【文章內(nèi)容簡介】 傳遞過程相似之處有系統(tǒng)的研究會使識別和明白他們的不同之處變得更加簡單。2. 為什么工程師要研究傳遞現(xiàn)象？自從這門學(xué)科涉及到一些自然規(guī)律，一些人把它歸類為工程方面的一個分支。這如這些原因一些參與經(jīng)濟(jì)性設(shè)計和設(shè)備操作以及技能方面的工程師，十分適當(dāng)?shù)靥岢鰝鬟f現(xiàn)象將會在實(shí)踐中體現(xiàn)價值。大致有兩種答案回答這些問題。第一種要要求認(rèn)識熱，質(zhì)量，動量等傳遞發(fā)生在各種工程設(shè)備中，熱交換器，壓縮機(jī)，核電站，增濕機(jī)，空氣冷卻器，干燥器，分餾器，減震器等等。這些傳遞過程也參與到人體當(dāng)中就像在復(fù)雜得過程憑借污染物質(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)該對控制這些傳遞過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自然規(guī)律的理解來設(shè)計這些正在發(fā)生的裝備過程。這樣做他們必須預(yù)測出熱，質(zhì)量或動量等傳遞的比率。例如，考察一個簡單的換熱器，即一根管子，通過保持器壁溫高于流過管內(nèi)的流體溫度，即可加熱流體。這個比率通過管壁傳熱給流體的依靠的因素叫做熱傳遞系數(shù)這是在進(jìn)行昂貴的實(shí)驗室或試驗工廠測量后以及通過相關(guān)度量的以觀察或?qū)嶒灋橐罁?jù)的方程式所獲得的。這些方程式在一定范圍內(nèi)適合一些數(shù)據(jù)的方程式；它們不是建立在原理的基礎(chǔ)上，也不能用在已經(jīng)獲得數(shù)據(jù)的精確度意外的問題上?！　「阋说亩乙话愀煽康姆匠淌奖挥迷趥鬟f現(xiàn)象來預(yù)測傳熱系數(shù)通過以自然規(guī)律為基礎(chǔ)的方程式。這些預(yù)測的結(jié)果將會通過一個研究工程師計算一些方程式（通常是用計算機(jī)）后獲得的。一個設(shè)計工程師將會用這些方程式是研究型的工程師獲得傳熱系數(shù)?！　∮涀≡O(shè)計熱交換器的工作一樣也是不管如何要先得到傳熱系數(shù)。由于這個原因，一些傳遞現(xiàn)象的課程僅僅強(qiáng)調(diào)傳熱系數(shù)的確定和實(shí)際的單元操作課程的設(shè)計水平。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，也正是由于這些原因一個傳遞課程可以被認(rèn)為是一個工程課程就像是一門學(xué)科?！　∈聦?shí)上，有一些設(shè)計的工程師可以用這個方法和傳遞想象的方程式直接用于設(shè)備的設(shè)計的例子。一個例子就是一個作為一個管子說明的管子型的反應(yīng)器，這個熱交換器伴隨著均相化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在里面會描述的早些，流體以某種反應(yīng)物濃度進(jìn)入管子，而以減小了的反應(yīng)物濃度和提高了的產(chǎn)品濃度排除管子?！　‘?dāng)然，不是所有的問題今天都可以用這種方式解決。然而，隨著計算機(jī)的發(fā)展，越來越多的問題將會用這種方法解決。如果工程學(xué)的學(xué)生接受教育沒有變得過時，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)用計算機(jī)將會創(chuàng)造未來。因為它有巨大的潛力正像他的應(yīng)用的趨勢，傳遞現(xiàn)象的課程將會最終證明這是在大學(xué)生涯最實(shí)際而且有用的的課程。Unit 13傳熱原理實(shí)際的全部的已完成的操作都有化學(xué)工程參與生產(chǎn)或以熱的形式吸收能量。因此，控制傳熱的定律和以控制熱流為主要目的的儀器類型都是很重要的。1. 自然的熱流動當(dāng)兩個不同溫度的物體進(jìn)行接觸時，熱量會有溫度高的物體流到溫度地的物體。這種流動經(jīng)常朝著溫度下降的方向，熱的流動有三種途徑：傳導(dǎo)，對流，和輻射。傳導(dǎo) 如果一個連續(xù)的實(shí)體中存在著溫度變化，熱量可能流動不伴隨物質(zhì)的任何運(yùn)動。熱量的這種流動叫做傳導(dǎo)。