過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)英語(yǔ)翻譯.doc

Unit 4 回轉(zhuǎn)殼體的薄膜應(yīng)力回轉(zhuǎn)殼體是由一條直線或曲線繞一根旋轉(zhuǎn)形成的（一個(gè)回轉(zhuǎn)實(shí)體是由一個(gè)面繞一根軸旋轉(zhuǎn)而成的）。大多數(shù)過(guò)程容器是由回轉(zhuǎn)殼體組成的：圓柱形和圓錐形部件；半球形，橢圓形和準(zhǔn)球形的封頭；圖.1.13。薄的容器壁被稱為“薄膜”；承受載荷不引起嚴(yán)重的彎曲和過(guò)大的剪切應(yīng)力；就象氣球的外壁一樣。對(duì)受內(nèi)壓回轉(zhuǎn)殼的薄膜應(yīng)力分析為確定容器殼體最小壁厚奠定了基礎(chǔ)。實(shí)際的厚度要求同樣取決于容器所承受的載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力。假設(shè)大致形狀如圖1.14的回轉(zhuǎn)殼體在載荷作用下做對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)；在殼體單位面積上所受的載荷（壓力）在周向方向是一致的，但是從頂部到底部并不是一模一樣的。讓P=壓力t = 殼體的厚度 = 經(jīng)向應(yīng)力（縱向應(yīng)力），應(yīng)力沿著經(jīng)線作用， = 周向或者切向應(yīng)力，應(yīng)力沿著平行的圓環(huán)作用（通常叫做環(huán)向應(yīng)力）， = 經(jīng)向曲率半徑， = 環(huán)向曲率半徑。 注意：容器有雙曲率；r1 和r2的值是由形狀決定的。假設(shè)作用在單元上的力通過(guò)點(diǎn)a，b，c，d來(lái)定義。那么在單元上的應(yīng)力的法向分量（分力作用在和表面有特定角度的方向）： 這個(gè)力被其它力的法向分量抵消與容器壁上的薄膜應(yīng)力相關(guān)聯(lián)（給出，力=應(yīng)力面積）：將上面等式左右連接并且簡(jiǎn)化，取極限方法令d/2dS/2r，sindd，給出：經(jīng)向應(yīng)力可通過(guò)作用在周向沿線的力的平衡獲得：圖1.14。壓力垂直分量：這是一種通過(guò)力的垂直分量建立的平衡，取決于作用在壓力容器外壁圓周上的經(jīng)向應(yīng)力：連接這些力得出： （1.13）公式（1.12）和（1.13）完全適用于任何回轉(zhuǎn)殼體。圓柱體（圖1.15a）圓柱是由平行于回轉(zhuǎn)軸的一條線旋轉(zhuǎn)而得，所以：D是圓柱的直徑。帶入公式（1.12）（1.13）得：球體（圖1.15b）因此：圓錐體：圓錐體是由和軸有一定角度的直線旋轉(zhuǎn)而成。帶入公式（1.12）和（1.13）得：最大值將會(huì)發(fā)生在 r = /2 。Unit 7 材料的特性用于工程構(gòu)件的任何一種材料的最終強(qiáng)度取決于這種材料在經(jīng)歷了一種或多種不同加工過(guò)程之后的機(jī)械與物理性質(zhì)。也有許多特性決定材料的初始狀態(tài)適合一些特定的加工工藝。原始材料的最初強(qiáng)度很重要，因?yàn)閺?qiáng)度在一定程度上影響了材料最終被加工的形狀以及最后所能承受的截面能力。增加或者降低初始材料的強(qiáng)度的因素也很重要。它可用于減小材料的強(qiáng)度并如許現(xiàn)有機(jī)器下將材料加工成一定形狀?；蛘咦鳛檫x擇去提高材料最終的強(qiáng)度來(lái)得到更高的服務(wù)強(qiáng)度。強(qiáng)度是一個(gè)不明確的詞匯，在這被理解為指示出材料接受或抵抗變形的能力。一個(gè)類似的問(wèn)題也適用于另一個(gè)甚至更難以捉摸的材料性質(zhì)，即材料的韌性。它通常被理解為指的是材料承受大變形（主要是拉伸變形）而不發(fā)生斷裂的能力。在考慮加工工藝，這個(gè)參量的大部分值很明顯是很有用的。金屬加工工藝只受到實(shí)際工作材料的韌性影響而受到限制，所以，強(qiáng)加到材料上的大量變形必須被限制為了防止材料斷裂。然而一些與韌性相反的加工工藝卻是有利的。一個(gè)適合的一般性的詞匯來(lái)解釋脆性可能就是脆性了；例如，眾所周知某些脆性材料比韌性材料容易加工或剪切。主要是制造過(guò)程中各種材料性質(zhì)的相互關(guān)系，例如強(qiáng)度與韌性等，影響著生產(chǎn)工藝。例如，一個(gè)很普通的常識(shí)大多數(shù)金屬當(dāng)受熱時(shí)將會(huì)變軟和更容易變形。如果變形的速度太快，然而，這種優(yōu)勢(shì)會(huì)消失，材料會(huì)變的更硬更脆，過(guò)快的變形會(huì)導(dǎo)致斷裂。這些效果的事件和重要性在某重程度上取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)，所以金屬冶金學(xué)的知識(shí)或者相應(yīng)的非金屬微觀結(jié)構(gòu)對(duì)于理解這本書的許多學(xué)科是十分必要的，又叫做材料的強(qiáng)度。這章開(kāi)始討論的目的，實(shí)際上，是為了指出這些材料的性質(zhì)在加工過(guò)程中和加工過(guò)程之后都重要，為了了解它們?yōu)槭裁催@么重要，它們?cè)趺礃佑绊懠庸すに嚨?。很明顯我們必須要有比強(qiáng)度、韌性更精確的詞匯，在這章考慮了一些標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械測(cè)試是為了了解是否有必要定義一些更精確的概念。當(dāng)然，為了了解它很有必要掌握塑性數(shù)學(xué)理論或理想介質(zhì)的流變學(xué)理論。一旦多種重要的加工性質(zhì)被定義和理解，那么我們有必要去考慮這些知識(shí)怎樣被使用去控制工藝和生產(chǎn)，這些性質(zhì)怎么樣被不同的加工工藝影響。用這種方法我們可以很容易確定對(duì)一個(gè)給定的元件和材料的一個(gè)合適的方法最后給出最后的形狀，要求的強(qiáng)度和性質(zhì)。因此我們可以理解為什么傳統(tǒng)的學(xué)科中的材料強(qiáng)度如此重要，不僅是因?yàn)樗c任何工程工件和材料的最終條件有關(guān)，也和最終變形前的材料有關(guān)。例如，可能會(huì)和考慮形狀改變有關(guān)或者加工工件的材料去適合生產(chǎn)技術(shù)。這些問(wèn)題超出的這本書的研究范圍，并且可能屬于在加工設(shè)計(jì)或者加工工程中更專業(yè)的領(lǐng)域。制造的成本自始至終，即從規(guī)定元件要在一定壽命期間滿足一定的功能開(kāi)始，直到最后的檢驗(yàn)、試驗(yàn)和保用，都是最重要的。整個(gè)加工工藝包括工件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，特別是影響材料的最終強(qiáng)度。在加工中有一些物理和化學(xué)的性質(zhì)影響著材料的選擇和處理。一個(gè)物理性質(zhì)是傳熱率去影響當(dāng)它在材料內(nèi)部變形和冷卻硬化的時(shí)候的熱流量。同樣的，眾所周知的例子，是一個(gè)重要的抵抗腐蝕的性質(zhì)。它的重要性在生產(chǎn)的最終階段很明顯，它在加工工藝過(guò)程中也很重要，因?yàn)樗袝r(shí)影響表面膜的形成，從而影響潤(rùn)滑性，或是導(dǎo)熱和導(dǎo)電的能力。Unit 10 金屬的腐蝕化工廠，伴隨著大量多種的氣態(tài)，有機(jī)的和氣態(tài)的腐蝕，產(chǎn)生每種可想象的腐蝕類型。控制 設(shè)備的腐蝕在沒(méi)有化學(xué)過(guò)程的情況下是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。煉油廠在腐蝕控制方面具有最好聲譽(yù)，這部分地是由于其產(chǎn)品的價(jià)值給了煉油廠以資金來(lái)進(jìn)行腐蝕控制，部分地也是由于對(duì)煉油廠來(lái)說(shuō)如果任何一項(xiàng)腐蝕控制措施出現(xiàn)問(wèn)題的話，都存在發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)。