-
Unit 4
回转壳体的薄膜应力
回转壳体是由一条直线或曲线绕一根旋转形成的（一个回转实体是由一个面绕一根轴旋转而成的）
。
大多数过程容器是由回转壳体组成的：圆柱形和圆锥形部件；半球形，椭圆形和准球形
的封头；图
.1.13
。
薄的容器壁被称为“薄膜”；承受载荷不引起严重的弯曲和过大的剪切应力；就象气球的外壁一样。
对受内压回转壳的薄膜应力分析为确定容器壳体最小壁厚奠定
了基础。实际的厚度要求同样取决于容
器所承受的载荷所产生的应力。
< br>
假设大致形状如图
1.14
的
回转壳体在载荷作用下做对称的旋转；
在壳体单位面积上所受的载荷
（压力）
在周向方向是一致的，但是从顶部到底部并不是一模一样的。
让
P=
压力
t =
壳体的厚度
=
经向应力（纵向应力），应力沿着经线作用，
=
周向或者切向应力，应力沿着平行的圆环作用（通常叫
做环向应力），
=
经向曲率半径，
=
环向曲率半径。
注意：容器有双曲率；
r1
和
r2
的值是由形状决定的。
假设作用在单元上的力通过点
a
，
b
，
c
，
d
来定义。那么在单元上的应力的法向分量（分力作用在和表
面
有特定角度的方向）：
这个力被其它力的法向分量抵消与容器
壁上的薄膜应力相关联（给出，力
=
应力×面积）：
将上面等式左右连接并且简化，取极限方法令
d
/2 dS/2r
，
sind
d
，给出：
经向应力
可通过作用在周向沿线的力
的平衡获得：图
1.14
。压力垂直分量：
这是一种通过力的垂直分量建立的平衡，取决于作用在压力容器外壁圆周上的经向
应力：
连接这些力得出：
（
1.13
）
公式（
1.12
）和（
1.13
）完全适用于任何回转壳体。圆柱体（图
1.
15a
）
圆柱是由平行于回转轴的一
条线旋转而得，所以：
D
是圆柱的直径。
带入公式（
1.12
）（
1.13
）得：球体（图
1.15b
）因此：
圆锥体：
圆锥体是由和轴有一定角度
的直线旋转而成。
带入公式（
1.12
）和（
1.13
）得：
最大值将会发生在
r
= /2
。
Unit 7
材料的特性
用于工程构件的任何一种
材料的最终强度取决于这种材料在经历了一种或多种不同加工过程之后的机械与
物理性质
。也有许多特性决定材料的初始状态适合一些特定的加工工艺。原始材料的最初强度很重要，因
< br>为强度在一定程度上影响了材料最终被加工的形状以及最后所能承受的截面能力。增加或者降低初始材料< /p>
的强度的因素也很重要。它可用于减小材料的强度并如许现有机器下将材料加工成一定形状
。或者作为选
择去提高材料最终的强度来得到更高的服务强度。强度是一个不明确的词汇
，在这被理解为指示出材料接
受或抵抗变形的能力。
一个类似的问题也适用于另一个甚至更难以捉摸的材料性质，
即材料的韧
性。
它通常被理解为指的是
材料承受大变形（主要是拉伸变形）
而不发生断裂的能力。在考虑加工工艺，这个参量的大部分值很明显
是很有用的。金属加
工工艺只受到实际工作材料的韧性影响而受到限制，所以，强加到材料上的大量变形
必须
被限制为了防止材料断裂。然而一些与韧性相反的加工工艺却是有利的。一个适合的一般性的词汇来
解释脆性可能就是脆性了；例如，众所周知某些脆性材料比韧性材料容易加工或剪切。
主要是制造过程中各种材料性质的相互关系，例如强度与韧性等，影响着生产
工艺。例如，一个很普
通的常识大多数金属当受热时将会变软和更容易变形。如果变形的
速度太快，然而，这种优势会消失，材
料会变的更硬更脆，过快的变形会导致断裂。这些
效果的事件和重要性在某重程度上取决于材料的微观结
构，所以金属冶金学的知识或者相
应的非金属微观结构对于理解这本书的许多学科是十分必要的，又叫做
材料的强度。这章
开始讨论的目的，实际上，是为了指出这些材料的性质在加工过程中和加工过程之后都
重
要，为了了解它们为什么这么重要，它们怎么样影响加工工艺的。很明显我们必须要有比强度、韧性更
精确的词汇，在这章考虑了一些标准机械测试是为了了解是否有必要定义一些更精确的概念。当然， 为了
了解它很有必要掌握塑性数学理论或理想介质的流变学理论。
一旦多种重要的加工性质被定义和理解，
那么我们有必要去
考虑这些知识怎样被使用去控制工艺和生
产，这些性质怎么样被不同的加工工艺影响。用
这种方法我们可以很容易确定对一个给定的元件和材料的
一个合适的方法最后给出最后的
形状，要求的强度和性质。因此我们可以理解为什么传统的学科中的材料
强度如此重要，
不仅是因为它与任何工程工件和材料的最终条件有关，也和最终变形前的材料有关。
<
/p>
例如，
可能会和考虑形状改变有关或者加工工件的材料去适合生产
技术。
这些问题超出的这本书的研
究范围，并且可能属于在加工
设计或者加工工程中更专业的领域。制造的成本自始至终，即从规定元件要
在一定寿命期
间满足一定的功能开始，直到最后的检验、试验和保用，都是最重要的。整个加工工艺包括
工件的设计和生产，特别是影响材料的最终强度。
在加工中
有一些物理和化学的性质影响着材料的选择和处理。
一个物理性质是传热率去影响当它在
材