在金屬體中，熱傳遞的結(jié)果來自自由電子的運(yùn)動，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)動的動量。氣體的傳導(dǎo)發(fā)生在任意的運(yùn)動的分子，所以熱是一種擴(kuò)散從高溫地區(qū)傳導(dǎo)低溫地區(qū)。區(qū)普通的傳導(dǎo)的例子就是熱在不透明的物體中流動，就像火爐里的磚墻或是管子的金屬壁。對流 當(dāng)一個宏觀的液體微粒穿過一個特定的表面，例如一個固定容積的范圍內(nèi)，它帶有確定數(shù)目的焓。這樣的焓的流動來自連續(xù)的熱的流動或者簡單的對流。由于對流是一種宏觀現(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)動時，這種傳遞現(xiàn)象才能發(fā)生。對流的一個例子是焓的變化由于湍流流動和由于熱的空氣流過普通的冷卻器。自然和強(qiáng)制對流 強(qiáng)制對流在液體中有兩種形式，如果這種趨勢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。這個作用叫做自然對流。流動的空氣穿過加熱的冷卻器就是自然對流的一個例子。如果這個氣流產(chǎn)生的運(yùn)動被機(jī)械力的作用分開如泵和攪拌器，這種流動域密度的變化程度無關(guān)叫做強(qiáng)制對流。熱流動由液體被泵入以個加熱的管子就是強(qiáng)制對流的例子。這兩種力有可能同時在同一種液體中作用，這是自然對流和強(qiáng)制對流共同作用。輻射 輻射是一個術(shù)語來自于能量以電磁波的形式穿過空間，如果輻射正在穿過空的空間，它不會改變熱或其它任何形式的能量。也不會使它偏離原來的路徑。然而。在它自己的路徑中，輻射將會被傳播，被反射或者被吸收。它僅通過吸收能量來產(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；一個磨亮的不透明的表面將會吸收大多數(shù)的輻射，并將會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熱射線是可以通過的，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)熱經(jīng)過某種氣體團(tuán)是，它可以通過輻射的方式也可以傳導(dǎo)。例子是；從散熱器或未保溫的蒸汽管道向周圍環(huán)境氣體損失熱量在熔爐傳熱以及其它高溫氣體加熱損失。這兩個機(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可以被控制或與其它獨(dú)立的。傳熱，對流和輻射都被分開和避免相互間造成影響二者都很重要。在一般的條件下，射線變得重要并與液體流動的情況無關(guān)。傳熱傳導(dǎo)它們對流動狀態(tài)是非常敏感的收溫度影響的。2. 傳熱率熱通量 傳熱計算是基于熱的傳熱表面的面積用平方英尺每小時的單位表示。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。盡管這個選擇是隨意的，但它必須得明確的規(guī)定因為熱通量的重要的數(shù)值是不同的。流體流動的平均溫度 當(dāng)一個流體正在變熱或者變冷時，流體橫截面的溫度會變化。如果流體被加熱，流體靠近加熱表面的溫度最高，中心外溫度逐漸降低，如果流體被冷卻，流體靠近冷卻表面的溫度最低，從中心到表面溫度組件升高。應(yīng)為這個溫度變化遍及整個流體的橫截面。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。這個溫度所以明確的叫做平均或流體混合溫度。Unit 14化學(xué)工程的單元操作1. 介紹化學(xué)加工可以包含各種各樣的不同的過程順序，它的原理是獨(dú)立于我們的操作的材料和操作的系統(tǒng)，把復(fù)雜的工藝過程分解成單個的物理過程（即單元操作）和多種化學(xué)反應(yīng)過程的實(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程步驟可以減少簡單操作或反應(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)。這個原則，在美國化學(xué)工業(yè)的發(fā)展過程中變得明顯，在1915年早些首次變得明顯。