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General Equilibrium Conditions of A System
力系的一般平衡条件
在这一部分，我
们将研究为了使一个物体保持平衡，作用在其上的力和力偶所必须满足的条件。
根据牛顿第一定律，施加在一个静止物体上的力系的合力一定
为零。然而，请注意这个定律对力矩或力系的转动效应只字未提。显然，合力
矩也一定为
零，否则物体将会转动。
这里的基本问题是原先叙述的牛顿第一定律（和第二定律）只适用于非常小的物体，或者尺寸可
以忽略的非零质量的粒子。然而，它可以
扩展到如下所述的有限尺寸的物体。
考虑一个由两个质
点组成的系统，
假设
f
1
和
f
2
< br>为它们之间的相互作用力
(
图
.
1.1)
。
这些力称为内力，
因为它们
是由于系统内部的物体之
f
1
?
?
f
2
。假如还有质
点与系统外物体之间的相互作用力施加在质点上，
间的相互作用而产生的。假定内力服从
牛顿第三定律，我们有
如
F
1,
F
2
和
F
3
,
这些力称为外力。
显然，作用在一个特定粒子上的力一定有相同的应用，因为粒子的尺寸可以忽略。
如果系统内的每一个质点处于平衡
，我们就可以说系统是平衡的。在本例中，依据牛顿第一定律，作用在每个质点上的力的合力一定为零。
对质点
A
我们有：
而对
质点
B
有：
∑
F
B
A
=
F<
/p>
1
+
F
2
+
f
1
=
0
F
∑
=
f
2
+
F
3
=
0
作用在系统上的力的总和为：
?
F
?
?
F
?
?
F
A
B
?
F
1
?
< br>F
2
?
F
3
?
f
1
?
f
2
?
0
现在我们来研究这些力对于同一点
P
的合力矩。由图
1.1
，我们有：
由于力
但
和
?
M
P
?
r
1
?
(
?
< br>F
A
)
?
r
2
?
(
?
F
B
)
f
1
和
f
2
有相同的作用线，力矩的条件可以改写
为
?
M
P
?<
/p>
r
1
?
(
F
1
?
F
2
?
f
1
?
f
2
)
?
r
2
?
F
3
?
0
<
/p>
f
1
?
?
f
2
；所以力和力矩的条件简化为
?
F
?
F
1
?
F
2
?
F
1
?
0
?
M
P<
/p>
?
(
r
1
?
F
1
)
?
(
r
1
?
F
2
)
?
(
r
2
?
F
3
)
?<
/p>
0
换句话说，如果系统处于平衡，那么
作用在其上的合外力一定为零，而且这些力对于任一点的合力矩也为零。内力不需要考虑，因为它们的
效应相互抵消了。
如果系统处于平衡，那么
?
F
?
0
and
?
M
P
?
0
(1.1)
这里
?
F<
/p>
是作用在系统上的所有外力的总和，而
?
M
P
是这些力对任意点的合力矩，包括系统中可能作用有的力偶
的矩。
方程（
1.1
）是平衡的必要条件；也就是说，如果系统处于平
衡，必须满足这些方程。一般来说它们不是平衡的充分条件。然而，这并不会
带来任何困
难，因为我们的研究仅涉及平衡系统。对于刚体，方程（
1.1
）既是其平衡的必要条件也是充分条件。检验其充分性需要应用牛顿
第二定律和其它超出
本课文的知识。
重要的是要注意到，方程（
< br>1.1
）适用于任何平衡系统，而不管组成该系统的物质是什么。例如，他们适用
于大量的静止流体和固体。在
某种条件下，它们（指两方程式）也适用于运动系统，因为
它们是建立在牛顿第一定律的基础上，而牛顿第一定律既适用于匀速运动的质点，
也适用
于静止的质点。例如，方程（
1.1
）适用于做无转动匀速直线
运动的物体和以通过质心的固定轴为轴做匀速转动的物体。典型的例子有
做水平匀速直线
飞行的飞机和匀速转动的电动机皮带轮。但是，问题涉及的任何运动一般归类为动力学。
当以分量的形式表示时，方程（
1.
1
）可变形为六个标量方程；
?
F
x
?
0
?
F
y
?
0
?
F
z
?
0
?
M
px
?
0
?
M
py<
/p>
?
0
?
M
pz
?
0
(1.2)
利用这些方程对系统进行受力分析
，解决就外力和作用力偶而言的未知问题。由于有
6
个方程，所
以我们一般可以解决含六个未知数
的问题。如果通过平衡方程可以解出关于外力和力偶的
所有未知数，我们就说系统是静定的。反之，系统为静不定。
如果问题中含有的未知数个数比平衡方程的个数多，
就要尝试通
过研究多个点的转矩来获得更多的方程。
遗憾的是，
这个系统不
能正常工作。
Unit2
应力和应变
材料力学的介绍
材料力
学是应用力学的一个分支，涉及受不同类型载荷的固体的性能。这是一个有多种名称的研究领域，包括：
“材料强度”
，
“易变形体
的力学”
。本书中研究的固体包括受轴向载荷的杆，轴，梁，圆柱和由这些零件装配
的机构。一般情况下，我们研究的目的是测定因受载而引
起的应力，应变和变形；如果当
所有负荷量达到破坏载荷时，能够测得这些物理量，我们就可能得到一份完整的固体力学性能图。
在材料力学的研究中，理论分析和实验研究同等重要。很多情况下，我们通过
逻辑推导来获得预测力学性能的公式和方程，但同时我
们必须认识到，这些公式不能用于
实际情况中，除非材料的特性是已知的。只有在实验室中做过适当的实验之后我们才能使用这些特性。并
且，当工程中的重要的问题用逻辑推导方式不能有效的解决时，实验测量就成为一种实际需要。材
料力学的发展历史是一个理论与实验极有
趣的结合，在一些情况下，是实验指出了得出正
确结果的方式，在另一些情况下确是理论来做这些事。例如，著名的达芬奇
(1452-
1519)
和伽
利略
(1564-16
42)
通过做实验测定钢丝，杆，梁的强度，尽管在当时对他们的测试结果并没有充足的
理论支持（以现代的标准）
。相反，著名的
数学家欧拉
(1707-1783)
，在
1744
年就提出了柱体的数学理论并计算其极限载荷，而过了很久才有实验证明其结果的正确性。
因此，欧拉的
理论结果在很多年里仍然未
被采用，但今天，它们奠定了圆柱理论的基础。
随着研究的不
断深入，把理论推导和在实验上已确定的材料性质结合起来研究的重要性将是显然的。在这一节，首先。我们讨论
一些基
本概念，如应力和应变，然后研究受拉伸，压缩和剪切的简单构件的性能。
1.
Stress
应力
通过对等截面杆拉伸的研究初步解释应力和应变的概念
[
如图
1.4
（
a
）
]
。
等截面杆是一个具有恒定截面的直线轴。这里，假设在杆的末端
施加轴向力
P
，产生均匀的伸展或拉伸。假设
沿垂直于轴线的方向切割杆，我们就能把杆的一部分当作自由体隔离出来
[
图
1.4
（
b
）
]
。
< br>张力
P
作用于杆的右端，在另一端就会出现一些力来代表
杆被切除的那一部分。
这些力连续的分布在横截面上，类似于
作用在被淹没物体表面的
连续的静水压力。力的密度，也就是单位面积上的力的大小称为
应力，一般用
?
表示。假设应力是均匀分布在横截面上
[
如图
1.4
（
b
）
]
，我
们很容易得出它的大小等于密度
?
乘以杆的横截
面积
A
。
而且，
通过图
1.4
（
b
< br>）
中所示物体的平衡，
我们也能得到它与力
P
等大反向。
因此，
我们得
到
?
?
P
(1.3)
A
作为在等截面杆中求解
均匀应力的方程。从这个公式可以看出，应力的单位是力除以面积——例如：牛每平方毫米
(
N
/
mm
2
)
或磅每平方英
寸
< br>(psi)
。当杆在力的作用下被拉伸时，如图所示，所产生的应力称为拉应力；
当施加反方向的力时，杆被压缩，这时所产生的应力称为压应
力。
方程（
1.3
）的必要条件是应力
?
必须均匀分布在杆的横截面上。如果轴向力通过截面的质心时
，这个条件将会被认识，同时可以通
过静力学验证。当载荷
P<
/p>
不是作用在行心时，将会产生挠度，更复杂的分析就是必要的了。然而，如果没有特殊说明
，本书中假定所有的轴
向力都作用在横截面的行心。而且，除非另有说明，物体本身的质
量一般忽略不计，就像讨论图
1.4
中的杆那样。
3. Strain
应变
受轴向力时，杆的总的伸长量用
希腊字母
?
表示，如图
1.4
（
a
）所示。单位长度的伸长即应变，可以用<
/p>
?
?
?
L
计算得到。这里
L
是杆的总
< br>长度。注意应变
?
是无量纲量，只要应变在杆上是均匀的
，就可以通过方程（
1.4
）得到精确的结果。如果杆被拉伸，
此时的应变称为拉应变，
即材料伸长或被拉伸；如果杆是被压缩，即为压应变，这就意味
着杆的相邻的截面离得更近了。
Unit3
正应力和切应力
1.
Normal
stress
正应力
在这之前，我们
已经知道组成构件的杆件存在内载。不知不觉地，人们把测定杆件的压力作为研究的第一步。而这个力是保持系统
平衡的必
要载荷。该力是利用穿过杆件的横截面求得的，因此叫做内力或内载荷。这就是
压力分析问题的第一步——求取内载。第二步则是求由这个
载荷产生的应力，这是这部分
主要研究的问题，但是求产生这个应力的内载仍然是第一步，也是必不可少的一步。
<
/p>
如图
1.8
（
a
）所示的横截面积为
2
平方英寸的杆件
，假设它受到
1170
磅的拉伸载荷。现在假设载荷已经作用于
杆件上，问题随即出现
了。这个载荷是如何分布的？对于杆件来说它是均匀分布的，如图
1.8
（
b
）
所示。如果载荷均匀的分布在这
2
平方英寸的横截面上，杆件的
应力大小就等于载荷除以面积，即
s
tress
?
load
P
1170
Ib
585
Ib<
/p>
?
?
?
?
?
585
psi
, or
2
2
area
A
2.0
in
in
.
从这个案例中我们注意到：第一是应力的符号
，
?
。它是希腊语中的小写字母，类似于英语中的
s
。有些教材中使用
s
，但
是
?
比较
常用，因此我们使用
?
。现在习惯于用
?
将
使后面的工作更方便。在结构设计中，通常使用
f
表示压力。<
/p>
第二点是以下的方程：
?
?
P
(1.5)
A
这个方程对于我们即将研究的问题来说非常重要，应该掌握，它将被重复使用。在获得方程的过程中，假定应 力是均匀分布的，也就
是平等分布。这是个非常好的假设，在
大量的案例中都适用。即使在这个假设不成立的情况下，设计压力通常取平均压力，因此，公式（
1.5
）
有广泛的应用。
<
/p>
应力的方向也应当注意。它垂直于力作用的表面，因此叫做正应力。
“
Normal
”
表示垂直于表面的
意思。除了大小和方向这两个性质，
应力的第三个特性就是它分布的均匀性。这样，画出
应力分布草图就很容易了。当不画草图时，我们学生应当能想象出分布情况。图
1.8<
/p>
（
b
）
所示的是
三维图。但我们使用更多的是图
1.8
（
c
）中的二维图。
应力产生的效果
也是重要的。它不能从矢量力的符号中测得。它不依赖物体的运动而是依赖无物体上的压力。如果压力的趋势是拉
伸
物体或是使它分开，就叫做张力。通常，把拉伸张力规定为正的。如果应力是压缩或挤
压物体，则把它叫做压缩，取负的。
最后研究的是应力的单位。
?
?
称
Pa
。
2.
Shear
Stress
切应力
P
force
1
b
?
?
?
psi
A
area
in
.
2
在国际单位制中，压力的单位是牛顿，面积的单位是平方米。因此
，应力的单位是牛每平方米。它是一个导出单位，称为帕斯卡，简
图
1.8
中物体所受的力是标准的，
也就是垂
直于横截面。
而图
1.9
（
a
）
中的力则不是标准的。
如图
1.9
（
b
）
，
矢量力
P
分解成竖直分量
Py
和切向分量
P
x
。竖直分量
Py
产生正应力。于是根
据
?
图
1.10
所示。平均剪应力有以下公式计算得到：
?
av
?
Py
/
A
求得平均正应力，它与真实情况非常相近。切向分量将产生剪应力，如
?
Px
。
A
但是，这个方程与真实压力有很大的不同。尽管如此，根据实
际需要，方程（
1.6
）也广泛的应用在许多工程应用中。下脚
表
av
表示计
算得到的是平均应力而不
是真实应力。
最常用的表示剪应力的符号是是希腊字母
tau (
?
)
，而
S
s
不常用。由于它也是由载荷除以面积得到的，因此它的单位也是
psi, ksi, Pa,
MPa
等等。
在前面部分中，公式（
1.5
）表明了应力大小，方向，分布
状态的重要性。这些对剪应力也同等重要。当然，力的大小可由公式（
1.6
）
得到。方向平行于表面，朝着切向方向，因此把它叫做剪应力。假设力的
方向是均匀的，如图
1.10
所示。
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。
< br>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。
假设大致形状如图
< br>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
，应力沿着经线作用，
?
1
=
经向应力（纵向应力）
?
2
=
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）
，
r
1
=
经向曲率半径，
r
2
=
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）
：
< br>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
?
