2.1有限差分法179
7.2.2有限元法182
7.3顆粒單元數值模擬方法183
7.3.1數值模擬模型183
7.3.2數值模擬計算187
參考文獻190

8造粒
8.1造粒方法與顆粒尺寸191
8.2火焰CVD造粒192
8.2.1火焰CVD造粒技術192
8.2.2火焰CVD造粒過程模擬196
8.3噴霧造粒205
8.3.1噴霧幹燥造粒205
8.3.2噴霧熱解造粒210
8.4機械化學法造粒技術211
參考文獻215

9粉碎
9.1顆粒的強度217
9.1.1顆粒的理想強度217
9.1.2顆粒強度218
9.2粉碎功221
9.3粉碎極限222
9.4研磨過程動力學223
9.4.1操作參數的影響223
9.4.2粉碎速率常數223
9.4.3粉碎分布系數225
9.4.4研磨過程模擬計算227
參考文獻230

10混合
10.1混合過程機理231
10.2混合度232
10.3取樣及樣品分析234
10.4混合設備235
10.5影響混合的因素237

附錄二維兩組分球形顆粒填充數值模擬計算程序