料内部变形和冷却硬化的时候的热流量。同样的，众所周知的例子，是一个重要的抵抗
腐蚀的性质。它的
重要性在生产的最终阶段很明显，它在加工工艺过程中也很重要，因为
它有时影响表面膜的形成，从而影
响润滑性，或是导热和导电的能力。
< br>
Unit 10
金属的腐蚀
化工厂，伴随着大量多种的气态，有机的和气态的腐蚀，产生每种可想象的腐蚀类型。控
制
设备的腐蚀在
没有化学过程的情况
下是一个相当大的挑战。炼油厂在腐蚀控制方面具有最好声誉，这部分地是由于其产
品的
价值给了炼油厂以资金来进行腐蚀控制，部分地也是由于对炼油厂来说如果任何一项腐蚀控制措施出
现问题的话，都存在发生火灾的危险。抵抗腐蚀的材料和昂贵的化学抑制剂被认为是必要的保障。
什么
是腐蚀？腐蚀是金属由于和环境
反应而产生的破坏。
破坏的规定是不包括工艺在内的，比如化
学药品的研磨、铝的阳极反应，和钢的发蓝，这些都是有意
识的去改善金属。所有种类的
化学和电化学过程在工业上被用做和金属发生化学反应，但是它们被设计出
来是用于改善
金属而不是去破坏它。因此这些过程不认为是腐蚀。
金属在腐
蚀的定义中被涉及到，但是任何一种材料都能被它的环境破坏：塑料在溶剂中膨胀，混凝土
在污水中的溶解，木头的腐烂，等等。这些结果都是不同机理产生的严重问题。但是在这个定义中它们不
被包括。金属，他们是否在腐蚀中被侵袭的均匀或者有纹孔或者开裂，被腐蚀都是通过相同的基
本机理，
它们不同与其他的材料。这些试验集中在金属上。
<
/p>
腐蚀对于金属来说是个自然过程，
因为它们与环境反应生成更稳定
的化合物。
即使是在一个材料选择
总是正确的、设备设计没有任
何缺陷并且操作也没有任何错误的理想世界中，腐蚀仍将发生，只不过是可
以接受的腐蚀
速率罢了。
腐蚀的代价。看看真实的腐蚀是怎样的，许多国家
的政府在
1970
年和
1980
年委托研究，得到了许多
数据说明腐蚀的确是大多数的主要问题。
美国的研究估计腐蚀的直接损失是工业产值的
4.9%
对于工业化国
家来说。这
4.9%
< br>中，大概
1%
到
2%
是可以通过现在的技术避免的，大概是每人每年
200
美元的浪费。
直接成本包括零件、劳动力代替汽车的消声
器，金属的顶板，冷凝管，和所有其他的可腐蚀的金属。
一部完整的机器不得不被报废由
于小部件的腐蚀。
单单汽车腐蚀每年就值
16
< br>亿。
直接成本包括金属的重新
喷漆，虽然这笔费用不同于
安装精确的部件，因为许多金属表面喷漆是防止腐蚀。腐蚀防护的成本也包括
例如阴极保
护的投资成本、其电力消耗和维修成本、化学缓蚀剂的成本以及抗腐蚀材料的附加成本等。
间接费用更难以确定，尽管他们可能至少对一样大的直接费用进行了调查。间接费用
包括工厂停产，损失
或污染的产品，丧失效率，对于防腐需要进行必要的设计，大约
20
％的电子故障是由腐蚀造成的。
<
/p>
腐蚀导致了我们一个非常现实的代价就是资源枯竭，但是这不是算作直接费用。据估计，<
/p>
40
％的
钢铁生产用以取代钢材腐蚀
损失，许多金属，特别是例如铬和镍等那些制造合金时所必需的金属，都不能
通过当代技
术进行可回收利用。能源资源也降低腐蚀，因为能源必须用于生产替代金属。
人力资源是一种浪费，
拥有时间和智慧的许多工程师和技术人员必须在日
常斗争腐蚀。
往往
腐蚀工作分配给新的工程师或技术员，因为它
是一种快速的方法为他
/
她去了解的人，工厂
< br>运作，
它的问题。
然后，
如果他
们会得到进步以及与另一个有经验的学员已经重新开始学习
周期。
PART
Ⅲ
工业流程
Unit 11
化学工程
1.
什么是化学工程？
从广义上讲，工程
被定义为特定行业使用的科学技术和设施，例如，机械工程是指技术和设施被用来制造
及
其，它（机械工程）主要是以机械力基础，这些力用于改变被加工材料的表面形状或物理性质，而材料
的化学性质不变。化学工程包括材料的化学加工，主要以化学和物理化学的高度复杂性为基础。
因此，化学工程是注重设计，
制造，机械设备操作，化学加工工业机械等要就工程领域的分支。
化学工业是首先以化学科学为基础，
例如物理化学，
化学热力学，
和化学动力学。
等等，
然而，
它
（化<
/p>
学工程）不是简单的复制他们的发现，而是依靠他们进行大量的化学处理。主要的目的是使
化学工程成为
一门纯粹的学科，是一种能够找到一种操作和设计商业设备及配件最适合最
经济的方案。因此，化学工程
在没有经济，物理，数学，控制理论，机械原理，和其他科
学技术的紧密联系是不可想象的。
在化学工程的早期，
化学工程是一门大的描述性的学科。
在那时许多的早期的化学工程的教科书和手
册都是百科全书一样商业生产过程中所知道
。在科学和工业制造取得进展并在增加化学制品的数量上给人
印象深刻。如今，是有充当
的
80
，
000
种化学品的生产来源。化学工业的发展，一方面使化学和技术科学
向前发展，另一方面
可为化学加工工艺奠定理论基础。
随着化学工程的稳步向前发展，新的数据，新的联系，新的归纳正在被加入化学工程的主题。许多他
们自己的分支区别化学工程的主流。正如加工和机械设计，自动化，化学模拟加工和建模等等
。
2.
