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过程装备与控制工程专业英语阅读翻译16-30单元阅读材料16 压力容器准则美国压力容器准则的历史 十八世纪末和十九世纪初这一段时间中，锅炉和压力容器的爆炸频繁发生。1865年4月27日Sultana号轮船行驶在密西西比河中时，一个烟管锅炉突然发生爆炸，船在二十分钟内迅速沉没，150名内战后回家的军人死亡。这类型的大灾难在十九世纪初期仍然不减少地持续着。1905年，马塞诸塞州布鲁克市一家鞋厂的烟管锅炉发生毁灭性的爆炸，造成58人死亡，117人受伤，此外，还有400000美元的财产损失。1906年，另外一起爆炸发生在马塞诸塞州林恩市的一家鞋厂里，也造成了人员的死亡，受伤以及巨大的财产损失。这次事故后，马塞诸塞州州长组织成立锅炉准则委员会。1907年8月30日，第一个实施准则的锅炉在设计和建造上都得到了马塞诸塞州的批准。这个准则总共有三页那么长。1911年，美国机械工程师学会主席Colonel E. D. Meier，建立了关于起草锅炉和压力容器的设计和结构准则的协会。1915年2月13日，锅炉准则ASME首次颁布。它被命名为锅炉结构准则：1914版。这是ASME锅炉和压力容器准则各个篇章的开始，最后变成第一部分锅炉动力。第一个ASME压力容器准则，在1925年版第VIII篇中，它是以“不用火加热的压力容器结构规则”来颁布的。这个规则适用于直径大于6英寸，容积大于1.5f 和压力高于30Pa的容器。1931年12月，门成立了APIASME联合委员会为了更好地发展在石油工业中不用火加热的容器规则。第一个版本1934年被颁布。随后17年间，两个独立不同的不用火加热容器准则同时存在。1951年，最后一个APIASME准则以独立的文件形式被颁布。1952年，两个准则就被合并成一个准则ASME不用火加热压力容器准则，第VIII篇。它一直持续到0968年。在那个时候，原来的准则变成压力容器第VIII篇的第一分篇，而压力容器另一准则第VIII篇的第二分篇则作为新的部分被颁布。经过美国国家标准局（ANSI）的批准，美国机械工程师学会就以ASNI/ASME的文件形式，颁布ASNI/ASME锅炉和压力容器准则。ASNI/ASME锅炉和压力容器准则的一篇或者多篇在美国的47个州和加拿大的所有省份中，已经被以法律的形式建立。同样，在全球许多其他国家中，ASME锅炉和压力容器准则也被用来建造锅炉和压力容器。ASME锅炉和压力容器准则的组成 ASME锅炉和压力容器准则被分成很多个篇章，分篇，部分以及辅助部分。这些篇章有的涉及到设备和应用的特定类型；另外的涉及到应用和设备控制的特殊材料和方法；其余的涉及安装设备的维护和检修。下面各篇章所提到的锅炉和压力容器的设计和结构。第一部分锅炉动力（1卷）第三部分第1节 核电厂部件（7卷）第2节 混凝土反应容器和控制（1卷）标准容器 案例1升温装置中的部件（在核规范N-47案例书中）第四部分 加热锅炉第八部分第1节 压力容器（1卷）第2节 力容器另一准则（1卷）第X部分 玻璃纤维强化塑料压力容器（1卷）新版的ASME锅炉和压力容器准则在每3年的7月1日颁布，新的附录则在每隔6个月的1月1日和7月1日颁布。当新版的准则一出来就会成为强制的准则范。附录的颁布日期是可以选择的，颁布日期之后得六个月它就成为强制性的了。全球的压力容器规范 除了全球通用的ASME锅炉和压力容器准则之外，许多其他的压力容器准则，已经在许多不同的国家的法律中得到采纳。当容器在其中一个国家设计后又在另外一个国家建造，然后又在不同的国家进行安装时，就会产生困难。这是全球范围的建造，所以这种情况经常发生。下面所列举的是一些在不同国家中所使用的各种准则的部分摘要：澳大利亚 澳大利亚锅炉与压力容器标准，SAA锅炉标准（AS1200系列）：AS1210，不用火加热类压力容器和分类1H，改进后的设计与制造压力容器，澳大利亚协会标准。法国 不用火加热压力容器建造规范计算准则，法国巴黎市SNCT结构。英国 英国准则 BS.5500，英国伦敦市英国标准协会。日本 日本压力容器准则，劳动部制定，日本东京市日本锅炉协会出版；JISB8243日本标准，压力容器建造，日本东京市日本标准协会出版；日本高压气体控制法，国际贸易与产业部（制定），日本东京高压气体工程安全协会出版。意大利 意大利压力容器准则，意大利米兰市国家燃烧控制协会（ANCC）。比利时 压力容器构造可靠实践准则，比利时布鲁塞尔市比利时标准协会（IBN）。瑞典 瑞典压力容器准则，瑞典斯德哥尔摩市瑞典压力容器委员会。阅读材料17 应力类型压力容器设计者可能遇到的多种失效形式：（1）过度弹性变形包括弹性失稳。（2）过度塑性变性。（3）脆性断裂。（4）应力断裂/蠕变变形（非弹性的）。（5）塑性不稳性增加失稳。（6）高应变低周期疲劳。（7）应力腐蚀。（8）疲劳腐蚀。在处理这些不同的失效问题上，我们假设设计者们在心里已经形成了关于问题部件的应力受力图。这需要通过计算测量得到的两个机械及其热应力，它们可以进行瞬态和稳态的操作。有人会问，这些数据和设计的合理性有什么关系？它们能够确保安全和满意性能的构件吗？在不同的失效模式中，压力容器的设计必须比较和说明应力值。例如，如果单独的去计算应力来给它施加上限，不能控制弹性变形和弹性失稳。此外，还必须考虑构件的几何形状，硬度及其材料的特性。