抵抗腐蝕的材料和昂貴的化學(xué)抑制劑被認(rèn)為是必要的保障。 什么是腐蝕？腐蝕是金屬由于和環(huán)境反應(yīng)而產(chǎn)生的破壞。破壞的規(guī)定是不包括工藝在內(nèi)的，比如化學(xué)藥品的研磨、鋁的陽(yáng)極反應(yīng)，和鋼的發(fā)藍(lán)，這些都是有意識(shí)的去改善金屬。所有種類的化學(xué)和電化學(xué)過(guò)程在工業(yè)上被用做和金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但是它們被設(shè)計(jì)出來(lái)是用于改善金屬而不是去破壞它。因此這些過(guò)程不認(rèn)為是腐蝕。金屬在腐蝕的定義中被涉及到，但是任何一種材料都能被它的環(huán)境破壞：塑料在溶劑中膨脹，混凝土在污水中的溶解，木頭的腐爛，等等。這些結(jié)果都是不同機(jī)理產(chǎn)生的嚴(yán)重問(wèn)題。但是在這個(gè)定義中它們不被包括。金屬，他們是否在腐蝕中被侵襲的均勻或者有紋孔或者開(kāi)裂，被腐蝕都是通過(guò)相同的基本機(jī)理，它們不同與其他的材料。這些試驗(yàn)集中在金屬上。腐蝕對(duì)于金屬來(lái)說(shuō)是個(gè)自然過(guò)程，因?yàn)樗鼈兣c環(huán)境反應(yīng)生成更穩(wěn)定的化合物。即使是在一個(gè)材料選擇總是正確的、設(shè)備設(shè)計(jì)沒(méi)有任何缺陷并且操作也沒(méi)有任何錯(cuò)誤的理想世界中，腐蝕仍將發(fā)生，只不過(guò)是可以接受的腐蝕速率罷了。腐蝕的代價(jià)。看看真實(shí)的腐蝕是怎樣的，許多國(guó)家的政府在1970年和1980年委托研究，得到了許多數(shù)據(jù)說(shuō)明腐蝕的確是大多數(shù)的主要問(wèn)題。美國(guó)的研究估計(jì)腐蝕的直接損失是工業(yè)產(chǎn)值的4.9%對(duì)于工業(yè)化國(guó)家來(lái)說(shuō)。這4.9%中，大概1%到2%是可以通過(guò)現(xiàn)在的技術(shù)避免的，大概是每人每年200美元的浪費(fèi)。直接成本包括零件、勞動(dòng)力代替汽車的消聲器，金屬的頂板，冷凝管，和所有其他的可腐蝕的金屬。一部完整的機(jī)器不得不被報(bào)廢由于小部件的腐蝕。單單汽車腐蝕每年就值16億。直接成本包括金屬的重新噴漆，雖然這筆費(fèi)用不同于安裝精確的部件，因?yàn)樵S多金屬表面噴漆是防止腐蝕。腐蝕防護(hù)的成本也包括例如陰極保護(hù)的投資成本、其電力消耗和維修成本、化學(xué)緩蝕劑的成本以及抗腐蝕材料的附加成本等。間接費(fèi)用更難以確定，盡管他們可能至少對(duì)一樣大的直接費(fèi)用進(jìn)行了調(diào)查。間接費(fèi)用包括工廠停產(chǎn)，損失或污染的產(chǎn)品，喪失效率，對(duì)于防腐需要進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)，大約20 的電子故障是由腐蝕造成的。腐蝕導(dǎo)致了我們一個(gè)非常現(xiàn)實(shí)的代價(jià)就是資源枯竭，但是這不是算作直接費(fèi)用。據(jù)估計(jì)， 40 的鋼鐵生產(chǎn)用以取代鋼材腐蝕損失，許多金屬，特別是例如鉻和鎳等那些制造合金時(shí)所必需的金屬，都不能通過(guò)當(dāng)代技術(shù)進(jìn)行可回收利用。能源資源也降低腐蝕，因?yàn)槟茉幢仨氂糜谏a(chǎn)替代金屬。人力資源是一種浪費(fèi)，擁有時(shí)間和智慧的許多工程師和技術(shù)人員必須在日常斗爭(zhēng)腐蝕。往往腐蝕工作分配給新的工程師或技術(shù)員，因?yàn)樗且环N快速的方法為他/她去了解的人，工廠運(yùn)作，它的問(wèn)題。然后，如果他們會(huì)得到進(jìn)步以及與另一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)員已經(jīng)重新開(kāi)始學(xué)習(xí)周期。PART 工業(yè)流程Unit 11 化學(xué)工程1. 什么是化學(xué)工程？從廣義上講，工程被定義為特定行業(yè)使用的科學(xué)技術(shù)和設(shè)施，例如，機(jī)械工程是指技術(shù)和設(shè)施被用來(lái)制造及其，它（機(jī)械工程）主要是以機(jī)械力基礎(chǔ)，這些力用于改變被加工材料的表面形狀或物理性質(zhì)，而材料的化學(xué)性質(zhì)不變?；瘜W(xué)工程包括材料的化學(xué)加工，主要以化學(xué)和物理化學(xué)的高度復(fù)雜性為基礎(chǔ)。 因此，化學(xué)工程是注重設(shè)計(jì)，制造，機(jī)械設(shè)備操作，化學(xué)加工工業(yè)機(jī)械等要就工程領(lǐng)域的分支。 化學(xué)工業(yè)是首先以化學(xué)科學(xué)為基礎(chǔ)，例如物理化學(xué)，化學(xué)熱力學(xué)，和化學(xué)動(dòng)力學(xué)。等等，然而，它（化學(xué)工程）不是簡(jiǎn)單的復(fù)制他們的發(fā)現(xiàn)，而是依靠他們進(jìn)行大量的化學(xué)處理。主要的目的是使化學(xué)工程成為一門純粹的學(xué)科，是一種能夠找到一種操作和設(shè)計(jì)商業(yè)設(shè)備及配件最適合最經(jīng)濟(jì)的方案。因此，化學(xué)工程在沒(méi)有經(jīng)濟(jì)，物理，數(shù)學(xué)，控制理論，機(jī)械原理，和其他科學(xué)技術(shù)的緊密聯(lián)系是不可想象的。 在化學(xué)工程的早期，化學(xué)工程是一門大的描述性的學(xué)科。在那時(shí)許多的早期的化學(xué)工程的教科書和手冊(cè)都是百科全書一樣商業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所知道。在科學(xué)和工業(yè)制造取得進(jìn)展并在增加化學(xué)制品的數(shù)量上給人印象深刻。如今，是有充當(dāng)?shù)?0，000種化學(xué)品的生產(chǎn)來(lái)源。化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，一方面使化學(xué)和技術(shù)科學(xué)向前發(fā)展，另一方面可為化學(xué)加工工藝奠定理論基礎(chǔ)。 隨著化學(xué)工程的穩(wěn)步向前發(fā)展，新的數(shù)據(jù)，新的聯(lián)系，新的歸納正在被加入化學(xué)工程的主題。許多他們自己的分支區(qū)別化學(xué)工程的主流。正如加工和機(jī)械設(shè)計(jì)，自動(dòng)化，化學(xué)模擬加工和建模等等。 2. 化學(xué)工程的基本趨勢(shì)？化學(xué)工程一直被用來(lái)加工工業(yè)來(lái)改變?cè)系奈锢頎顟B(tài)或化學(xué)成分?；瘜W(xué)工程師所研究問(wèn)題的傳統(tǒng)范圍，從復(fù)雜性和規(guī)模上來(lái)講，也許都可以稱之為是中等尺度的問(wèn)題。這種尺度包含反應(yīng)器和單一工序的裝備以及制造工廠里單位操作的組合體。未來(lái)的中等尺度研究將越來(lái)越多地有微觀尺度的研究和極端復(fù)雜系統(tǒng)的宏觀尺度的研究來(lái)補(bǔ)充?；瘜W(xué)工程將來(lái)會(huì)整合成比其他任何工程領(lǐng)域分支都寬尺度（的工程學(xué)科）。例如，一些工作可能把宏觀尺度的環(huán)境和中間尺度的燃燒系統(tǒng)和微觀尺度的分子反應(yīng)和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。另一些工作可能把一個(gè)復(fù)合的飛行器的宏觀尺度的性能和中間尺度的機(jī)翼的化學(xué)反應(yīng)器以及反應(yīng)器的布局將受復(fù)雜液體的微觀動(dòng)力學(xué)研究的影響。