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【摘 要】 阐述化工粉体工程的单元操作、反应类型、不同于流体化学工程的特殊性、存在问题及进展情况，并探讨其一般的设计方法。
【关键词】 化工粉体工程；单元操作；设计方法
粉体工程在国民经济各部门中应用较广，其中作为粉体工程主要分支的化工粉体工程的应用，在中国已有3000多年的历史。但作为一门技术，它真正受到重视是在本世纪40年代。
在化工生产过程中，不仅涉及气体、液体物料的处理，还大量涉及固体物料（即粉体）的处理。这些有关固体颗粒的反应、分离、净化、输送等过程及其所用的反应器、分离器及其它设备的研究与设计，相关固体颗粒的化学生产工艺，都是化工粉体工程的研究与设计内容。
经过几十年的努力，目前粉体化学工程的研究与设计达到了新的高度，单元设备的生產效率有较大提高。数学模型方法已用于工业放大，粉体的连续化生产也取得明显进步。但与气体、液体的单元处理过程相比，仍有很大差距，有待进一步研究与实践。
1.化工粉体工程单元操作与反应类型
1.1化工粉体单元操作
化工生产过程中，涉及粉体的单元操作可分为以下三类：
（1）移动操作包括混合、输送、给料、包装、存储等单元操作；
（2）粒径变化过程包括粉碎、造粒、结晶等过程；
（3）分离操作包括筛分、分级、除尘、过滤、沉淀、离心分离、干燥等过程。这些单元操作都包含传质或传热、或动量传递、或化学反应过程，典型的单元操作过滤、沉淀、离心分离、气力输送、干燥、结晶都涉及质量、动量、能量的传递。通常的单元操作沉淀、结晶还伴随着化学反应。
1.2化工粉体反应类型及反应器
化工粉体反应过程一般有以下两种类型：
（1）作为固体催化剂参与反应过程，这类比较普遍，一般的气-固、气-液-固非均相反应系统大都是这一类。
（2）作为固体反应物或产物参与反应过程，即固相非催化反应过程，这一类在水泥、玻璃、冶金等部门应用较广。化工行业如制碱工业中的石灰石煅烧；硫酸生产中的硫铁矿焙烧；炭黑生产中原料油、气的高温裂解等也都是这一类。化工粉体反应过程采用的反应器型式常见的有固定床、流化床、喷流床、淤浆床、窑式的反应器及煅烧炉等，还有近年来发展的化学气相沉积结晶反应器。
2.化工粉体工程存在的问题及进展
2.1化工粉体工程存在的问题及原因
化工生产过程中，有关固体颗粒单元操作的研究与设计还处于低级阶段。与气体、液体相比，固体颗粒较难连续化处理，或是连续化后能量消耗很大、效率低下，因此需解决一些突出的矛盾。如在粉煤燃烧造气、水煤浆气化的连续生产中，粉碎的粒度、筛分过程中的微小差别可能造成后续设备的损坏、堵塞而中断生产过程。目前，全世界用于粉碎固体颗粒的能耗超过总能耗的4%，但最好的粉碎机械效率也只有百分之几，而且随着粉碎粒度的越来越小，效率将越来越低[1]。诸如此类的问题都有待于进一步解决。存在这些问题，不只是研究投入少的原因，还由于固体颗粒处理本身的复杂性所决定。
2.2化工粉体工程进展
随着现代科学技术的发展，人们越来越不满足于依据经验逐级放大的设计方法。由于这种方法阻碍技术体系化与技术进步，故研究者开始进行从颗粒的物理、化学性质入手的化工粉体工程技术研究。同时，由于不同颗粒级别粉体的一些奇妙的物理、化学性质，尤其是微细颗粒、超细颗粒的光、电、磁、热等特性的变化，以及这些性质的广泛应用前景，从而学者们对此兴趣日增[2]。
在工程上，粉体主要的物理、化学性质有：表观重度、粒度分布、摩擦角、磨耗性、附着性、含水率、熔点、单粒子强度、带电性、易燃易爆性、腐蚀性、香气、温度、吸湿性、压缩性等。因此，发展了颗粒形态学、粉体力学、粒度测量技术等。在粉体单元操作上，对移动过程应用了粉体力学；对粒径变化过程应用了速度论；对分离过程应用了粉体流体力学。这些相关学科的发展大大促进了化工粉体工程的技术进步。