1
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 =
D
2
/2
。
Unit 5
机械振动
机械振动是一个质点或物体
以一个平衡位置为中心做往复周期的振荡运动。
由于工程师几乎要面对所有的机械和结构
中，
因此机械振
动就成了一个经常有遇要到的问题。在机器和结
构中，大多数振动是不希望存在的，因为振动会产生附加应力或交变应力，引起额外磨损，
增大轴承载荷，导致疲劳破坏，使飞机、船、火车及汽车上的乘客产生严重的不很舒服感，并且振动会吸收本可
以做有用功的能量。
1940
年
的
Tacoma Narrows Bridge
倒塌就是一个由振动
引起附加应力而导致结构破坏的例子。附加振动可能损坏精密仪表、工具和机械的精度。为了
防止来自振动的破坏，旋转机械需要很好的平衡。当飞机的螺旋桨在飞行过程中损坏或断裂时，螺旋桨就将不 再对称，除非可以及时停止，
否则发动机产生的振动就会把它从飞机上撕裂下来。汽车由
发动机或在崎岖不平的路上行驶时产生的振动会在一定的部位产生交变应力，最
终导致杆
件疲劳失效。
有时候振动也能产生有益的效果。比如，振动可
以压实物体，用脱粒机将谷粒与谷壳分离。那些在具有常规发动机的飞机上可正常运
行的
仪器，当用于滑翔机或喷气机时，因为缺乏振动，可能会趋于粘滞。在这种情况下，就需在仪器的仪表板上安装振
动器。
当质点或物体是由弹簧系统支撑时，
< br>由于实际应用和额外力的移走，
轴、
梁或其他弹性系偏离
平衡位置，
这时质点或物体将开始振动。
一些常见的例子有：图
1.19
（
a
）中，
A
物体在螺旋弹簧上被垂直拉离平衡位置时释放，它就会
垂直振动；图
1.19
（
b
）中，当
B
物体在一个
悬
臂梁（忽略质量）上偏离平衡位置并释放时，它的垂直振动；图
1.19
（
c
）中，当摆锤
C
由细线（忽略质量）固定在竖直平面时的摇摆运
动。
如图
1.20
（
a
）所示，小物块
W
通过弹簧悬挂在
固定支撑上并处于平衡位置。如果将物体在力
F
的作用下偏离平
衡位置然后释放，在不
考虑任何摩擦力的情况下，物体将关于平衡位置做无休止的振荡运
动。图
1.20
（
b
< br>）所示的是物体
W
偏离平衡位置的位移
< br>y
与时间的函数关
系图。振动的一个基本性质是以一定的
时间间隔重复运动。振动的周期
T
是重复运动的最小时间间隔。
完成一个周期的运动是一个循环。振
动频率
f
< br>是在给定的单位时间内完成循环的个数；
常用的单位是次每秒，
< br>cps
，或赫兹，
Hz
。
需要注意的是频率是周期的倒数，
用公式表示为：
f
?
1
T
。
不管是线性的还是成角度的，振动的振幅是物体偏离平衡位
置的最大位移。
机械振动是通过弹力保持的，有时是重力，这
些力被称为自由振动。自由振动通常称为固有振动，一旦开始，就将以固有频率持续振
动
。强迫振动由系统外的周期性激荡力产生并保持，它以激荡力的频率发生。如果系统近乎无摩擦和无耗散，那么，
当激荡力的固有频率与
系统固有频率接近时，强迫振动的振幅就会变得非常大。因此，尽
管强迫振动的频率与弹性系统的固有频率无关，但是，所产生的振幅会受
到两个频率的影
响。振动也被分为阻尼振动和无阻尼振动。当摩擦力，空气阻力，粘性阻尼和其他所有阻力都忽略时，振动就是无
阻尼的。
当考虑这些因素时，物体就发生阻尼振动。在实际应用中，尽管由于各种原因，
摩擦阻尼力可能被忽略，但是，它最终会阻碍自由振动。
当一
个质点或物体的运动被限制时，它的位置用一个坐标就能完全表示，这时，我们就说它有一个自由度。当一个系统
可以在两个方
向振动或由两个可以在同一方向独立振动的物体组成时，我们说它有两个自
由度，这时，质点任意时刻的位置需要两个坐标来确定。例如，
一个单质点系统，通过弹
簧固定，如图
1.21
（
a
）所示，只能在竖直方向振动，有一个自由度。一个可沿铅垂方向振动的双质点系统，所受约
束如图
1.21
（
b
）所示，有两个自由度，这是因为要确定任意时刻质点的位置需要两个坐标。一个由四个
弹簧固定的单质点系统，如图
1.21
（
c
）所示，在竖直面内被限制运动，有两个自由度，这是因为在竖直面内要确定任意时
刻质点的位置需要两个坐标。一般而言，单一刚体有
六个自由度，因为它有沿三个坐标方
向移动和绕三个坐标轴转动的可能。
Unit 6
金属
大约现
有元素中的四分之三可归类为金属；
而大约一半金属元素都有一定的工业或商业上的重要
性。
尽管严格定义的金属只局限于纯金属，
但是普遍的用法是把
它扩展到更广范围的金属合金。尽管纯金属有很多特性，他们在商业中的应用也很局限。金属合金由两种或两种以
上的
元素组成，用途非常广泛，正是由于这种结构上的原因，很多金属被用于工业上。<
/p>
金属材料是晶状固体。单个晶体是由单元晶粒按有规则模式重
复而形成的三维晶格。一块金属则是成千上万相联晶体的集合体，而这些
晶粒都沉浸在从
晶体原子中脱离出来的带负电的价电子云中。由于这些自由电子对带正电的金属原子或离子有静电吸引力，因此可
以将晶体
结构紧凑的结合在一起。而由于金属结晶结构致密本质导致的这种很大的结合力
是造成金属一般都具有良好机械性质的原因。同样，电子云
使大多数金属有很好的导电性
和导热性。
在大多
数情况下，根据生产金属的模板来辨认金属。当金属已经以固体的形式存在或形成时，并且是塑性的，被称为可锻
金属。将液体
金属倾倒入模型形成的金属称为浇铸金属。
金属材料分为两类：黑色金属和有
色金属。所有黑色金属的基本成分都是铁元素。这些金属涉及的范围从含碳
90%
以上的铸铁和碳钢
到特种铁合金，在这些铁
合金中，各种其他元素的总和几乎占总成分一半。
除商业纯铁之外，所有含铁的原料，包括铁和钢，都被认为是主要的铁碳合金系统。虽然碳含
量很少（钢材中少于
1
％，铸铁中不超过
4
％）而且通常低于其他合金元素，但它仍然是机械性能发展和控制的主要因素。
就定义而言，那些铁元素不是主要成分的金属原料被称为有色金属。大约十几种有色金属有相对广
泛的工业用途。排在第一位的是铝，它
仅次于钢铁，被广泛的应用于今天的结构金属中。
铝、镁、钛和铍被认为是轻金属，因为它们的密度比钢铁的密度小的多。
从消耗量方面来说，
铜合金是排在第
二位的有色金属。
铜合金有两大类：
一类是黄铜，
它是以铜和锌为基础的二元合金；
另一类是青铜，
它
原本是铜锡合金系统。而现在，青铜还包含其他铜合金系统。
由于锌、锡、铅和锑的熔点都低于
800F
（
427C
）
，因此把它们归类为低熔
点合金。锌的主要结构用途是拉模铸造，它的消耗量仅次于铝
和铜，排名第三。铅和锡在
应用中是非常局限的，仅适用于需要熔点低和其他特性的场合。
另一类广泛的有色合金被称为难熔金属。这些金属有钨、钼和铬，它们的熔点都在
3000F
（
1649C
）以上，常用在必须抵抗异常高温的
产品中。
最后，贵金属，价值高是它们的共性。另外，他们一般具有较高的耐腐蚀性，有许多有益的物
理特性。
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。
< br>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
< br>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。
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。<
/p>
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。
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%
中，大概
1%
到
2%
< br>是可以通过现在的技术避免的，
大概是每人每年
200<
/p>
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
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<
/p>
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。
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，
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
< br>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，
< br>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<
/p>
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。
Unit 12
工业制造的传递现象
1.
引言
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？
<
/p>
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。
< br>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。<
/p>
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。
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
< br>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
< br>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
< br>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。<
/p>
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。
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。
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
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
< br>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。
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。
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
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。
< br>
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。
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。
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
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
< br>磅以上，
ASME
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。
< br>
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
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
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<
/p>
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。<
/p>
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
<
/p>
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，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
<
/p>
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
1000p
si
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
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
0
F
.
。
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
< br>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
平方米的表面积，
翘片高度
3.
< br>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
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
25~40
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。
假如应用较大的热交换表面。套管可以排布堆积起
来，也可以应用平行方式。这些套管式换热器已经逐渐被管壳式换热器所取代。在以下情
况下，是值得考虑的。
（
1
）
当壳侧系数比管侧系数一样小时，这时壳侧系数可以与管侧相比了
（
2
）
我们可以在套管式换热器中采用真正意义上的逆流来代替，因为温度较高需要多个套管单元。
（
3
）
在与大直径壳体相比，我们的环装空间是使用较高压力来满足经济性能
（
4
）
而与开放式壳体换热器相比，当我们的换热器表面仅仅是
100
~ 200
sqft
时，我们套管
式换热器有较高的经济性
0
F
。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
壳管
换热器
这种换热器将在以后几章讨论。
Unit 20
反应器的类型
几乎每种储存设备都可以当做化学反应容器，有混合接管、离
心泵。精制塔和管设备。这篇介绍主要类型反应器的大体特征。
最明显的区别是间歇性和连续性操作，还有互相接触的各种相变化。当反应时间长并且日产量少时，主要应用间
歇操作。小型间歇设备
应用于不同时间产生的不同类型的产品的操作中。不然，间歇操作
不能比生产连续操作更经济。带有合适的平衡箱的一个或者多个反应器可
以用来模拟一天
或者更长时间的连续性操作。
通常，当含有多相的混合物，界
面上的质量传递速度限制着混合物的转换率。因此需要较大的接触面。这样，固体反应物和催化剂被分
开，在填料塔或板式塔或在离心泵中，液体通过机械搅拌相互接触。由搅拌和泵是热传递并且减少有 害的温度梯度，反应物通过热传递表面
迅速的反应。
搅拌槽
搅拌槽是最普遍的一种间歇型反应器。最初，搅拌被用来是物料混合，在反应时维持无聊
的均匀性，并且使热在夹管或内表面
中传递。搅拌槽的许多条件是使过程连续，有单槽也
有多样的安排。了解搅拌槽所达到的完全混合程度，对预测它作为反应器的性能来说是
极
为必要的。
管流反应器
活塞流是管流反应器的理想行为。
在这里所有的非反应分子有相同的存在时间。出现任何犯浑都是伴随性的，它是自然对
流
或由触媒颗粒、填料或容器中的必要内件对流动的阻碍所引起的湍流结果。然而，这种阻碍有着两种相反的的作用
。他可能引起某些局部
返混，但由于抑制了大规模的湍流，使得流动在整体上更接近活塞
。任何要求的初始混合物都是由喷嘴或在线搅拌器完成的。化学反应的结
果，浓度和温度
的梯度是在管流反应物的中轴线附近产生的。
气液反应器
除了高挥发的液体，气体和液体的反应物在液相中发生，伴随
气态反应物的变化通过气体和液体的膜层。质量的转换速率
经常在整个转换工艺是主要的
也是制约的作用。
自然的，
对于满足条件的反应设备与化学惰性
气体的吸收很相似，
就是说我们的塔和搅拌槽。
固定场反应器
我们所说的固定床是由直径在
2-5
mm
的化学催化剂颗粒组成的。催化剂可能被放成很多种方式，像
:
1.
单个的比较大的床
2.
几个水平的床
3.
每个壳体有几个填料管
4.
带有埋入管的单床
5.
单个分开壳体的床
移动床反应器
在这样的反应器中颗粒状或块状的
材料一集团的形式上下移动，固体可能是反应物或催化剂或热载体。
流化床反应器
这个术
语的意思是分割的固体和液体组成的混合物组成的悬浮物限制在容器上。被液体流化的固体叫悬浮体。在煤的
液化和石油的处理工艺中含有三相流化的混合物发生。在密相气
-<
/p>
固流化中，维持着非常确定的床层高度；而在稀相系统中，固体被连续带入
并通过反应区域，而在随后的区域内被分离。
窑和膛式炉
这些单元起初是为高温设备，
窑最高的温度达到
2500
，
膛式炉最高达到
4000.