如此，將來(lái)化學(xué)工程將會(huì)構(gòu)想和在微觀到宏觀的連續(xù)的尺度范圍內(nèi)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕鉀Q問(wèn)題。他們將會(huì)新的工具和新的觀察發(fā)現(xiàn)以及研究其他學(xué)科：分子生物學(xué)，化學(xué)，固體物理，材料科學(xué)，和電子工程。并且他們?cè)谥圃旌瓦^(guò)程設(shè)計(jì)和加工方面將會(huì)越來(lái)越多的用計(jì)算機(jī)，人們的智慧，以及解決問(wèn)題的專門的系統(tǒng)。(Selecled from A.M, Kutepov, Basic Chemical Engineering, Mire Publishers. 1988. ) ( * Selected from: Frontiers in Chemical Engineering: Research Needs and Opportunities, National Academy Press. 1988. )Unit 12 工業(yè)制造的傳遞現(xiàn)象1. 引言傳遞現(xiàn)象是一個(gè)共有的名詞來(lái)源于有規(guī)則的集成研究的三個(gè)古典的工程領(lǐng)域的學(xué)科；（1）能量或熱傳動(dòng)，（2）質(zhì)量傳遞或擴(kuò)散（3）動(dòng)量傳遞或流體動(dòng)力學(xué)。當(dāng)然，熱和質(zhì)量傳遞發(fā)生在流體中，正是由于這個(gè)原因一些工程研究人員們青睞于熱傳導(dǎo)和固體擴(kuò)散，然而，這個(gè)學(xué)科實(shí)際上是比流體力學(xué)的范圍更廣。該學(xué)科不同于流體力學(xué)之處還在于傳遞現(xiàn)象的研究利用了傳熱，傳質(zhì)，和動(dòng)量傳遞方程之間的相似性。這些相似性，隨著它們經(jīng)常被提起，能夠經(jīng)常涉及到相似的物理構(gòu)造借以發(fā)生傳送，因而，明白一個(gè)傳送過(guò)程就可以明白另一個(gè)傳送過(guò)程。而且，如果微分方程和邊界條件都相同，則僅需對(duì)其中一個(gè)（傳遞）過(guò)程求解，因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變名稱，該解可用作任何其他傳遞過(guò)程的解。 需要強(qiáng)調(diào)的是，然而，在傳遞過(guò)程中有很多相似之處，也有很重要的不同之處，尤其在動(dòng)量傳動(dòng)，和熱或質(zhì)量傳遞。盡管如此，一個(gè)對(duì)傳遞過(guò)程相似之處有系統(tǒng)的研究會(huì)使識(shí)別和明白他們的不同之處變得更加簡(jiǎn)單。2. 為什么工程師要研究傳遞現(xiàn)象？自從這門學(xué)科涉及到一些自然規(guī)律，一些人把它歸類為工程方面的一個(gè)分支。這如這些原因一些參與經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)和設(shè)備操作以及技能方面的工程師，十分適當(dāng)?shù)靥岢鰝鬟f現(xiàn)象將會(huì)在實(shí)踐中體現(xiàn)價(jià)值。大致有兩種答案回答這些問(wèn)題。第一種要要求認(rèn)識(shí)熱，質(zhì)量，動(dòng)量等傳遞發(fā)生在各種工程設(shè)備中，熱交換器，壓縮機(jī)，核電站，增濕機(jī)，空氣冷卻器，干燥器，分餾器，減震器等等。這些傳遞過(guò)程也參與到人體當(dāng)中就像在復(fù)雜得過(guò)程憑借污染物質(zhì)的其反應(yīng)擴(kuò)散到大氣中。如果工程師想要了解在工程裝備中所發(fā)生的情況，并就造作的經(jīng)濟(jì)性做出明智的決策，那么他們應(yīng)該對(duì)控制這些傳遞過(guò)程的物理定律有所理解，這一點(diǎn)很重要。第二中答案是工程師們需要能夠用他們對(duì)自然規(guī)律的理解來(lái)設(shè)計(jì)這些正在發(fā)生的裝備過(guò)程。這樣做他們必須預(yù)測(cè)出熱，質(zhì)量或動(dòng)量等傳遞的比率。例如，考察一個(gè)簡(jiǎn)單的換熱器，即一根管子，通過(guò)保持器壁溫高于流過(guò)管內(nèi)的流體溫度，即可加熱流體。這個(gè)比率通過(guò)管壁傳熱給流體的依靠的因素叫做熱傳遞系數(shù)這是在進(jìn)行昂貴的實(shí)驗(yàn)室或試驗(yàn)工廠測(cè)量后以及通過(guò)相關(guān)度量的以觀察或?qū)嶒?yàn)為依據(jù)的方程式所獲得的。這些方程式在一定范圍內(nèi)適合一些數(shù)據(jù)的方程式；它們不是建立在原理的基礎(chǔ)上，也不能用在已經(jīng)獲得數(shù)據(jù)的精確度意外的問(wèn)題上。更便宜的而且一般更可靠的方程式被用在傳遞現(xiàn)象來(lái)預(yù)測(cè)傳熱系數(shù)通過(guò)以自然規(guī)律為基礎(chǔ)的方程式。這些預(yù)測(cè)的結(jié)果將會(huì)通過(guò)一個(gè)研究工程師計(jì)算一些方程式（通常是用計(jì)算機(jī)）后獲得的。一個(gè)設(shè)計(jì)工程師將會(huì)用這些方程式是研究型的工程師獲得傳熱系數(shù)。記住設(shè)計(jì)熱交換器的工作一樣也是不管如何要先得到傳熱系數(shù)。由于這個(gè)原因，一些傳遞現(xiàn)象的課程僅僅強(qiáng)調(diào)傳熱系數(shù)的確定和實(shí)際的單元操作課程的設(shè)計(jì)水平。當(dāng)然獲得參數(shù)也是很重要的，熱傳遞系數(shù)被用作設(shè)計(jì)，也正是由于這些原因一個(gè)傳遞課程可以被認(rèn)為是一個(gè)工程課程就像是一門學(xué)科。事實(shí)上，有一些設(shè)計(jì)的工程師可以用這個(gè)方法和傳遞想象的方程式直接用于設(shè)備的設(shè)計(jì)的例子。一個(gè)例子就是一個(gè)作為一個(gè)管子說(shuō)明的管子型的反應(yīng)器，這個(gè)熱交換器伴隨著均相化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在里面會(huì)描述的早些，流體以某種反應(yīng)物濃度進(jìn)入管子，而以減小了的反應(yīng)物濃度和提高了的產(chǎn)品濃度排除管子。當(dāng)然，不是所有的問(wèn)題今天都可以用這種方式解決。然而，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，越來(lái)越多的問(wèn)題將會(huì)用這種方法解決。如果工程學(xué)的學(xué)生接受教育沒(méi)有變得過(guò)時(shí)，那他們必須做好思想準(zhǔn)備，同伙理解傳遞現(xiàn)象的一種方法，應(yīng)用計(jì)算機(jī)將會(huì)創(chuàng)造未來(lái)。因?yàn)樗芯薮蟮臐摿φ袼膽?yīng)用的趨勢(shì)，傳遞現(xiàn)象的課程將會(huì)最終證明這是在大學(xué)生涯最實(shí)際而且有用的的課程。(Selected from: Ray W. Fahien. Fundamentals of Transport Phenomena, McGraw-Hill, 1983. )Unit 13傳熱原理實(shí)際的全部的已完成的操作都有化學(xué)工程參與生產(chǎn)或以熱的形式吸收能量。因此，控制傳熱的定律和以控制熱流為主要目的的儀器類型都是很重要的。1. 自然的熱流動(dòng)當(dāng)兩個(gè)不同溫度的物體進(jìn)行接觸時(shí)，熱量會(huì)有溫度高的物體流到溫度地的物體。這種流動(dòng)經(jīng)常朝著溫度下降的方向，熱的流動(dòng)有三種途徑：傳導(dǎo)，對(duì)流，和輻射。傳導(dǎo) 如果一個(gè)連續(xù)的實(shí)體中存在著溫度變化，熱量可能流動(dòng)不伴隨物質(zhì)的任何運(yùn)動(dòng)。熱量的這種流動(dòng)叫做傳導(dǎo)。