从另一方面来看，塑性变形模式的失效可以通过对计算的应力强加极限来控制，和疲劳，应力腐蚀得失效模式不同，它的峰值应力没有整体的描述。需要对结果进行仔细地考虑。因此，必须仔细地研究载荷的类型和应力的分布。设计师除了限制许用应力外，还必须考虑一些足够的和适当的失效理论，来解释各种应力的反应和对强度所做贡献的那部分。正如之前所提到的，不同的限制类型会产生不同的应力，在确定这些限制之前，选择适当的限制应力类型是必要的。可选择的应力类型如下： A 一次应力。 （a）普通的薄膜主应力 （b）内部薄膜主应力 （c）主要的弯曲应力 B 二次应力 C 最大应力 主要的应力类型有主应力、副应力和最大应力。它们的主要特征简略描述如下： （a）一次应力是由施加的载荷产生的应力，载荷在满足内外部作用力和力矩之间的平衡是必要。一次应力的基本特征是它自身不会受到限制。如果一次应力在整个厚度上超过了材料的屈服强度，那么预防失效就完全依赖有硬化性质的材料。 （b）二次应力是由结构的自身约束所产生的。它必须满足一个强加应变的模式而不是在平衡的外部加一个负载。二次应力的基本特点是自身会受到限制。当局部屈服和较小变形时，能够满足引起应力产生的不连续条件或者热膨胀。 （c）最大应力是在所考虑的范围之内的最大应力。峰值应力的基本特点是不会造成显著的变形，但其可能产生疲劳失效是令人讨厌的。 以后再讨论将一次应力分成薄膜部分和弯曲部分的必要，极限设计理论表明，主弯曲应力的计算值是允许高于主薄膜应力计算值的。然而，需要解释一下由机械载荷产生的局部薄膜应力的主要类型，因为这种类型的应力确实有二次应力的基本特点。它是受到自身限制的，而且当它超过其屈服极限后，外部的载荷就将抵制其他部分的结构，但这种转变可能会产生无法忍受的变形，所以必须把它限制在比其他的二次应力更小的值，例如不连续弯曲应力和热应力。 正如一次应力那样，二次应力被分为薄膜部分和弯曲部分，但如果将局部薄膜应力归到一次应力类型之后，所有剩余的二次应力就可能被相同的限制控制，因此这种分划是没有必要的。 热应力从来没有被归类为一次应力，但它却常出现在其他德类型，二次以及最大应力中。温度应力能够抑制小膨胀导致的变形，因此它不会引起明显的热应力变形，所以它被归类为最大应力。 最大应力的一个最常见的类型是由缺口引起的，可能是一个小洞或者一条裂痕。我们都知道应力集中现象，这里不需要做进一步解释。许多情况下出现在不明显的地方，应力应该归类为哪种类型需要进行各种判断。为了规范这个过程，使用规范者的判断法，而不是个别设计者的判断法，准备一份能够包括大部分情况的表格把出现在压力容器设计中出现的这些情况出详细说明，每种应力都必须填入表格中。潜在的失效模式和各种应力的分类类型和规范如下： （a）一次应力的限制，是为了防止塑性变形，并且在韧性破裂压力上提供一个名义上的安全系数。 （b）一次应力和二次应力的限制，是为了防止导致失稳增加的过量塑性变形和做疲劳估算时，确认弹性分析的应用。 （c）最大应力的极限，是为了防止因循环载荷所产生的疲劳。 （d）特殊应力的限制是为了提供弹性不稳定性。 防止脆性断裂应该通过对材料的选择，而不是通过分析。防止环境条件比如腐蚀以及辐射效应是每个设计者的责任。蠕变和应力破裂的温度范围，将在以后的章节中被考虑。阅读材料18 填料塔和板式塔相比，填料塔适用于直径比较小的物质（在24以内或者更少），任何时候都要求低压、低粘度、塑料或着陶瓷结构。大直径的塔设备不能很好地填料，特别是那些流速较低的液体和髙汽率的液体，因为液体分布的问题以及什么时候需要控制调整难以实施。在大型塔设备中，随机填料的花费可能超过筛板式填料或者真空板式填料的2倍。填料塔中间没有支撑物，其深度就会受到可变形能力的限制。金属结构尺寸会被限制在2025英尺的深度，而塑性是1015英尺。中间支撑物和液体再分布器在深床、液体回收或者进料点中都得到了应用。对拉西环，液体再分布器通常需要每2.53的塔径。而鲍尔环则需要每510的塔径，但是至少每20英尺。很多类型的填料塔其内部结构如图4.2所示，下面一一介绍每一个部分：(a)是圆柱形填料塔入口与出口连接的图例及其内部的一些结构(b)是填充支撑物的组合和液体再分配器，它的作用就像一个液箱可以将塔中的液体回收。(c)是槽式分配装置，适用于塔径超过2英尺和流速超过2m/s的时候。它们可以用陶瓷或者塑料来制造。(d)是可以有很多种不同形状的针孔管式分配装置实例，它对流速范围很大的液体都很有效，但是分配装置在大直径得塔中十分危险，所以它们适合用喷嘴来代替打孔。(e)是玫瑰形的重新分配装置，它能够在小直径的塔中使液体重新合理的分配，可以把塔内的液体转移。(f)是用来压制保持底部各处填充物密度的一块向下的板，并且它能阻止像碳制的脆性材料，例如：由塔床顶部的机械干扰造成的分裂。气液接触的大面积填充物可以分为散装的或者有规则的。前者很小，每单位体积的较大表面积的空心结构都被装到容器中。组合的填充物可能是大形的环状物层或者栅格，但是很多都是由金属或者金属丝织成的屏状，它们都被堆成层状或者制成弯曲的螺丝。在几种不同的填料中使用得最广泛的填充物就是拉西环。它是由陶瓷制成的、并且带塑料的金属的圆筒。它们能替换过去使用的粉状岩石使其变得很经济，由于它们品种的单一性和较早地被使用，所以现在拉西环已经被彻底地研究，并且获得了各种有用的、性能不同的材料，例如：在传质效率较低上可以用来改善的填料。规则的填料是因为它在真空下的独特性能而被使用，在真空下压降则必须保持很小的数值。