化工粉体工程单元操作与反应类型

1/7化工粉体工程单元操作与反应类型化工粉体工程单元操作与反应类型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，单元设备的生产效率有较大提高。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移动操作包括混合、输送、给料、包装、存储等单2/7元操作；粒径变化过程包括粉碎、造粒、结晶等过程；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。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。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、窑式本文由论文联盟HTTP/收集整理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化工粉体工程存在的问题及原因3/7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。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、4/7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。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移动操作设备包括混合、输送、给料、包装、存储等单元设备；粒径变化过程设备包括粉碎、造粒、结晶等过程设备；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5/7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。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掌握反应的化学特性、物性数据；依据化学反应动力学确定反应速率、反应时间和收率；根据化工热力学计算反应过程的热量平衡；掌握催化剂的特性，确定反应器的操作极限；6/7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；优化反应器系统操作条件，使反应器体积最小，收率最大；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。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