Chemical Engineering - Vol. 1 - Fluid Flow, Heat Transfer and Mass Transfer - Coulson & Richardson PDF

Preview

Summary

Coulson &  Richardson's CHEMICAL  ENGINEERING VOLUME 1 Fluid  Flow,  Heat  Transfer  and  Mass  Transfer Coulson  & Richardson's Chemical Engineering Chemical  Engineering,  Volume  1,  Sixth  edition Fluid  Flow,  Heat  Transfer  and  Mass  Transfer J,  M.  Coulson  and J. F.  Rich...

Description

Coulson &  Richardson's CHEMICAL  ENGINEERING VOLUME 1

Fluid  Flow,  Heat  Transfer  and  Mass  Transfer

Coulson  & Richardson's Chemical Engineering Chemical  Engineering,  Volume  1,  Sixth  edition Fluid  Flow,  Heat  Transfer  and  Mass  Transfer J,  M.  Coulson  and J. F.  Richardson with  J.  R.  Backhurst and J.  H.  Marker Chemical  Engineering,  Volume 2,  Fourth  edition Particle  Technology  and Separation  Processes J.  M. Coulson  and J.  F.  Richardson with  J,  R,  Backhurst and  J.  H.  Marker Chemical  Engineering,  Volume 3, Third  edition Chemical  & Biochemical  Reactors  & Process  Control Edited  by  J.  F.  Richardson and  D. G.  Peacock Chemical  Engineering, Volume 4,  Second  edition Solutions  to  the  Problems  in  Volume 1 J.  R.  Backhurst and J.  H.  Marker Chemical  Engineering,  Volume 5,  Second  edition Solutions to the Problems  in  Volumes 2 and 3 J.  R,  Backhurst and  J,  H.  Marker Chemical  Engineering,  Volume 6, Third  edition Chemical  Engineering  Design R.  K. Sinnott

Coulson & Richardson's

CHEMICAL  ENGINEERING VOLUME 1 SIXTH  EDITION

Fluid  Flow,  Heat  Transfer  and  Mass  Transfer J.  M.  COULSON Late  Emeritus  Professor  of Chemical  Engineering University  of  Newcastle­upon­Tyne and

J.  F. RICHARDSON Department  of Chemical  Engineering University  of  Wales,  Swansea WITH

J.  R. BACKHURST and J.  H. MARKER Department  of Chemical  and  Process  Engineering University  of  Newcastle­upon­Tyne

TTERWQRTH I  N  E  M  A  N  N OXFORD AUCKLAND BOSTON

JOHANNESBURG

MELBOURNE NEW DELHI

B utter worth ­Heinemann Linacre House,  Jordan  Hill, Oxford  OX2  8DP 225  Wildwood  Avenue,  Woburn,  MA  01801­2041 A  division  of  Reed  Educational  and  Professional  Publishing  Ltd "CX ^ mem':'er of the Reed Elsevier  pk group

First  published by  Pergarnon  Press  1954 Second  edition  1964 Third  edition  1977 Fourth  edition  1990 Fifth  edition  1996 Fifth  edition  (revised)  1997,  1999 Sixth  edition  1999 ©  J.  ML  Coulson,  J.  F.  Richardson, J.  H.  Marker  and  J.  R.  Backhurst  1990,  1996,  1999 Ail  rights  reserved.  No  part  of  this  publication may  be  reproduced  in any  material  form  (including photocopying  or  storing  in  any medium  by  electronic means  and  whether or  not  transiently  or  incidentally to  some  other  use  of  this  publication)  without the written  permission  of the  copyright  holder  except in  accordance  with the  provisions  of the  Copyright, Designs  and Patents  Act  1988  or  under  the terms of a licence  issued  by  the  Copyright  Licensing  Agency  Ltd, 90 Tottenham  Court  Road,  London,  England  W1P  9HE. Applications  for the  copyright  holder's  written  permission to  reproduce  any  part  of  this  publication should be  addressed to  the publishers British  Library  Cataloguing in Publication Data A  catalogue  record  for  this book  is  available  from  the  British Library Library  of Congress Cataloguing in Publication  Data A  catalogue record  for  this book  is  available  from  the  Library  of  Congress ISBN  0  7506  4444  3