3.化工粉体工程设计依据
只涉及粉体的化工生产过程是不存在的，在制碱、化肥、炭黑、涂料、颜料工业等，粉体作业与反应比较普遍，但大多数粉体单元操作分散在各化学品的生产过程中。化工设计是具有普遍性的工程技术，其一般原则不仅适用于气体、液体化学品的生产过程设计，而且适用于粉体化学品的工程设计。因此对工艺设计人员来说，化工粉体工程设计实际上就是单元操作设备的选型、反应器的设计及整体系统的最优化，此外，设计中还必须考虑粉体本身的特殊性。
3.1化工粉体单元操作设计
化工粉体单元操作设备的设计和选型可分为三类：（1）移动操作设备包括混合、输送、给料、包装、存储等单元设备；（2）粒径变化过程设备包括粉碎、造粒、结晶等过程设备；（3）分离操作设备包括筛分、分级、除尘、过滤、沉淀、离心分离、干燥等过程设备。
移动操作组成整个粉体生产的循环系统。粉体移动操作主要是在连续化作业上存在着困难，导致整个生产过程效率低下、质量下降。过程中容易出现凝聚、闭塞、分离和偏析。如成品袋装化肥，在存储、运输过程中，因受堆积重力的压力而溶化、结块，从而影响产品质量。
粒径变化过程是粉体作业的高能耗过程，选择合适的设备与工艺对生产效益有显著影响。对于粉碎过程所要求的粉碎粒度分布很重要，微细粉体有较大的比表面积、表面活性及较好的流动性，便于气力输送，但磨粉机械的固定投资、操作费用都随粒度的减小而增加，这显然存在系统的优化问题。
分离操作主要分为气-固、液-固和固-固系统。对于气-固系统，一般应用于非催化气-固相反应后处理、气力输送后的气-固分离。如在炭黑工业，反应后的系统经惯性收尘、袋式过滤收尘再经文丘里洗涤器洗涤，气体才最后排空。 3.2化工粉体工程反应器的设计
反应器的设计一般遵循以下原则：
（1）掌握反应的化学特性、物性数据；
（2）依据化学反应动力学确定反应速率、反应时间和收率；
（3）根据化工热力学计算反应过程的热量平衡；
（4）掌握催化剂的特性，确定反应器的操作极限；
（5）依据质量、动量传递动力学，根据模型反应器数据取得反应器放大条件；
（6）优化反应器系统操作条件，使反应器体积最小，收率最大；
（7）选择尽可能满足以上条件的实际反应器型式，确定反应器尺寸，优选反应器操作条件。
化工粉体工程反应器的设计也基本遵循以上过程。但实际设计中，常常遇到一些难以预料的变数，如小试研究提供的动力学数据不准确，物性数据误差过大，催化剂活性比预计的低等，这些常常导致设计失误。由于粉体性质的复杂性、易变性，故设计中应考虑粉体性质的变化，使设计的反应器有足够的操作弹性。对于固相非催化反应，掌握反应动力学的模型，对反应器的设计大有帮助[5]。
3.3环境保护和安全生产
对化工粉体工程的环境保护和安全生产，在设计中必须注意三个方面：噪声污染、粉尘污染和粉尘爆炸。粉体作业使用大量的粉碎、筛分、旋风分离机械以及气流输送装置，都造成严重的噪声污染。有的工厂在设计中大量使用减振装置、消声器，也很好地降低噪声污染。但真正解决这个问题，还有待低噪设备的出现。
粉尘爆炸是化工粉体工程设计不容忽视的问题。对于可燃性的粉尘，工艺设计的关键是了解该系统的爆炸极限，避免在生产过程中形成爆炸性混合物。作为工艺设计人员应掌握爆炸极限的计算方法，应用相关爆炸理论来指导工艺设计。虽然工艺设计时考虑到避免爆炸粉尘的形成，但在实际操作时，负压系统导致空气从密封不严密处吸入也有可能，这就需要设计良好的分析系统，以迅速准确地判断粉尘的组成。
参考文献：
[1]坂下攝等著.李克永等译.实用粉体技术.中国建筑出版社，1983
[2]陆厚根.粉体工程导论.同济大学出版社，1993
[3]刘亦武.化肥设计，1997（2）：27
[4] Howard F.Rase著.华东石油学院，北京化工研究院，上海化工设计院译.化学反应器设计（一）.化学工业出版社，1982