化学工程的基本趋势？
化学工程一直被用来加工工业来改变原料的物理状态或化学成
分。化学工程师所研究问题的传统范围，从
复杂性和规模上来讲，也许都可以称之为是中
等尺度的问题。这种尺度包含反应器和单一工序的装备以及
制造工厂里单位操作的组合体
。未来的中等尺度研究将越来越多地有微观尺度的研究和极端复杂系统的宏
观尺度的研究
来补充。
化学工程将来会整合成比其他任何工程领域分支都宽尺度（的工程学科）。例如，一些工作可能把宏
观尺度的环境和中间尺度的燃烧系统和微观尺度的分子反应和运动联系起来。另一些工作可能把一个 复合
的飞行器的宏观尺度的性能和中间尺度的机翼的化学反应器以及反应器的布局将受复
杂液体的微观动力学
研究的影响。
如此，将来化学工程将会构想和在微观到宏观的连续的尺度范
围内严谨的解决问题。他们将会新的工
具和新的观察发现以及研究其他学科：分子生物学
，化学，固体物理，材料科学，和电子工程。并且他们
在制造和过程设计和加工方面将会
越来越多的用计算机，人们的智慧，以及解决问题的专门的系统。
(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
工业制造的传递现象
1.
引言
<
/p>
传递现象是一个共有的名词来源于有规则的集成研究的三个古典的工程领域的学科；（
1
）能量或热传动，
（
2
）质量传递或扩散（
3
）动量传
递或流体动力学。当然，热和质量传递发生在流体中，正是由于这个原
因一些工程研究人
员们青睐于热传导和固体扩散，然而，这个学科实际上是比流体力学的范围更广。该学
科
不同于流体力学之处还在于传递现象的研究利用了传热，传质，和动量传递方程之间的相似性。这些相
似性，随着它们经常被提起，能够经常涉及到相似的物理构造借以发生传送，因而，明白一个传送过 程就
可以明白另一个传送过程。而且，如果微分方程和边界条件都相同，则仅需对其中一
个（传递）过程求解，
因为通过改变名称，该解可用作任何其他传递过程的解。
需要强调的是，然而，在传递过程中
有很多相似之处，也有很重要的不同之处，尤其在动量传动，和
热或质量传递。尽管如此
，一个对传递过程相似之处有系统的研究会使识别和明白他们的不同之处变得更
加简单。
2.
为什么工程师要研究传递现象？
自从这门学科涉及到一些自然规律，一些人把它归类为工程方
面的一个分支。这如这些原因一些参与经济
性设计和设备操作以及技能方面的工程师，十
分适当地提出传递现象将会在实践中体现价值。大致有两种
答案回答这些问题。第一种要
要求认识热，质量，动量等传递发生在各种工程设备中，热交换器，压缩机，
核电站，增
湿机，空气冷却器，干燥器，分馏器，减震器等等。这些传递过程也参与到人体当中就像在复
杂得过程凭借污染物质的其反应扩散到大气中。如果工程师想要了解在工程装备中所发生的情况，并就造
作的经济性做出明智的决策，那么他们应该对控制这些传递过程的物理定律有所理解，这一点
很重要。
第二中答案是工程师们需要能够用他们对自然规律的
理解来设计这些正在发生的装备过程。这样做他们必
须预测出热，质量或动量等传递的比
率。例如，考察一个简单的换热器，即一根管子，通过保持器壁温高
于流过管内的流体温
度，即可加热流体。这个比率通过管壁传热给流体的依靠的因素叫做热传递系数这是
在进
行昂贵的实验室或试验工厂测量后以及通过相关度量的以观察或实验为依据的方程式所获得的。这些
方程式在一定范围内适合一些数据的方程式；它们不是建立在原理的基础上，也不能用在已经获得数据
的
精确度意外的问题上。
更便宜的而且一般更可靠的方程式被用在传递现象来预测传热
系数通过以自然规律为基础的方程式。
这些预测的结果将会通过一个研究工程师计算一些
方程式（通常是用计算机）后获得的。一个设计工程师
将会用这些方程式是研究型的工程
师获得传热系数。
记住设计热交换器的工作一样也是不管如何要先得到传热系数。由于这个原因，一些传递现象的课程<
/p>
仅仅强调传热系数的确定和实际的单元操作课程的设计水平。当然获得参数也是很重要的，
热传递系数被
用作设计，也正是由于这些原因一个传递课程可以被认为是一个工程课程就
像是一门学科。
事实上，有一些设计的工程师可以用这个方法和传递想象的方程式直接用于设备的设计的例子。一个
例子就是一个作为一个管子说明的管子型的反应器，这个热交换器伴随着均相化学反应发生在
里面会描述
的早些，流体以某种反应物浓度进入管子，而以减小了的反应物浓度和提高了
的产品浓度排除管子。
当然，不是所有的问题今天都可以用这种方式解决。然而，随着计算机的发展，越来越多的问题将
会
用这种方法解决。如果工程学的学生接受教育没有变得过时，那他们必须做好思想准备
，同伙理解传递现
象的一种方法，应用计算机将会创造未来。因为它有巨大的潜力正像他
的应用的趋势，传递现象的课程将
会最终证明这是在大学生涯最实际而且有用的的课程。
(Selected from: Ray W. Fahien.