在金屬體中，熱傳遞的結(jié)果來(lái)自自由電子的運(yùn)動(dòng)，所以熱傳遞和電的傳導(dǎo)率很相似。在電的傳導(dǎo)率低的實(shí)體中，在大多數(shù)的液體中，熱傳導(dǎo)的結(jié)果伴隨著溫度變化的分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量。氣體的傳導(dǎo)發(fā)生在任意的運(yùn)動(dòng)的分子，所以熱是一種擴(kuò)散從高溫地區(qū)傳導(dǎo)低溫地區(qū)。區(qū)普通的傳導(dǎo)的例子就是熱在不透明的物體中流動(dòng)，就像火爐里的磚墻或是管子的金屬壁。對(duì)流 當(dāng)一個(gè)宏觀的液體微粒穿過(guò)一個(gè)特定的表面，例如一個(gè)固定容積的范圍內(nèi)，它帶有確定數(shù)目的焓。這樣的焓的流動(dòng)來(lái)自連續(xù)的熱的流動(dòng)或者簡(jiǎn)單的對(duì)流。由于對(duì)流是一種宏觀現(xiàn)象，因此，只有當(dāng)力作用在微團(tuán)或液流上且該力能夠克服摩擦力并維持其運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種傳遞現(xiàn)象才能發(fā)生。對(duì)流的一個(gè)例子是焓的變化由于湍流流動(dòng)和由于熱的空氣流過(guò)普通的冷卻器。自然和強(qiáng)制對(duì)流 強(qiáng)制對(duì)流在液體中有兩種形式，如果這種趨勢(shì)的原因是密度不同和液體中溫度變化引起的密度不同所產(chǎn)生的浮力。這個(gè)作用叫做自然對(duì)流。流動(dòng)的空氣穿過(guò)加熱的冷卻器就是自然對(duì)流的一個(gè)例子。如果這個(gè)氣流產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)被機(jī)械力的作用分開(kāi)如泵和攪拌器，這種流動(dòng)域密度的變化程度無(wú)關(guān)叫做強(qiáng)制對(duì)流。熱流動(dòng)由液體被泵入以個(gè)加熱的管子就是強(qiáng)制對(duì)流的例子。這兩種力有可能同時(shí)在同一種液體中作用，這是自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流共同作用。輻射 輻射是一個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)自于能量以電磁波的形式穿過(guò)空間，如果輻射正在穿過(guò)空的空間，它不會(huì)改變熱或其它任何形式的能量。也不會(huì)使它偏離原來(lái)的路徑。然而。在它自己的路徑中，輻射將會(huì)被傳播，被反射或者被吸收。它僅通過(guò)吸收能量來(lái)產(chǎn)生熱量，這種改變是數(shù)量上的，例如，融化的石英傳播所有的輻射當(dāng)它受到打擊是；一個(gè)磨亮的不透明的表面將會(huì)吸收大多數(shù)的輻射，并將會(huì)改變這樣吸收能量數(shù)量上的在熱中。單元子和雙原子氣體對(duì)熱射線是可以通過(guò)的，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)熱經(jīng)過(guò)某種氣體團(tuán)是，它可以通過(guò)輻射的方式也可以傳導(dǎo)。例子是；從散熱器或未保溫的蒸汽管道向周圍環(huán)境氣體損失熱量在熔爐傳熱以及其它高溫氣體加熱損失。這兩個(gè)機(jī)制是互相獨(dú)立并且是并行產(chǎn)生的。所以一種類型的熱流動(dòng)可以被控制或與其它獨(dú)立的。傳熱，對(duì)流和輻射都被分開(kāi)和避免相互間造成影響二者都很重要。在一般的條件下，射線變得重要并與液體流動(dòng)的情況無(wú)關(guān)。傳熱傳導(dǎo)它們對(duì)流動(dòng)狀態(tài)是非常敏感的收溫度影響的。2. 傳熱率熱通量 傳熱計(jì)算是基于熱的傳熱表面的面積用平方英尺每小時(shí)的單位表示。每單位面積的傳熱率叫做熱通量。許多類型的傳熱裝備都是用管子構(gòu)成的。熱通量也可以在內(nèi)表面上，或者在管子的外表面。盡管這個(gè)選擇是隨意的，但它必須得明確的規(guī)定因?yàn)闊嵬康闹匾臄?shù)值是不同的。流體流動(dòng)的平均溫度 當(dāng)一個(gè)流體正在變熱或者變冷時(shí)，流體橫截面的溫度會(huì)變化。如果流體被加熱，流體靠近加熱表面的溫度最高，中心外溫度逐漸降低，如果流體被冷卻，流體靠近冷卻表面的溫度最低，從中心到表面溫度組件升高。應(yīng)為這個(gè)溫度變化遍及整個(gè)流體的橫截面。為了明確，我們必須指出，流體的溫度是指什么。大家一致認(rèn)為，流束的溫度就是假設(shè)把流過(guò)所研究截面的全部流束取出并絕熱混合后所達(dá)到的均勻溫度。這個(gè)溫度所以明確的叫做平均或流體混合溫度。(Selected from: Warren L. McCabe, Unit Operations of Chemical Engineering, 5th Edition, McGraw-Hill Inc., 1993. )Unit 14化學(xué)工程的單元操作1. 介紹化學(xué)加工可以包含各種各樣的不同的過(guò)程順序，它的原理是獨(dú)立于我們的操作的材料和操作的系統(tǒng)，把復(fù)雜的工藝過(guò)程分解成單個(gè)的物理過(guò)程（即單元操作）和多種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的實(shí)踐，導(dǎo)致了化學(xué)工程的通用性。單元操作的觀念在化學(xué)工程是基于不同的過(guò)程步驟可以減少簡(jiǎn)單操作或反應(yīng)，而這些反應(yīng)在不考慮操作條件下有同樣的基本反應(yīng)。這個(gè)原則，在美國(guó)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展過(guò)程中變得明顯，在1915年早些首次變得明顯。任何一個(gè)化學(xué)過(guò)程，無(wú)論所操作規(guī)模大小，可以被分解成單元作用的同等的一些系列，像粉碎，混合，加熱，烘干，吸取，濃縮，析出，沉淀，結(jié)晶，過(guò)濾，溶解，電解等等?；締卧僮鞯臄?shù)量不是很大而且只有很少幾個(gè)包含特定的操作，化學(xué)工程的復(fù)雜性源于各種條件如溫度，壓力等的多樣性。由于條件的變化，單元作用就必須在不同的過(guò)程中完成。同時(shí)化學(xué)工程的復(fù)雜性還受到由反應(yīng)物的物理及化學(xué)性質(zhì)所決定的結(jié)構(gòu)材料和設(shè)備設(shè)計(jì)的影響。單元操作的開(kāi)始清單列舉了十二個(gè)功能，不是所有的都包含單元操作。再增加的都會(huì)命名，在那些年處于適中的比率但是最近在一個(gè)加速的比率。流體流動(dòng)，熱傳遞，蒸餾，加濕，氣體吸收，沉積，分類，攪拌，和離心過(guò)濾已經(jīng)被公認(rèn)。最近幾年，新技術(shù)逐漸被理解，比較適用于過(guò)去但很少使用分離技術(shù)這導(dǎo)致了分離，處理，操作或者是介入制造的數(shù)量上的持續(xù)增長(zhǎng)，這些可用于沒(méi)有重大改變的各種進(jìn)程。這是根據(jù)一個(gè)術(shù)語(yǔ)”單元操作”，現(xiàn)在為我們提供了、一系列的技術(shù)合作。2. 單元操作的分類流體流動(dòng) 這涉及的原則，確定流動(dòng)或運(yùn)輸任何流體從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)。傳熱 這個(gè)單元操作處理的原則是，積累和轉(zhuǎn)讓的熱量和能量從一個(gè)地方到另一個(gè)地方。蒸發(fā) 這是一個(gè)特殊的情況下傳熱，其中涉及蒸發(fā)的揮發(fā)性溶劑，如水從一個(gè)非易失性溶質(zhì)如鹽或其它材料在解決方案烘干 在這個(gè)操作中揮發(fā)液體，通常是水，從固體材料中揮發(fā)出去。