力系的一般平衡條件教學(xué)設(shè)計(jì)

GeneralEquilibriumConditionsofASystem

力系的一股平衡條件

在這一部分,我們將研究為了使一個(gè)物體保持平衡.作用在其上的力和力偶所必須滿足的條件.

根據(jù)牛頓第一定律，施加在一個(gè)靜止物體上的力系的合力一定為零。然而，請(qǐng)注意這個(gè)定律對(duì)力矩或力系的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)只字未提。顯然，合力

矩也一定為零，否則物體將會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

這里的基本問(wèn)題是原先敘述的牛頓第一定律（和第二定律）只適用于非常小的物體，或者尺寸可以忽略的非零質(zhì)量的粒子。然而，它可以

擴(kuò)展到如下所述的有限尺寸的物體。

考慮一個(gè)由兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)組成的系統(tǒng)，假設(shè)/1和/‘2為它們之間的相互作用力（圖.1.1）。這些力稱為內(nèi)力，因?yàn)樗鼈兪怯捎谙到y(tǒng)內(nèi)部的物體之

間的相互作用而產(chǎn)生的。假定內(nèi)力服從牛頓第三定律，我們有/1=-/20假如還有質(zhì)點(diǎn)與系統(tǒng)外物體之間的相互作用力施加在質(zhì)點(diǎn)上，

如尸1.尸2和尸3,這些力稱為外力。顯然，作用在一個(gè)特定粒子上的力一定有相同的應(yīng)用，因?yàn)榱Ｗ拥某叽缈梢院雎浴?/p>

如果系統(tǒng)內(nèi)的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)處于平衡，我們就可以說(shuō)系統(tǒng)是平衡的。在本例中，依據(jù)牛頓第一定律，作用在每個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的力的合力一定為零。

對(duì)質(zhì)點(diǎn)A我們有：￡吊=6+尼+/=0

而對(duì)質(zhì)點(diǎn)B有：=,4+居=（）

作用在系統(tǒng)上的力的總和為：F=FA+Ffi=Fi+F24-F.34-/1+/2=0

現(xiàn)在我們來(lái)研究這些力對(duì)于同i點(diǎn)P的合力矩。由圖LI,我們有：2加?二八X（ZEO+R2X（%）

由于力和72有相同的作用線，力矩的條件可以改寫(xiě)為2/3=為乂（/|+/2+/l+/2）4-nxF3=0

但/'=：所以力和力矩的條件簡(jiǎn)化為2/=尸1+/2+尸1=0

和2肪＞=（'」xFi）+SxFi）+（r2x尸3）=0

換句話說(shuō)，如果系統(tǒng)處于平衡，那么作用在其二的合外力一定為零，而且這些力對(duì)于任一點(diǎn)的合力矩也為零。內(nèi)力不需要考慮，因?yàn)樗鼈兊?/p>

效應(yīng)相互抵消了。

如果系統(tǒng)處于平衡，那么Z/uOandE：A介=0（M）

這里E產(chǎn)叢作用在系統(tǒng)上的所有外力的總和，而是這些力對(duì)任意點(diǎn)的今力矩，包括系統(tǒng)中可能作用有的力尚的矩。

方程（1.1）是平衡的必要條件：也就是說(shuō)，如果系統(tǒng)處于平衡，必須滿足這些方程。一般來(lái)說(shuō)它們不是平衡的充分條件。然而，這并不會(huì)

帶來(lái)任何困難，因?yàn)槲覀兊难芯績(jī)H涉及平衡系統(tǒng)。對(duì)于剛體，方程（1.1）既是其平衡的必要條件也是充分條件。檢驗(yàn)其充分性需要應(yīng)用牛頓

第二定律和其它超出本課文的知識(shí)。

重要的是要注意到，方程（1.1）適用于任何平衡系統(tǒng)，而不管組成該系統(tǒng)的物質(zhì)是什么。例如，他們適用于大量的靜止流體和固體。在

某種條件下，它們（指兩方程式）也適用于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兪墙⒃谂ｎD第一定律的基礎(chǔ)上，而牛頓第一定律既適用于?勻速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn),