它们的一般结构是带有陶
瓷的钢铁衬里，
有
时它们的厚度还有几个英寸。
PART
Ⅴ
机械加工
21
泵
1
．介绍
泵
是提出，转移或压缩液体和气体的设备。下面介绍四种类型的泵。在所有的这些中，我们一步步采取措施防止气蚀
，气蚀将减少流量
并且破坏泵的结构。用来处理气体和蒸汽的泵称为压缩机，研究流体的
运动的科学成为流体动力学。
水泵是用管子或其他机械把水从
一个地方传到另一个地方。水泵的操作压力从一磅到一万磅每平方英尺。日常生活中，泵是很多的，有
用于在鱼池和喷泉使水循环和向水中充气的电泵，还有用于从住宅处把水引走的污水泵。< p>
现在，两种典型的排水泵是容积泵和离心泵。容积泵通过由真空产生的吸
力把水引到一个紧凑的地方。这种类型泵的一个实例就是提升
或压力泵，
在
20
世纪中叶美国农村普遍使用。
< br>提升泵的操作是通过一个与被管子包住的活塞手柄来进行的。
当我们提升活塞时在
管子下部产
生一个局部的真空，这样我们就用管子从下面的取水，并且送到泵的一个空间
。当水被泵吸入时，单向阀关闭，阻止水流回到井下。接着泵
的活塞吸入更多的水进入泵
的膛体中。这样最后形成溢流，水从管口处流出。而离心泵时使用了一种螺旋推进器，旋转时使水流动，而且推<
/p>
进器的切片是在泵送水时侵入水中的。而且，当推进器旋转时，水进入位于刃片的轴部的间
隙并且以很高的压力甩向底部。与它类似，离心
泵的早期形式，螺杆泵，通过一个管子螺
丝钉的组成，当旋转时，把水提升上去。螺旋泵经常用在污水处理厂中，因为他们可以运输大量的
水，而不会因为碎片而堵塞。在远古的中东，因为对农场进行灌溉的需求，所以有一种强大的动力去推进
水泵的进程。在这些区域里，早期
的泵是为了将水一桶一桶的从水源或河渠中提升到容器
中。古希腊的发明家和数学家的阿基米德泵认为是公元前
3
世纪
首先提出螺旋泵的发
明家。之后，古希腊发明家发明了第一个提水泵。在十七世纪末和十
八世纪初，英国的工程师
Thomas
Savory
，法国的物理学家
Denis Pa]pin
，
和英国的铁匠和发明家
Tomas
Newcomen,
它们发明了用蒸汽驱动活塞的水泵。蒸汽驱动的
水泵首先广泛的被应用在从煤矿往外输水过程中。
现在离心泵使用的例子，可以是在哥伦
比亚河上使用的大古利水坝。这个泵有超过灌溉一百万英亩的土地能力。
2.
往复泵
往复泵有一个在圆筒中上下移动的活塞，可以使水规则的流入或流出圆筒。这些泵可以是单作用的，也可以是双
作用的。在单作用的泵
中，泵的作用仅仅发生在活塞的一侧，
典型的例子就是升液泵。在升液泵中，活塞通过手上下移动。在双作用的水泵中，泵的作用发生在活
塞的两侧，比如说电动的或气动的锅炉给水泵，水以高压通过蒸汽锅炉供给。这些泵可以是单级的也可
以是多级的。多级的往复泵的泵系列
有多个刚体。
3
离心泵
离心泵被认为是旋转泵，它是有一个旋转地叶轮，也有刃片，刃片是侵入液体中。液体也
是由叶轮轴向进入泵，并且旋转的叶轮将液体
甩向叶片根部。同时叶轮也给液体一个较高
的过度，这个过度能够使泵的一个固定部件转化成压力。我们一般称为扩压器。在高压泵里，很
< br>多叶轮可以被系列选用，并且在一个叶轮后有一个扩压器，也可能含有导轮，可以逐渐的降低液体的过度。 对于低压泵来说，扩压泵一般就
是一个螺旋形的通道，成为蜗壳，作用原理是拦截面逐渐
增加可以有效降低流体的过度。在泵工作前，叶轮必须被灌注，也就是在泵启动时，
叶轮
必须被液体包围。也可以通过在吸入线上放另一个截止阀来实现，截止阀在泵停止工作时是液体保留在泵内。如果
阀泄露了，泵可以通
过阀的入口，从外面的水源比如说蓄水池来取水灌注。一般离心泵在
排水线也有一个阀控制流体和压力。对于小流量和高压力来说，叶轮作
用很大部分是放射
状的。对于高速流体和低压排水压力，泵中流体的方向可以近似于与轴的轴向平行，这时泵有一个轴流。这时叶轮
就近似
于螺旋推进器。从一种流的状态转换到另一种流的状态是渐进的，对于中间状态，
设备可称为混流泵。
4
射流泵
射流泵是通过一个流量相对较
小的液体或蒸汽，以较高速度移动到较大的液流。因为高速流体要通过液体，它从泵里带走液体一部分，
同时，高速流产生一个真空，这个真空又把液体吸入泵内。射流泵经常给蒸汽锅炉注水。另外，也
应用来推动的船只，特别是在正常的推进
器可能被破坏的浅水里。
5
其他类型的泵
仍然存在其他很多类型
的容积泵，一般用带有很多保密配合的圆形突出的回转件。液体被收集在耳朵之间，而且被转送到一个压力较高<
/p>
的区域。这种泵的一个典型设备是齿轮泵，包含有一对网状齿轮，在齿轮泵里耳朵就是齿牙
。也可通过一个在外壳旋转的螺杆来构造一个简
单而低效的泵，螺杆推动也提前进。一个
相似的泵在公元前
3
世纪被希腊数学家和物理学家阿基米德发明
了。在所有的泵里，液体被一些列
脉冲排出，并且不连续。因此我们必须注意在排除线上
来避免共振，因为共振可能会损伤或破坏整个设备。对往复泵来说，真空经常放在排
除线
上，可以减少振动，并使流动均衡。
Unit 22
气体的泵设备
对于处理戒指为气体或液体来说，虽然设备在结构上有很大差异，但这两种设备在本质上属于相同基本类型的 机械设备。在正常操作范
围内，因为气体的密度比液体小，所以对气体的操作可达到较高
的速度，而且在吸入线和排出线上可使用较轻的阀。因为气体的粘度小所以
它们容易发生
泄露。因此气体压缩机的移动部件之间的间隙被设计的非常小。因为气体压缩过程中体积减小，因此与液体相比在
结构上存在
差异，而且这个差异在设计中也要考虑。压缩机中很大一部分能量要被转换成
热能。因此在没有合适的冷却措施时将会限制压缩机的操作。
也因为这个，气体压缩机分
为多级完成，而且每一级中可分别冷却。任何在压缩机中没有被排出缸体的气体，再重新充入时要膨胀到入口的<
/p>
压力。残余的气体连续压缩和膨胀导致效率下降，因为不管是压缩还是膨胀都不能被可逆操
作。而对液体，间隙容量不会影响效率的，因为
残余液体不可压缩。
往复式活塞压缩机
这种压缩机
可以包含
1
—
12
级，是唯一可以达到较高压力的设备，比如在乙烯工业中所需水的压力达到超过
35
0
万牛
/
每平方米，图
5.4
是单级双缸的压缩机，操作速度低，在操作压力较低时可以用离心压缩机
取代。
旋转式鼓风机和压缩机
这种压缩机可以分为较高压缩和较低压缩两种类型。
前者包含滑片式
，
它的压缩比是通过离心转子来实现的。
Nash Hytor
泵是通过特殊形
状的刚体和叶轮同时旋转的液体密封来实现的。
在滑片式压缩机通过在壳体上开槽夹住叶片，而叶片将转子和
缸体之间的月牙空间分成一片一片的。在旋转时，刃片滑片拦住气体但气
体在旋转式被压
缩，并且在端口被排出。
Nash Hytor
泵也可以分为液环泵，
属于容积泵类型而且带有一个特殊形状的壳体和一个与
叶轮同时旋转的液体密封。
轴和叶轮是没有移动
部件而且没有滑
动触点，所以不需要润滑剂，而且被压缩的气体不会受到污染。
在这种压缩机中，液体通过活塞离开和重新进入叶轮单元。工作液体的进口压力与出口压力相等，而且工作液体
自动被吸入来补偿出口
的液体。在压缩中，能量转化成热，因此这个工艺接近于等温工艺
。在下液，液体从气体中分离出来通过必要的构造进行再循环。
还有其他类型，比如摆线型或罗茨鼓风机。在这种类型的压缩机是通过两个部件的旋转来实现的。转子以相反的
方向移动，它们通过入
口时，带入空气，并将空气在叶轮和壳体之间受到压缩和排出。<
/p>
离心式鼓风机和压缩机，包括涡轮压缩机
这些设备主要服从动能向压能转换，鼓风机用在低压，可以处理大量的气体。对于先不要求较高的压力比的情 况，可以使用多级离心压
缩机，特别是在要求高产量的化学工厂。因此在催化参照下，石
油化工分离工厂（乙烯加工厂）
，生产进度在１２ｋｇ／ｓ的氨工厂，和产量
要求较高的天然气田，这种类型的压缩机是使用最广泛的了。这些流量可达到
140
的操作，需要石化厂的流量为
6. 5 kg/s<
/p>
压力为１０
MW
的能量。
m
3
/s
，压力达到
5.6 MN/
m
2
，最新的达到
40 MN/
m
2
.
。
使用大压缩机与多个压缩机相比，它的经济性和可靠性都很高。能量要求也是很高。对于从粗汽油中，
用催化的方式生产乙烯所产生的气体
Unit
２３
固液分离
对于大规模的工艺来说，很
难找到不包含一些固液分离的形式。对于整个工业来说，近来一些工作包含大量的技术和机器。本书主要介
绍与与固液分离有关的工艺多样性。
在１９
８１年
Svarovsky
做出了努力将在固液分离中不同种类
的工艺和机器装成册。这些基于两种主要的分离模式。
（１）
（２）
过滤，在过滤过程中固液混合
物共同流向一个媒介，
（筛子，滤纸，织布，薄膜，等等）
。液
相或滤出液流过媒介，故乡被保
留在媒介表面或中间。
在一个力场作用下通过沉降或沉淀进行分离，在力场（重力场，离心场）中的沉降分离是利用固
相和液相的密度差。固体在
人为控制下在液体中下沉。
对于一个
浮选相反的工艺，
介质从液体中上升，
利用固相的一个自然优点
或外加的低固相密度优
点。
大部分机
械都反应了与固体处理相关的不确定性，特别是较小颗粒尺寸范围。
< br>这种混合物的过滤性和沉积速度主要取决于悬浮液的浮散状态，反过来浮散状态很大程度上，受控制混合物 的稳定性和控制质点与质点
接触整体状态的固液所影响。这种系统的特性也可满足随时间
而定的，他们的过滤性和沉积进度是悬浮液经历的一个函数。
这些系统中的分散力与凝聚力是ＰＨ值，温度，搅拌状态与泵作用等条件的函数。所用这些方面的情况变得复杂，
并且让我们认识到悬
浮液的特性不能用水力间距来解释。尽管有这些困难的问题，现代过
滤和分离工艺不断被新的技术似乎比表面上看起来更加难所取代。消除
在很多工艺中固液
分离的瓶颈特性。对于这个问题，采取的合理的方法第一步是选择最恰当的技术，或过滤，或沉淀，或两者的合并
。通常，
沉淀技术比那些含有过滤的技术要经济。利用重力沉淀是要考虑的，特别是大流
量和连续性的工艺中。
在液相和固相之间，密度查一下哦，似
乎不能用沉降工艺，除非密度差异可被扩大或通过离心作用来增加重力场。为提升沉降能力这些
< br>工艺为那些不能进行重力分离和因为颗粒的特性而难于进行过滤的分离提供可能。后面这种情况在处理小的 次微小的材料或软的可压缩的固
体时跟着发生在污水或流出物中。一些分离方法需要的沉
降和过滤工艺，将固体集中，将减少流过液体的量，而且过滤器尺寸也减小了。
在决定一般分离方法后，下面就要考虑在这两个区域所存在的分离技术。操作方法如下：
（１）
沉降：重力，离心力，静电力，磁力。
（２）
过滤：重力，真空，压力，离心力。
下一个疑问是分离的连续性还是不连续性操作。不连续操作称为批量操作。在这种情况下，分离设备在填料和排出
阶段是间歇作用的。
在原料混合物中固体的浓度和单位时间所要求的分离量也是影响选择
步骤的因素。
因为分离过程很少单独存在，这就使得情况更加
复杂。不同种类的预处理和后处理在总体固液分离中有要求。因此，悬浮液的沉淀速度
或
过滤性可能要求要通过化学或物理方法进行预处理来改善。在过滤后，有潮湿的固体，粗要进一步处理，对过滤块
进行干燥。在一些情况
下，滤出物为主要产品，需要用干净的液体净化。
很显然在典型的工艺发展中：
（
a
）对稀释原料增加固体浓度，
(b)
通过预处理来提高分离特性，
（
c
）固体分离，
(d)
干燥和洗涤，进行多种
技术和机器的组合是可能的。这些组合的充足的，不是最佳的，也会有适当的方法解决问题。完全最优的方法 难免会浪费时间而且不经济，
如果在工业中不是不可能的。过滤器的选择部分在章末又考
虑，过滤工艺的计算压力。
在粗粒的原始物料的过滤典型的媒
介是金属筛网，它将某些颗粒留在筛网表面。当颗粒尺寸减小时，需要其他一些筛子。例如，机织布，
薄膜，等等。这些由越来越小的孔构成。在图
5.10
中显示流过这样的系统。在颗粒相对小并且浓度低时，沉积作用可能发生在媒介深处，比
如用沙子过滤净化。
过滤网或过滤媒介需要适合多种设备
。反过来说，设备也可能进行多种操作，因此设备可以通过泵设备作用提高流体压力，或化学设备。
这种压力过滤在高于大气压下工作；压力差异使流体通过媒介而通过设备。这种类型设备可以再标准压
力差下操作或稳定流速下操作。在最
近条件下，压力差在压力不高条件下增加，流速随时
间降低。
Unit 24
阀
阀，是一种控制液体或气体流动的
机械。例如截止阀，是保证流体沿一个方向流动。阀的尺寸范围很大，小的用在汽车轮胎的阀，大的
用在控制水闸和大坝上。大阀的直径可能超过五米。小阀和低压阀通常由黄铜，铸铁，塑料制造，而较
高压力的阀是用锻钢制造的。其他合
金，比如不锈钢可能用在控制流体有腐蚀作用的流体
上。阀可以手工操作，可以由伺服机构机械操作，或由所控制液流操作。
基本上由四种类型的阀，回转阀，提升阀，滑阀，活塞阀。而且毫无疑问它们的发展也是这个顺序。<
/p>
四种基本类型有很多种变体。然而所有变体与母体在原理上是相