蒸餾 這是一個(gè)過(guò)程即液態(tài)混合物的分離通過(guò)沸騰，因?yàn)樗鼈兊恼羝麎翰煌?。吸?這個(gè)過(guò)程的一個(gè)組成部分是通過(guò)對(duì)某一液體的處理提取天然氣流。膜分離 這一過(guò)程涉及的是溶質(zhì)從液體或氣體中通過(guò)半透明膜屏障傳播到另一流體中。液液萃取 在這種情況下的解決辦法是，在混合溶劑中除去與之接觸的另一種液體。液固浸取 這涉及到處理微細(xì)固體，同一種液體溶解并消除了溶質(zhì)中所載的固體。結(jié)晶 這涉及除去溶質(zhì)，如鹽從溶液沉淀溶質(zhì)的解決辦法。機(jī)械物理分離 這涉及分離固體流體或氣體的機(jī)械方法，如過(guò)濾，沉淀，壓縮體積，而這些問(wèn)題往往被列入為單獨(dú)的單元操作。許多的單元操作有一定的基本基礎(chǔ)和基本原則或共同的機(jī)制。例如，擴(kuò)散發(fā)生在干燥，吸收，蒸餾，結(jié)晶。傳熱放生在干燥，蒸餾，蒸發(fā)等等。 Unit 15 化學(xué)反應(yīng)工程每一個(gè)工業(yè)化過(guò)程的設(shè)計(jì)都是從各種原材料出發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列的生產(chǎn)加工步驟，來(lái)經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出期望的產(chǎn)品。圖3.1展示了一個(gè)典型的情況。原料承受一些物理處理使它們以能夠其化學(xué)反應(yīng)的組成。它們穿過(guò)反應(yīng)器。反應(yīng)的產(chǎn)品必須那時(shí)承受更多的物理處理分離，凈化等等。最后期望的產(chǎn)品就得到了。 對(duì)于用于物理處理的設(shè)備設(shè)計(jì)的步驟是研究單元操作。在這里我們感到關(guān)切的是化學(xué)處理的一個(gè)過(guò)程。經(jīng)濟(jì)上這肯能是一個(gè)無(wú)關(guān)緊要的單元，說(shuō)一個(gè)簡(jiǎn)單的混合罐。然而，化學(xué)處理的步驟是整個(gè)過(guò)程的中心，它破花了經(jīng)濟(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)的反應(yīng)器沒(méi)有例子和許多其它可以提出的進(jìn)程，所追求的最佳的并步僅僅是反應(yīng)器的成本的最小化。也許一種設(shè)計(jì)方案中的反應(yīng)器費(fèi)用并不算高，但從反應(yīng)器出來(lái)的物料后處理費(fèi)用可能遠(yuǎn)高于另一些反應(yīng)器設(shè)計(jì)方案中的處理費(fèi)用。因此，整體過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性必須加以考慮。反應(yīng)器的設(shè)計(jì)用到信息，知識(shí)，以及不同領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)熱力學(xué)，化學(xué)動(dòng)力學(xué)，流體力學(xué)，傳熱，傳質(zhì)，和經(jīng)濟(jì)學(xué)，化學(xué)反應(yīng)工程是綜合所有因素，其目的是正確設(shè)計(jì)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)器?；瘜W(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)也許是一種只有化學(xué)工程領(lǐng)域才涉及的工作。并且可能正是因?yàn)檫@種功能才奠定了化學(xué)工程作為工程領(lǐng)域的一個(gè)特殊分支而存在的合理性?；瘜W(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)有兩個(gè)必須回答的問(wèn)題；（1） 我們期望放生的是什么變化？（2） 它們進(jìn)行的速度會(huì)有多快？第一個(gè)問(wèn)題與熱力學(xué)有關(guān)，第二個(gè)問(wèn)題則與各種速率過(guò)程，例如化學(xué)動(dòng)力學(xué)及傳熱學(xué) 關(guān)。把這些都放一起，試圖確定這些相互關(guān)聯(lián)的過(guò)程是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題；我們從最簡(jiǎn)單的情況通過(guò)考慮其它因素建立我們的分析，直到我們能夠處理更困難的問(wèn)題。1熱力學(xué)熱力學(xué)給我們?cè)谠O(shè)計(jì)上兩個(gè)非常重要的信息，在反應(yīng)過(guò)程中的熱釋放和熱吸收以及最大可能的反應(yīng)程度?；瘜W(xué)反應(yīng)總是伴隨著釋放或吸收能量，我們必須直到適當(dāng)設(shè)計(jì)的重要性?？紤]這個(gè)反應(yīng)反應(yīng)溫度T是傳熱從周圍環(huán)境到反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)中，當(dāng)一摩爾的A消失形成R摩爾的R和S摩爾的S，該系統(tǒng)測(cè)量處于同一溫度和壓強(qiáng)在反應(yīng)前后。熱反應(yīng)是可以從熱化學(xué)的數(shù)據(jù)知道或估計(jì)的。熱力學(xué)也可以計(jì)算反應(yīng)材料的標(biāo)準(zhǔn)自由度的平衡常數(shù)。與已知的平衡常數(shù)，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)品的最高產(chǎn)量是可以估計(jì)出來(lái)的。2.化學(xué)熱力學(xué)在適當(dāng)?shù)臈l件下提供的材料可能被轉(zhuǎn)化為新的和由不用材料物質(zhì)構(gòu)成的的不同材料。如果發(fā)生這種情況只有通過(guò)重新安排或組成原子形成新的分子在分配，我們說(shuō)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生?；瘜W(xué)是聯(lián)系著反應(yīng)的研究。它研究反應(yīng)的模式和機(jī)制，物理和能量改變的關(guān)系以及生成產(chǎn)品的效率。這是最后提到的領(lǐng)域，化學(xué)動(dòng)力學(xué)，這是我們主要的?；瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)尋找影響反應(yīng)效率的因素。它衡量著這個(gè)比率并提出有價(jià)值發(fā)現(xiàn)的解釋。對(duì)于化學(xué)工程師化學(xué)動(dòng)力學(xué)是必須知道的如果他是滿意設(shè)計(jì)設(shè)備來(lái)影響在技術(shù)規(guī)模生的反應(yīng)。當(dāng)然，如果反應(yīng)時(shí)迅速的足以使系統(tǒng)基本上是平衡的，設(shè)計(jì)是非常簡(jiǎn)化的。動(dòng)力學(xué)信息是不需要的，熱力學(xué)信息本身就足矣。(Selected from: O. Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, 2nd Edition, John Wiley &Sons Inc. ,1972. )Unit 16 壓力容器及其部件壓力容器時(shí)不泄露的容器。它們有各種尺寸。最小的直徑不到一英寸，最大的直徑能達(dá)到150英尺甚至更大。某些是埋在地下或海洋深處，多數(shù)是安放在地上或支撐在平臺(tái)上，還有一些實(shí)際上是在航天飛行器中的貯槽和液壓裝置中。 由于內(nèi)部壓力，容器被設(shè)計(jì)成各種形狀和尺寸。內(nèi)部的壓力可能低到1英寸，水的表面壓力可能達(dá)到300000多磅。普通的單層表面建筑壓力是15到5000磅，雖然有很多容器的設(shè)計(jì)壓力高出或低于這個(gè)范圍。