因为它们开放式的结构以及特殊的大表面，所以液体在横截面上的合适分布可以使传质效率保持在较高的水平上。阅读材料19 管壳式换热器管壳式换热器是由一定数量的平行管和一个封闭的壳体构成的，其中的一种液体走管程，另一种液体走壳程。壳程中又安装了许多的折流挡板来提高液体的流速，从而使液体能在管外更有效地流动。由于换热器的广泛使用和它的多样性功能，所以它成为最受TEMA标准关注的工业标准设备，如图4.3所示：典型的管壳式换热器。折流板的间距通常是壳体内直径的0.21倍，折流挡板的间距决定传热系数及其压降，因此，确定它们数值是优化换热器的一部分。一般弓形挡板的横截面积通常是壳体截面的25%，这是设备设计时的热力学参数。为了简化外部的管道，换热器通常采用多管程，就是将管子分层可以减少管子的数量。管子都被安排在壳内指定得位置，正方形的排列比三角形排列使用的管子要少，但是它一般适用于壳程是比较洁净的流体时。 两管程可以通过安装一块纵向的挡板，在单一壳程的换热器中通常没有超过两壳程的， 48个单壳程在换热上与两个24壳程等同，组合越多所需要的壳体就会越多。 在管壳式换热器中需要注意的设计方法和操作条件是：单壳程结构，冷凝或者蒸发可以在管程或者壳程内进行，换热器可以水平或者垂直放置。压力范围和压降几乎是无限制的,并且可以独立调整两种液体热应力可以容易地调整结构可以使用不同的材料，并且壳和管使用的材料也可以不一样可以增大表面积来提高换热系数热能力在较大的范围内是可以获得的设备可以随时拆开清洗或者维修 影响管程和壳程的一些因素 管程适合走高压，高温或者强腐蚀性的流体，管程的制作费用比较低，不易发生危险，并且易于清洗，管程的压降以及层流的换热也能更准确地被预测。当雷诺数等因素处于临界的状态时，管程可以根据流体来选择。 壳程的流体在雷诺数较低时就可以获得湍流流动，所以，壳程比较适合低密度的流体。多管程可以获得很高的雷诺数，但是这种做法不太经济。 在指定的热量和压力以及所需的经济要求下，管壳式换热器的设计包括很多固定的参数，例如管径、壁厚、管长、管程数、管间距、排管方式、壳的大小、折流板数、折流板类型、折流板大小等等，设计一个中等尺寸的换热器，大概需要40步独立的逻辑设计，这将导致有240=1.0*1012个不同的路径，对于较老的计算机程序来说，需要处理的数据量太大了，所以，我们应该在符合实际的经验基础上把问题进行简化。阅读材料20 基本搅拌槽设计 容器的液体容量，叶轮，档板和其它内部结构的尺寸和安装面积是影响振动次数和混合搅拌质量的因素。内部结构的安装取决于操作目的：是为了保持反应混合物的均匀性或者是保持固体悬浮的形式或者是气体的分散或是为了提高传热系数，设计的基本因素可以包括大多数情况，如图4.4(a)所示。 容器 下凹的底部比平底需要的能量更少。若仅需一个搅拌器，那么对于一个全液体系统来说，液面高度和直径相等时将搅拌器安装在中心是最好的。如果从经济性和制造的角度来考虑，则深度和直径的比例要求更大。 挡板 除非雷诺数很高，否则都需要用挡板来阻止涡流的产生和液体整体旋转产生的洞。如果固体出现或者使用热交换外壳时，需在离壁面距离为六分之一叶轮宽度或者十二分之一直径地方装上支管。标准的安装模式是等距安装四个辐射状的挡板。六个只能小幅度地提高效率，三标准块叶片的效率就比较低。如果搅拌器位于中心附近时，就不会产生明显的漩涡，挡板也可以不用，特别是在低粘度液体的情况下。循环管 循环管是柱状的，它的直径比叶轮直径稍大。它的高度比叶轮直径稍小，并且可以增加液体的深度，这需要根据液体流动的形式来决定。通常循环管与轴向叶轮一起用来控制吸气和排气。叶轮循环管系统类用来作轴向流动泵的效率有些低。它从顶部到底部的循环对于较深容器的固体悬浮物和气体分散来说具有特殊的作用。叶轮尺寸 取决于由雷诺数、弗诺德数和动力数值所描述的叶轮的种类及操作条件，这些条件同样和液体的性质有关联。对于普通的涡轮叶轮来说，叶轮直径和压力容器下陷的距离的比率范围在 d / Dt = 0.30.6 , 例如，在气体分离时中高转速时的比值更低。 叶轮速度 商用发动机和减速器的标准速度有37、45、56、68、84、100、125、155、190和320转 / 分钟。动力设备经常无法提供连续调节气轮机的使用动力，当起始转矩很高时就需要两级速度来固定泥浆。 叶轮位置 较早以前的近似值，叶轮通常被安装在距离底部液线约六分之一的位置上。在某些情况下改变叶轮位置所在的轴，对于悬浮在底部的固体来说，叶轮底部的距离为叶轮直径的三分之一时比较合适。 叶轮种类 旋转的叶轮使液体流动来搅拌液体，不断的搅拌可使液体不断地分离和混合。轴向和径向的位置是流动的极限情况，这可以通过流体流过叶轮的方式将叶轮进行分类。由于容器的表面以及挡板的阻碍，大多数情况下液体处于混合的流型。 由于特定形状的叶轮性能不能进行定量的预测，所以叶轮的设计在很大程度上是由经验来判断的，所以通过各种设计方案得到各种各样的产品。图4.4(b)(i)列举了一些比较常见的类型，描述如下： b 三刀片混合型螺旋桨是以航海所用的螺旋桨为原型的，三刀片混合型的叶片成一定的倾斜度，可以使流体得到最大限度的湍流。三刀片型用于高流速（高达1800）、低粘度的流体，达到4000。图中所示的稳定环是用来减少轴振动以及低液面时的特殊振动。 c 涡轮的平板竖直叶片延伸至轴适合大多数混合流体，其到达100000cp或者在高的泵容量中。 d 涡轮叶片上的水平圆盘可以起到固定的效果，后弯的叶轮叶片和e型叶片的功能是一样的。 