也適用于靜止的質(zhì)點(diǎn)。例如，方程（1.1）適用于做無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體和以通過(guò)質(zhì)心的固定軸為軸做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的物體。典型的例子有

做水平勻速直線飛行的飛機(jī)和勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)皮帶輪。但是，問(wèn)題涉及的任何運(yùn)動(dòng)一般歸類為動(dòng)力學(xué)。

當(dāng)以分量的形式表示時(shí)，方程（1.1）可變形為六個(gè)標(biāo)量方程：

Z凡=02吊=°z凡=°ZM〃=°ZM“=Oaz

利用這些方程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，解決就外力和作用力偶而言的未知問(wèn)題。由T有6個(gè)方程，所以我們一般可以解決含六個(gè)未知數(shù)

的問(wèn)題。如果通過(guò)平衡方程可以解出關(guān)于外力和力偶的所有未知數(shù)，我們就說(shuō)系統(tǒng)是靜定的。反之，系統(tǒng)為靜不定。

如果問(wèn)題中含有的未知數(shù)個(gè)數(shù)比平衡方程的個(gè)數(shù)多，就要嘗試通過(guò)研究多個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩來(lái)獲得更多的方程。遺憾的矩，這個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。

Unit2應(yīng)力和應(yīng)變

材料力學(xué)的介紹

材料力學(xué)是應(yīng)用力學(xué)的一個(gè)分支，涉及受不同類型載荷的固體的性能。這是一個(gè)有多種名稱的研究領(lǐng)域，包括：“材料強(qiáng)度”，“易變形體

的力學(xué)本書(shū)中研究的固體包括受軸向載荷的桿，軸，梁，圓柱和由這些零件裝配的機(jī)構(gòu)。一般情況下，我們研究的目的是測(cè)定因受載而引

起的應(yīng)力，應(yīng)變和變形；如果當(dāng)所有負(fù)荷量達(dá)到破壞載荷時(shí)，能夠測(cè)得這些物理量，我們就可能得到一份完整的固體力學(xué)性能圖。

在材料力學(xué)的研究中，理論分析和實(shí)驗(yàn)研究同等重要。很多情況下，我們通過(guò)邏輯推導(dǎo)來(lái)獲得預(yù)測(cè)力學(xué)性能的公式和方程，但同時(shí)我

們必須認(rèn)識(shí)到，這些公式不能用于實(shí)際情況中，除非材料的特性是己知的.只有在實(shí)驗(yàn)室中做過(guò)適當(dāng)?shù)幕因?yàn)之后我們才能使用這些特性.并

且，當(dāng)工程中的重要的問(wèn)題用邏輯推導(dǎo)方式不能有效的解決時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量就成為一種實(shí)際需要。材料力學(xué)的發(fā)展歷史是一個(gè)理論與實(shí)驗(yàn)極有

趣的結(jié)合，在一些情況下，處實(shí)驗(yàn)指出了得出正確結(jié)果的方式，在另一些情況下確處理論來(lái)做這些事。例如，著名的達(dá)芬奇(1452-1519)和他

利略(1564-1642)通過(guò)做實(shí)驗(yàn)測(cè)定鋼絲，桿，梁的強(qiáng)度，盡管在當(dāng)時(shí)對(duì)他們的測(cè)試結(jié)果并沒(méi)有充足的理論支持(以現(xiàn)代的標(biāo)準(zhǔn))。相反，著名的

數(shù)學(xué)家歐拉口707-1783),在1744年就提出了柱體的數(shù)學(xué)理論并計(jì)算其極限載荷，而過(guò)了很久才有實(shí)驗(yàn)證明其結(jié)果的正確性。因此，歐拉的

理論結(jié)果在很多年里仍然未被采用，但今天，它們奠定了圓柱理論的基礎(chǔ)。

隨著研究的不斷深入，把理論推導(dǎo)和在實(shí)驗(yàn)上已確定的材料性質(zhì)結(jié)合起來(lái)研究的重要性將是顯然的。在這一節(jié)，首先。我們討論一些基