任何一個化學(xué)過程，無論所操作規(guī)模大小，可以被分解成單元作用的同等的一些系列，像粉碎，混合，加熱，烘干，吸取，濃縮，析出，沉淀，結(jié)晶，過濾，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包含特定的操作，化學(xué)工程的復(fù)雜性源于各種條件如溫度，壓力等的多樣性。由于條件的變化，單元作用就必須在不同的過程中完成。同時化學(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)計的影響。單元操作的開始清單列舉了十二個功能，不是所有的都包含單元操作。再增加的都會命名，在那些年處于適中的比率但是最近在一個加速的比率。流體流動，熱傳遞，蒸餾，加濕，氣體吸收，沉積，分類，攪拌，和離心過濾已經(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，這些可用于沒有重大改變的各種進(jìn)程。這是根據(jù)一個術(shù)語”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 這涉及的原則，確定流動或運(yùn)輸任何流體從一個點(diǎn)到另一個點(diǎn)。傳熱 這個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地方到另一個地方。蒸發(fā) 這是一個特殊的情況下傳熱，其中涉及蒸發(fā)的揮發(fā)性溶劑，如水從一個非易失性溶質(zhì)如鹽或其它材料在解決方案烘干 在這個操作中揮發(fā)液體，通常是水，從固體材料中揮發(fā)出去。蒸餾 這是一個過程即液態(tài)混合物的分離通過沸騰，因為它們的蒸汽壓不同。吸收 這個過程的一個組成部分是通過對某一液體的處理提取天然氣流。膜分離 這一過程涉及的是溶質(zhì)從液體或氣體中通過半透明膜屏障傳播到另一流體中。液—液萃取 在這種情況下的解決辦法是，在混合溶劑中除去與之接觸的另一種液體。液—固浸取 這涉及到處理微細(xì)固體，同一種液體溶解并消除了溶質(zhì)中所載的固體。結(jié)晶 這涉及除去溶質(zhì)，如鹽從溶液沉淀溶質(zhì)的解決辦法。機(jī)械物理分離 這涉及分離固體流體或氣體的機(jī)械方法，如過濾，沉淀，壓縮體積，而這些問題往往被列入為單獨(dú)的單元操作。許多的單元操作有一定的基本基礎(chǔ)和基本原則或共同的機(jī)制。例如，擴(kuò)散發(fā)生在干燥，吸收，蒸餾，結(jié)晶。傳熱放生在干燥，蒸餾，蒸發(fā)等等。 Unit 15 化學(xué)反應(yīng)工程每一個工業(yè)化過程的設(shè)計都是從各種原材料出發(fā)，經(jīng)過一系列的生產(chǎn)加工步驟，來經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出期望的產(chǎn)品。原料承受一些物理處理使它們以能夠其化學(xué)反應(yīng)的組成。它們穿過反應(yīng)器。反應(yīng)的產(chǎn)品必須那時承受更多的物理處理—分離，凈化等等。最后期望的產(chǎn)品就得到了。 對于用于物理處理的設(shè)備設(shè)計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)處理的一個過程。經(jīng)濟(jì)上這肯能是一個無關(guān)緊要的單元，說一個簡單的混合罐。然而，化學(xué)處理的步驟是整個過程的中心，它破花了經(jīng)濟(jì)過程。設(shè)計的反應(yīng)器沒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)計方案中的反應(yīng)器費(fèi)用并不算高，但從反應(yīng)器出來的物料后處理費(fèi)用可能遠(yuǎn)高于另一些反應(yīng)器設(shè)計方案中的處理費(fèi)用。因此，整體過程的經(jīng)濟(jì)性必須加以考慮。反應(yīng)器的設(shè)計用到信息，知識，以及不同領(lǐng)域的經(jīng)驗—熱力學(xué)，化學(xué)動力學(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)計一個化學(xué)反應(yīng)器?；瘜W(xué)反應(yīng)器的設(shè)計也許是一種只有化學(xué)工程領(lǐng)域才涉及的工作。并且可能正是因為這種功能才奠定了化學(xué)工程作為工程領(lǐng)域的一個特殊分支而存在的合理性?