e 叶轮叶片间彼此成450倾角（通常情况），叶片数有28片，6片是最常见的，该叶轮可以使液体轴向和径向流动，并且对容器得内壁以及内部圆盘的换热特别有效。 f 弯曲叶片在没有产生污垢的时候对纤维物质的搅拌尤其有效，后弯的浆相较于直浆来说它的动力矩较小，这种性质在固定搅拌泥浆时是很重要的。 g 隐蔽式叶轮机是由转子和定子组成的，它使流体作径向状流动并且起到截断流体的作用。它能很好地适用于乳化和分散。 h 锚式叶轮适用于容器的外轮廓，防止浆状材料的凝结，提高和容器壁间的传热效率。 i 门浆型的涡轮适用于宽、浅槽和低剪切的高粘度液体的搅拌，但是其轴的转速很低。阅读材料21 离心泵目前离心泵在石油工业和化工工业中被广泛地使用。它的特性广泛可以抽取液体和大颗粒的悬浮物，比如泥浆，以及由一系列防腐的材料构成。泵的整个外形是由塑料造成的正如聚丙烯，或者使用防腐层。因为离心泵是高速运转的，所以可以连接一个电动机直接驱动来获得高流率。在这种类型的泵中，流体在离心力的作用下通过旋转的叶轮向外流动。高速旋转使流体在运动得过程中获得能量，然后在泵的两端会产生压差。通过压差产生的势能差将流体输送到指定的位置。叶轮由一系列的叶片组成，叶片越锋利，泵运转就越顺。叶片越多，泵能控制的流体方就越多。水力损失和机械能损失就越小。在开式的叶轮中，叶片通常被安装在毂的中心，然而在闭式的叶轮中，叶片经常被夹在两个支撑板之间，这样可以减少渗漏的量。我们可以看到，叶片的倾斜角度在很大程度上可以决定泵的工作特性。流体通常以轴向运动进入泵的中心，通过叶轮的叶片旋转来获得能量。在一个简单的离心泵中，流体在离心力的作用下由叶轮的中心向着外缘作径向运动。图5.1（a）是离心泵的示意图。透平机图5.1（b）的作用是使流体能够沿着旋转的叶轮进入泵壳，并且通过一系列固定的叶片从而形成一个扩压环。与蜗壳类型泵获得的能量相比较，它在流体运动的方向上的改变的量和势能转化为压头的能量要多得多。一般叶片的安装角度能够恰好使液体流通并且没有发生震动。当流体以一定的速度流经叶轮的叶片时，叶片末端的运动与泵的外壳有关系。流体相相对泵壳的运动方向和固定叶片末端的角度和它们的速度有关。在图5.2中，uv 是流体相对叶片的速度，ut 是叶片末端的切速度，它们的速度合成就是u2 。由此可见，叶片所需的扩压角取决于流体流量、旋转速度和叶轮刀口的角度。所以泵只有在很小的范围内才能以最大的功率运行。离心泵的实际压头液体动能全部转化成势能时，泵的压力达到最大。例如，对于60米的单级泵来说，它的压头和半径的平方和速度成为比例关系。更高的压力，必须要用到多级泵。以流体在离心泵中心r到r+dr距离的区域来分析（图5.3）。流体质量的微分dM =2rdrd，式中为流体的密度，b是单位流体的宽度。如果流体的速度u和切线方向成角时，流体的动量为 = dM (urcos)作用在流体上的扭矩d 等于流经泵时单位时间上角动量的改变率 d=dM （urcos）=2rbdr （urcos）流经泵的体积流量为: Q=2rb ， dr =Qd（urcos）作用在流体上的扭矩d是由在规定的标准1和2综合得到的。其中,标准1是泵的入口，而标准2是泵的出口。因此， =Q(u2 r2cos2-u1r1cos1)离心泵有优点和缺点主要优点有：（1）结构简单，而且取材范围广（2）不需要阀门固件（3）高速运转（可达100HZ），而且可以直接和电动机连接。总得来说，小型的泵高速运转就可以完成任务。（4）运行平稳（5）维护成本比其它类型的泵要低（6）当运输管堵塞时不会被损坏，前提是这种状态不能持续太长。（7）离心泵比同特性泵的尺寸要小，因此，在密封的情况下可以在吸水槽里开动马达工作（8）可输送悬浮颗粒较大的流体。主要缺点：（1）单级泵没有较高的压头，多级泵虽然可以获得较大的压头，但是使用防腐材料的成本很高，所以对于离心泵来说，一般通过提高转速来减少泵的级数。（2）离心泵在一定的范围才会有比较高的效率，特别是用涡轮泵。（3）不能自动启动（4）泵在运转中停止，如果没有关闭回流阀，则会产生液体回流的现象。（5）粘度很大的流体不能有效地被输送。阅读材料22往复式压缩机及其应用1介绍压缩机是把可移动的空气或者其它气体从一个地方移动到另一个地方。气体和液体不同，它可以被压缩并且需要压缩气体的设备。虽然设备和泵类似，但是它们在原理上不是完全一样的。压缩机、鼓风机和风扇这些就是压缩设备。压缩机：可以压缩空气或者其它气体并可以使压力范围从35psi到极端状态下的65000psi。鼓风机：移动的较大体积的空气或者其他的气体压强可以达到50磅每平方英寸。风扇：用有效的压力克服静力来移动空气以及其它气体 ，排出的压强范围可以从几英寸的水的重力到1磅每平方英寸。2什么是压缩机？气体的基本原理在讨论压缩机的类型以及压缩机怎么工作之前，先了解对压缩机有影响一些气体基本原理和方式，这对我们会有很大的帮助。由定义可知，气体的流动没有独立的形状和形式，它们趋向于不断地扩张。在混合的气体中，其主要是由一种主要的气体构成。例如，空气是几种气体的混合物。主要有氮（78%的体积含量）、氧（21%）、氩（1%），和一些水蒸气。空气也许和当地的条件有关，包含一些含量较小的工业气体，但它们却不是空气的正常组分。热力学第一定律这个定律表述能量在过程中不能凭空产生和消失，比如压缩和传递空气时。换句话说，当一种形式的能量消失，另一种形式的能量就必定会产生。热力学第二定律这个定律比较抽象，可以从以下几个方面来表述：（1）热量不能自发地从低温传到高温。