过程装备与控制工程专业英语全部翻译

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 和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1f2f 之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 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 12ff 如 和 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 1 2F F3F 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 0 121 fFFFA 而对质点 B 有 0 32 FfFB 作用在系统上的力的总和为 123120ABFFFFFFff 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 12 PABMrFrF 由于力 和有相同的作用线 力矩的条件可以改写为1f2f1121223 0PMrFFffrF 但 所以力和力矩的条件简化为12ff 1210FFFF 和111223 0PMrFrFrF 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and 1 1 0F 0PM 这里是作用在系统上的所有外力的总和 而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 F PM 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 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 1 2 0 xF 0yF 0zF 0pxM 0pyM 0pzM 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 1642 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 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 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 1 3 P 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 或磅每平方 2 N mm 英寸 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 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 可以用计算得到 这里 L 是杆的总 L 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 正应力和切应力正应力和切应力 1 Normal stress 正应力正应力 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 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 or 2 1170 2 0 loadPIb stress areaAin 2 585 585 Ib psi 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 第二点是以下的方程 1 5 P 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 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 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 2 1 Pforceb psi Aareain 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 简称 Pa 2 Shear Stress 切应力切应力 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 和切向分量 竖直分量产生正应力 于是根据求得平均正应力 它与真实情况非常相近 切向分量将产生剪应力 PyPxPy Py A 如图 1 10 所示 平均剪应力有以下公式计算得到 av 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 sS 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 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 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 1 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 2 经向曲率半径 1 r 环向曲率半径 2 r 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 2dS 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 1 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 2 D 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 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 所示的是物体 W 偏离平衡位置的位移 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 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 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 1 f 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 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 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 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 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 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 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 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 PARTPART 工业流程工业流程 Unit 11 化学工程 1 1 什么是化学工程 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 2 化学工程的基本趋势 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 UnitUnit 1212 工业制造的传递现象工业制造的传递现象 1 1 引言引言 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 2 为什么工程师要研究传递现象 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 UnitUnit 1313 传热原理传热原理 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 1 自然的热流动自然的热流动 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 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 2 传热率传热率 热通量热通量 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 UnitUnit 1414 化学工程的单元操作化学工程的单元操作 1 1 介绍介绍 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 2 单元操作的分类单元操作的分类 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 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 UnitUnit 1515 化学反应工程化学反应工程 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 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 1 热力学 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 2 化学热力学化学热力学 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 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