ASME鍋爐和壓力標(biāo)準(zhǔn)中第八卷第一節(jié)指定一個(gè)范圍從15磅在底部到上限，然而，內(nèi)部壓力在3000磅以上，ASME標(biāo)準(zhǔn)，第八卷第一節(jié)，指出考慮特殊設(shè)計(jì)的情況是必要的。 壓力容器的典型部件描述如下： 圓柱殼體 在石化工業(yè)中對(duì)于結(jié)構(gòu)壓力容器圓柱殼體是經(jīng)常被用到的，它是很容易制造、安裝并且維修很經(jīng)濟(jì)。雖然在一些場(chǎng)合應(yīng)用載荷和外壓控制，要求的厚度通常由內(nèi)壓決定。其他因素如熱應(yīng)力和不連續(xù)壓力可能有要求厚度決定。 成型的封頭 許多的端封頭和過(guò)度部分有設(shè)計(jì)工程師選擇。用一種結(jié)構(gòu)相對(duì)另一種依靠很多因素，如成型方法、材料成本、和空間限。一些經(jīng)常應(yīng)用的成型封頭是： 帶凸緣的封頭 這些封頭通常在較低壓力的壓力設(shè)備中，例如汽油罐和鍋爐。有些也應(yīng)用在較高壓力的但是較小直徑的設(shè)備中。設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)的許多細(xì)節(jié)在ASME標(biāo)準(zhǔn)，第八卷第一節(jié)中給出。 半球形封頭 通常，在一個(gè)給定溫度和壓力下半球形的要求厚度是相同直徑和材料圓柱殼體的一半。假如我們用鎳和鈦昂貴的合金建造實(shí)心或覆蓋形半球形封頭，這樣是很經(jīng)濟(jì)的。假如使用碳鋼，然而，由于這高價(jià)的制造費(fèi)用就不比凸緣形和碟形的封頭經(jīng)濟(jì)。半球形封頭經(jīng)常通過(guò)部分三角形結(jié)構(gòu)加工，也可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)法或施壓法加工。由于半球形封頭比與它們連接的圓柱殼體薄，所以在封頭與殼體連接區(qū)域必須是等高的，以便減小不連續(xù)區(qū)域的影響。 橢圓與準(zhǔn)球形封頭 這樣的封頭是十分普遍的在壓力容器中。它們的厚度與連接殼體是一樣的。這就簡(jiǎn)化了焊接安裝的工作。因此，由于這邊意外的區(qū)域所需的厚度小于封頭的實(shí)際厚度，多余的部分就可以用于這些區(qū)域內(nèi)接管的補(bǔ)強(qiáng)。許多工廠都可以提供不同直徑和厚度的封頭而且在價(jià)格上有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 錐型和準(zhǔn)錐形封頭 這些封頭在漏斗型和塔容器中作為底部封頭應(yīng)用，而且它們也可用做不同圓柱直徑的過(guò)渡區(qū)域。由于在鏈接區(qū)不平衡應(yīng)力，這圓錐到圓柱的鏈接區(qū)必須考慮成圓錐形設(shè)計(jì)的一部分。因?yàn)檩^大的力，ASME標(biāo)準(zhǔn)，八卷一節(jié)中，規(guī)定當(dāng)錐形內(nèi)部施加壓力頂角限制成小于30度。 盲板，覆蓋版，和法蘭 一個(gè)較為普遍形式的壓力容器封頭是無(wú)支撐的扁平封頭或覆板。這可能由完整殼體組成或由殼體焊接而成，可能由螺栓或快速開(kāi)關(guān)裝置連接而成?？赡苁菆A形、方形、矩形或其他形狀。螺栓被安裝應(yīng)用墊圈的地方的扁平封頭稱為盲板。通常，盲板被連接在兩個(gè)邊緣區(qū)之間放一個(gè)墊圈的容器封頭上。雖然扁平的封頭可能是圓形或非圓形的，但是它們有均勻的厚度。 開(kāi)口和接管 所有的工藝容器都需要有輸入和輸出的物料。對(duì)于一些容器，物料是大量的或內(nèi)部經(jīng)常變化的，通常是通過(guò)連接的整個(gè)封頭或一部分來(lái)給開(kāi)一個(gè)較大的通道。然而，對(duì)于大多數(shù)容器，物料的進(jìn)口與出口通過(guò)與管道相連接的封頭或殼體的開(kāi)口。另外還有一些開(kāi)口還是需要的，例如方便人進(jìn)入的人孔。對(duì)以一些從外面檢測(cè)容器的手孔的開(kāi)口也是必要的。另外一些清理容器的和排水口也必須有。這些開(kāi)口不總是有一個(gè)接管被安裝在開(kāi)口。有時(shí)閉口有一個(gè)人孔蓋或或手孔蓋直接被焊接或用螺栓連接在容器上。 支撐 大多數(shù)直立容器由裙座支撐。由于它們傳遞剪切力所以裙座是經(jīng)濟(jì)的。它們總是通過(guò)地腳螺栓和軸承板把力傳遞到地基上。支腳容器是較輕的并且支腳到容器的底部提供較容易的通道。一個(gè)經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)是支腳直接連在容器上并且力是由剪切產(chǎn)生的。水平容器通常由鞍座支撐。由于殼體太薄有時(shí)加強(qiáng)環(huán)可能被用把力傳遞到鞍座上。熱膨脹問(wèn)題應(yīng)該被考慮。Unit 17 壓力容器的設(shè)計(jì)容器的選擇 雖然很多因素決定著容器的選擇，但是影響選擇的兩個(gè)基本要求是安全和經(jīng)濟(jì)。許多內(nèi)容都被考慮，像材料的可獲取性，抗腐蝕能力，材料的強(qiáng)度，類型和載荷的大小，安裝的位置包括風(fēng)載荷和地震載荷，制造的地點(diǎn)，容器安裝的方位和在設(shè)備制造地點(diǎn)勞動(dòng)力的可用性。隨著特殊壓力容器在石油化工和其他工業(yè)的廣泛應(yīng)用，恰當(dāng)材料的應(yīng)用很快變成一個(gè)主要問(wèn)題。對(duì)于容器的最主要的材料是碳鋼。許多其他特殊材料也被應(yīng)用在抗腐蝕或者儲(chǔ)存液體材料的性質(zhì)不衰減的能力方面。材料的替代十分廣泛并且覆蓋層和涂層被廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)工程師必須與過(guò)程工程師進(jìn)行交流為的是所有備用材料歸因于容器的整體完整性。對(duì)于這些容器要求野外安裝與在現(xiàn)場(chǎng)建造的相比，盡管容器制造的不利條件，但是在焊接處的質(zhì)量安全必須保證。對(duì)射線探傷，應(yīng)力消除，和其他在野外的操作預(yù)測(cè)必須建立。對(duì)于那些在低溫環(huán)境下運(yùn)行或盛裝液體的容器，必須注意保證材料在低溫下的抗擊能力。為了滿足性能容器可能要求高合金鋼，有色金屬，或一些特別的高溫要求。那種壓力容器標(biāo)注被應(yīng)用 首先考慮的是是否有一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在安裝方面。如果有就按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。如果管轄部門已經(jīng)決定采用ASME規(guī)范的第八篇，那么需要確定的只是選用第一分篇還是第二分篇。有很多操作需要用第一分篇而不是第二分篇，但是底線是經(jīng)濟(jì)的情況下。第一分篇用近似的公式，圖表，和曲線圖在簡(jiǎn)單的計(jì)算。第二分篇，在另一方面，用復(fù)雜的公式、圖表、在壓力報(bào)告中必須被描述的分析設(shè)計(jì)方法。有時(shí)，由于對(duì)按第一分篇設(shè)計(jì)的容器在最低要求之外又增加了許多附加要求，因此按第二分篇設(shè)計(jì)選取較高的需用應(yīng)力可能更為經(jīng)濟(jì)。特殊的設(shè)計(jì)要求 在所有單元增加標(biāo)準(zhǔn)信息，像壓力、設(shè)計(jì)溫度、形狀和尺寸，其他的信息內(nèi)容也是必要的并且必須被記錄下來(lái)。腐蝕和侵蝕量被給并且一個(gè)合適的材料和保護(hù)方法必須被記錄。液體的類型必須被包含，像致命因子，必須被提到由于要求的特殊設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。支撐位置，水平或豎直，并且支撐點(diǎn)像來(lái)自支撐容器和管子的力一樣必須被記錄。坐落位置也得給出一邊風(fēng)、雪、地震的要求可能被確定。沖擊力和周期要求也要包括。對(duì)于ASME標(biāo)準(zhǔn)，第八篇第二分篇，是否作為疲勞分析的說(shuō)明已經(jīng)通過(guò)AD-160給出。