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，给出：
经向应力
可通过作用在周向沿线的力的平衡获得：
图1.14。
压力垂直分量：
这是一种通过力的垂直分量建立的平衡，取决于作用在压力容器外壁圆周上的经向应力：
连接这些力得出：
（1.13）
公式（1.12）和（1.13）完全适用于任何回转壳体。
圆柱体（图1.15a）
圆柱是由平行于回转轴的一条线旋转而得，所以：
D是圆柱的直径。
带入公式（1.12）（1.13）得：
球体（图1.15b）因此：
圆锥体：
圆锥体是由和轴有一定角度
的直线旋转而成。
带入公式（1.12）和（1.13）得：
最大值将会发生在
r=
。
Unit7
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。
Unit10
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。
PART
Ⅲ
工业流程
Unit11
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中所知道。
在科学和工业制造取得进展并在增加化学制品的数量上给人印象深刻。
如今，是有充当的80，000种化学品的生产来源。
化学工业的发展，一方面使化学和技术科学向前发展，另一方面可为化学加工工艺奠定理论基础。
随着化学工程的稳步向前发展，新的数据，新的联系，新的归纳正在被加入化学工程的主题。
许多他们自己的分支区别化学工程的主流。
正如加工和机械设计，自动化，化学模拟加工和建模等等。
2.
化学工程的基本趋势？
化学工程一直被用来加工工业来改变原料的物理状态或化学成分。
化学工程师所研究问题的传统范围，从复杂性和规模上来讲，也许都可以称之为是中等尺度的问题。
这种尺度包含反应器和单一工序的装备以及制造工厂里单位操作的组合体。
未来的中等尺度研究将越来越多地有微观尺度的研究和极端复杂系统的宏观尺度的研究来补充。
化学工程将来会整合成比其他任何工程领域分支都宽尺度（的工程学科）。
例如，一些工作可能把宏观尺度的环境和中间尺度的燃烧系统和微观尺度的分子反应和运动联系起来。
另一些工作可能把一个复合的飞行器的宏观尺度的性能和中间尺度的机翼的化学反应器以及反应器的布局将受复杂液体的微观动力学研究的影响。
如此，将来化学工程将会构想和在微观到宏观的连续的尺度范围内严谨的解决问题。
他们将会新的工具和新的观察发现以及研究其他学科：
分子生物学，化学，固体物理，材料科学，和电子工程。
并且他们在制造和过程设计和加工方面将会越来越多的用计算机，人们的智慧，以及解决问题的专门的系统。
（SelecledfromA.M,Kutepov,BasicChemicalEngineering,MirePublishers.1988.）
（*Selectedfrom:
FrontiersinChemicalEngineering:
ResearchNeedsandOpportunities,NationalAcademyPress.1988.）
Unit12
工业制造的传递现象
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。
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。
（Selectedfrom:
RayW.Fahien.FundamentalsofTransportPhenomena,McGraw-Hill,1983.）
Unit13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。
自然的热流动
当两个不同温度的物体进行接触时，热量会有温度高的物体流到温度地的物体。
这种流动经常朝着温度下降的方向，热的流动有三种途径：
传导，对流，和辐射。
传导
如果一个连续的实体中存在着温度变化，热量可能流动不伴随物质的任何运动。
热量的这种流动叫做传导。
在金属体中，热传递的结果来自自由电子的运动，所以热传递和电的传导率很相似。
在电的传导率低的实体中，在大多数的液体中，热传导的结果伴随着温度变化的分子运动的动量。
气体的传导发生在任意的运动的分子，所以热是一种扩散从高温地区传导低温地区。
区普通的传导的例子就是热在不透明的物体中流动，就像火炉里的砖墙或是管子的金属壁。
对流
当一个宏观的液体微粒穿过一个特定的表面，例如一个固定容积的范围内，它带有确定数目的焓。
这样的焓的流动来自连续的热的流动或者简单的对流。
由于对流是一种宏观现象，因此，只有当力作用在微团或液流上且该力能够克服摩擦力并维持其运动时，这种传递现象才能发生。
对流的一个例子是焓的变化由于湍流流动和由于热的空气流过普通的冷却器。
自然和强制对流
强制对流在液体中有两种形式，如果这种趋势的原因是密度不同和液体中温度变化引起的密度不同所产生的浮力。
这个作用叫做自然对流。
流动的空气穿过加热的冷却器就是自然对流的一个例子。
如果这个气流产生的运动被机械力的作用分开如泵和搅拌器，这种流动域密度的变化程度无关叫做强制对流。
热流动由液体被泵入以个加热的管子就是强制对流的例子。
这两种力有可能同时在同一种液体中作用，这是自然对流和强制对流共同作用。
辐射
辐射是一个术语来自于能量以电磁波的形式穿过空间，如果辐射正在穿过空的空间，它不会改变热或其它任何形式的能量。
也不会使它偏离原来的路径。
然而。
在它自己的路径中，辐射将会被传播，被反射或者被吸收。
它仅通过吸收能量来产生热量，这种改变是数量上的，例如，融化的石英传播所有的辐射当它受到打击是；
一个磨亮的不透明的表面将会吸收大多数的辐射，并将会改变这样吸收能量数量上的在热中。
单元子和双原子气体对热射线是可以通过的，经常发现热经过某种气体团是，它可以通过辐射的方式也可以传导。
例子是；
从散热器或未保温的蒸汽管道向周围环境气体损失热量在熔炉传热以及其它高温气体加热损失。
这两个机制是互相独立并且是并行产生的。
所以一种类型的热流动可以被控制或与其它独立的。
传热，对流和辐射都被分开和避免相互间造成影响二者都很重要。
在一般的条件下，射线变得重要并与液体流动的情况无关。
传热传导它们对流动状态是非常敏感的收温度影响的。
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。
（Selectedfrom:
WarrenL.McCabe,UnitOperationsofChemicalEngineering,5thEdition,
McGraw'
-HillInc.,1993.）
Unit14化学工程的单元操作
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。
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。
Unit15
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
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