似的。尽管目前发展趋势越来越标准化，越来越简化。新型工艺和技术
的出现预计新的发
现和外来的，结构材料的发现。将促进这些变形，也许速度越来越快。
四种基本设计以及变形，在一般使用中，都依赖手动操作，在最初的四章中讨论，对于警惕的设计者，他
们会毫不犹豫将所有的推理与
通过实例选择与相似特性的设计配合起来。
最初的四章是按阀的发展来安排的，但是我们要注意时间分布稍微有对数的特
征，
。例如，早期的阀，旋塞阀，是在公元前发明的。螺杆
阀，
大约是在
1790
年，闸阀是在
183
9
年，平行滑阀是在
1884
年。所有
这些堵塞阀都是用手操作的，到了最近它们才通过某些形式的动力来
操作。那些自动工作
的阀，比如安全阀或泄压阀，减压阀，非回流阀，凝气阀和相似的设备。另外属于一类，并且在下面的五章中进行
讨论，
这些阀假如用精确意义上的要求来表达就是自动机器。在正确的设计和安装之后，
每一个阀都很正确的执行相应的功能，毫不夸张的说有的
是一天到头，有的是一年到头。
对已认定的压力容器的设备，安全
阀或减压阀是必要的附件。特别值得注意的，因为它是我们生命和财产安全的防护装置。有压力到绝
对压力，因为容器在大气压力下操作，如果它们容易受到大气压力起决定影响的试问情况，他们需要一
些形式上的自动保护，同时在容器内
部存在真空不管在任何情况时。另一个例子，各自的
作用也很重要。如果它们在工作地点失效，也不会造成太大的损失。但是由于粗心在设
计
方面没有注意会浪费过多的篇幅。
对于那些面临这些设备设计
和安装的学生，工程师，设计者，起草者来说还有认识他们必要性的人来说，我们希望通过一篇小记成为一
个手册。
如果有合适的结构材料，对设计精
心考虑，对于高温高压的气体来说平行滑阀是最好的选择。
这
简单并且最有作用的结构形式是一种带有盘片的弹簧装置，圆盘装配体一般用较小的的阀。
在紧密圆盘的预压缩的螺旋状的弹簧作用下，套管式装配体的两个相对圆盘又分开的
趋势。而对弹簧来说，为了节省纵向空间，一般来
说将盘制造成矩形截面，这个结构将两
个圆盘压缩以适应阀的较小尺寸。大尺寸阀，两个盘同样压缩并覆盖着一个外接的壳体。
我们应该了解到弹簧的作用并不像我们想象那样用来保护这个压力的贴片的。如果需要保
护这个贴片就需要一个很大面积的弹簧。它不
是必须的，而且只有在较低线性压力下才可
以保护贴片。它的作用主要是防止振动或颤动。在适当的线性压力条件下将阀内壁打扫干净。在
< br>圆盘运动中，任何尺寸或其他不需要的情况时，将粘到贴片上并且破坏它。
在重要管线上，因为不同区域不同材料的部件的膨胀，并且将增加变形和扭曲。对于盘片和弹
簧这种节写结构就要考虑这个。盘片应该
能够自由的吸气而且弹簧同时屈服。
压力密封性只有在下游侧才能获得，如果将这个闭合机械作为整体考虑时
，就可以发现作用在相反的或上游的盘片上的线性压力迫使盘
片离开阀座。将合力通过弹
簧来传递，并在线性压力下，传递到下游的盘片，这样工作的六日进入阀的两级。
可以简单的通过滑动的盘片到最低可能达到的位置，并利用线性压力来关闭阀，这与蒸汽机的
滑动阀有类似之处。与蒸汽机的差别在于
蒸汽机没有弹簧帮助或任何外部的其他影响只有
作用于滑阀两侧的蒸汽压力。
如果尺寸相同，并且在相同压力
下操作，平行阀与螺旋阀相比，所要求的轴向力较小，而轴向力是由正闭合包围，只要稍加考虑就可以
知道原因。
忽略侧面的二次压力，用来关闭螺旋
阀的最小的力就是线性压力与底出口面积的乘积。对于平行阀最小的力就是用来将下游盘片滑过贴
片的而且也包含作用在底座区域上的线性压力。
Unit 25
密封分类
任何物件的分类，技术的还
是非技术的，目的是确定一些种类，是更加容易的分析它们所包含的问题。因此密封可以分为两大类，静态
的和动态的。
静态密封由三个密封物件组成
，包括垫片密封，密封胶密封，和直接接触密封。
动态密封又
可以被细分为两个基本的密封，一种是针对旋转轴密封，另一种是针对往复轴密封。在数量上，两种密封占了工业
上的绝大
多数。而且对于主要的定做密封的设备要进行特殊考虑。在动密封分类时，需要
用商标来确定不同分类的设备。这些商标必须使用，因为没
有任何一种方法更加精确地区
分设备。
因为旋转轴密封在主要工业中有重要地位，所以必须
给与特别细致的考虑。被分为两种类型，界面密封和间隙密封。
界面密封别细分为轴密封和径向密封。截面密封提出了工业密封是一个大家族。主要是密封件和旋转轴之间有一
个接触。
间隙密封描绘了包括四个截然不同的种类的家族。与
旋转轴成比例的部件。密封元件允许一部分泄露来控制外力作用下的流体可以通过
的间隙
尺寸。
间隙密封的功能是在被密封的流体上产生一个压降，同
时允许在自由的部件运动中存在相对运动。间隙密封能在机器内部与环境之间产
生一个压
力差。不想界面密封，移动的部件之间没有接触是故意的。将摩擦降低到一个最小值。为了以一种控制方式来限制
流体，然而，必
须允许稍微的流动。
间隙密封的实例是黏胶密封，速度密封和轴封。铁磁流体是一个例外，按间隙的大小充满磁介质，在一个磁场或多
或少的帮助下，将磁
介质约束在间隙内，需要建立一个密封的机械部件不重要，因为间隙
密封无任何滑动接触，因此运动部件之间的摩擦或磨损全部被消除。
作为轴向密封的设备的机械端面密封
与垫片密封相比，端面密封是机械密封，使用单一的和不同的密封原则。机械密封第一次被大规模的应用在汽车工
业中，用于发动机冷
却液和给水系统。现在使用的更加广泛而且证明了对一种工业的重要
性。
在化工，石油化工，公共事业，机关事业，随着密封技术
以及用于密封配件的结构材料的技术的不断改进，机械密封体现了很大的价值。
除了轴转
速的要求提高以及不断增长的温度和压力的要求，所以现代密封设计者要不断扩大视野。
机械端面密封的原理
机械端面密封被成千上万的世界知名的密封设计公司制造。
<
/p>
机械密封目前的技术水平已发展到这样的程度，从
10
?
5
托的高真空度到
50
00
磅
/
平方英寸都能处理。新型材料
，特别是金属波纹管，使
得机械密封的适应范围到达
100
0
℃低的达到低温允许范围内。轴的旋转达到
50000 RPM
不是不可能的了。
机械密封是复杂的，包括一系列单各组件的设计，主要通过两个带有贴片的密封环来防止泄露实现密封。重要 密封环的一个是连在轴承
上并且随它一起运动，另一个密封环是固定的并与壳体相连。对
于一个离心泵轴密封来说，这个固定的密封环固定在密封管板环上。在泵轴
旋转中，链接到轴上重要密封环，用它的密封沿着固定环的密封面摩擦。因此这两个界面的连接区域 像轴承一样工作，而且受摩擦力磨损。
任何流体泄露时都流过这个表面
< br>
因为作用在轴线方向的里使得摩擦接触一直存在。轴向推力可能是机械力也可能
是水力。在很多设计中是两者共同作用。推理来建立并
保持在轴部间的连续接触并形成界
面。稳定的接触防止了或最小化了摩擦区域的泄露。
在固体接
触区域摩擦作用产生的热和磨损的存在良好的润滑下。热积累并最终导致摩擦区域的破坏。为了防止这样，应用具
有双重作用
的润滑剂，首先将摩擦接触产生的热带走进而减少了热的积累。其次，润滑剂
用一个微小的薄膜将介质覆盖从而减小摩擦同时建立以份额紧
密的密封。
润滑剂流体可以是泵系统流体，也可以是另一种流体，可以被输送并与系统任
何其他液体相协调。
非常薄的润滑薄膜使我们机械断面密封产
生良好密封性的关键。
，作用依然是一个谜。
对一个机械断面来说做一个轴的可靠性分析是不可能的，因为，每一个机械密封都是在一个纯经验注意基
础上设计发展的，任何新的密
封都设计都必须以经验为主的测试，因为对密封特性是最后
表现预测并没有可靠性理论基础。
第Ⅵ部分
过程控制
UNIT26
过程控制的介绍（一）
现代的化学过
程变得非常复杂，简单的控制程序已不再实用。今天的化学工厂采用最新的电子硬件，自动控制器，计算机控制，
先进的分析
监测，以及先进的控制理念。为了掌握这种类型的控制和检测仪器，我们必须
先了解的发展中高度自动化的化学过程。
1
。自动化化学过程原因
某些或所有可
能的下列基本利益的实现当自动控制时引入化学过程：
（
1
）一种化工过程，不管是在实
验规模的设备内或在中间实验装置内，还是在生产规模装置内进行，都能够在无操作人员活化工技术员
看管的情况下连续运行。这将减少人力需求，因此，降低劳动力成本
（
2
）减少需要操作人员以消除或减少人为错误。
（
3
）在整个过程的质量选择加入最佳条件改善的结果
（
4
）必要的操作调整可从一个集
中位置往往导致减少过程单元所需的空间的。
（
5
）操作安全是增加提供预警异
常情况，并自动采取纠正行动。此外，自动化控制，无需人员在邻近的危险设备。
2
。什么是自动控制？
更加深刻的认识和理解，自动控制系统，可如果我们首先考虑一个简单的手动控制程序。作为举例来 说，假设我们要控制的温度，解决载于
烧杯的炉具，温度在
50
℃
±
2
℃
。这可能是由放置一个水银温度计
中填充的解决方案，观测的温度，然后手动调整电压的炉具通过变阻
器加热元件，使温度
保持在理想的范围。这本手册控制系统包含四个基本要素：
（
1
）检测设备，汞灯泡
;
2
）测量装置，水银柱和匹配标定规模
;
（
3
）控制设备，观察（
4
）最后的控制因素，变阻器。
基本上
，这一功能的控制系统，来衡量变量的值，温度，然后产生一个反应限制其偏离参考点，在
50
℃下，
。这是对所有的实际
目的，定
义的自动化控制。然而，在一个自动控制中，观察者，更准确的说是操作者，在
控制回路中被一个叫做自动控制器的装置所替代②
。
基本布局自动控制回路中显示图。
6.
1
。可以看出，这个系统包含相同的四个基本要素的手动控制
系统前段所述。除了上述四个因素，发
射器的因素往往是补充。然而，这取决于特定的变
量加以控制，一个以上的元素可能是设计成相同的工具，因此，环并不总是包含四个不同
的单位。
3
。是什么在控制化工过程？
一些更重要的变量，控制化学过程的后续。
流动
这种情况是可以预想，重要的
是物料平衡要求的过程中，他任何时候都保持人。连续化工过程，这需要控制的物质的流动。由于大多
数的化学反应很敏感，反应的比例，它常常是要求准确流量控制得到维持，使产品质量和产量能够达 到标准。
温度
< br>控制反应温度是非常重要的，因为前几节中讨论，转换，产量和产品品质的职能温度。另外，适当的温度控 制常常是十分必要的成功
运作了许多分离过程，如蒸馏，结晶。
压力
由于许多化学反应很敏感，压力
条件下，压力控制是一个需要在大多数化学反应器。大多数化学离职也需要加以控制的压力。例如，蒸
馏往往表现的压力下减少，而吸收和吸附进行了在较高的压力。
液位
水平控制往往与流量控制
;
然而，有些情况下，它与正常运作的一台设备，如一级的溶剂中的
溶剂萃取塔或液位在溶剂萃取塔或液位
的反应堆。
上面提到的四个控制参数
,
大多数控制应用在化学
工业。但是，控制的变量组成的有关问题，也经常遇到。
成分控制
根据物料的性质，采用一
系列不同的技术，就可实现物质组成的控制③
。大部分的这些
技术是根据三个不同类型的分析：成分分
析，物理性能分析，或化学性质的分析。大多数
以成分分析为基础的重要控制回路，都采用色谱分析技术来确定混个物的组分④
。虽然红外
和其他形式的光谱也可以在某些进程。混合物的确切成分往
往拥有一套独特的物理特性。这些属性实际上可能的组成部分的产品规格，或可
能被用来
作为衡量产品的成分。一些较常见的物理特性是衡量和用于控制目的包括密度，初步和最后沸点，颜色，凝固点和
粘度。组成的混
合物常常与一套独特的化学性能。化学特性，往往是监测控制的目的包括
pH
值，氧化还原电位和电导率。
（选：克里斯答：克劳森，原则工业化学，
John
Wiley
＆
Sons
出版公司，
1978
。
）
Unit27
过程控制的一般概念
在我们进行随后的章节的详谈前，它可能是值得在这一点上，确定了一些非常广泛和普遍
的概念和一些使用的术语，动力学与控制。
1
，动态
一
个时间依赖行为的过程。这个行为没有控制器在系统中被称为开环反应。动态特性与反馈控制器包含的进程被称为
闭环反应。
2
，变量
操纵变量
通常流速流进入或离开一个过程，我们可以改变，以控制过程。
控制变量。即在工艺过程中要试图控制的变量，如：流动速率，组成，温度，液位和压力
，要么尽可能使这些量保持为常数，要么尽力
使它们沿着某一期望的时间函数而变化。<
/p>
不加控制的变量
变量在这一过程中没有控制。
负载扰动
流量，温度，或组成流进
入（但有时流出）的进程。我们不能够自由地操纵它们。它们是由上游或下游地区的车间。控制系
统必须能够保持车间受到控制，避免这些干扰的影响。
3
，反馈控制
以传统方式来控制一个过程是衡量的变量是控制，比较它的数值与理想值（设定的控制器）和填补的差异（错误
）为反馈控制器，将改变操
纵变量驱动控制变量返回的值。信息是
“
反馈
”
的控制变量为操纵变量，如
图
6.5
描绘。
4.