（2）当有额外功提供时，热量就可以从低温的物体传到高温的物体。（3）在所有真正的过程中，可利用的能量不断地减少。（4）就本身来说，热量或者能量（如水），只能往下流动（例如：从高温传到低温）。基本上，这些都说明了能量是以各种各样的形式存在，只有当它从一个高的水平转变到一个低的水平时能量才可用。理想气体定律理想气体遵循波尔定律、查理定律和阿蒙顿定律。尽管实际上不存在理想气体，但是如果实验数据正确的话，这些三个热力学定律菜可以使用。波尔定律表述到：温度不变，气体的体积与压强成反比关系。例如，如果恒温气体的体积压缩到原来的一半，那么它的压强就加倍。 = 或者 P2V2=P1V1= 恒定查理定律表述到：压强恒定，理想气体的体积与温度成正比关系。压强相同，没有外力和磨擦力的条件下，温度升高体积就会膨胀。 = 或者 =阿蒙顿定律说明：体积恒定，理想气体的压强就和温度成正比关系。 = 或者 = 气体和蒸汽 根据定义，气体是物质的流体形式，它可以无限地扩张直到完全充满容器。蒸汽是汽化后液体或者固体是物质的冷化形式。气体术语和蒸汽通常可以通用。3压缩机是怎么工作的？为了了解气体和气体混合物如何工作，认识气体的各种组成成分，以及各成分大小中得单个分子是非常必要的。这些分子总是高速移动；它们撞击容器和产生我们所说的压力。如图5.7所示。温度影响分子的平均速度。当气体的温度升高，分子的热运动就越快，撞击容器的压力就越大。如图5.8所示，产生更大压力，这与阿曼顿定律是相符合的。如果是有活塞的密闭容器，气体就被挤压在一个小空间内，分子运动就会受限制。于是分子撞击运动就更频繁，压力就会增加，这与波尔定律相符合，如图5.9。然而，活塞的移动能把能量传递给分子，导致它们的移动速度加快。随着热量的增加，结果温度也会升高。所以，所有的分子都会被压到一个较小的空间里，导致容器壁每个小单元的碰撞力增大。因此，随着速度的增大最终使压力增大。 气体的压力越大，导致温度就越高，这是在压缩机的设计时就产生的问题。所有压缩机的基本元素无论什么类型，在主要设计时都会有操作条件的限制。当涉及到任何限制时，完成一级以上的压缩过程是非常必要的。对于多级和使用一个基本设备元素设计，可以用一系列设备的其他元素来操作。各种类型的压缩机都有限制，但最重要的限制包括：（1）排出压力所有类型。（2）压力提高或差别动力单元不同和很多可取代的类型。（3）压缩比动力单元。（4）间隙效应往复单元（这与压缩比有关）（5）节能考虑。压缩方式压缩气体的方式总共有四种。两种是间隙类型，另两种是连续流动类型（这些描述，既不属于热力学，也不属于分类术语。）（1）连续不断的气体进入不同类型的容器，减少容积（增大压力），然后将压缩的空气排出容器。（2）连续不断的气体进入不同类型的容器，体积不变的情况下输送到排出口，在排出系统中用回流的方式来压缩气体，把压缩气体排出机壳。（3）压缩气体一般通过机械转子叶轮快速旋转的动作或者流动气体刃的速度和压力 (在固定的叶轮或者叶片中，速度被进一步转化成压力）（4）用加速气体使其排出，相同的或者其他的气体也一样（通常，但不是必要的，就概念而言），并在扩散器把混合气流的速度转变为压强。阅读材料23离心过滤器在离心过滤器中，分离的过程是利用有孔的旋转滚筒将固体和液体直接分开。比较好的分离效果就是过滤介质恰好能够填充满转鼓的内表面孔。在滤饼成型过程中，滤液通过过滤介质和转鼓向外流，固体的移动确是连续不断地或者有步骤的产生。滤饼形成块状的时候，离心机就会停止供应滤液。间歇式离心机 在滤饼以及水的处理过程中，这样的单元结构能很好地应用，在清洗滤饼的时候也用到。这种机器可以按照排出饼状的主要用途来进行分类。可以这样描述：手动（机器不动）；自动（机器保持全速或者保持减速）。一个典型的例子，一种手动排放的离心机也叫做筐式三柱式离心机，这一类的离心机能够在手动和自动中相互转换。自动离心机可以让大分子自由通过，比如糖类。装载、脱水以及清洗所需要的时间都取决于过滤介质的特性。理论的过滤时间和以下的描述的三种操作有关。刮刀式离心机是典型的自动批式操作机器。当为滤饼排放安装的是犁式刀时，转鼓的减速在排出机器之间就受会到影响。装有往复式叶片刀具的垂直离心机可以在排液的时候全速工作。在生产的过程中以通过用虹吸的方法来增加压差来，提高效率。过滤离心机的过滤能力有如下的指标。（a）加速使机器达到一个合适的加料速度（b）提供一定量的水泥（c）加速脱水并保持一定的时间（d）提供有一定量的洗液（e）脱水烘干（f）减速（g）卸装 表5.1是从技术文献漫步者，19521.20.74m多速蓝式离心机对固体进行操作获得的典型数据。表5.1 批式离心机生产过程数据过程时间/s过程时间/s加速从50转/分钟到500转/分钟40减速到50转/分钟90装载500转/分钟277卸装50转/分钟15加速到1050转/分钟90总的循环时间每循环一次蓝式装载，干燥140kg的固体每小时575kg的生产量877脱水烘干1050转/分钟119清洗1050转/分钟10脱水烘干1050转/分钟236表5.1中的信息是通过在实践评估，分离平均尺寸大约120um 的固体获得的由立方晶体结晶的条件。在一些不受约束的沉淀物结晶类型的研究中，提供了一些不适合分离（平均直径30）的物质。前面介绍了排出时旋转冲洗的时间对整个循环过程的重要影响。液体分离研究中心注意到了这些。他们利用离心的方法联合能量和消耗量来调节速度。关注颗粒以及液体的加载，旋转、清洗时间和分离效果的研究。 