Typeset  by Laser Words,  Madras,  India Printed  in  Great  Britain  by  The  Bath  Press,  Bath

Contents Professor  /. M. Coulson 

xiii

Preface  to Sixth  Edition 

xv

Preface  to  Fifth  Edition 

xvii

Preface  to Fourth Edition 

xix

Preface  to  Third  Edition 

xxi

Preface  to Second Edition 

xxiii

Preface  to First Edition 

xxv

Acknowledgements 

xxvii

1.  Units and  Dimensions  .,1  1.2 

1.3  1.4  1.5  1.6  1.7  1.8  1.9 

I

Introduction  Systems  of  units  1.2.1  The  centimetre­gram­second  (cgs)  system  1.2.2  The metre­kilogram­second  (inks  system)  and the  Syst&me International  d'Unites  (SI) .2.3  The  foot­pound­second  (fps) system  .2.4  The  British  engineering  system  ,2,5  Non­coherent  system  employing  pound mass  and  pound  force simultaneously .2.6  Derived  units  .2.7  Thermal  (heat)  units  .2.8  Molar units  .2.9  Electrical  units  Conversion  of  units  Dimensional  analysis  Buckingham's  Fl  theorem  Redefinition  of  the  length  and  mass  dimensions  ] .6.1  Vector  and  scalar  quantities  1.6.2  Quantity mass  and  inertia  mass  Further  reading  References  Nomenclature 

Part  1 Fluid  Flow 

5 5 6 6 7 8 8 9 12 15 20 20 21 22 22 22

25

2.  Flow  of Fluids—Energy and Momentum  Relationships  2.1  2.2 

I 2 2 4

Introduction  Internal  energy 

2? 27 27

V

VI 

CONTENTS 2.3 

2.4 

2.5  2.6  2.7  2.8  2.9 

Types  of  2.3.1  The  incompressible  fluid  (liquid)  2.3.2  The  ideal  gas  2.3.3  The  non­ideal  gas  The  fluid  in  motion  2.4.1  Continuity  2.4.2  Momentum changes  in  a  2.4.3  Energy  of  a  fluid  in  motion  2.4.4  Pressure  and  fluid  head  2.4.5  Constant  flow  per  unit  area  2.4.6  Separation  Pressure­volume relationships  2.5.1  Incompressible  2.5.2  Compressible  Rotational  or  vortex  motion  in  a  2.6.1  The  forced  vortex  2.6.2  The  free  vortex  Further reading  References  Nomenclature 

fluid 

fluid 

fluids  fluids  fluid 

3.  Flow  of Liquids  in Pipes  and  Open  Channels  3.1  3:2  3.3 

3.4 

3.5  3.6  3.7 

58

Introduction  The  nature of  fluid  flow  3.2.1  Flow  over  a  surface  3.2.2  Flow  in  a  pipe  Newtonian  fluids  3.3.1  Shearing  characteristics  of  a Newtonian  fluid  3.3.2  Pressure drop  for flow of  Newtonian  liquids  through a pipe  3.3.3  Reynolds  number  and  shear  stress  3.3.4  Velocity distributions  and  volumetric  flowrates  for  streamline  flow  3.3.5  The  transition  from  laminar  to  turbulent flow in  a pipe  3.3.6  Velocity  distributions  and  volumetric  flowrates  for  turbulent  flow  3.3.7  Flow  through  curved  pipes  3.3.8  Miscellaneous  friction  losses  3.3.9  Flow  over  banks  of  tubes  3.3.10  Flow  with a  free  surface  Non­Newtonian Fluids  3.4.1  Steady­state  shear­dependent  behaviour  3.4.2  Time­dependent  behaviour  3.4.3  Viscoelastic  behaviour  3.4.4  Characterisation  of  non­Newtonian  fluids  3.4.5  Dimensionless  characterisation  of  viscoelastic  flows  3.4.6  Relation  between  rheology  and  structure  of  material  3.4.7  Streamline  flow  in  pipes  and  channels  of  regular  geometry  3.4.8  Turbulent  flow  3.4.9  The  transition  from  laminar to  turbulent  flow  Further reading  References  N omenclature 