[5] Octave Levenspiel著.郑远扬等译.化学反应器.烃加工出版社，1988
【关键词】 化工粉体工程；单元操作；设计方法
粉体工程在国民经济各部门中应用较广，其中作为粉体工程主要分支的化工粉体工程的应用，在中国已有3000多年的历史。但作为一门技术，它真正受到重视是在本世纪40年代。
在化工生产过程中，不仅涉及气体、液体物料的处理，还大量涉及固体物料（即粉体）的处理。这些有关固体颗粒的反应、分离、净化、输送等过程及其所用的反应器、分离器及其它设备的研究与设计，相关固体颗粒的化学生产工艺，都是化工粉体工程的研究与设计内容。
经过几十年的努力，目前粉体化学工程的研究与设计达到了新的高度，单元设备的生產效率有较大提高。数学模型方法已用于工业放大，粉体的连续化生产也取得明显进步。但与气体、液体的单元处理过程相比，仍有很大差距，有待进一步研究与实践。
1.化工粉体工程单元操作与反应类型
1.1化工粉体单元操作
化工生产过程中，涉及粉体的单元操作可分为以下三类：
（1）移动操作包括混合、输送、给料、包装、存储等单元操作；
（2）粒径变化过程包括粉碎、造粒、结晶等过程；
（3）分离操作包括筛分、分级、除尘、过滤、沉淀、离心分离、干燥等过程。这些单元操作都包含传质或传热、或动量传递、或化学反应过程，典型的单元操作过滤、沉淀、离心分离、气力输送、干燥、结晶都涉及质量、动量、能量的传递。通常的单元操作沉淀、结晶还伴随着化学反应。
1.2化工粉体反应类型及反应器
化工粉体反应过程一般有以下两种类型：
（1）作为固体催化剂参与反应过程，这类比较普遍，一般的气-固、气-液-固非均相反应系统大都是这一类。
（2）作为固体反应物或产物参与反应过程，即固相非催化反应过程，这一类在水泥、玻璃、冶金等部门应用较广。化工行业如制碱工业中的石灰石煅烧；硫酸生产中的硫铁矿焙烧；炭黑生产中原料油、气的高温裂解等也都是这一类。化工粉体反应过程采用的反应器型式常见的有固定床、流化床、喷流床、淤浆床、窑式的反应器及煅烧炉等，还有近年来发展的化学气相沉积结晶反应器。
2.化工粉体工程存在的问题及进展
2.1化工粉体工程存在的问题及原因
化工生产过程中，有关固体颗粒单元操作的研究与设计还处于低级阶段。与气体、液体相比，固体颗粒较难连续化处理，或是连续化后能量消耗很大、效率低下，因此需解决一些突出的矛盾。如在粉煤燃烧造气、水煤浆气化的连续生产中，粉碎的粒度、筛分过程中的微小差别可能造成后续设备的损坏、堵塞而中断生产过程。目前，全世界用于粉碎固体颗粒的能耗超过总能耗的4%，但最好的粉碎机械效率也只有百分之几，而且随着粉碎粒度的越来越小，效率将越来越低[1]。诸如此类的问题都有待于进一步解决。存在这些问题，不只是研究投入少的原因，还由于固体颗粒处理本身的复杂性所决定。
2.2化工粉体工程进展
随着现代科学技术的发展，人们越来越不满足于依据经验逐级放大的设计方法。由于这种方法阻碍技术体系化与技术进步，故研究者开始进行从颗粒的物理、化学性质入手的化工粉体工程技术研究。同时，由于不同颗粒级别粉体的一些奇妙的物理、化学性质，尤其是微细颗粒、超细颗粒的光、电、磁、热等特性的变化，以及这些性质的广泛应用前景，从而学者们对此兴趣日增[2]。
在工程上，粉体主要的物理、化学性质有：表观重度、粒度分布、摩擦角、磨耗性、附着性、含水率、熔点、单粒子强度、带电性、易燃易爆性、腐蚀性、香气、温度、吸湿性、压缩性等。因此，发展了颗粒形态学、粉体力学、粒度测量技术等。在粉体单元操作上，对移动过程应用了粉体力学；对粒径变化过程应用了速度论；对分离过程应用了粉体流体力学。这些相关学科的发展大大促进了化工粉体工程的技术进步。
3.化工粉体工程设计依据