Fundamentals of Transport Phenomena, McGraw-Hill,
1983. )
Unit
13
传热原理
实际的全部的已完成的操作都有化学工程参与生产或以热的形
式吸收能量。因此，控制传热的定律和以控
制热流为主要目的的仪器类型都是很重要的。
1.
自然的热流动
当两个不同温度的物体
进行接触时，热量会有温度高的物体流到温度地的物体。这种流动经常朝着温度下
降的方
向，热的流动有三种途径：传导，对流，和辐射。
传导
如果一个连续的实体中存在着温
度变化，热量可能流动不伴随物质的任何运动。热量的这种流
动叫做传导。在金属体中，
热传递的结果来自自由电子的运动，所以热传递和电的传导率很相似。在电的
传导率低的
实体中，在大多数的液体中，热传导的结果伴随着温度变化的分子运动的动量。气体的传导发
生在任意的运动的分子，所以热是一种扩散从高温地区传导低温地区。区普通的传导的例子就是热在不透
明的物体中流动，就像火炉里的砖墙或是管子的金属壁。
对流
当一个宏观的液体微粒穿过一个
特定的表面，例如一个固定容积的范围内，它带有确定数目的
焓。这样的焓的流动来自连
续的热的流动或者简单的对流。由于对流是一种宏观现象，因此，只有当力作
用在微团或
液流上且该力能够克服摩擦力并维持其运动时，这种传递现象才能发生。对流的一个例子是焓
的变化由于湍流流动和由于热的空气流过普通的冷却器。
自然和强制对流
强制对流在液体中有
两种形式，如果这种趋势的原因是密度不同和液体中温度变化
引起的密度不同所产生的浮
力。这个作用叫做自然对流。流动的空气穿过加热的冷却器就是自然对流的一
个例子。如
果这个气流产生的运动被机械力的作用分开如泵和搅拌器，这种流动域密度的变化程度无关叫
做强制对流。热流动由液体被泵入以个加热的管子就是强制对流的例子。这两种力有可能同时在同一种液
体中作用，这是自然对流和强制对流共同作用。
辐射
辐射是一个术语来自于能量以电
磁波的形式穿过空间，如果辐射正在穿过空的空间，它不会改
变热或其它任何形式的能量
。也不会使它偏离原来的路径。然而。在它自己的路径中，辐射将会被传播，
被反射或者
被吸收。它仅通过吸收能量来产生热量，这种改变是数量上的，例如，融化的石英传播所有的
辐射当它受到打击是；一个磨亮的不透明的表面将会吸收大多数的辐射，并将会改变这样吸收能量数量上
的在热中。
单元子和双原子气体对热射线
是可以通过的，经常发现热经过某种气体团是，它可以通过辐射的方式
也可以传导。例子
是；从散热器或未保温的蒸汽管道向周围环境气体损失热量在熔炉传热以及其它高温气
体
加热损失。这两个机制是互相独立并且是并行产生的。所以一种类型的热流动可以被控制或与其它独立
的。传热，对流和辐射都被分开和避免相互间造成影响二者都很重要。在一般的条件下，射线变得重 要并
与液体流动的情况无关。传热传导它们对流动状态是非常敏感的收温度影响的。
2.
传热率
热通量
传热计算是基于热的传热表面
的面积用平方英尺每小时的单位表示。
每单位面积的传热率叫做热通
量。许多类型的传热装备都是用管子构成的。热通量也可以在内表面上，或者在管子的外表面。尽管这个
选择是随意的，但它必须得明确的规定因为热通量的重要的数值是不同的。
< br>
流体流动的平均温度
当一个
流体正在变热或者变冷时，
流体横截面的温度会变化。
如果流体
被加热，
流体靠近加热表面的温度最高，中心外温度逐渐降低，如果流体被冷却，流体靠
近冷却表面的温度最低，
从中心到表面温度组件升高。应为这个温度变化遍及整个流体的
横截面。为了明确，我们必须指出，流体
的温度是指什么。大家一致认为，流束的温度就
是假设把流过所研究截面的全部流束取出并绝热混合后所
达到的均匀温度。这个温度所以
明确的叫做平均或流体混合温度。
(Selected
from: Warren L. McCabe, Unit Operations of
Chemical Engineering, 5th Edition,
McGraw'-Hill Inc., 1993. )
Unit 14
化学工程的单元操作
1.