前馈控制
基本思路如图
6.6
示。当干扰信号进入过程时，被检测器
检测到，同时操纵变量相应的改变，以使被控制变量保持为常量。这样，一旦干扰
信号进
入被检测系统，马上就可采取纠正措施，而不是（像反馈控制那样）只发出警告，干扰信号则在被纠正之前一直通
过过程进行传递。
5.
稳定性
一个过程被认为是不稳定的，
如果其输出越来越大（无论是正面还是负面的）随着时间的增加。例如图
6.7
所示。当然，没有一个实际的系
统能真正做到这一点，因为在系统中会遇
到一些制约因素，例如，一个控制阀可能全闭或全开，或者一个安全阀突然开启。一个线性的过程
在稳定性的限制上是正确的如果它是不稳定的，即使在不受干扰和振幅振荡不衰减。
大多数的过程是开路稳定，稳定的同时系统没有控制。一个重要的和非常有趣的例
外，我们将研究在一定程度上详细的放热化学反应器可开
路不稳定。所有真正的过程，可
闭环不稳定（不稳定时，反馈控制器在系统中）如果控制器增益是够大。因此，稳定在反馈控制系统中极为
关注。
控
制系统的性能（其有能力控制这一过程牢固）通常会增加，因为我们增加了控制器增益，然而，我们得到越来越紧
密的闭环不紧密。
因此，控制系统的耐抗性（它的耐受性的变化，工艺参数）下降；一个
小小的改变将会使系统不稳定，因此，始终是一个权衡的耐抗性和性
能的控制系统设计。
Unit 28
过程控制设备
设备用于监测和控制程
序流非常广泛。有形建筑和细节，这些设备一般都在图书仪器。许多优秀的书籍已经出版给予详细说明了大量的设
备
在日常使用。浅谈一些较常见的控制设备，见下文。进一步的细节请读者参阅参考报和
目前制造商的文献。
1
，测量元件
这或许是最重要的组成部
分的任何控制系统。没有准确的测量控制变量就不可能取得令人满意的控制。变数通常选择的测量温度，压力，流
量，液位和组成。通常情况下，这是一个变量的函数的变量是理想的选择，控制测量，以
促进事项①
。例如，沸点温度通常用来作为衡量组
成的分馏标准。
某些用语与测量需要的定义，即
（一）准确度是接近表明价值的真正价值。
（二）
灵敏度是衡量小的变化来衡量变量将导致作出反应。大的变化，它没有反应又被称为死区②
。
（三）精度可界定为一些重要
的数字来衡量这些变数可以读取。因此，精密仪器不一定是准确的。
< br>传感器和发射机进行测量（
m
）操作控制系统。传感器产
生的一种现象，机械，电气，或类似的，相关的进程变量的措施。发射机又转换到
这一现
象的信号可传输信号相关的进程变数。
2
主控制器
如前所述，主控制器可以被
看作两个部分组成，即。控制变量和控制器本身。，首先是比较理想的测量值，控制变量，并计算两者之间的差<
/p>
别的错误。
第二部分经营改变设定的最后控制元件的方式，
以尽量减少误差最小的时间与最低干扰系统③
。
管制行动的选择取决于控制器的
动态行为的其他组成部分的
控制回路。
在正常操作期间的一块工艺设备，造作者调整温度
，流量，压力等问题，通过改
变设定适当的控制器的值，并允
许控制器来调节阀位置的新的一套
tm61
一点是达成共识。然
而，可能会有场合（例如，在启动或关闭）时，
运营商希望能够改变阀直接。这可以与大
多数所有控制器通过简单地改变杠杆从
“
自动
< br>”
，以
“
手动
”
的控制。在这个职位上，手动运动的旋
钮如下设置点
的经营者发出一个直接信号，阀门驱动器设置的阀门在任何想要的位置。
3
。最后控制单元
唯一的控制元件的重要的是自动调节阀。
一个典型的安排中显示图。
6.1
。它包括两个主要部分，马达和阀的阀体。电机部分可在电子或气动操作。如果是气动的空气压力可能会
高于或低于适用的隔膜要看，出于安全理由，阀门应开启或关闭的事件，在你的空气供应失败④<
/p>
。
阀门可单或双座（
Fig.6.12
）
。与单层次阀阀芯是受到全微分压
力阀跨越。这种阀门很敏感，压力波动和强大的动力要素所需要的大型
压力下降。双坐在
阀平衡压差但很难获得完整的关闭。
4
。其他内容
除了上述四个基本要素，
所有控制回路，其他因素也可能存在。这些措施包括这种装置作为指标，录像机，传感器和警报器。
指标包括
指针，液体柱，等等。大多数文书在过去利用固定尺度或移动指
针显示测量变量。然而，随着新的手段，目前的数字指标来衡量变量数值形式是找到更广
泛地应用。
记录用来提供连续记录测量变量的时间。图表记录
器使用基本相同的尺度与所使用的指标，但有更多的时间协调指定
传感器是用来转换信号从一个到另一个能源形式或从一个层面到另一个信号。例如，传感器通常用来转换电子 电流信号到信号所需要的气动
控制阀。
报警或关机单元用来异常情况的发生过程中。这些单位被激活时，测量变量的控制回路超过某一预选边界。
（选：
JM
库尔森和怡富理查森，化学工程。第一卷。
3
，第二版，
Pergamon
出版社，
I979
。
*
选：克里斯答：克劳森，原则
工业
化学，
John Wiley
＆
Sons
出版公司，
1978
年。
）
Unit 29
控制作用的模式（
1
）
按照如何控制回路时间滞后的补偿分类以下控制器。
通—断控制器；一个控制机制只有两个离散值的输出。全开或全闭。
比例控制器；控制器的输出信号与偏差成正比。
比例
--
复位控制器；控制器的输出信号与时间积分
的偏差成正比。
速率控制器；控制器输出信号与速率偏差成正比。
1.
通
—
断控制器
这是最简单的自动化控制的形式，有时被称为两个位置控制，通
—
断这个术语实在是一个误称，因为在既非完全通也非完全断位置的双位控
制也是可能存在的。然而，因为大多数的两个位置控制系统或关闭，这个术语通常适用。
在两个位置控制，只要控制变量偏离预定的设定点，该控制器最终控制的因
素两种极端的立场。该控制器不能移动最终控制到任何两
个极端的位置。控制变量的偏差
对控制设计是必须的，但一般小于
1%
的范围
< br>
图
6.16
显示了适用于通<
/p>
—
断控制器在燃气炉的操作。当温度低于设定值时，偏差信号即设
定点之间的区别和测量温度是积极的并且然
疗阀应当开放。燃料阀保持开放，直到偏差信
号变成零时燃料阀关闭，但由于系统的大容量，温度继续上升，测量变量高于设定点，创造一
个消极的偏差信号，达到高峰后，在温度下降到低于设定点时阀门在打开，温度不作出反应，但继续下降，达 到最低点燃后上升到设定点开
始另一个周期。
由于其简单的通
—
断的开关非常受欢迎，而且往往适用
于多重类型的控制问题。一般情况下，当控制回路的时滞小，容量（如持有能量
或物料的
能力）大，且两极限位置可调节到允许输入值比正常操作值稍高或稍低时，通
—
断控制功能最佳。当这些条件没有遇到时，通
—
断开
关将导致更多的控制变量，因为这两个极端阀也将或多或少的供应控制剂。
2.
控制率
由于许多化学过程包含多重阻
抗和容抗，以至于某种变化发生的时间与所测变化施加于控制机构的时间存在相当的滞后。这个问题可用一个
控制操作得到部分解决，该控制操作与偏差的变化速率成正比，而不是与偏差的幅值成正比。
例如，快速偏差表明发生了激烈的反应，控制
器的反应效率将作出反应纠正了较大的偏差
，即是这个较大的偏差变小。由于这个特点，有时看来这个效率实际上与预测变化了；因此，它
< br>有时被称为“防患未然”的行为。这个控制模式也往往被成为“衍生工具”
速率操作从不是单独的，
但结
合比例或比例复制除外，
它除了控制器的增强外还增强了控制反应的速率和稳定性，
特别是对慢响应系统。
反应速率在启动程序时是特别有用的，当大量
的调整带来到达最初设定点非常快。
Unit 30
过程控制系统
为了了解思路，让我们
讨论一个热交换器，蒸汽加热冷凝气。这个过程如图
6.19.
这个单元的目的是加热流体从入口温度为
Ti (t)
到出口时温度为
T(t)
。如上所述，加热介质
是冷凝气，假如没有热量损失到环境中，
即换热器和管道都保温良好，那么，过程流体获
得的能量就等于蒸汽释放的热量。在这种情况下释放的热量是冷凝蒸汽的潜在热量。
<
/p>
在这个过程中有很多变数可以改变，造成出口温度偏离器理想的数值，如果发生这种情况则
必须采取行动来纠正这种偏差，也就是说，
目的是要控制出口过程中温度保持理想的数值
。
实现这一目标的途径之一，首先测量文图
< br>T(t)
，然后比较其理想的数值，在此基础上比较，决定做什么以纠正任何偏差
，流动的蒸汽可
用于正确的偏差，也就是说如果温度高于理想
数值，蒸汽阀可以节流切断流入换热器的蒸汽流量，如果温度低于期望值，蒸汽阀可以打开让
更多的蒸汽流入换热器。所有的这一切都可以由一个操作员做到，而且由于程序是相当简单的，
（操作）它基本没有问题。然而，在大多数过
程机械有数百个变量而且必须得
在以一定的数值，这一程序将需要修正大量的操作。因此，我们要实现自动控制。也就是说，我们需要有方
法来控制
ianliang
而不需要操作人员
干预。这就是我们所说的自动过程控制。
实现这一目标的控制系统必须设计和实施。一种可能的控制系统和它的基本组成部分如图< p>
6.20
所示。要做的第一件事就是衡量出
口温度
的过策划过程流。这是通过一个传感器（热电偶，电阻温度装置，填补系统温度计，热敏电阻等）
。该传感器连接到发射机身体，其中
的输出的传感器将其转化为一个信号足够强
大到足以传送给控制器。
这个控制器接受信号，这涉及到温度
，并比较其与所期望的数值。根据这一比较，控制器决定做什么，保持温度在其理想的数值。在此基础
上作出决定，控制器然后发送另一个信号，最终控制元件，反过来又操纵蒸汽流量。
前面规定提出的所有控制系统的四个基本组成部分。他们是
（
1
）
识别，往往被称为首要因素
（
2
）
发射机，也称为继发因素
（
3
）
控制器，控制器的“脑”
（
4
）
足以后的控制因素，往往是一个控制阀，但并非总是如此，其它常
的最后的控制要素，变速泵，传送带，和电动马达
Reading Material 1
Static Analysis of Beams
A
bar that is subjected to forces acting transverse
to its axis is called a
beam
．
In this section we will
consider only a few of the simplest
types of beams
，
such as those
shown in Fig
．
1
．
2
．
In every instance
it
is assumed that the beam has a plane
of symmetry that is parallel to tile Dlane of the
figure itself
．
Thus
，
the cross section of the beam has a
vertieal axis Of symmetry
．
Al
so
，
it is assumed that the
applied loads
act in the plane of
symmetry
，
and hence bending
of the beam occurs in that
plane
．
Later we will consider
a
more general kind of bending in which
the beam may have an unsymmetrical cross
section
．
(a)A
simple supported beam (b)A cantilever beam
(c)A beam with an overhang
Fig
．
1
．
2 Types of beams
The
beam
in
Fig
．
1
．
2(a)
，
with
a
pin
support
at
one
end
and
a
roller
support
at
the
other
，
is
called
a
simply
supported beam
，
or
a simple heam
．
The essential
feature of a simple beam is that both ands of the
beam may
rotate freely during bending,
but they cannot translate in the lateral
direction. Also, one end of the beam
can move freely in the axial direction
(that is, horizontally). The supports of a simple
beam may sustain
vertical reactions
acting either upward or downward.
The
beam
in
Fig.
1.2(b)
which
is
built
in
or
fixed
at
one
end
and
free
at
the
other
end,is
called
a
cantilever
beam. At the
fixed support the beam can neither rotate nor
translate,while at the free end it may do both.
The third example in the figure shows a
beam with an overhang. This beam is simply
supported at A and B and
has a free end
at C.