木概念，如應(yīng)力和應(yīng)變，然后研究受拉伸，壓縮和剪切的簡(jiǎn)單構(gòu)件的性能。

1.Stress應(yīng)力

通過(guò)對(duì)等截面桿拉伸的研究初步解杼應(yīng)力和應(yīng)變的概念［如圖L4(a)］。等截面桿是一個(gè)具有恒定截面的直線軸。這里，假設(shè)在桿的木端

施加軸向力P,產(chǎn)生均勻的伸展或拉伸。假設(shè)沿垂直于軸線的方向切割桿，我們就能把桿的一部分當(dāng)作自由體隔離出來(lái)［圖1.4(b)］。張力

P作用于桿的右端，在另?端就會(huì)出現(xiàn)?些力來(lái)代表?xiàng)U被切除的那?部分。這些力連續(xù)的分布在橫截面上，類似于作用在被淹沒(méi)物體表面的

連續(xù)的靜水壓力。力的密度，也就是單位面積二的力的大小稱為應(yīng)力，一?般用。表示。假設(shè)應(yīng)力是均勻分布在橫截面上［如圖1.4(b)］,我

們很容易得出它的大小等于密度b乘以桿的橫截面積A。而且，通過(guò)圖1.4(b)中所示物體的平衡，我們也能得到它與力P等大反向。因此，

我們得到

P

cr=—(1.3)

A

作為在等截面桿中求解均勻應(yīng)力的方程C從這個(gè)公式可以看出.應(yīng)力的單位是力除以面積一一例如：牛每平方亮米(2/帆機(jī)2)或磅每平方英

寸(psi)。當(dāng)桿在力的作用下被拉伸時(shí)，如圖所示，所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為拉應(yīng)力：當(dāng)施加反方向的力時(shí)，桿被壓縮，這時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力稱為壓應(yīng)

力。

方程(1.3)的必要條件是應(yīng)力。必須均勻分布在桿的橫做面上。如果軸向力通過(guò)截面的質(zhì)心時(shí)，這個(gè)條件將會(huì)被認(rèn)識(shí)，同時(shí)可以通

過(guò)靜力學(xué)驗(yàn)證。當(dāng)載荷P不是作用在行心時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生撓度，更復(fù)雜的分析就是必要的了。然而，如果沒(méi)有特殊說(shuō)明，本書(shū)中假定所有的軸

向力都作用在橫截面的行心。而且，除非另有說(shuō)明，物體本身的質(zhì)量一般忽略不計(jì)，就像討論圖1.4中的桿那樣。

3.Strain應(yīng)變

受軸向力時(shí)，桿的總的伸長(zhǎng)量用希臘字母S表示，如圖1.4(a)所示。單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)即應(yīng)變，可以用￡=?計(jì)算得到。這里L(fēng)是桿的總

長(zhǎng)度。注意應(yīng)變￡是無(wú)量綱量，只要應(yīng)變?cè)跅U上是均勻的，就可以通過(guò)方程(1.4)得到精確的結(jié)果。如果桿被拉伸，此時(shí)的應(yīng)變稱為拉應(yīng)變，

即材料伸長(zhǎng)或被拉伸：如果桿是被壓縮，即為壓應(yīng)變，這就意味著桿的相鄰的截而離得更近了。

Unit3正應(yīng)力和切應(yīng)力

1.Normalstress正應(yīng)力

在這之前，我們已經(jīng)知道組成構(gòu)件的桿件存在內(nèi)載。不知不覺(jué)地，人們把測(cè)定桿件的壓力作為研究的笫一步。而這個(gè)力是保持系統(tǒng)平衡的必

要教荷。該力是利用穿過(guò)桿件的橫松而求得的，因此叫做內(nèi)力或內(nèi)投荷。這就是壓力分析問(wèn)題的第一步一一求取內(nèi)載。第：步則是求由這個(gè)

載荷產(chǎn)生的應(yīng)力，這是這部分主要研究的問(wèn)題，但是求產(chǎn)生這個(gè)應(yīng)力的內(nèi)載仍然是第一步，也是必不可少的一步。