1978 连续式分离器典型的连续固体排放器如图5.11和5.12描述了推动器和转鼓振荡离心机。在原来的单元中泥浆是受到尾部的旋转球，包含旋转往复推杆式板直接控制的。尾部连续振动，过滤会形成滤饼空隙。前面的振动行程会导致滤饼不能及时地退出边缘。进料时必需控制以防止没有经过过滤的泥浆流进入滤饼，在其表面结块留下痕迹。过滤离心机的选择影响分离器效果的因素包括：（a）分离类型需求：液固体，液液固体。（b）颗粒的大小，形状和密度。（c）固体浓度比。（d）原料的相对密度。（e）流量。阅读材料24 四种类型阀门回转阀毫无疑问，回转阀是人类非常早就构想断流器具。人类使用它已经超过两千年，由于它的结构简单，所以它还会继续被使用。使用时通常旋转塞子打开或者关闭其四分之一，如图5.13所示。旋转活塞使其有选择地和它所对应的口子结合起来，然后形成互补关系，达到各自打开和闭合的目的。 这种阀门是早期罗马工人的智慧结晶，他们很多早期的例子被有兴趣的工程师和其他有兴趣的人流传下来。将锥形的活塞旋转放入锥形壳里并使他们保持紧密但不会太紧密是发明者不能突破的一个部分，但是无论谁都可能做到。对于敞开的铅制金属管，老练的管子非常必要将其进行环状滚压，折叠成近似圆形的形式，并将管的道纵向封住。回转阀的主要设计中，经验比任何的理论研究结果都重要。塞子的坡口角度通常是10度，本质上角度太小会导致塞子和阀体变得“失灵”卡住或者活塞难以被打开。 拧紧式节流阀 虽然回转阀在封闭装置中使用足足超过了两千年，但是拧紧式节流阀却算是新的东西。实际上，它在夹钳的缺点上进行修改而成为今天我们所知道的并且它和两大事件有关。螺纹车床的发明17951800年和特里维西克、瓦特蒸汽机的应用。直到1768年由于瓦特发明的循环蒸汽机对锅炉的要求变得更高，普通的旋转阀已经不能满足快速增长的蒸汽压强尽管这些相对于目前的标准说来只能算接近大气压。 拧紧式节流阀不同的外观都是可利用的，在水平或者直线形式上，采取球形截流阀。作为一个节流阀的联结点，它可以使主管的道流动方向进行九十度的改变，或者锅炉的纵向积压，或者作为一个可控供水止回阀，活门可以自由地安装在中轴上（但其是由中轴控制）来进行单向流动。只有外螺纹类型的阀门需要考虑它是面与面相紧贴，各部分的位置关系使它们之间会产生固定挤压。 楔式闸阀 楔式闸阀是由詹姆斯在1839年发明，它和水管栓旋塞一样重要，旋塞的来源已不明。历史记载楔式闸阀是由于中心供水系统阀门的不足，所以希望内史密斯能发明出更多可靠的东西来代替。 这些流体控制装置都有着相同的特点，但是依靠楔式的作用达到面与面贴近的效果会影响到密封性的问题，这种阀门一个面为平面，其他的则为圆锥状或者圆周面，它们都经过了时效处理，并已经按照详细设计和结构材料合理地进行修正。 下面我们仅对楔式闸阀进行介绍。如5.14简图所示的阀门，我们发现如果两个活门同时关闭可以使阀门的防渗漏有双重保险，这恰好是詹姆斯发明这种阀的优点。 双重保险需要以下条件：（a）两个活门都同时关闭并平行横切；（b）轴提供的轴向力必须能克服活门所受的表面压力（压强及冲力）以及活门所受的阻力；（c）活门必须完整，完全封闭等等。 双重保险不是这种类型阀门绝对必要的。相反，只要阻挡的面能够阻止流体流过，就可以算得上是严格意义的“活门”。无论什么样的旋式截止阀或者是平行闸阀（弹簧片类型），用的都是单面关闭这种形式。 双密封的活门是非常理想的，但是在以下的设计条件可以满足时，才能用单活门来阻挡流体地流动。 根据安装的条件不同，阀门有时也需要进行详细的检测，并且要与大口径的阀门进行工作对比的测试。安全泄压阀 任何一个安全阀或者泄压阀的功能是可以防止压力容器内的压力达到上限并超出限定范围，例如蒸汽锅炉或者空气接受器。而其他的压力容器则很少需要这样的保护。安全和泄压在术语上很相近，尽管称呼上普遍是说阀门能够防止任何的压力容器发生爆炸，造成生命危险，而后面的称呼更多是指压力容器内容纳非膨胀性的物体，消除偶然的爆发，防止强烈的爆炸。例如，冷水管上安装一个安全阀就是为了防止阀门的过度压力。 忽略阀门类别，它们的设计原理基本上是相同的，人们对这些阀门必须独立操作（尽管在设计中阀门处的测试操作杆有时候必须脱离基座，便于测定效率或者清除污垢），总之，阀门必须要独立操作，在接近超压状态时要及时打开阀门，并且在在排气后回到正常压力时要及时关闭，但由于压力情况阀门通常不能够及时关闭。 安全或者泄压阀可以分为四种基本类型（如果包括已经过时的弹簧阀则可分五类），近年来有很多国外引进的新型阀门，我们这里不做讨论。这四种类型是： （a）杠杆重量型 （b）重力型 （c）弹簧型 （d）扭力杆型阅读材料25 密封组件主密封组件主要是指密封座和密封头，描述了一个机械端面密封的整个设计构造。封头一般来说，尽管不是经常，与轴一起旋转。在大多数设计中密封座都是在一个固定的位置，但有时密封座也会在一个旋转的位置，和轴一起旋转，但密封头是固定的。主密封组件的几何形状是由多种因素支配的。主密封组件的两种类型都有不同的设计构造。旋转密封头的几何设计通常是利动态平衡来控制液压动力的结果。二次密封件大大地影响腺体的形状。最后但并非最不重要的，推杆弹簧的选择是决定密封圈配置的另一个影响因素。密封阀座圈的几何形状是主要由环境控制方法的选择来决定的，将会被详细地讨论。1 密封头的设计封头是任何密封机械端面的主要组成部分。图5.15和图5.16指出，密封头代表一个由需要提供接口函数的几个部分单元组成的。