Loads
on
a
beam
may
be
concentrated
forces,
such
as
P~
and
Pz
in
Fig.
i.
2(a)
and
(c),or
distributed
loads,
such
as
the
load
q
in
Fig.
1.2(b).
Distributed
loads
are
characterized
by
their
intensity,
which
is
expressed
in
units
of
force
per
unit
distance
along
the
axis
of
the
beam.
For
a
uniforfaly
distributed
load,
illustrated
in Fig. 1.2(b),
the intensity is constant;a varying load, on the
other hand, is one in which the intensity
varies as a function of distance along
the axis of the beam.
The
beams
shown
in
Fig.
1.2
are
statically
determinate
because
all
their
reactions
can
be
determined
from
equations
of
static
equilibrium.
For
instance,
in
the
case
of
the
simple
beam
supporting
the
load
P
l
[Fig.
1.2(a)],
both reactions are
vertical, and their magnitudes can be found by
summing moments about the ends; thus, we
find
R
A
=P
1
(
L--a)/ L R
B
=
P
1
a/ L
The reactions for the beam with an
overhang EFig. 1. 2 (c)]can be found in the same
manner.
For
the
cantilever
beam
[Fig.
1.2(b)],
the
action
of
the
applied
load
q
is
equilibrated
by
a
vertical
force
R
A
and
a
couple
M
A
acting
at
the
fixed
support,
as
shown
in
the
figure.
From
a
summation
of
forces
in
the
vertical
direction, we conclude that
R
A
=qb
and, from
a summation of moments about point A, we find
M
A =
qb(a+b/2)
The reactive moment
M
A
acts counterclockwise as
shewn in the figure.
The preceding
examples illustrate how the reactions(forces and
moments)of statically determinate beams
may
be
calculated
by
statics
．
The
determination
of
the
reactions
for
statically
indeterminate
beams
requires
a
consideration of the bending of the
beams
，
and hence this subject
wilI be postponed
．
The idealized support conditions
shown in Fig
．
1
．
2 are encountered only occasionally in
an
example,long
—
span
beams
in
bridges
sometimes
are
constructed
with
pin
and
roller
support
at
the
r,in beams of shorter span,there is
usually some restraint against horizontal movement
of the
supports
．
Under
most conditions this restraint has little effect
on the action of the beam and can be
ne
glected
．
However
，<
/p>
if
the
beam
is
very
flexible,and
if
the
horizontal
restraints
at
the
ends
are
very
rigid
，
it may be
necessary to
consider their effects.
Example*
Find
the reactions at the supports for a simple beam
loaded as shown in Fig
．
1
．
3(a)
Neglect the
weight of the beam
．
Solution
The loading of
the beam is already given in diagrammatic
form
．
The nature of the
supports is examined next and the
unknown components of these reactions are boldly
indicated
on
the
diagram
．
The
beam
，
with
the
unknown
reaction
components
and
all
the
applied
forces
，
is
redrawn
in Fig
．
1
．
3(b)to
deliberately emphasize this important step in
constructing a free
—
body
diagram
．
At
A
，
two
unknown
reaction
components
may
exist
，
since
the
end
is
pinned
．
The
reaction
at
B
can
only
act
in
a
vertical
direction since the end is on a
roller
．
The points of
application of all forces are carefully
noted
．
After
a
free body diagram of the beam is
made
，
tile equations of
statics are applied to obtain the
solution
．
Fig
．
1
，
3 A
simple beam
∑F
x=0
，
R
A
x=0
∑
M
A
=O+
，
2000+10
0(10)+160(15)-R
B
(20)=0
，
R
B
=+2700
lb
↑
∑M
B
=O+
，
< br>R
A
y(20)+2000-100(10)-160(
5)=0
，
R
Ay
=-10lb
↓
Che
ck
：∑F
y
=0
↑
+
，
-10-100-160+
270=0
Note
that
∑F
x=0
uses
up
one
of
the
three
independent
equations
of
statics
．
thus
only
two
additional
reaction
components
may
be
determined
from
statics
．
If
more
unknown
reaction
components
or
moments
exist
at
the
support
，
the
problem becomes statically
indeterminate
．
Note that the concentrated moment applied at C
enters only into the expressions for the summation
of
moments
．
The
positive
sign
of
RB
indicates
that
the
direction
of
R
B
has
been
correctly
assumed
in
Fig
．
1
．
3(b)
．
The
inverse is the
case of R
A
y,and the vertical
reaction at A is
downward
．
Note that a check
on the arithmetical
work is available
if the calculations are made as
shown
．
(Selected
from
：
Stephen
P
．
Timoshenko and James M
Gere
，
Mechanics of Materials,
Van Nostrand Reinhold Company
Ltd
．
，
1978.
*Selected
from
：
Egor P
．
Popov
，
Introduction to
Mechanics of
Solids
．
Prentice-Hall Inc
，
1968
．
)
阅读材料
1
横梁的静态分析
一条受力的作用横向
构件轴被称作横梁。在本节我们研究横梁的最简单类型，在例
1.2
的各种情况下，假定横梁水
平对称即与其平整的外形对称，因此，横梁的截面平行与
垂直轴。弯曲将发生在施加载荷的平面上，稍后我们将要讨论
一种更常见具有不对称横截
面的弯曲。
（
a
）简单的支撑横梁（
b
）悬臂梁（
c
）外伸梁
例
1.2
横梁的种类
例．
1
．
2
（
a
）中由固定端和滚动支座支撑的横梁叫做简支梁或
是单体梁．
t
简支梁的实质的就是在弯曲时其两端可
自由转动、但横向上不能转化。同时、横梁的一端在轴向上可自由移动（也就是水平方向）。简支梁 可对撑向上或向下
的垂直反力起作用。
在例
1.2
（
b
）中一端固定而另一端自由安装的横梁叫悬臂梁。横梁的固定端既不能转动也不能转化，但在自由端却
可以。例三图形里显示的就是外伸梁。横梁由
A
、
B
和自由端支撑。
加载在横梁上的可能是集中力，如例
1.2
（
a
）
（
c
）中的
P1
和
P2,
或者是分布载荷，如加载在例
1.2
（
b
）中的，分布
载荷的特点在于他们的集度
即用沿着横梁轴向的单位距离来表示力的单位，
为了在例
1.2
（
b
）
中图解
一致性的分布载荷，
且其变动载荷的强度是连续的、另一方面强度变化与沿横梁的轴向随
距离的变化有关。
例
1.2
的横梁是静定的，因为其所有的反作用都可从静平衡方程中得出例如、就简支梁支持例
1.2
（
a
）中的负荷来
说，两个反作用力都是铅垂方向，并且其大小也可以通过总结受力完成瞬间来确定，所以
、我们发现
RA=P1(L--a)/LRB=P1a/L
反作用力作用在外伸梁上
[
例
1.2
（
c
）
]
可以发现同样方式
例
1.2
（
b
）的悬臂梁，施加载荷Ｑ使得垂直力
RA
和力偶
MA
作用在固定支座使其平衡，如图所示。从合力方向垂直，
< br>我们推断有
RA=qb
而且
从
A
点的合力，我们发现
MA=qb(a+b/2)
反作用力的力偶
< br>MA
是逆时针方向如图所示。
先前图示的例子说明静态确定横梁的作用效果可以从方程中被计算出来。静态非确定横梁的作用效果的确定可以需
要考虑横梁的形变效果，因此这种研究将在以后的课程中讨论。
图
1.2
中所示的理想化支撑条件只是
偶尔在联系中遇到。举例说明如，在桥的大跨度横梁两端有时候也被建成用铰
和滚动支撑
。当然，在短一点的横梁上，经常会有对支撑的水平移动的制约力。在大部分情况下，这种制约对横梁作用
效果有很小的影响，是可以被忽略的。当然，如果横梁是非常容易弯曲的，并且假如两端水平的
制约力是非常有效果的，
那就有必要考虑它们共同的作用效果。
找出图
1.3
（
a
）中所示的简单横梁受力下的反作用力，忽略横梁自身的重量。
横梁所受到的在和已经在图示中给出。支撑力的性质接下来就会测出，并且这些部
分中的未知组成部分被大胆的体
现在图示中。有未知反作用力组成部分和所有已提供力的
横梁被重新展示在图
1.3
（
b
）中，来刻意的强调构建这个自由
体图示的重要步骤。在
A
中，由于一端是被别住的，或许存在两个未知的反作用力。由于
B
端是在滚动作用上，所以其
反作用力只可能在垂
直作用力上。所有力量的作用点都被认真标记出。当一幅自由体的图表被完成之后，需要有静态方
程来求解。
?
F
?
0
，
RAx=0
?
M
?
0
?
，
2000+100
（
10
）
+160
（
15
）—
RB=0
，
RB=+2700lb
↑
?
M
?
0
?
,RAY(20)+2000
—
100
（
10
）—
160
（
5
）
=0
，
RAY=
—
10lb
↓
验证：
?
FX
?
0
?
?
，—
10
—
100
—
160+270=0
注意
?
F
?
0
包含了三个非独立静态方程中的一个，
所以只有两个附加的反应力组成部分可能从方程中被求出。假
x
A
B
x
如有
更多的反应力的组成部分或是瞬间存在于支撑中，问题成了静态不可解性的
.
注意在点
c
中心的力集中的瞬间只是出现在所有
瞬间总和的表现中。
RB
正向标记说明
RB
已经在图
1.3
（
b
）中被正
确的假定。相反的是
RAy
的情况，并且
A
点的垂直反作
用力是向下的，注意假如计算如上所示那么计算过程中的验证是
有效的。
（选自
，材料机械，
诺斯特兰德莱因有限公司
,1978
*
选自
，固体机械
介绍，普伦蒂斯
-
霍尔公司
.
，
1968.
）
Reading
Material
3
Theories of Strength
1
、
Principal Stresses
The
state
of
stress
at
a
point
in
a
structural
member
under
a
complex
system
of
loading
is
described
by
the
magnitude
and
direction of the principal principal
stresses are the maximum values of the normal
stresses at the point; which act on
planes on which the shear stress is a
two-dimensional stress system,Fig.1.11,the
principal stresses at any point are related
to the normal stressesin the x and y
directions
σ
x and
σ
y and the shear
stress,
τ
xy at the point by
the following equation:
Principal
stresses,
?
1
?
1
1
2
?
(
?
?
?
< br>)
?
(
?
y
?
?
x
)
2
?
4
?
xy
(1.7)
?
y
x
?
2
?
2
2
1
（<
/p>
σ
1
—
σ
2
）
(1.8)
2
The maximum shear stress at
the point is equal to half the algebraic
difference between the principal stresses:
Maximum shear stress ,
τ
max=
Compressive
stresses are conventionally taken as
negative;tensile as positive.
2
、
Classification of Pressure vessels
For the purposes of design and
analysis,pressure vessels, pressure vessels are
sub-divided into two classes depending on the
ratio
of the wall thickness to vessel
diameter:thin-walled vessels,with a thickness
ratio of less than 1/10,and thick-walled above
this
ratio.
The principal atresses acting at a
point in the wall of a vessel,due to a pressure
load,are shown in the wall is thin,the
radialstress
σ
3
will be small and can be neglected in comparison
with the other stresses,and the longitudinal and
circumferential
stresses
σ
1 and
σ
2 can be taken as constant
over the wall thickness. In a thick wall, the
magnitude of the radial stress will be
signi
ficant,
and
the
chemical
and
allid
industries
are
classified
as
thin-walled
-walled
vessels
are
used
for
high
pressures.
Fig.1.11
Two-
dimensional stress system
Fig.1.12
Principal stress in pressure-vessel
wall
3
、
Allowable Dtress
In
the
first
two
sections
of
this
unit
equation
were
devedoped
for
finding
the
normal
stress
and
average
shear
in
a
structural
equations can also be used to select the size of a
member if ehe
member’
s
strength is known. The strength of a
material can be defined in several
ways,depending on the material and the environment
in which it is to be definition is
the
ultimate strength or the te strength is the stress
at which a material will rupture when subjected to
a purely axial
load. This property is
determined from a tensile test of the is a
laboratory test of an accurately prepared specimen
which usually is conducted on a
universal testing load is applied slowly and is
continuously ultimate
stress
or
strength
is
the
maximum
load
divided
by
the
original
cross-sectional
ultimate
strength
for
most
engineering
materials has
been accurately determined and is readily
available.
If a member is loaded beyond its
ultimate strength it will
fail
—
most engineering
structures it is desirable that the
structure not design is based on some
lower value called allowable stress or design
,forexample,a cestain steel is
known to
have an ultimate strength of 110000psi,a lower
allowable stress would be used for design,say
allowable
stress would
allow only half the load the ultimate strength
would ratio of the ultimate strength to the
allowable stress is
known as the factor
of safety:
Factor of
safety=ultimate strength/allowable stress or
n=Su/S
A
(1.9)
We use S for strength or
allowable stress and
σ
for the
actual stress in a material. In a design:
σ
≤
S
A
This so-called factor of safety covers
a multitude of sins,It includes such factors as
the uncertainty of the load,the uncertaintyof the
material properties,and the inaccuracy
of the stress could more accurately be called a
facter of ignorance! In general,the
more accurate,extensive,and espensive
the analysis, the lower the factor of safety
necessary.