如果疲勞分析被要求，這個(gè)特殊的周期和力也被給出。另外，設(shè)計(jì)說(shuō)明書指出是否包括恒力或瞬時(shí)力。需用壓力包含很多種形式的力設(shè)計(jì)報(bào)告和計(jì)算 ASME標(biāo)準(zhǔn)，第八篇第二分篇，規(guī)定一種正式形式的帶有假設(shè)設(shè)計(jì)報(bào)告在使用說(shuō)明書中在壓力分析計(jì)算方面。這些計(jì)算被準(zhǔn)備和鑒定由一個(gè)專業(yè)的工程師在壓力容器的設(shè)計(jì)試驗(yàn)中。如同用戶設(shè)計(jì)條件一樣，制造商的設(shè)計(jì)報(bào)告以及有關(guān)制造廠數(shù)據(jù)報(bào)告的證書嗾使強(qiáng)制性的。這有制造廠保存成文件保存五年。 材料的說(shuō)明書 所有的標(biāo)準(zhǔn)都有材料的詳細(xì)說(shuō)明書和要求用于描述哪種材料是允許的。被允許的這些材料特殊的標(biāo)準(zhǔn)被列出或被限制在被允許的應(yīng)力值范圍內(nèi)。根據(jù)這個(gè)章程和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于一個(gè)特殊進(jìn)程的容器的許用材料是被規(guī)定的。例如，僅SA與SB的標(biāo)準(zhǔn)材料可能用在ASME鍋爐和壓力容器制造中。安全因素 為了提供一個(gè)設(shè)計(jì)與實(shí)際公式的差距，那個(gè)被建立在復(fù)雜的理論與不同失效模式下，實(shí)際的設(shè)計(jì)公式應(yīng)用在減小厚度和壓力水準(zhǔn)，一種安全因素被應(yīng)用在多種材料性能，這種性能決定著許用應(yīng)力。安全因素直接與理論和失敗模型、沒(méi)中規(guī)定的特殊設(shè)計(jì)要求和被確定和估計(jì)的多種真實(shí)壓力水準(zhǔn)的程度有關(guān)?？v觀世界，多種安全因素被用在材料的壽命上去建立鍋爐、壓力容器和管子的設(shè)計(jì)許用壓力。對(duì)于這個(gè)溫度變化到建立許用壓力的緩慢破壞的溫度，這所有建立的許用壓力是在屈服強(qiáng)度的基礎(chǔ)上的。在許多國(guó)家，一種因素被應(yīng)用在經(jīng)過(guò)許多次試驗(yàn)而建立起來(lái)的一系列數(shù)據(jù)上。在其他國(guó)家，數(shù)據(jù)是由低的屈服強(qiáng)度和高的屈服強(qiáng)度決定的。在另外的一些國(guó)家，對(duì)于設(shè)計(jì)部件這真正的數(shù)據(jù)是由多次測(cè)試而確定的。部分的設(shè)計(jì)歸因于設(shè)計(jì)的公式。并不是所有國(guó)家用極限抗拉強(qiáng)度作為確定許用應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)。Unit 18 蒸餾設(shè)備定義 蒸餾是一種以分離材料的相對(duì)揮發(fā)度和原始混合物的相變化為基礎(chǔ)的分離工藝。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，液體混合物的成分通過(guò)加熱被蒸發(fā)掉。相對(duì)不易揮發(fā)的成分作為液體殘留物被留下。也有小小的例外，在儲(chǔ)存蒸發(fā)成分的方式上，蒸餾不同于蒸發(fā)和干燥。在困難程度上，在操作的復(fù)雜程度上，當(dāng)不知一種蒸發(fā)成分被分離，通常蒸餾適用于液體混合物。但也有例外，典型的就是木材和煤的干餾，它是從固體中分離液體成分。化學(xué)工程的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)是把蒸餾作為集中原理與設(shè)計(jì)方法同時(shí)被應(yīng)用的單元操作。不管被處理的材料或是被涉及的工藝，蒸餾的設(shè)計(jì)的趨勢(shì)是滿足工藝的一般需求，而不是各工業(yè)的特殊需求。范圍 蒸餾設(shè)備被制造成許多樣式，排布方式和尺寸，去滿足處理特殊的混合物和制造產(chǎn)品的條件。應(yīng)用樣式的選擇適宜被蒸發(fā)材料的物理特性，分離成度和處理的數(shù)量為基礎(chǔ)的。選擇蒸餾系統(tǒng)的部件尺寸適宜工程設(shè)計(jì)的一個(gè)方面。建立在手冊(cè)與教科書給出的成熟方法，但是必須有經(jīng)驗(yàn)豐富的的蒸餾設(shè)備制造上來(lái)調(diào)整。在樣式和排布方式方面指導(dǎo)設(shè)備的選擇進(jìn)行指導(dǎo)，目的是省去在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方面的說(shuō)明要求的長(zhǎng)長(zhǎng)論文。理論 用來(lái)決定分離成度和設(shè)計(jì)尺寸的蒸餾設(shè)備是由蒸發(fā)溶液平衡數(shù)據(jù)、熱和材料平衡、允許會(huì)發(fā)速率、分離率和熱傳遞效率。對(duì)于從一個(gè)不易揮發(fā)的殘留物中蒸發(fā)組分的間歇操作計(jì)算是簡(jiǎn)單的。當(dāng)間歇或持續(xù)性操作過(guò)程中組分的數(shù)量變得越大，它們變得更加復(fù)雜。雖然讀者不能在設(shè)備設(shè)計(jì)上尋找到細(xì)節(jié)的說(shuō)明，但是他可以指導(dǎo)要求的信息去完成設(shè)計(jì)，這個(gè)第一要求是在一系列的溫度和操作壓力的物理數(shù)據(jù)如下（1） 液體的比容（2） 蒸汽的比容（3） 任意一種組分在其他組分的溶解度，假如是在開(kāi)放液體需要給出在水中的溶解度。（4） 氣液比（5） 液體的潛熱（6） 液體和蒸汽的聯(lián)系（7） 表面張力（避免物沫夾帶的近似值）（8） 液體和正空的熱導(dǎo)性（9） 泡沫特性（10） 對(duì)可能結(jié)構(gòu)材料的腐蝕程度蒸餾設(shè)備分類 蒸餾設(shè)備可以被廣泛的分類為間歇操作和連續(xù)性操作設(shè)備。設(shè)備的操作特性，在某種情況下，受完成操作的難易的影響。簡(jiǎn)單的分離有簡(jiǎn)單的蒸餾來(lái)完成，難得分離由分餾來(lái)完成。蒸餾設(shè)備的分級(jí)先是在表4.1蒸餾的設(shè)計(jì)條件有一個(gè)很大的變化范圍，在煉油廠中，溫度對(duì)分離來(lái)講，可以在從較低的液氮到700-800 F范圍變化。壓力變化在從真空度到1000psi變化。并且流量可以從幾加侖到50000加侖每小時(shí)變化。分離可以變化從來(lái)自世紀(jì)不易蒸發(fā)的植物由中正乙烷簡(jiǎn)單操作到來(lái)在普通水的中水的困難操作。Unit 19 換熱器的種類換熱器起初是為了在熱流和冷流中傳熱。對(duì)兩種冷熱流體一般有單獨(dú)的通道，一般是連續(xù)性操作。最通用的換熱器是殼管式換熱器。但是不同種類板式和其他形式是有價(jià)值的和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)能力。雖然一些其他形式也被討論，但是接下來(lái)大部分都在討論殼管式的。起初是因?yàn)樗鼈兊闹匾砸彩菓?yīng)為他們?cè)谖墨I(xiàn)中由較完整的記載。因襲它們可以以一種適當(dāng)過(guò)程的準(zhǔn)確標(biāo)準(zhǔn)被設(shè)計(jì)。其他類型的基本上市帶有專利性的，并且多數(shù)必須有他們的制造廠來(lái)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。板框式換熱器 板框式換熱器是在一個(gè)結(jié)構(gòu)上壓緊波紋板的裝配體。圍在邊緣的夠槽中密封墊片含有液體，并且控制板間液體的流入與流出空間。緊密的縫隙和波紋的板框換熱器，在兩側(cè)的上部達(dá)到了管殼式換熱器的幾倍，而且板框式換熱器的污垢系數(shù)較小。換熱表面對(duì)于清掃的容易性德?tīng)柊蹇蚴綋Q熱器特別適用于污垢設(shè)備，也適用于衛(wèi)生要求較高的行業(yè)，比如制藥和食品工業(yè)，受到可能的墊圈式的密封材料性能的影響，一般最高壓力值為300 psig，最高溫度為400 .。