只涉及粉体的化工生产过程是不存在的，在制碱、化肥、炭黑、涂料、颜料工业等，粉体作业与反应比较普遍，但大多数粉体单元操作分散在各化学品的生产过程中。化工设计是具有普遍性的工程技术，其一般原则不仅适用于气体、液体化学品的生产过程设计，而且适用于粉体化学品的工程设计。因此对工艺设计人员来说，化工粉体工程设计实际上就是单元操作设备的选型、反应器的设计及整体系统的最优化，此外，设计中还必须考虑粉体本身的特殊性。
3.1化工粉体单元操作设计
化工粉体单元操作设备的设计和选型可分为三类：（1）移动操作设备包括混合、输送、给料、包装、存储等单元设备；（2）粒径变化过程设备包括粉碎、造粒、结晶等过程设备；（3）分离操作设备包括筛分、分级、除尘、过滤、沉淀、离心分离、干燥等过程设备。
移动操作组成整个粉体生产的循环系统。粉体移动操作主要是在连续化作业上存在着困难，导致整个生产过程效率低下、质量下降。过程中容易出现凝聚、闭塞、分离和偏析。如成品袋装化肥，在存储、运输过程中，因受堆积重力的压力而溶化、结块，从而影响产品质量。
粒径变化过程是粉体作业的高能耗过程，选择合适的设备与工艺对生产效益有显著影响。对于粉碎过程所要求的粉碎粒度分布很重要，微细粉体有较大的比表面积、表面活性及较好的流动性，便于气力输送，但磨粉机械的固定投资、操作费用都随粒度的减小而增加，这显然存在系统的优化问题。
分离操作主要分为气-固、液-固和固-固系统。对于气-固系统，一般应用于非催化气-固相反应后处理、气力输送后的气-固分离。如在炭黑工业，反应后的系统经惯性收尘、袋式过滤收尘再经文丘里洗涤器洗涤，气体才最后排空。 3.2化工粉体工程反应器的设计
反应器的设计一般遵循以下原则：
（1）掌握反应的化学特性、物性数据；
（2）依据化学反应动力学确定反应速率、反应时间和收率；
（3）根据化工热力学计算反应过程的热量平衡；
（4）掌握催化剂的特性，确定反应器的操作极限；
（5）依据质量、动量传递动力学，根据模型反应器数据取得反应器放大条件；
（6）优化反应器系统操作条件，使反应器体积最小，收率最大；
（7）选择尽可能满足以上条件的实际反应器型式，确定反应器尺寸，优选反应器操作条件。
化工粉体工程反应器的设计也基本遵循以上过程。但实际设计中，常常遇到一些难以预料的变数，如小试研究提供的动力学数据不准确，物性数据误差过大，催化剂活性比预计的低等，这些常常导致设计失误。由于粉体性质的复杂性、易变性，故设计中应考虑粉体性质的变化，使设计的反应器有足够的操作弹性。对于固相非催化反应，掌握反应动力学的模型，对反应器的设计大有帮助[5]。
3.3环境保护和安全生产
对化工粉体工程的环境保护和安全生产，在设计中必须注意三个方面：噪声污染、粉尘污染和粉尘爆炸。粉体作业使用大量的粉碎、筛分、旋风分离机械以及气流输送装置，都造成严重的噪声污染。有的工厂在设计中大量使用减振装置、消声器，也很好地降低噪声污染。但真正解决这个问题，还有待低噪设备的出现。
粉尘爆炸是化工粉体工程设计不容忽视的问题。对于可燃性的粉尘，工艺设计的关键是了解该系统的爆炸极限，避免在生产过程中形成爆炸性混合物。作为工艺设计人员应掌握爆炸极限的计算方法，应用相关爆炸理论来指导工艺设计。虽然工艺设计时考虑到避免爆炸粉尘的形成，但在实际操作时，负压系统导致空气从密封不严密处吸入也有可能，这就需要设计良好的分析系统，以迅速准确地判断粉尘的组成。
参考文献：
[1]坂下攝等著.李克永等译.实用粉体技术.中国建筑出版社，1983
[2]陆厚根.粉体工程导论.同济大学出版社，1993
[3]刘亦武.化肥设计，1997（2）：27
[4] Howard F.Rase著.华东石油学院，北京化工研究院，上海化工设计院译.化学反应器设计（一）.化学工业出版社，1982
[5] Octave Levenspiel著.郑远扬等译.化学反应器.烃加工出版社，1988