4
、
Theories of Failure
The
failure
of
a
simple
structural
element
under
unidirectional
stress
(tensile
or
compressive
)
is
easy
to
relate
to
the
tensile
strength of the
material , as determined in a standard tensile
test ,but foe components subjected to combined
stresses (normal and
shear stress) the
position is not so simple ,and several theries of
failure have been proposed .Tje three theories
most commonly
used are described below:
Maximum
principal
stress
theory
:which
postulates
that
a
member
will
fail
when
one
of
the
principal
stresses
reaches
the
failure value in simple tension,
σ
’
failure point
in a simply tension is taken as the yied-point
stress,or the tensile strengthof
the
material divided by a suitable factor of safety.
Maximum shear stress theory:which
postulates that filure will occur in a couplex
stress system when the maximum shesr stress
reaches the value of the shear stress
at failure in simple tension.
For a system of combined
stresses there are three shear stresses maxima:
τ
1
=
±
σ
1-
σ
2/2, <
/p>
τ
2=
±
σ
2-
σ
3/2,
τ
3
=
±
σ<
/p>
3-
σ
1/2
(1.10)
In the tensile test,
τ
e=
σ
’
e/2
(1.11)
The
maximum
shesr
stress
will
depend
on
the
sugn
of
the
principal
stresses
as
well
as
their
magnitude,
and
in
a
two-dimensional stress system,such as
that in the wall of a thinwalled pressure
vessel,the maximum value of the shear stress may
be given by putting
σ
3 =0 in equations 1.10. The
maximum shear stress theory is often called
tresca
’
s, or
Gueat
’
s,theory.
Maximum strain
energy theory:which postulates that failure will
occur in a complex stress system when the total
strain energy
per unit volume reaches
the value at which failure occurs in simple
tension.
The maximum shear-stress theory has
been found to be suitable for predicting the
failure of ductile materials under complex
loading and is the criterion normally
used in the pressure-vessel design.
(Selected
from
t,Chemical
Engineering,
Vol.6,2
nd
Edition,
Pergamon
Press
,1996.*Selected
from
Raymond
ry
,Statics and Applied Strength of Materials, John
Wildey &Sons Inc., 1985)
阅读材料
3
力学理论
1
、
主应力
通过主应力的大小和方向来描
述受力构件一端的受力状态，这个主应力是这端所受正应力的最大值，也就是此平面
的切
应力为零，在二维应力系统中，例
1.11
哪个作用于那平面在
那个那切应力等于零。在一二维的应力状态、图
.1.11
、<
/p>
任何一点的主应力与在
x
和
y
方向上的正应力
σ
x
和
σ
y
，以及作用
于那一点、由下列公式确定的抗切应力
τ
xy
?
1
?
1
1
2
(
?
y
?
?
x
)<
/p>
2
?
4
?
xy
主应力
?
?
(
?
y
?
?
x
)
?
?
2
?
< br>2
2
那一点的最大抗切应力是主应力的代数差的一半：<
/p>
最大抗切应力，
τ
max=
1
（
σ
< br>1
—
σ
2
）
2
压缩应力是常见的但不是很明显，而拉伸应力则是很明显的。
2
、压力容器的分类
为了设计和分析，压力容器根据壁厚与容器的直径比值主要分为两大类：厚度比小于
1/10
的薄壁压力容器，以及超
过这个尺度的厚壁压力容
器。
作用于容器壁上某点的主要压力源于压力负载，如图
1.22
所示。假如壁是薄的，放射状的压力
σ
3
将会很小，并且
通过与其他压力
的比较是可以忽略的，而纵向的和圆周上的压力
σ
1
和
σ
2
就会被视为与壁厚
无关的常数。在薄壁上，放
射性压力的大小将会是很重要的，而圆周的压力将会绕容器壁
变化。应用于化工和联合工业的主要压力容器被分为薄壁
容器。厚壁容器主要应用于高压
环境下。
3
、
允许压力
在本章节开始两个部分里，
方程是为了找到结构中的主要压力和平均切向压力而产生的。这些方程同样在结构力已
知
的情况下，可以被用于选择结构组成。材料强度可以在以下几方面的定义，依据材料自身和其使用环境。一种定义
是
其最大的强度和压力。最大强度是指当其受到纯轴向负载作用下发生断裂的压力。这项
属性将会从材料的拉伸试验中测
出。这是在一个具备普遍检测能力的机器上对某一准确制
备的样品进行检测的实验室试验。负载缓慢增加，并且是始终
处于监视之下。最大强度或
压力是可以在原始交汇区域分开的最大负载。对于大多数的设计材料来讲，其最大强度是将
会被准确测出并给出。
假如某一部分承受的载荷超过了他的
最大强度值，它就将断裂。在大多数的设计结构中人们希望的是结构不会崩溃。
所以，设
计是基于更小的有效值，它通常被称作允许压力或设计压力。举个例子，假如一个确定的钢坯是已知有最大强
度值
110000
每平方英寸磅，一个低一
点的强度将会被用于其设计，比如
55000
每平方英寸磅，这
个允许强度将会承认最
大强度的一半。最大强度值与允许强度值的比值被称作安全系数<
/p>
安全系数
?
最
大强度值
S
U
或
n
?
S
A
允许强度值
我们用
S
< br>表示最大强度或者最大允许压力，用
σ
表示材料受到的实
际负载，即
σ
≤S
A
<
/p>
这个所谓的安全系数包括了很多缺点。其中包括负载的不确定性，材料性能的不确定性，以
及压力分析的不准确度
等因素。它可以更准确的被称为忽略系数！事实上，分析得更准确
、更广泛、更昂贵，安全系数的必要性旧越小。
4.
失败理论
在单向结构下的简单结构因素的失败很容易就可以联系到材料的可伸长强度。就像在标准的可伸长性试验中那么
有
决心，但对于组成物服从于复应力（正应力或切应力）来说，位置就不那么简单了，并
且几个失败理论已经被提出了。
三个最常用的理论如下所示：
最大主应力理论：当主应力中的一个达到简单张力
σ
’
e
下的失败值时，那么假定的一个成员也会失败
.
简单张力中
的失败点被视为屈服点负
载，或者是材料的伸长强度，它是被一个合适的安全系数划分的。
最大切应力理论：假定当最大切应力达到简单张力下的失败点的值时，失败会出现在复杂的手里系统中。
对于一个有联合作用力的系统，存在以下三个切应力最大值：
?
1
?
?
?
1
?
?
2
2
，
?
2
?
?
?
< br>2
?
?
3
2
，
?
3
?
?
?
3
?
?
1
2
在张力试验中，
?
e
?
?
'
e
2
最大切应力取决于主应力的方向和大小，并且在二维的压力系统中
，比如在薄壁压力容器的壁上，切应力的最大值
可以从代入
σ<
/p>
3=0
到公式
1.10
< br>中得到。最大切应力理论经常会被称为“特雷斯卡理论”或“盖斯特理论”
。
最大应变能理论：当单位体积所承受的应变力达到使其在简单张力
中达到屈服点后，假定的负载受力系统会崩溃
.
最大切应力理
论已经被发现适合于预测易延展的材料在复杂载荷下的屈服点，并且也是应用在压力容器设计中的普
遍准则。
（选自
t,
化学动力
,
第<
/p>
6
卷，第二版
,
帕加马出版社
,1996
*
选自
ry,
静力学与应用强度材质
,John Wildey & Sons)
Reading Material 5
static
and Dynamic Balance
。
f
Rotating Bodies
The unbalance of a
single disk can detected by allowing the disk to
rotate on its ax1e between two parallel
knife-edges
，
as
shown
in
Fig
．
1
．
22
．
The
disk
will
rotate
and
come
to
rest
with
the
heavy
side
on
the
bottom
．
This
type of unbalance is called static
unbalance
，
since it can be
detected by static means
．
Fig.1.22 System with
static unbalance Fig
．
1
．
23 System with dynamic
unbalance
In
general
，
the mass of a rotor
is distributed along the shaft such as in a motor
armature or an
automobile
—
engine
crankshaft
．
A test similar to
the one above may indicate that such parts are in
static
balance
，
but the
system may show a considerable unbalance when
rotated
．
As an
illustration
，
consider a
shaft with two disks
，
as
shown in Fig
．
1
．
23
．
If the two
unbalance weights
are equal and 180 deg
．
apart
，
the system will be statically balanced about the
axis of the r
，
when the
system is rotated
，
each
unbalanced disk would set up a rotating
centrifugal force tending to rock
the
shaft on its bearings
．
Since
this type of
unbalance results only
from rotation we refer to it as dynamic
unbalance
．
Fig.1.24 shows a general case where the system is
both statically and dynamically
Unbalanced. It will now be shown that
the unbalanced forces P and Q can always be
eliminated by the addition of two
correction weights in any two parallel planes of
rotation
．
Fig.1.24 Balancing of rotating
bodies requires correction in two
planes
。
Consider
first
the
unbalance
force
P
，
which
can
be
replaced
by
two
parallel
forces
Pa/l
and
Pb/
a
similar
manner
Q
can
be
replaced
by
two
parallel
forces
Qc/l
and
Qd/l
．
The
two
forces
in
each
plane
can
then
be
combined
into
a
single
resultant
force
that
can
be
balanced
by
a
single
correction
weight
as
shown
．
The
two
correction
weights
C
1
and
C
2
introduced
in
the
two
parallel
planes
completely
balanced
P
and
Q
，
and
the
system
is
statically
and
dynamically
balanced
．
It
should
be
further
emphasized
that
a
dynamically
balanced
system
is
also
statically
balanced
．
The
converse
，
however
，
is
not
always
true
；
a
statically
balanced
system
may
be
dynamically
unbalanced
．
Example A rotor
4
in
．
long has
an
unbalance of 3 oz
．
in
< br>．
in a plane 1
in
．
from the
left
end
．
and 2 oz
．
in
．
in
the middle
plane
．
Its angular position
is 90 deg
．
in the
clockwise direction from the first
unbalance when viewed from the left
end
．
Determine the
corrections in the
two end
planes
，
giving magnitude and
angular
positions
．
Fig
．
1
．
25
Solution
．
The 3- o
z
．
in
．
u
nbalance is equivalent to 2*1/4 the left end
And3/4 the right
end
，
as shown in Fig
．
1
．
25
．
The 2 oz
．
in
．
at the middle is obviously
equal to 1
oz
．
in<
/p>
．
at the
ends
．
Combining
the two unbalances at each
end
，
the corrections are:
Left end
：
C
1
?
1
?
?
02
5
?
?
2
.<
/p>
47
oz
．
i
n
．
to be removed
2
2
?
1
?
tan
?
1
1
?
24
o
0
'
clockwise from plane of first unbalance
2
.
25
Right
end
：
?
3
?
C
2
?<
/p>
?
?
?
1
2
?
1
.
25
be removed
?
4
?
2
?
1
?
tan
?
1
1
?
53
o
Clockwise from plane of
first unbalance
0
.
75
(Selected from
：
William T
．
Thomson
．
V
ibration Theory and
Applications
．
Prentice Hall
Inc
．
,1965)
阅读材料
5
旋转体的静态和动态平衡
失衡的单个
圆盘允许在轮轴间的刀刃平行线上旋转，如图
1.22
所示。该
圆盘将旋转和停止在底部的同一侧，这类失
衡称为静不定，因为它可以用静态平衡来检测
。
通常，一般的转子都会安装在前轴，例如
< br>电
动
机
电
枢
或汽
车
发
动
机
曲
轴，
类似
于上述的一个试验
可以表明，这种零件处于静态平衡，但是当系统旋转时就失衡了。
举例说明，
两个圆盘套在一根轴上，
如图
1.23
，
如
果两个不等重的圆盘处于平衡，
质心位于轴的两侧且两质心成
1
80
°，
系统会沿轴处于静态平衡。然而，当系统旋转时，各个
失衡的圆盘会受到一个离心力的作用而沿其轴承摆动。由于这类
旋转而导致的不平衡我们
称为动态失衡。
图
1.24
所示的是一般情况下系统的静态和动态的失衡。
由图现在可看到不平衡的
力
P
和
Q
总是
会被去除而由另外两个校
正用量处在任何两个平行平面旋转
<
/p>
不平衡的力
P
可两个平行力
P
和
P
。
类似的力
Q
也可分解为两个平行的力
Q
和
Q
。
每两个力又可在各自的面上合
成一个力与单个校正重量平衡。
< br>
这两个校正重量
C1
和
C2
在两个平行的面上分别与力
P
和
Q
平衡，这时系统处于静态
和动态的平衡。需要强调的是一个处于平衡的系统同时也会处于静态平衡。相反的情况可能就会不成立，处于 平衡的系
统可能会处于动态的失衡中。
举例
一个
4
英寸的转子在距离最左边一英寸的一个平面上有
3
盎司的重量，在中心面上有
2
盎司的重量，从左边看去
第一个不平衡点顺时针方向两者成
90
°。校正重量分别在两个端面上，角度处于两不平衡点的角度里
解答
3
盎司不平衡重量相当于左边平面
2.24
< br>盎司的重量和右边的
0.75
盎司的重量，如图
1.25
所示。中部
2
盎司的重量
显然等于两端
1
盎司的重量
之和。
分别合成两端的不平衡量，得校正量：
左端：
c
1
?
θ
1
?
c
θ
?
1
2
?
(
2
.
25
)
?
2
.
47
盎司
?
1<
/p>
2
tan
1
'<
/p>
ο
?
24
0
第一个不平衡点的顺时针方向
2
.
25
右端：
2
3
?
(
)
1
4
tan
?
1
2
2
?
1
.
25
盎司
2
?
1
?
53
?
第一个不平衡点的逆时针方向
0
.
75
(
摘自：<
/p>
William T. Thomoson,
《振动理论及应用》普伦蒂斯霍尔公司
,1965.