介绍
化学加工可以包含各种各样的不
同的过程顺序，它的原理是独立于我们的操作的材料和操作的系统，把复
杂的工艺过程分
解成单个的物理过程（即单元操作）和多种化学反应过程的实践，导致了化学工程的通用
性。单元操作的观念在化学工程是基于不同的过程步骤可以减少简单操作或反应，而这些反应在不考虑操
作条件下有同样的基本反应。
这个原则，
在美国
化学工业的发展过程中变得明显，
在
1915
< br>年早些首次变得
明显。
任何一
个化学过程，
无论所操作规模大小，
可以被分解成单元作用的同
等的一些系列，
像粉碎，
混合，
加热，
烘干，吸取，浓缩，析出，沉淀，结晶，过滤，溶解，电解等等。基本单元操作的数量不是很大而
且只有很少几个包含特定的操作，化学工程的复杂性源于各种条件如温度，压力等的多样性。由于条件的
变化，单元作用就必须在不同的过程中完成。同时化学工程的复杂性还受到由反应物的物
理及化学性质所
决定的结构材料和设备设计的影响。
单元操作的开始清单列举了十二个功能，不是所有的都包含单元操作。再增加的都会命名，在那些
年
处于适中的比率但是最近在一个加速的比率。流体流动，热传递，蒸馏，加湿，气体吸
收，沉积，分类，
搅拌，和离心过滤已经被公认。最近几年，新技术逐渐被理解，比较适
用于过去但很少使用分离技术这导
致了分离，处理，操作或者是介入制造的数量上的持续
增长，这些可用于没有重大改变的各种进程。这是
根据一个术语
”
单元操作
”
，现在为我们提供了、一
系列的技术合作。
2.
单元操作的分类
流体流动
这涉及的原则，确定流动或运输任何流体从一个点到另一个点。
传热
这个单元操作处理的原则是，
积累和转让的热量和能量从一个地方到另一个地方。
蒸发
这是一个特殊的情况下传热，
其中涉及蒸发的挥发性溶剂，如水从一个非易失性溶质如盐或其
它材料在解决方案
烘干
在这个操作中挥发液体，通常是水，从固体材料中挥发出去。
蒸馏
这是一个过程即液态混合物的
分离通过沸腾，因为它们的蒸汽压不同。
吸收
这个过程的一个组成部分是通
过对某一液体的处理提取天然气流。
膜分离
这一过程涉及的是溶质从液
体或气体中通过半透明膜屏障传播到另一流体中。
液
—
液萃取
在这种情况下的解决办法是，在混合溶剂中除去与之接触的另一种液体。
液
—
固浸取
这涉及到处理微细固体，同一种液体溶解并消除了溶质中所载的固体。
< br>
结晶
这涉及除去溶质，如盐从溶液沉淀溶质的解决办法。
机械物理分离
这涉及分离固体流体
或气体的机械方法，如过滤，沉淀，压缩体积，而这些问题往往
被列入为单独的单元操作
。
许多的单元操作有一定的基本基础和基本原则或共同的机制
。例如，扩散发生在干燥，吸收，蒸馏，
结晶。传热放生在干燥，蒸馏，蒸发等等。
Unit 15
化学反应工程
每一个工业化过程的设计都是从各种原材料出发，经过一系列
的生产加工步骤，来经济地生产出期望的产
品。图
3.1
展示了一个典型的情况。原料承受一些物理处理使它们以能够其化学反应的组成。它们穿过反<
/p>
应器。反应的产品必须那时承受更多的物理处理
—
分离，净化等等。最后期望的产品就得到了。
对于用于物理处理的设备设计的步骤是研究单元操作。
在这里我们感到关切的是化学处理的一个过程。
经济上这肯能是一个无
关紧要的单元，说一个简单的混合罐。然而，化学处理的步骤是整个过程的中心，
它破花
了经济过程。
设计的反应器没有例子和许多其它可以提出的进
程，
所追求的最佳的并步仅仅是反应器的成本的最小
化。也许一
种设计方案中的反应器费用并不算高，但从反应器出来的物料后处理费用可能远高于另一些反
应器设计方案中的处理费用。因此，整体过程的经济性必须加以考虑。
反应器的设计用到信息，知识，以及不同领域的经验
—
热力学，化学动力学，流体力学，传热，传质，
和经济学，化学反应工程是综合所有
因素，其目的是正确设计一个化学反应器。化学反应器的设计也许是
一种只有化学工程领
域才涉及的工作。并且可能正是因为这种功能才奠定了化学工程作为工程领域的一个
特殊
分支而存在的合理性。
化学反应器的设计有两个必须回答的问题；
（
1
）
我们期望放生的是什么变化？
（
2
）
它们进行的速度会有多快？
第一个问
题与热力学有关，第二个问题则与各种速率过程，例如化学动力学及传热学
关。把这些都
放一起，试图确定这些相互关联的过程是一个非常棘手的问
题；我们从最简单的情况通过考虑其它因素建
立我们的分析，直到我们能够处理更困难的
问题。
1
．热力学
热力学给我们在设计上两个非常重要的信息，在反应过程中的热释放和热吸收以及最大可能的反应程度。
化学反应总是伴随着释放或吸收能量，我们必须直到适当设计的重要性
。考虑这个反应
反应温度
T
是传热从周围环境到反应系统当中，当一摩
尔的
A
消失形成
R
摩尔的
R
和
S
摩尔的
S
，该
系统测量处于同一温
度和压强在反应前后。热反应是可以从热化学的数据知道或估计的。
< br>热力学也可以计算反应材料的标准自由度的平衡常数。与已知的平衡常数，化学反应产品的最高产量
是可以估计出来的。
2.