如圖1.8(a)所示的橫截面積為2平方英寸的桿件，假設(shè)它受到1170磅的拉伸載荷?，F(xiàn)在假設(shè)載荷已經(jīng)作用于桿件上，問(wèn)題隨即出現(xiàn)

了。這個(gè)載荷是如何分布的？對(duì)于桿件來(lái)說(shuō)它處均勻分布的，如圖1.8(b)所示。如果載荷均勻的分布在這2平方英寸的橫截面上，桿件的

應(yīng)力大小就等于載荷除以面積，即

loadP［［701b585拈.

stress==——=r,or(T=-=585psi

areaA2.0in2in：

從這個(gè)案例中我們注意到：第一是應(yīng)力的符號(hào)，O-o它是希臘語(yǔ)中的小寫(xiě)字母，類似于英語(yǔ)中的s。有些教材中使用s,但是。比較

常用，因此我們使用?！，F(xiàn)在習(xí)慣于用CT將使后面的工作更方便。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通常使用f表示壓力。

第二點(diǎn)是以下的方程：

(7=—(1.5)

A

這個(gè)方程對(duì)于我們即將研究的問(wèn)題來(lái)說(shuō)非常重要，應(yīng)該掌握，它將被重復(fù)使用。在獲得方程的過(guò)程中，假定應(yīng)力走均勻分布的，也就

是平等分布，這是個(gè)非常好的假設(shè)，在大量的案例中都適用。即使在這個(gè)假設(shè)不成立的情況下，設(shè)計(jì)壓力通常取平均E力，因此，公式(1.5>

有廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)力的方向也應(yīng)當(dāng)注意。它垂直于力作用的表面，因此叫做正應(yīng)力?！癗onral”表示垂直于表面的意思。除了大小和方向這兩個(gè)性質(zhì)，

應(yīng)力的第三個(gè)特性就是它分布的均勻性。這樣，畫(huà)出應(yīng)力分布草圖就很容易了。當(dāng)不畫(huà)草圖時(shí)，我們學(xué)生應(yīng)當(dāng)能想象出分布情況。圖1.8(b)

所示的是三維圖。但我們使用更多的是圖1.8（c）中的二維圖。

應(yīng)力產(chǎn)生的效果也是重要的。它不能從矢量力的符號(hào)中測(cè)得。它不依賴物體的運(yùn)動(dòng)而是依賴無(wú)物體上的壓力。如果壓力的趨勢(shì)是拉伸

物體或是使它分開(kāi)，就叫做張力.通常，把拉伸張力規(guī)定為正的.如果應(yīng)力是壓縮或擠壓物體，則把它叫做壓縮，取負(fù)的“

最后研究的是應(yīng)力的單位。

Pforce\b.

r=—=-=--=psi

Aareain.

在國(guó)際單位制中，壓力的單位是牛頓，面積的單位是平方米。因此，應(yīng)力的單位是牛每平方米。它是一個(gè)導(dǎo)出單位，稱為帕斯卡，簡(jiǎn)

稱Pao

2.ShearStress切應(yīng)力

圖1.8中物體所受的力是標(biāo)準(zhǔn)的，也就是垂直于橫截面。而圖1.9（a）中的力則不是標(biāo)準(zhǔn)的。如圖1.9（b）,矢量力P分解成豎直分量Py

和切向分量Px。豎直分量Py產(chǎn)生正應(yīng)力。于是根據(jù)cr=P）"A求得平均正應(yīng)力，它與真實(shí)情況非常相近。切向分量將產(chǎn)生剪應(yīng)力，如

Px

圖1.10所示。平均剪應(yīng)力有以下公式計(jì)算得到：Tav=-O

A

但是，這個(gè)方程與真實(shí)壓力有很大的不同。盡管如此，根據(jù)實(shí)際需要，方程（L6）也廣泛的應(yīng)用在許多工程應(yīng)用中。下腳表av表示計(jì)

算得到的是平均應(yīng)力而不忍真實(shí)應(yīng)力。

最常用的表示剪應(yīng)力的符號(hào)是是希臘字母tau（7）,而Ss不常用。由于它也是由載荷除以面積得到的，因此它的單位也是psi.ksi.Pa.