）
Reading
Material 7
Standard Mechanical Tests
To summarize the previous
discussion
，
it is very
important to know the strength of a
material
，
both for
its eventual use and also to determine
the forces required to shape
it
．
Since it is impracticable
to test
every
article
after
it
has
been
designed
and
made
，
several
simple
general
tests
are
used
to
measure
the
mechanical
properties of the
stock material before
，
during
and after manufacture of the final
product
．
(1)Tensile Tests
The simplest and
most widely accepted tensile test requires a
cylindrical(or flat)bar with enlarged
ends
．
This
tensile
specimen
is
subjected
to
a
steadily
increasing
tensile
force
along
its
axis
，
and
the
extension
of
a
gauge
length
is
accurately
measured
as
the
load
—
extension
curve
，
according
to
the
appropriate
standard
．
The
results usually required are the
maximum tensile
stress
，
the
yield
stress
，
the
percentage elongation to
fracture
and the
reduction
of
cross sectional area at
fracture
．
In
addition
，
the
Young’s Modulus of
Elasticity
，
or
Young Modulus
may be
measured
．
(2)Compression Tests
It is important for metal forming calculations to
know the yield stress at much higher strains than
can be obtained in
tension
．
Axial compression of
a short cylinder may be
used
，
with suitable
correction for
the frictional
resistance on the flat
ends
．
but a more accurate
result is obtained by the transverse plane
strain compression of a well-lubricated
strip
．
(3)Hardness Testing
Tensile and
compression tests are destructive of the
sample
，
but it is often
important to check the
strength
properties of stock material or finished
components
，
without
destruction
．
There are
several types
of hardness test for this
purpose
．
which make only a
small indentation in the surface
The
oldest
and
best
known
hardness
tests
in
the
U
．
K
are
the
Brinell
test
in
which
a
standard
ball(usually
10 mm
dia
．
)is pressed into a metal
under a prescribed
load
．
Typically 3000
kgf(=29
．
42 kN or 6615
lbf)
．
and
the
Vickers test
．
The
Brinell Hardness Number
(BHN
or HB)is defined as the load in kgf divided by the
actual
spherical
surface
area
of
the
indentation
in
mm
。
．
Likewise
，
the
Vickers
Hardness
Number
(VHN
or
HV)is
the
load
in kgf divided by the pyramidal surface
area(again in mm2.)of the
indentation
．
In
the
U
．
S
．
A
．
，<
/p>
the
Rockwell
test
ls
favored
．
In
that
test
the
depth
of
the
indentation
is
measured
whilst
the
load
is
still
being
applied(rather
than
the
lateral
dimensions)
．
The
Rockwell
Hardness
Number
is
designated
as
HR
．
(4)Fatigue
Tests
A
very
important
phenomenon
is
called
fatigue
．
It
has
been
recognized
for
many
years
that
static
tensile
or
compressive testing is not adequate for predicting
the strength of components subjected to vibration
or
repeated
loading
．
These can fail at
much lower stress levels
，
and
there is a general relationship(due to
Goodman)which shows the allowable
oscillating stress level for a given mean
stress
．
Fatigue testing needs
considerable
time
，
since each point on the
final graph of applied stress S against the number
N of cycles
to failure requires a new
specimen and N is usually between 10‘and
10“．
For many
non
—
ferrous alloys the
S
—
N curve falls
steadily
，
but for steels
there is often a leveling off after some
10
。to 10’cycles．
If the
stress does not exceed this endurance
limit
，
the specimen will last
indefinitely
．
Another
very
important
failure
phenomenon
is
that
of
high
—
stress
low
—
cycle
fatigue
which
is
potentially dangerous in materials as
disparate as animal bone and aerospace components.
(5)Impact Testing
Another important subject is that of the behavior
of relatively brittle materials such as cast
iron
，
which may fail under
even a single impact
．
Since
it may be very important to avoid this type of
fracture
，
impact tests have
been devised in which a notched specimen is hit by
a heavy pendulum
．
The energy
absorbed
is measured from the height of
follow
—
through of the
pendulum
．
(6)High
—
Temperature tests
At
high
temperature
the
plastic
deformation
of
materials
is
dominated
by
diffusion processes
which
，
for
metals
，
become evident above
about 2
／
3 of the absolute
melting temperature Tm
．
Tensi
le
，
compression or
hardness tests may all be used at
elevated temperatures.
(7)Creep
Tests
An important feature of the
hot tensile deformation of metals and alloys is
that
，
at sufficiently
high
temperatures
，
extension
will
continue
at
a
very
slow
rate
under
very
low
loads
．
This
phenomenon
，
termed
creep
，
is
very
important
in
gas
turbines
and
many
other
high
—
temperature
components
．
Creep
tests
are
conducted
over long
periods
，
typically from 1000
to 10000 hours
．
Because of the length of time involved in creep
testing
，
a shorter method is
often used in which only
approximate measurements of strain are
made during the test
，
the
main purpose of which is to determine the
time to rupture at a given temperature
and stress
．
These
stress
．
rupture teats cBn be
further speeded up by
testing a string
of specimens in series in a long
furnace
．
The specimens are
all subjected to the same end
load but
differing temperatures (which must be accurately
measured
，
of
course)
．
(8)Fracture Toughness
In
recent
years
much
attention
has
been
given
to
the
fracture
toughness
of
certain
brittle
materials
，
which
is related to the ease with which a
crack
，
once
started
，
will
propagate
．
A simple view of
this process
is that the opening of a
crack releases elastic deformation energy but also
requires the supply of surface
energy
to
the
two
newly
created
areas
of
crack
surface
．
If
，
in
a
brittle
material
，
the
released
strain
energy
U is sufficient for
this
，
the crack will
propagate
．
(9)Plastic Anisotropy
In sheet metal
forming in particular it is important to recognize
that the properties of rolled sheet
may
differ
substantially
in
the
rolling
and
transverse
directions'as
well
as
in
the
< br>“
throu
￡
h
—thickness”direction．
This
feature
can
be
measured
in
terms
of
the
now
well
—
known
so
一
caIled
γ
-value
，
which is the
ratio of the transverse to the longitudinal strain
in a tensile
test
0n
wide
，
flat
strip
using
techniques
described
by
Hosford
and
Caddell-Volume
is
always
approximately
conserved in plastic
deformation
，
so thc thickness
strain is also dependent upon the
γ
—
value
．
(Selected from
：
J<
/p>
．
M
．
Alex
ander and J S
．
Gunasekera
，
Strength of
Materials
，
Vo1
．
2
。
Advanc
ed Theory and
Applications
，
Ellis Harwood
Ltd
，
1991.
阅读材料
7
标准机械测试
总结以前的经验，知道
材料的力学性能是很重要的，它决定着材料的机械性能，而且决定材料的使用和材料的变形，
在产品大量制造中，在它被设计和制造出来以后，对物质进行都测试是不切合实际的。只需做一些一般的简单 的测试，
测试每个产品的受载情况，就可以检测出材料的机械性能。
（
1
）拉伸试验
最简单而且最广泛的检测方法也需要一个圆筒形的（或平面形的）有扩大端的
容器。这样试样受一个向前的并且稳
定的逐渐增加的拉力，能正确地测出它地伸长量，依
照适当地标准作出它地受载伸长图。通常我们希望地结果是拉应力
和屈服力尽量地大，断
裂前地伸长百分率和断裂后断面面积尽量小。另外，弹性模量和杨氏模量也可以被测量出
（
2
）抗拉试验
这是很重要地的，计算金属的屈服强度并获得工件的张力获得更高的性能。可以使用
一个轴向压缩圆筒进行测试，
测试前要适当的修正摩擦阻力，但是一个比较正确的结果是
横的应变加上轴线所的压缩应变得来的
（
3
）硬度测试
拉伸和压缩试验具
有破坏性，但是这也常常用来检查材料的强度性能的重要环节。有些硬度试验可以达到这样一个
< br>目的，就是只做表面的一个很小面积的压入试验。
最古
老却是最好的硬度试验是英国的布氏硬度测试，这个测试是在一个很小的标准球（直径常是
10
毫米）用特定的
载荷压入试样金属表面，通常是
330kgf
（＝
29.42KN
或者
6615bf
）
。维氏
硬度测试也是一个古老而且有效的测试方法，和
布氏硬度测试相似。维氏硬度测试是使用
四方形的金刚石锥体（约
2
毫米）压入试样。
< br>
在美国，人们更喜欢用洛氏硬度测试。当工件正被使用时，压入标准标准深度（
并非横的量纲）然后计算负载。洛
氏硬度数目被记作
HR
（
4
）疲劳试验
工件有一个非常重要的情况是疲劳。人们知道把一个受到振动或者重复加载的力，不是适
当的作用在工件上，强度
等同于受到一个静止压伸时的强度。工件在非常小的载荷作用下
实效，一般给定一个应力的平均数作为表示承受振动应
力的水平（由于主应力）
。疲劳试验需要尝试很多的次数，因为每个点
N
都承受应力
S
循环破坏
N
次直到最后实效，需
要很多新的试样做试验。通常
N
是在
106
和
108
之间。对于许多无铁的合金
S-N
曲线稳定地下降。如果是钢，则在约
N
为
106
到
107
个循环之后常有个
平衡点。认为应力作用不允许超过这一个疲劳限制，否则试样可能不会正常工作。
另外一个很重要地事实是，在高载荷低循环下，如动物骨骼运动和太空用品，在这种情况下工
件有很大潜在危险。
（
5
）碰撞试验
另外的重
要测试是对铸铁那样的脆性材料的测试，在很小的碰撞下铸铁会被破坏，这种测试能避免试样被破坏，它
用锥形压件压入试样，锤击的大小用锤下落的高度来测试。
（
6
）高温测试
在高温下，材料容易发生塑性变形，对于金属，温度高于熔化温度
Tm
的
2/3
就变的容易伸展了。拉伸、压
缩或者硬
度试验可能要全部在高温下重复测试。
（
7
）蠕变试验
金属和合金受热变形的重要特征是，在足够高温度下，伸长将会在非常低的负载下以一个非常慢的
速度连续发生变
化。这个现象在力学上称为蠕变，在气轮机和其它的许多在高温下工作的
工件是非常重要的。蠕变测试需要很长时间，
一般需要
1000
到
10000
小时。
< br>
由于蠕变时间过长，我们采用一个更简单的方法，用一个设定的应力来测试，主
要目的是测定试样在一定温度和应
力下裂开所用的时间，那些应力测试在一个炉子里完成
的，试样受同样的应力。
（当然，这点必须被正确的测量）
<
/p>
（
8
）断裂韧性
近年来我们更关注脆性材料，它伴随强烈的松弛，一旦开始，将会一直蔓延，我们看一个
简单的例子，裂开时试样
将释放弹性能。在脆性材料中，如果释放的应变能
U
足够，裂纹就会蔓延。
（
9
）塑性的向导性
在金属片中，认为钢板性能在旋转和横向移动时和穿过厚度的方向上的金属性能时不一样时很重要的。这
一特点可
以从现在人所共知的被测量的
γ
－型值知道，这是一个拉伸试验在纵向应变中的定量，平面裂纹被
Hosford
和
Caddell
用
技术性的语言描述出来，大量的断裂通常被认为是塑性变形，所以厚度的应变也是根据
γ
－型值决定的。
（选自：
der and kera
，
材料强度，第二卷：先进的理论和应用，埃利斯哈伍德有限公司，
1991
。
）
Reading Material 9
Heat
Treatment of Steel
Types
of
Heat
Treating
Operations
Five
operations
are
detailed
in
this
lesson
as
the
basis
of
heat
treatment
．
Explanatio
ns of these operations
follow
．
Full
annealing Full annealing is the process of
softening steel by a heating and cooling
cycle
，
so that
it
may be bent or cut easily
．
In
annealing
，
steel is heated
above a transformation temperature and cooled
very
slowly
after
it
has
reached
a
suitable
temperature
．
The
distinguishing
characteristics
of
full
annealing
ar
e
：
(a)temperature above the
critical temperature and(b)very slow
cooling
，
usually in the
furnace
．
Normalizing Normalizing is identical with
annealing
，
except that the
steel is air cooled
；
this is
much
faster
than
cooling
in
a
furnace
．
Steel
is
normalized
to
refine
grain
size
I
make
its
structure
more
uniform
，
or to
improve maclfinability
．
Hardening Hardening is carried Out
by quenching a steel
，
that
is
，
cooling it rapidly from a
temperature
above the transformation
temperature
．
Steel is
quenched in water or brine for the most rapid
cooling
，
in oil
for some alloy
steels
，
and in air for
certain higher alloy
steels
．
After steel is
quenched
，
it is usually
very hard and
brittle
；
it may even crack if
dropped
．
To make the steel
more ductile
，
it must be
tempered
．
Tempering
Tempering
consists
of
reheating
a
quenched
steel
to
a
suitable
temperature
below
the
transformation
temperature
for
an
appropriate
time
and
cooling
back
to
room
temperature
How
this
process
makes
steel tough will be
discussed later
．
Stress relieving Stress relieving is the heating
of steel to a temperature below the transformation
temperature
，
as in
tempering
，
but is done
primarily to relieve internal stress and thus
prevent distortion
or cracking during
machining
．
This is sometimes
called process annealing
．
Reasons
for
Heat
Treating
Heat
treatment
of
steel
is
usually
intended
to
accomplish
any
one
of
the
following
objectives
：
●
Remove stresses induced by
cold working or to remove stresses set up by
nonuniform
cooling of hot metal
objects
；
●
Refine the grain structure
of hot worked steels which may have developed
coarse grain size
；