由于較少氣液制造板框式換熱器，大多數(shù)關(guān)于板框式換熱器的工藝設(shè)計(jì)資料到有專利性，但也許提供給負(fù)責(zé)的工程師。摩擦飲食和熱傳遞系數(shù)碎著班的空間和波紋的種類變化。泵花費(fèi)的每個(gè)熱傳遞單元比殼管式設(shè)備低。用純鋼制造板框式換熱器的費(fèi)用是管殼式的5070%。螺旋型換熱器 在螺旋形換熱設(shè)備中，熱流進(jìn)入螺旋單元的中心，并且流到邊緣。冷流體是逆流的。在邊緣進(jìn)入并在中心位置流出。在兩邊熱傳遞系數(shù)較高。由于真正的逆流形式?jīng)]有原來(lái)形式的溫差，這些因素可能導(dǎo)致表面要求20%或更小的殼管式換熱器。螺線形式對(duì)于中等壓力的高粘性流體比較適合。翹片式換熱器 翹片式換熱器首先被應(yīng)用在油氣設(shè)備中。典型的翹片式換熱器在單位體積上有1200平方米的表面積，翹片高度3.811.8 mm，翹片的厚度是0. 20. 6 mm,片的密度是230700片每米。在單位體積上翹片式換熱器是殼管式換熱器的4倍。翹片式換熱器的操作壓力設(shè)計(jì)為80atm。因?yàn)槁N片式換熱器之間的間距小，所以不適合易堵塞的設(shè)備。從商業(yè)上說(shuō)，翹片式換熱器適用于低溫設(shè)備，也是用于與汽輪機(jī)相關(guān)的高溫恢復(fù)設(shè)備。對(duì)于動(dòng)力設(shè)備來(lái)說(shuō)，比如在有發(fā)動(dòng)機(jī)的交通工具中，翹片式換熱器有結(jié)構(gòu)緊湊和質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。錯(cuò)流和逆流的任何排列形式都是可行的，并且在同一設(shè)備中可以安排三種或三種以上的流束，壓力下降、熱交換關(guān)系的設(shè)計(jì)其他方面被很好的記載?？諝饫鋮s器 這種設(shè)備是指由流體流過(guò)翹片式的管道，并且有風(fēng)扇冷卻的空氣通過(guò)管道。考慮空氣冷卻器的經(jīng)濟(jì)性，可以允許流體與周圍空氣和出口的溫差為2540 。蕩船熱效率超過(guò)每小時(shí)1千萬(wàn)英熱時(shí)單位時(shí)，空氣冷卻器與水滿足要求且供應(yīng)量充足時(shí)，與水冷在經(jīng)濟(jì)上不分上下。 套管式換熱器 套管式換熱器是由一個(gè)尺寸比較大的和中間一個(gè)尺寸比較小的中央管通過(guò)塑料密封套連接而成。直線長(zhǎng)度被限制在20 ft，否則中心管將下沉并且使環(huán)面的分配空間較小。一般情況，高溫、高壓、高密度和腐蝕性的液體放在內(nèi)管上，較小要求的液體被放在外側(cè)管子上。當(dāng)在處理石油脫蠟和液體結(jié)晶時(shí)，內(nèi)表面上應(yīng)該提供刮刀。在環(huán)狀的空間上，軸向翹片可以改善氣體和粘性流體的熱交換效率。假如應(yīng)用較大的熱交換表面。套管可以排布堆積起來(lái)，也可以應(yīng)用平行方式。這些套管式換熱器已經(jīng)逐漸被管殼式換熱器所取代。在以下情況下，是值得考慮的。（1） 當(dāng)殼側(cè)系數(shù)比管側(cè)系數(shù)一樣小時(shí)，這時(shí)殼側(cè)系數(shù)可以與管側(cè)相比了（2） 我們可以在套管式換熱器中采用真正意義上的逆流來(lái)代替，因?yàn)闇囟容^高需要多個(gè)套管單元。（3） 在與大直徑殼體相比，我們的環(huán)裝空間是使用較高壓力來(lái)滿足經(jīng)濟(jì)性能（4） 而與開(kāi)放式殼體換熱器相比，當(dāng)我們的換熱器表面僅僅是100 200 sqft時(shí)，我們套管式換熱器有較高的經(jīng)濟(jì)性殼管換熱器 這種換熱器將在以后幾章討論。Unit 20 反應(yīng)器的類型 幾乎每種儲(chǔ)存設(shè)備都可以當(dāng)做化學(xué)反應(yīng)容器，有混合接管、離心泵。精制塔和管設(shè)備。這篇介紹主要類型反應(yīng)器的大體特征。最明顯的區(qū)別是間歇性和連續(xù)性操作，還有互相接觸的各種相變化。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)并且日產(chǎn)量少時(shí)，主要應(yīng)用間歇操作。小型間歇設(shè)備應(yīng)用于不同時(shí)間產(chǎn)生的不同類型的產(chǎn)品的操作中。不然，間歇操作不能比生產(chǎn)連續(xù)操作更經(jīng)濟(jì)。帶有合適的平衡箱的一個(gè)或者多個(gè)反應(yīng)器可以用來(lái)模擬一天或者更長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)性操作。通常，當(dāng)含有多相的混合物，界面上的質(zhì)量傳遞速度限制著混合物的轉(zhuǎn)換率。因此需要較大的接觸面。這樣，固體反應(yīng)物和催化劑被分開(kāi)，在填料塔或板式塔或在離心泵中，液體通過(guò)機(jī)械攪拌相互接觸。由攪拌和泵是熱傳遞并且減少有害的溫度梯度，反應(yīng)物通過(guò)熱傳遞表面迅速的反應(yīng)。攪拌槽 攪拌槽是最普遍的一種間歇型反應(yīng)器。最初，攪拌被用來(lái)是物料混合，在反應(yīng)時(shí)維持無(wú)聊的均勻性，并且使熱在夾管或內(nèi)表面中傳遞。攪拌槽的許多條件是使過(guò)程連續(xù)，有單槽也有多樣的安排。了解攪拌槽所達(dá)到的完全混合程度，對(duì)預(yù)測(cè)它作為反應(yīng)器的性能來(lái)說(shuō)是極為必要的。管流反應(yīng)器 活塞流是管流反應(yīng)器的理想行為。在這里所有的非反應(yīng)分子有相同的存在時(shí)間。出現(xiàn)任何犯渾都是伴隨性的，它是自然對(duì)流或由觸媒顆粒、填料或容器中的必要內(nèi)件對(duì)流動(dòng)的阻礙所引起的湍流結(jié)果。然而，這種阻礙有著兩種相反的的作用。他可能引起某些局部返混，但由于抑制了大規(guī)模的湍流，使得流動(dòng)在整體上更接近活塞。任何要求的初始混合物都是由噴嘴或在線攪拌器完成的?；瘜W(xué)反應(yīng)的結(jié)果，濃度和溫度的梯度是在管流反應(yīng)物的中軸線附近產(chǎn)生的。氣液反應(yīng)器 除了高揮發(fā)的液體，氣體和液體的反應(yīng)物在液相中發(fā)生，伴隨氣態(tài)反應(yīng)物的變化通過(guò)氣體和液體的膜層。質(zhì)量的轉(zhuǎn)換速率經(jīng)常在整個(gè)轉(zhuǎn)換工藝是主要的也是制約的作用。自然的，對(duì)于滿足條件的反應(yīng)設(shè)備與化學(xué)惰性氣體的吸收很相似，就是說(shuō)我們的塔和攪拌槽。固定場(chǎng)反應(yīng)器 我們所說(shuō)的固定床是由直徑在2-5mm的化學(xué)催化劑顆粒組成的。催化劑可能被放成很多種方式，像:1. 單個(gè)的比較大的床2. 幾個(gè)水平的床3. 每個(gè)殼體有幾個(gè)填料管4. 帶有埋入管的單床5. 單個(gè)分開(kāi)殼體的床移動(dòng)床反應(yīng)器 在這樣的反應(yīng)器中顆粒狀或塊狀的材料一集團(tuán)的形式上下移動(dòng)，固體可能是反應(yīng)物或催化劑或熱載體。流化床反應(yīng)器 這個(gè)術(shù)語(yǔ)的意思是分割的固體和液體組成的混合物組成的懸浮物限制在容器上。被液體流化的固體叫懸浮體。在煤的液化和石油的處理工藝中含有三相流化的混合物發(fā)生。在密相氣-固流化中，維持著非常確定的床層高度；而在稀相系統(tǒng)中，固體被連續(xù)帶入并通過(guò)反應(yīng)區(qū)域，而在隨后的區(qū)域內(nèi)被分離。窯和膛式爐 這些單元起初是為高溫設(shè)備，窯最高的溫度達(dá)到2500，膛式爐最高達(dá)到4000.它們的一般結(jié)構(gòu)是帶有陶瓷的鋼鐵襯里，有時(shí)它們的厚度還有幾個(gè)英寸。PART 機(jī)械加工21 泵1介紹泵是提出，轉(zhuǎn)移或壓縮液體和氣體的設(shè)備。下面介紹四種類型的