MPa等等。

在前面部分中，公式（1.5）表明了應(yīng)力大小，方向，分布狀態(tài)的重要性。這些對(duì)剪應(yīng)力也同等重要。當(dāng)然，力的大小可由公式（】.6）

得到。方向平仃于表面，朝著切向萬(wàn)向，因此把它叫做剪應(yīng)力。假設(shè)力的方向是均勻的，如圖1.10所示。

Unit4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)殼體在載荷牛用下做對(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「=壓力

t=殼體的厚度

b產(chǎn)經(jīng)向應(yīng)力（縱向應(yīng)力），應(yīng)力沿著經(jīng)線作用，

。2=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），

r,=經(jīng)向曲率半徑，

r2=環(huán)向曲率半徑。

注意：容器有雙曲率；rl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)力的法網(wǎng)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X而積）：

將上面等式左右連接弁旦簡(jiǎn)化，取極限方法令d。/2Tds/2r,sind〃

->d。，給出：

經(jīng)向應(yīng)力必可通過(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，作用在壓力容器外壁圓周上的經(jīng)反應(yīng)力：

連接這些力得出：（1.13）

公式（1.12：和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=D2/2O

Unit5機(jī)械振動(dòng)

機(jī)械振動(dòng)是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)或物體以一個(gè)平衡位置為中心做往復(fù)周期的振蕩運(yùn)動(dòng)，由于工程師幾乎要面對(duì)所有的機(jī)械和結(jié)構(gòu)中，因此機(jī)械振

另一類L泛的有色合金被稱為難熔金屬。這些金屬有鐺、銅和鋁，它們的熔點(diǎn)都在3000F(1649C)以上，常用在必須抵抗異常高溫的

產(chǎn)品中。

最后，貴金屬，價(jià)值高是它們的共性.另外，他們一般具有較高的耐腐蝕性，有許多有益的物理特性.

Unit7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)牌下將材料加工成?定形狀?；蛘咦鳛?/p>

選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)加到材料卜的大量:變形必須被限制為了防I卜材料斷裂c然而一些與韌性相反的加「「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)度叮韌性等，影響著牛.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

性在某市.程克上取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)，所以金屬治金學(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(shū)的許多學(xué)科是十分必要的，乂叫

做材料的強(qiáng).受。這章開(kāi)始討論的目的，實(shí)際上，站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)度如此亙要，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(shū)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)超傳熱率去影響當(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

為它有時(shí)影響表面膜的形成，從而膨響潤(rùn)滑性，或是導(dǎo)熱和導(dǎo)電的能力。

Unit10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?？刂圃O(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)是用于改善金屈而不是去破壞它。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：型料在溶劑中膨脹，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?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)誤的埋想世界中，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F

小部件的腐獨(dú)。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)的成木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)用更碓以確定，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。間接班用包括工廠停產(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，特別是例如珞和鍥等那些制造合金時(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?/p>

用于生產(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，程師或技術(shù)員，因?yàn)樗?/p>

一種快速的方法為他/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。

PARTin工業(yè)流程

Unit11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)的高度且雜性為基礎(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(shū)和手冊(cè)都是百科全書(shū)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?；瘜W(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。化學(xué)工程師所研究問(wèn)題的傳統(tǒng)范國(guó)，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。

化學(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

的布局將受豆雜液體的微觀動(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)越多的月計(jì)算機(jī)，人們的智慧,

以及解決問(wèn)題的專門的系統(tǒng)。

Unit12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)量傳遞或獷散（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?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，

如果微分方理和邊界條件都相同，則僅需對(duì)其口一個(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？

H從這門學(xué)科涉及到?些自然規(guī)律，一些人把它歸類為工程方面的?個(gè)分支。這如這些原因?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，卜分適當(dāng)?shù)靥岢鰝鬟f現(xiàn)象將會(huì)在實(shí)踐由體現(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，分儲(chǔ)得，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)管慶的流體溫度，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)行顯貴的實(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