封头的设计必须达到最佳的灵活性，在适当的压力平衡中加载适当的载荷，均匀的自动推动力在圆周向分配中，通过弹簧的兼容性，并且确保轴中旋转地密封头环使用正确的驱动工具。二次密封组件在头环的几何形状中以及在液压流体平衡的决定性因素上起着重要的作用。2 密封座的设计主密封头的合作伙伴，密封座，可以设计成配备一个或者两个密封面。第二个密封面通常是在加工之后原始的端面已经被磨损并无法修复。密封座在固定的位置上一般都有函数。座环的设计主要由腺体的构造来考虑，满足一个或者几个多样性的环境控制方法，如冲洗，淬火，冷却，或者几种组合。第二个决定密封座圈的形状的重要因素是选择二次密封件这些可以是很多种类型，举个例子，杯状或者V 状的圈甚至是复杂类型的金属垫片。由环境的控制方法来设计的主密封座的因素支配在引用中被详细讨论。密封座的设计必须结合简单的组件，简单的安装，易于更换和维修，以及二次密封组件，允许其座圈有灵活性，并且提供最佳的密封效果。一个按下的设计是不好的，虽然这种方法在多种设计构造中都可以看到。在密封设计中，轴上的旋转座，为了在高弹性O环和销连接能正常驱动，密封座的位置安排要看轴是刚体还是弹性体。他们提供了一些灵活性，就是它允许在轴在运动时对违规动作进行补偿。一些传统的驱动方法是压合，销，螺钉，凹坑，和许多其他的驱动。旋转的主座环固定连接到轴上有时是首选的选择，确保正常的驱动。密封座经常是由脆性或易碎材料组成，比如碳，陶瓷和像这一类型的。这种材料是非常敏感的，因此，容易受到应力，尤其是拉应力。这时必须考虑当密封座被牢固地附加在旋转轴上。如果使用O环，弹性体必须从一组提供最佳弹性和自由肿胀的材料中选择。肿胀的O环对环形墙的拉应力不断增加，最终导致的座环被破坏。如果要避免故障，那么橡胶O环的溶胀特性的准确的信息必须是强制性的。当使用的标准压盖环板没有内置的环境控制装置时必须十分小心地将密封环的盖取走。腺环和压盖的平衡以及它们在安全合适的位置对于轴中密封座圈的关系是非常重要的。 腺飞行员足够的经验提供了实现可靠的以腺为中心的手段。腺飞行员可以用很多不同的方式来设计，特别是因为他们不会制造任何麻烦。 随着泵压盖环板的问题得到解决，其他在密封装配上的问题就不是关键的了，不均匀的紧固螺栓除外。 密封的平衡连接在稍后的章节中会被讨论，密封座和轴上的密封头完好的配合是装配的目的。飞行员的中心装置的密封环对这个要求有利；它也代表了在最低成本中的最简单的办法。这是普遍的经验，橡胶O环为作为一个固定密封座的二次密封组件，可以为在轴上密封座的旋转违规行进行必要的补偿。3 面弹性荷载 主密封环摩擦面之间的稳固连接是用弹簧来确保其适当的密封性能，它允许一个稳定的自动推进动作。由泵提供的液压液体压力可以使这个动作进一步推动。系统的液压和弹簧的选择必须保持密切的相互平衡。在实际使用中弹簧的宽范围是可靠的。阅读材料26过程控制的简介（II）4. 控制回路在化工过程中，一个形式或多种形式的控制是非常重要的一部分，在所有进程中应用到的流量，压力，温度，混合物等安全或者规范都要限制在一定的范围内。这样的控制要经过最简单的测量变量来完成所需要的控制（控制变量），变量是要保持所控制的变量（理想值或者设定的值）并且进一步的与校准变量（操作变量）作比较，操作变量会直接影响到控制变量并使控制变量达到理想状态值。为设计这样不仅能自动有效运作的控制系统，并且必须同时获得其稳态和动态（非稳态）所涉及的特定变量之间的关系。可以看出自动控制是非常必要的，手动控制必须由人工控制，所以连续监视控制也很重要，这样效率就不可避免地降低了。此外，控制变量的变化过于快速和频繁会导致人工控制很难适应。图6.2是一个简单的控制循环或者回路，在Y中的水温()是由热电偶来测取的，然后反馈到控制装置。控制装置一般分成两个部分（通常装配于同一单元）。第一部分（比较器）的测量值（B）与期望值（R）比较，得出一个差值()，就是=R-B。机器（控制器）的第二部分装置输出一个动作级别功能，反馈到蒸汽管道的控制阀，因此当参数升高时阀门就会关闭，反之则打开。这个系统可以在温度上消除由于外部因素，比如流量得变化或者逆流负荷的变化等引起的温度波动。它也可用来改变Y的水温通过调整从而到达一个期望值。5. 结构简图一个控制系统可以在形式中用简单的结构框图来表示（图6.3），它展示了信息在控制回路中的流动情况和每个组成部分的功能。各个组成部分用方框来表示，表明输入变量和输出变量的关系。图6.3中的表示符号在控制工程中是广泛使用的，即使其在工程文献上地表示方法不一样。控制回路大体上分为五个重要的部分：（a）过程，（b）测量元件，（c）比较器，（d）控制器，和(e)最终控制元件。通过图6.2和6.3的比较可见最终控制元件是管道控制阀。操纵量（Mv）是指蒸汽流量或者热流量，（U）处负荷的改变将会影响到进入系统的热量。输入过程是由Mv和U共同影响的。过程在这种情况下，任何一点的温度从X到Y的过程中都会轻易地影响整个过程。其中可控变量（C）是Y中水的温度。可以看出，当信息在闭合的设备系统中传递时，控制回路是合适的。这种形式的控制被称为变量或者反馈（指的是从可控变量到比较器间的反馈变量）。在图6.2和 6.3中所示的控制回路，它们同样可以包括电子或者气动组件或者两者的混合物，但使用何种类型的装置就需要取决于其成本，精确度，以及安全性。虽然气动装置普遍使用了很多年，但现在电子设备迅速得到普及。6. 开环控制 开环控制是偶尔会使用到的另一种控制方式，它不需要有关控制变量的反馈信息。