；瘜W(xué)反應(yīng)器的設(shè)計有兩個必須回答的問題；（1） 我們期望放生的是什么變化？（2） 它們進(jìn)行的速度會有多快？第一個問題與熱力學(xué)有關(guān)，第二個問題則與各種速率過程，例如化學(xué)動力學(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)的過程是一個非常棘手的問題；我們從最簡單的情況通過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題。1．熱力學(xué)熱力學(xué)給我們在設(shè)計上兩個非常重要的信息，在反應(yīng)過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量，我們必須直到適當(dāng)設(shè)計的重要性?？紤]這個反應(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)知道或估計的。熱力學(xué)也可以計算反應(yīng)材料的標(biāo)準(zhǔn)自由度的平衡常數(shù)。與已知的平衡常數(shù)，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)品的最高產(chǎn)量是可以估計出來的。在適當(dāng)?shù)臈l件下提供的材料可能被轉(zhuǎn)化為新的和由不用材料物質(zhì)構(gòu)成的的不同材料。如果發(fā)生這種情況只有通過重新安排或組成原子形成新的分子在分配，我們說一個化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。化學(xué)是聯(lián)系著反應(yīng)的研究。它研究反應(yīng)的模式和機(jī)制，物理和能量改變的關(guān)系以及生成產(chǎn)品的效率。這是最后提到的領(lǐng)域，化學(xué)動力學(xué)，這是我們主要的?；瘜W(xué)動力學(xué)尋找影響反應(yīng)效率的因素。它衡量著這個比率并提出有價值發(fā)現(xiàn)的解釋。對于化學(xué)工程師化學(xué)動力學(xué)是必須知道的如果他是滿意設(shè)計設(shè)備來影響在技術(shù)規(guī)模生的反應(yīng)。當(dāng)然，如果反應(yīng)時迅速的足以使系統(tǒng)基本上是平衡的，設(shè)計是非常簡化的。動力學(xué)信息是不需要的，熱力學(xué)信息本身就足矣。Unit 16 壓力容器及其部件壓力容器時不泄露的容器。它們有各種尺寸。最小的直徑不到一英寸，最大的直徑能達(dá)到150英尺甚至更大。某些是埋在地下或海洋深處，多數(shù)是安放在地上或支撐在平臺上，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)計成各種形狀和尺寸。內(nèi)部的壓力可能低到1英寸，水的表面壓力可能達(dá)到300000多磅。普通的單層表面建筑壓力是15到5000磅，雖然有很多容器的設(shè)計壓力高出或低于這個范圍。ASME鍋爐和壓力標(biāo)準(zhǔn)中第八卷第一節(jié)指定一個范圍從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)。雖然在一些場合應(yīng)用載荷和外壓控制，要求的厚度通常由內(nèi)壓決定。其他因素如熱應(yīng)力和不連續(xù)壓力可能有要求厚度決定。 成型的封頭 許多的端封頭和過度部分有設(shè)計工程師選擇。用一種結(jié)構(gòu)相對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)計和結(jié)構(gòu)的許多細(xì)節(jié)在ASME標(biāo)準(zhǔn)，第八卷第一節(jié)中給出。 半球形封頭 通常，在一個給定溫度和壓力下半球形的要求厚度是相同直徑和材料圓柱殼體的一半。假如我們用鎳和鈦昂貴的合金建造實(shí)心或覆蓋形半球形封頭，這樣是很經(jīng)濟(jì)的。假如使用碳鋼，然而，由于這高價的制造費(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)常通過部分三角形結(jié)構(gòu)加工，也可以通過旋轉(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格上有很強(qiáng)的競爭力。