些方程式在一定范困內(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?般更可嵬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（通常是用十算機(jī)）后獲得的。一個(gè)設(shè)比工程師將會(huì)用這些方程式是研窕型的工程師獲得傳熱系數(shù)。

記住設(shè)計(jì)熱交換器的工作樣也是不管如何要先得到傳熱系數(shù)。由于這個(gè)原閃，?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

管上型的反應(yīng)器，這個(gè)熱交換器伴隨著均和化學(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G而以減小了的反應(yīng)物濃度

和提高了的*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?/p>

他的應(yīng)用的趨勢(shì)，傳遞現(xiàn)象的課程將會(huì)最終證叨這是在大學(xué)牛.涯最實(shí)際而且有用的的課程。

Unit13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，和粗射。

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，所以熱是一種獷散從高溫地區(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)目的焰。這樣的焰的流動(dòng)來(lái)自連續(xù)的熱

的流動(dòng)或者荀單的對(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)例子是焰的變化由7湍流流動(dòng)和由于熱的空氣流過(guò)普遍的冷卻器。

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)加熱的冷卻罌就是自然對(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)域漏度的變化程度無(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)熱羥過(guò)某種氣體團(tuán)是，它可以通過(guò)輔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)流和輸射都被分開(kāi)和避免相互間造成影響二者都很重要。在一般的條件卜，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)算是基丁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，流體罪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，流體室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。

Unit14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)，把熨雜的工藝過(guò)程分解成單個(gè)的物理過(guò)

程（即單元程作）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?。嚎梢员环纸獬蓡卧饔玫耐鹊囊恍┫盗校穹鬯?，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)工程的豆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「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，蒸儲(chǔ)，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。

蒸僭這是一個(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?/p>

吸收這個(gè)過(guò)程的?個(gè)組成部分是通過(guò)對(duì)其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。

晶。傳熱放生在干燥，蒸館，蒸

每圖3.1展示了一個(gè)典型的情況。

原?物理處理-分離，凈化等等。最

后

Fig.3.1Typicalchemicalprocess

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?個(gè)特殊分叉而存在的合理性。

化學(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)i可題與熱力學(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。

化學(xué)反應(yīng)總是伴隨著釋放或吸收能星，我們必須直到適當(dāng)設(shè)計(jì)的術(shù)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)自由度為平衡常數(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)化為新的和山不用材料物質(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。化學(xué)是聯(lián)系著反應(yīng)的研窕。它研究反應(yīng)的模式和機(jī)制，物理和能量改變的關(guān)系以及牛.成產(chǎn)品的

效率。

這是垠后提到的領(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)處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。

Unit16壓力容器及其部件

壓力容器時(shí)不泄露的容胎。它們有各種尺寸。最小的直徑不到英寸，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，水的裊面壓力可能達(dá)到3OOOOO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，要求的厚度通常山內(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?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。假如我們用銀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)必須考成成圓錐形設(shè)計(jì)的一部分。因?yàn)檩^大的力，ASME標(biāo)準(zhǔn)，八卷-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，

可能山螺栓或快速開(kāi)關(guān)裝置連接而成。可能是圓形、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4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)匚也是必要的。另外一些清理容器的和排水口也必須有。這

些開(kāi)U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)設(shè)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)可能被月把力傳遞到鞍座上。熱膨脹問(wèn)題應(yīng)該被考慮。

Unit17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，但是在焊接處的偵星安全必須保證。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)行或盛裝液體的容曙，必須注意保證材料在低溫下的抗擊能力。為r滿足性能容曙可能要求高合金鋼，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?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)范的第八俺，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..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

蝕和侵蝕量波給并且一個(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，水平或豎宜，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)、笠、地鹿的要求可能被確定。

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(shū)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?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(shū)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(shū)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(shū)所有的標(biāo)準(zhǔn)都有材料的詳細(xì)說(shuō)明書(shū)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)。

縱觀世界，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