这就是所谓的前馈控制、预测控制或者开环控制。图6.4所示是一个可行的开环控制系统，它假设进口处的水温恒定，其供热量直接由流量计来测定。此方法的优点是预期的流速变化不会影响到数值的变化 ，在系统采取动作之前不用变动其理想值（反馈控制也一样）也可以保持定值。设计这样的控制系统先要设计一个预测系统，预测当水和蒸气流量变化时，Y中的温度会如何变化，这就成为设计更加复杂的控制系统中得一个相当大的难题。阅读材料27 控制策略1 反馈控制 如图6.8（a）所示的控制方案被称为反馈控制，也称为反馈控制回路。这项技术于约在200年前由詹姆斯瓦特首次应用在工业过程控制。主要包括蒸汽引擎在变负荷下保持恒定的速度，这是一项管理控制技术的应用。它取得控制变量之后会反馈给控制器使它能够作出决定性的计划。我们必须了解反馈控制的工作原理并认识到它的优点和缺点：可以通过图6.8（a）所示的换热器控制回路来促进了解。 如果进口过程中温度的升高而制造了干扰，在整个换热器出口温度的变化之前其效果必须要穿透，一旦出口温度变化，从发射器发送到控制器的信号也会改变。这时控制器就会意识到，必须通过改变蒸汽的流量来补偿干扰。控制器的信号阀关闭，这时蒸汽是我流量就减少了。图6.8（b）显示的图形是控制器的影响与其作用之间的关系。有趣的是，注意在第一个出口的温度升高，因为进口温度升高了，但是它随后的降低值却低于其设定值，并且在设定点周围继续振荡直到温度最后平稳。这说明反馈控制系统本质上是一个重要的试误操作系统。也就是说，当控制器注意到出口温度高于设定值时，它的信号阀门就会关闭，但更需要的适终止。因此，出口的温度设置必须低于其设定值。注意到这个情况，控制器的信号的阀再次被打开使温度有所升高。这项试错法持续进行直到温度到达设定值并且保持不变。 反馈控制的优点是，它是一个非常简单的技术，如图6.8（a）所示，它对所有的干扰都会进行补偿并且任何的干扰会都影响控制变量，而且变量一旦从设定点偏离，控制器将改变其输出并返回到设定点。反馈控制回路不会了解也不会关注干扰进入的过程。它只是试图保持控制变量在其设定点上，这样可以补偿所有有缺点的扰动。反馈控制的缺点是可以通过补偿控制的，已经偏离设定点的扰动也会使其变的骚乱。也就是说，这个扰动必须在穿透整个过程的反馈控制方案之前对其进行补偿。 工程师的工作是设计控制方案，并且将控制变量保持在其设定点上。他必须通过微调控制器使它可以产生最小化的实验错误和操作错误。作为一个可以信任的工作，工程师必须知道这个特性，或者对过程的“个性”进行控制。一旦这个“个性过程”被人们熟知，工程师可以设计的控制系统，以获得最佳的“个性控制”来匹配进程。什么是“个性”，在接下来的一些章节中会被解释。现在为了帮助你，想象一下,你正试图用一定的形式说服别人的行为，就是在某种程度上控制别人的行为。你是控制器别人就是进程。最明智的事情是你先知道别人的性格，然后调整自己的个性并做大量的工作去说服或控制他，这就叫做“微调控制器”，也就是说，控制器是对进程的改编或者调整。大多数控制器有多达3个参数来调整它们。 2 前馈控制 反馈控制是在最常见的工业控制策略。因为简单所以它更是占据主流。然而，在一些过程中，反馈控制未必能提供其所需要的控制性能。对于其他类型，可能就需要设计前馈控制这样的策略。前馈控制是测量干扰和从偏离之前补偿设置点的控制变量。如果正确运用控制变量则将不会偏离设定点。 一个具体的前馈控制例子是如6.9所示热交换器。假设“主要”扰动的是入口温度，Ti（t），以及工艺流程，与Q（t）。为了实现前馈控制必须对这两个干扰先进行测量，然后必须作出决定有关如何操纵蒸汽流量来补偿这些干扰。图6.9显示了这个控制策略。前馈控制器使有关如何操作的蒸汽流量保持在设定点取决于进口温度以及流程的控制变量。 我们通过学习知道了有许多不同程度的扰动。前馈控制系统如图6.9所示。补偿只是它其中的两项。如果它在其他的任何输入过程中，这个策略将不能补偿它，结果是设定一个永久的偏差来控制它的变点。为了避免这种情况，一些反馈补偿必须被添加到前馈控制，如图6.10所示的前馈控制现在补偿的“主要”干扰Ti（t）和q（t），而反馈控制补偿其他所有的干扰。需要注意的是，这三个基本操作M，D，A，仍然存在这更为“先进”的控制策略中，测量则由传感器和发射机进行。决策是由前馈控制器和反馈控制器来传递，TIC-10。行动是由蒸汽阀门来控制。 一般情况下，硬件，必要的设计、实施和维护它们，是比反馈控制更加昂贵的控制策略。因此，它们在设计等方面必须是合理的（通过金钱才可以实现）。最佳的方法是先设计并且实现一个简单的控制策略，同时也要注意，如果它不能令人满意，那么设计一个更加“先进”的策略也是很重要的。但是我们必须承认，这些先进的战略仍然需要一些反馈补偿。 阅读材料28 测量设备1温度测定用于测定温度的设备很多和每个测量设备都有自己的特点和局限性。琼斯已经将这些仪器根据性质的变化以及测试温度的改变机理进行分类。即：（a）膨胀型温度计（b）状态改变型温度计（c）电学类型的温度计（d）辐射或者光学温度计（a）类型包括了双金属温度计，液体玻璃温度计，液体金属温度计，气体温度计。图6.13是一个典型的液体温度计，随着玻璃球周围的温度升高，玻璃球内的水银体积就会膨胀，当其体积比玻璃球还要大时，就迫使其通过螺旋型的毛细管，进行温度值的指示。气体温度的原理也是类似的，这两种温度计都简单并且可靠，它们频繁用于记录和控制。