粉体力学

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课程信息

主讲教师: 刘志军 职称: 教授 学校: 大连理工大学
课程介绍: “粉体力学”课程主要研究粉粒体的力学行为和特性,是研究、开发和设计粉粒体处理单元工艺、工程和设备的重要基础,对过程装备与控制工程专业学生全面掌握流程型工业的过程及装备具有重要的作用。本课程也作为化学工程与工艺、高分子材料、无机非金属材料、制药工程等专业扩充知识面、提高专业能力的必修课程。 “过程装备与控制工程”专业背景 按照国际标准化组织(ISO)的认定,社会经济过程中的全部产品通常分为四类,即硬件产品(hardware)、软件产品(software)和流程性材料产品(processed material)以及服务产品(service)。在21世纪初,我国和世界上各主要发达国家都已经把“先进制造技术”列为自己国家优先发展的战略性高技术之一。通常,先进制造技术主要是指硬件产品的先进制造技术和流程性材料产品的先进制造技术。所谓“流程性材料”则是指以流体(气、液、粉粒体等)形态为主的材料。 过程工业是加工制造流程性材料产品的现代国民经济的支柱产业之一。成套过程装置则是组成过程工业的工作母机群,它通常是由一系列的过程机械和过程装备,按一定的流程方式用管道、阀门等连接起来的一个独立的密闭连续系统,再配以必要的控制仪表和设备,即能平稳连续地把一流体为主的各种流程性材料,让其在装置内部经历必要的物理化学过程,制造出人们需要的新的流程性材料产品。单元过程设备(如塔、换热器、反应器与储罐等)与单元过程机械(如压缩机、泵与分离机等)二者的统称为过程装备。为此,有关涉及流程性材料产品先进制造技术的主要研究发展领域应该包括以下几个方面:①过程原理与技术的创新;②成套装置流程技术的创新;③过程设备与过程机械——过程装备技术的创新;④过程控制技术的创新。持续推进这些技术的创新,就有可能把过程工业需要实现的最佳技术经济指标:高校、节能、清洁和安全不断推向新的技术水平,以确保该产业在国际上的竞争实力。 过程装备技术的创新,其关键首先应着重于装备内件技术的创新,而其内件技术的创新由于过程原理和技术的创新以及成套装置工艺流程技术的创新密不可分,它们互为依托,相辅相成。这一切也是流程性产品先进制造技术与一般硬件产品的先进制造技术的重大区别所在。另外,这两类不同的先进制造技术的理论基础也有着重大的区别,前者的理论基础主要是化学、固体力学、流体力学、热力学、机械学、化学工程与工艺学、电工电子学和信息技术科学等。 “过程装备与控制工程”本科专业在新世界的根本任务是为国民经济培养大批优秀的能够掌握流程性材料产品先进制造技术的高级专业人才。 教学指导委员会以邓小平同志提出的“教育要面向现代化,面向世界,面向未来”的思想为指针,在广泛调查研讨的基础上,分析了国内外化工类与机械类高等教育的现状、存在问题和未来的发展,向教育部提出了把原“化工设备和机械”本科专业改造建设为“过程装备与控制工程”本科专业的总体设想和专业发展规划建议书,与1998年3月获得教育部的正式批准,建立了“过程装备与控制工程”本科专业。以此为契机,教学指导委员会制定了“高等教育面向21世纪‘过程装备与控制工程’本科专业建设与人才培养的总体思路”,要求各院校从转变传统教育思路出发,拓展专业范围,以培养学生素质、知识与能力为目标,以发展先进制造技术作为本专业改革发展的出发点,重组课程体系,在加强通用基础理论与实践环节教学的同时,强化专业技术基础理论的教学,削减专业课程的分量,淡化专业技术教学,从而较大幅度在减少总的授课时数,以加强学生自学、自由探讨和发展的空间,并有利于逐步树立本科学生勇于思考与创新的精神。 粉体力学在专业中的作用及定位 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,由于工程应用广泛连联。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20世纪60~70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。 由于粉体工程涉及了众多的工业领域,粉体涉及了广泛的操作单元,可粗略地概括为粉体的储存、输运、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,得到如下结论: ①2/3工厂的运行负荷小于90%的设计负荷; ②1/3工厂的运行负荷小于60%的设计负荷; ③20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。 本课程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塑性理论和塑粘性流体模型。 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章为超临界流体制备超细粉体,将学科前沿问题之一——超临界技术带入课堂,简单介绍纳米材料的制备技术。 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。 第9章为微细粉体的燃烧和粉尘爆炸,将粉体领域中的一些操作特点引入课堂。

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