化学热力学
在适当的条件下提供的材料可能被转化为新的和由不用材料物质构成的的不同材料。如果发生这种情况只
有通过重新安排或组成原子形成新的分子在分配，
我们说一个化学反
应的发生。
化学是联系着反应的研究。
它研究反应的模式和机制
，物理和能量改变的关系以及生成产品的效率。
这是最后提到
的领域，化学动力学，这是我们主要的。化学动力学寻找影响反应效率的因素。它衡量
着
这个比率并提出有价值发现的解释。对于化学工程师化学动力学是必须知道的如果他是满意设计设备来
影响在技术规模生的反应。当然，如果反应时迅速的足以使系统基本上是平衡的，设计是非常简化的 。动
力学信息是不需要的，热力学信息本身就足矣。
(Selected from: O. Levenspiel, Chemical
Reaction Engineering, 2nd Edition,
John Wiley &Sons Inc. ,1972. )
Unit 16
压力容器及其部件
压力容器时不泄露的容器。
它们有各种尺寸。
最小的直径不到一英寸，
最
大的直径能达到
150
英尺甚
至更大。
某些是埋在地下或海洋深处，多数是安放在地上或支撑在平台上，还有一些实际上是在航天飞行
< br>器中的贮槽和液压装置中。
由于内部压力，容器被设计成各种形状和尺寸。内部的压力可能低到
1
英寸，水的表面压力可能达到
300000
多磅
。
普通的单层表面建筑压力是
15
到<
/p>
5000
磅，
虽然有很多容器的设计压力
高出或低于这个范围。
ASME
锅炉和压力标准中第八卷第一节
指定一个范围从
15
磅在底部到上限，然而，内部压力在
3000
磅以
上，
A
SME
标准，第八卷第一节，指出考虑特殊设计的情况是必要的。
压力容器的典型部件描述如下：
圆柱壳体
在石化工业中对于结构
压力容器圆柱壳体是经常被用到的，它是很容易制造、安装并且维修
很经济。虽然在一些
场合应用载荷和外压控制，要求的厚度通常由内压决定。其他因素如热应力和不连续
压力
可能有要求厚度决定。
成型的封头
许多的端封头和过度部
分有设计工程师选择。用一种结构相对另一种依靠很多因素，如成
型方法、材料成本、和
空间限。一些经常应用的成型封头是：
带凸缘的封头
这些封头通常在较低压
力的压力设备中，
例如汽油罐和锅炉。
有些也应用在较高压力的
但
是较小直径的设备中。设计和结构的许多细节在
ASME
标准，第八卷第一节中给出。
半球形封头
通常，在一个给定温度
和压力下半球形的要求厚度是相同直径和材料圆柱壳体的一半。假
如我们用镍和钛昂贵的
合金建造实心或覆盖形半球形封头，这样是很经济的。假如使用碳钢，然而，由于
这高价
的制造费用就不比凸缘形和碟形的封头经济。
半球形封头经常
通过部分三角形结构加工，也可以通过旋转法或施压法加工。由于半球形封头比与它们连
接的圆柱壳体薄，所以在封头与壳体连接区域必须是等高的，以便减小不连续区域的影响。
椭圆与准球形封头
这样的封头是十分普遍的在压力容器中。它们的厚度与连接壳体是一样的。这就简
化了焊接安装的工作。因此，由于这边意外的区域所需的厚度小于封头的实际厚度，多余的部分
就可以用
于这些区域内接管的补强。许多工厂都可以提供不同直径和厚度的封头而且在价
格上有很强的竞争力。
锥型和准锥形封头
这些封头
在漏斗型和塔容器中作为底部封头应用，而且它们也可用做不同圆柱直
径的过渡区域。由
于在链接区不平衡应力，这圆锥到圆柱的链接区必须考虑成圆锥形设计的一部分。因为
较
大的力，
ASME
标准，八卷一节中，规定当锥形内部施加压力
顶角限制成小于
30
度。
盲板，覆盖版，和法兰
一个较为普遍形式的压力容器封头是无支撑的扁平封头或覆板。这可能由完
整壳体组成或由壳体焊接而成，可能由螺栓或快速开关装置连接而成。可能是圆形、方形、矩形或其他
形
状。螺栓被安装应用垫圈的地方的扁平封头称为盲板。通常，盲板被连接在两个边缘区
之间放一个垫圈的
容器封头上。虽然扁平的封头可能是圆形或非圆形的，但是它们有均匀
的厚度。
开口和接管
所有的工艺容器都需
要有输入和输出的物料。
对于一些容器，
物料是大量的或内部经
常变
化的，通常是通过连接的整个封头或一部分来给开一个较大的通道。然而，对于大多
数容器，物料的进口
与出口通过与管道相连接的封头或壳体的开口。另外还有一些开口还
是需要的，例如方便人进入的人孔。
对以一些从外面检测容器的手孔的开口也是必要的。
另外一些清理容器的和排水口也必须有。这些开口不
总是有一个接管被安装在开口。有时
闭口有一个人孔盖或或手孔盖直接被焊接或用螺栓连接在容器上。
支撑
大多数直立容器由裙座支撑。由于它们传递剪切力所以裙
座是经济的。它们总是通过地脚螺栓
和轴承板把力传递到地基上。支脚容器是较轻的并且
支脚到容器的底部提供较容易的通道。一个经济的设
计是支脚直接连在容器上并且力是由
剪切产生的。水平容器通常由鞍座支撑。由于壳体太薄有时加强环可
能被用把力传递到鞍
座上。热膨胀问题应该被考虑。
Unit 17
压力容器的设计
容器的选择
虽然很多因素决定着
容器的选择，但是影响选择的两个基本要求是安全和经济。许多内容都
被考虑，像材料的
可获取性，抗腐蚀能力，材料的强度，类型和载荷的大小，安装的位置包括风载荷和地
震
载荷，制造的地点，容器安装的方位和在设备制造地点劳动力的可用性。
随着特殊压力容器在石油化工和其他工业的广泛应用，
恰当材料的应用很快变
成一个主要问题。
对于
容器的最主要的材料是碳钢。许多其他特
殊材料也被应用在抗腐蚀或者储存液体材料的性质不衰减的能力
方面。材料的替代十分广
泛并且覆盖层和涂层被广泛应用。设计工程师必须与过程工程师进行交流为的是
所有备用
材料归因于容器的整体完整性。对于这些容器要求野外安装与在现场建造的相比，尽管容器制造
< br>的不利条件，但是在焊接处的质量安全必须保证。对射线探伤，应力消除，和其他在野外的操作预测必须< /p>
建立。
对于那些在低温环境下运行或盛
装液体的容器，
必须注意保证材料在低温下的抗击能力。
为了满
足性
能容器可能要求高合金钢，有色金属，或一些特别的高温要求。
那种压力容器标注被应用
首先考虑的是是否有一项标准在安装方面。
如果有就按规定标准进行。
如
果管辖部门已经决定采用
ASME
< br>规范的第八篇，那么需要确定的只是选用第一分篇还是第二分篇。
有很多操作需要用第一分篇而不是第二分篇，但是底线是经济的情况下。第一分篇用近似的公式，图<
/p>
表，和曲线图在简单的计算。第二分篇，在另一方面，用复杂的公式、图表、在压力报告中
必须被描述的
分析设计方法。有时，由于对按第一分篇设计的容器在最低要求之外又增加
了许多附加要求，因此按第二
分篇设计选取较高的需用应力可能更为经济。
特殊的设计要求
在
所有单元增加标准信息，像压力、设计温度、形状和尺寸，其他的信息内容也是
必要的并
且必须被记录下来。腐蚀和侵蚀量被给并且一个合适的材料和保护方法必须被记录。液体的类型
< br>必须被包含，像致命因子，必须被提到由于要求的特殊设计细节。支撑位置，水平或竖直，并且支撑点像< /p>
来自支撑容器和管子的力一样必须被记录。坐落位置也得给出一边风、雪、地震的要求可能
被确定。冲击
力和周期要求也要包括。
对于
ASME
标准，第八篇第二分篇，是否作为疲劳分析的说
明已经通过
AD-160
给出。如果疲劳分析
< br>被要求，这个特殊的周期和力也被给出。另外，设计说明书指出是否包括恒力或瞬时力。需用压力包含很< /p>
多种形式的力
设计报告和计算
ASME
标准
，
第八篇第二分篇，
规定一种正式形式的带有假设设计报告在使
用说明
书中在压力分析计算方面。这些计算被准备和鉴定由一个专业的工程师在压力容器
的设计试验中。如同用
户设计条件一样，制造商的设计报告以及有关制造厂数据报告的证
书嗾使强制性的。这有制造厂保存成文
件保存五年。
材料的说明书
所有的标准都有材料的详细说明书和要求用于描述哪种材料是允许的。被允许的这些
< br>材料特殊的标准被列出或被限制在被允许的应力值范围内。根据这个章程和标准，对于一个特殊进程的容< /p>
器的许用材料是被规定的。例如，仅
SA
与
SB
的标准材料可能用在
ASME<
/p>
锅炉和压力容器制造中。
安全因素
为了提供一个设计与实
际公式的差距，
那个被建立在复杂的理论与不同失效模式下，
实
际的
设计公式应用在减小厚度和压力水准，一种安全因素被应用在多种材料性能，这种性
能决定着许用应力。
安全因素直接与理论和失败模型、没中规定的特殊设计要求和被确定
和估计的多种真实压力水准的程度有
关。
纵观世界，多种安全因素被用在材料的寿命上去建立锅炉、压力容器和管子的设计许用压力。对于这
个温度变化到建立许用压力的缓慢破坏的温度，这所有建立的许用压力是在屈服强度的基础上的。
在许多
国家，一种因素被应用在经过许多次试验而建立起来的一系列数据上。在其他国家
，数据是由低的屈服强
度和高的屈服强度决定的。在另外的一些国家，对于设计部件这真
正的数据是由多次测试而确定的。部分
的设计归因于设计的公式。并不是所有国家用极限
抗拉强度作为确定许用应力的标准。
Unit 18
蒸馏设备
定义
蒸馏是一种以分离材料的相
对挥发度和原始混合物的相变化为基础的分离工艺。举个简单的例
子，
< br>液体混合物的成分通过加热被蒸发掉。
相对不易挥发的成分作为液体残留物被留下
。
也有小小的例外，
在储存蒸发成分的方式上，蒸馏不同于蒸发
和干燥。在困难程度上，在操作的复杂程度上，当不知一种蒸
发成分被分离，通常蒸馏适
用于液体混合物。但也有例外，典型的就是木材和煤的干馏，它是从固体中分
离液体成分
。
化学工程的现代科学技术是把蒸馏作为集中原理与设计方法
同时被应用的单元操作。
不管被处理的材
料或是被涉及的工艺，
蒸馏的设计的趋势是满足工艺的一般需求，而不是各工业的特殊需求。
范围
蒸馏设备被制造成许多样式
，排布方式和尺寸，去满足处理特殊的混合物和制造产品的条件。
应用样式的选择适宜被
蒸发材料的物理特性，分离成度和处理的数量为基础的。选择蒸馏系统的部件尺寸
适宜工
程设计的一个方面。建立在手册与教科书给出的成熟方法，但是必须有经验丰富的的蒸馏设备制造
上来调整。在样式和排布方式方面指导设备的选择进行指导，目的是省去在细节设计方面的说明要求的长
长论文。
理论
用来决定分离成度和设计尺寸
的蒸馏设备是由蒸发溶液平衡数据、热和材料平衡、允许会发速
率、分离率和热传递效率
。对于从一个不易挥发的残留物中蒸发组分的间歇操作计算是简单的。当间歇或
持续性操
作过程中组分的数量变得越大，它们变得更加复杂。
虽然读者
不能在设备设计上寻找到细节的说明，
但是他可以指导要求的信息去完成设计，
这个第一要
求是在一系列的温度和操作压力的物理数据如下
（
1
）
液体的比容
（
2
）
蒸汽的比容
（
3
）
任意一种组分在其他组分的溶解度，假如是在开放液体需要给出在水中的溶解度。
（
4
）
气液比
（
5
）
液体的潜热
（
6
）
液体和蒸汽的联系
（
7
）
表面张力（避免物沫夹带的近似值）
（
8
）
液体和正空的热导性
（
9
）
泡沫特性
（
10
）
对可能结构材料的腐蚀程度
蒸馏设备分类
蒸馏设备可以被
广泛的分类为间歇操作和连续性操作设备。
设备的操作特性，
在
某种
情况下，受完成操作的难易的影响。简单的分离有简单的蒸馏来完成，难得分离由分
馏来完成。蒸馏设备
的分级先是在表
4.1
蒸馏的设计条件有一个很大的变化范围，在炼油厂中，温度对分离来讲，可以在从
较低的液氮到
700--800 F
范围变化。
压力变化在从真空度到
1000psi
变化。
并且流量可以从几加仑到
50000
加仑每小时
变
化。分离可以变化从来自世纪不易蒸发的植物由中正乙烷简单操作到来在普通水的中水
的困难操作。
Unit 19
换热器的种类
换热器起初是为了在热
流和冷流中传热。对两种冷热流体一般有单独的通道，一般是连续性操作。最
通用的换热
器是壳管式换热器。但是不同种类板式和其他形式是有价值的和经济竞争能力。虽然一些其他
形式也被讨论，但是接下来大部分都在讨论壳管式的。起初是因为它们的重要性也是应为他们在文献中由
较完整的记载。因袭它们可以以一种适当过程的准确标准被设计。其他类型的基本上市带有专
利性的，并
且多数必须有他们的制造厂来进行工艺设计。
板框式换热器
< br>板框式换热器是在一个结构上压紧波纹板的装配体。围在边缘的够槽中密封垫片含有
液体，并且控制板间液体的流入与流出空间。紧密的缝隙和波纹的板框换热器，在两侧的上部达到了管壳
式换热器的几倍，而且板框式换热器的污垢系数较小。换热表面对于清扫的容易性德尔板框式换
热器特别
适用于污垢设备，也适用于卫生要求较高的行业，比如制药和食品工业，受到可
能的垫圈式的密封材料性
能的影响，一般最高压力值为
300
psig
，最高温度为
400
.
。
由于较少气液制造板框式换热器
，
大多数关于板框式换热器的工艺设计资料到有专利性，
但也许
提供
给负责的工程师。摩擦饮食和热传递系数碎着班的空间和波纹的种类变化。泵花费的
每个热传递单元比壳
管式设备低。用纯钢制造板框式换热器的费用是管壳式的
50~70%
。
螺旋型换热器
在螺旋形换热设备
中，热流进入螺旋单元的中心，并且流到边缘。冷流体是逆流的。
在边缘进入并在中心位
置流出。在两边热传递系数较高。由于真正的逆流形式没有原来形式的温差，这些
因素可
能导致表面要求
20%
或更小的壳管式换热器。螺线形式对于中
等压力的高粘性流体比较适合。
翘片式换热器
翘片式换热器首
先被应用在油气设备中。典型的翘片式换热器在单位体积上有
1200
< br>平方米的表面积，翘片高度
3.
8
～
11.8
mm
，翘片的厚度是
0.
2
～
0. 6 mm,
片的密度是
23
0
～
700
片每米。在
单位体积上翘片式换热器是壳
管式换热器的
4
倍。
翘片式换热器的操作压力设计为
80atm
。
因为翘片式换热器之间的间距小，
所以不适合易堵塞的设备。
从商业上说，
翘片式换热器适用于低温设备，
也是
用于与汽轮机相关的高温恢复设备。
对于动力设备来说，
比如在
有发动机的交通工具中，翘片式换热器有结构紧凑和质量轻的优点。错流和逆流的任何排列形式都
是可行的，并且在同一设备中可以安排三种或三种以上的流束，压力下降、热交换关系的设计其他方面被
很好的记载。
空气冷却器
< br>这种设备是指由流体流过翘片式的管道，
并且有风扇冷却的空气通过管道。
考虑空气冷
却器的经济性，可以允许流体与周围空气和出口的温差为<
/p>
25~40
。荡船热效率超过每小时
1
千万英热时单
位时，空气冷却器与水满足要求且供应量充足时，
与水冷在经济上不分上下。
套管式换热器
套管式换热器
是由一个尺寸比较大的和中间一个尺寸比较小的中央管通过塑料密封
套连接而成。直线长
度被限制在
20 ft
，否则中心管将下沉并且使环面的分配空
间较小。一般情况，高温、
高压、高密度和腐蚀性的液体放在内管上，较小要求的液体被
放在外侧管子上。当在处理石油脱蜡和液体
结晶时，内表面上应该提供刮刀。在环状的空
间上，轴向翘片可以改善气体和粘性流体的热交换效率。假
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