4.  Flow of  Compressible  Fluids  4. i  4.2  4.3 

introduction  Flow  of  gas  through  a nozzle  or  orifice  4.2.1  Isothermal  4.2.2  Non­isothermal  Velocity  of  propagation  of  a  pressure  wave 

30 31 31 34 39 39 41 44 46 47 47 48 48 48 50 52 54 55 56 56

58 59 60 61 62 62 63 74 75 82 83 87 87 93 94 103 105 113 114 118 120 120 121 136 138 138 139 140

143

flow  flow 

143 143 144 147 152

CONTENTS  4.4 

4.5 

4.6  4.7  4.8  4.9 

VI i

Con verging­diverging  nozzles  for  gas  flow  4.4.1  Maximum  flow  and  critical  pressure  ratio  4.4.2  The  pressure  and  area  for  flow  4.4.3  Effect  of back­pressure  on  flow  in  nozzle  Flow  in  a  pipe  4.5.1  Energy  balance  for  flow  of  ideal  gas  4.5.2  Isothermal  flow  of  an  ideal  gas  in  a horizontal  pipe  4.5.3  Non­isothermal  flow  of  an ideal  gas  in a  horizontal  pipe  4.5.4  Adiabatic flow of  an ideal  gas  in a horizontal  pipe  4.5.5  Flow  of  non­ideal  gases  Shock  waves  Further  reading  References  Nomenclature 

5.  Flow  of Multiphase  Mixtures  5.1  5.2 

5.3 

5.4 

5.5  5.6  5.7 

Introduction  Two­phase  gas  (vapour)­liquid  5.2.1  Introduction  5.2.2  Flow regimes  and flow patterns  5.2.3  Hold­up  5.2.4  Pressure,  momentum, and  energy relations  5.2.5  Erosion  Flow  of  solids­liquid  mixtures  5.3.1  Introduction  5.3.2  Homogeneous  non­settling  suspensions  5.3.3  Coarse  solids  5.3.4  Coarse solids in horizontal  5.3.5  Coarse  solids in  vertical  Flow  of  gas­sol ids mixtures  5.4.1  General considerations  5.4.2  Horizontal  transport  5.4.3  Vertical  transport  5.4.4  Practical applications  Further reading  References  Nomenclature 

181 flow 

flow  flow 

6.  Flow and Pressure  Measurement  6.1  6.2 

6.3 

6.4  6.5  6.6 

154 154 156 158 158 159 160 169 170 174 .174 1.78 179 ! 79

Introduction  Fluid pressure  6.2.1  Static pressure  6.2.2  Pressure  measuring  devices  6.2.3  Pressure  signal transmission — the  differential  pressure  cell  6.2.4  Intelligent pressure  transmitters  6.2.5  Impact pressure  Measurement of  fluid  flow  6.3.1  The  pilot  tube  6.3.2  Measurement  by flow through a constriction  6.3.3  The  orifice  meter  6.3.4  The  nozzle  6.3.5  The  venturi  meter  6.3.6  Pressure  recovery  in  orifice­type meters  6.3.7  Variable area  meters — rotameters  6.3.8  The  notch or  weir  6.3.9  Other  methods  of measuring  flowrates  Further  reading  References  Nomenclature 

38! 182 182 183 186 187 194 195 195 196 198 198 210 213 213 214 223 224 226 227 2.29

232 232 233 233 234 237 240 242 243 244 245 248 254 255 256 257 261 264 272 272 272

Vlii 

CONTENTS

7.  Liquid  Mixing  7.1 

Introduction — types  of  mixing  7.1.1  Single­phase  liquid  mixing  7.1.2  Mixing of  immiscible  liquids  7.1.3  Gas­liquid  mixing  7.1.4  Liquid­solids  mixing  7.1.5  Gas­liquid­solids  mixing  7.1.6  Solids­solids mixing  7.1.7  Miscellaneous  mixing  applications  7.2  Mixing  mechanisms  7.2.1  Laminar mixing  7.2.2  Turbulent mixing  7.3  Scale­up  of  stirred  vessels  7.4  Power  consumption in  stirred  vessels  7.4.1  Low  viscosity  systems  7.4.2  High  viscosity  systems  7.5  Flow  patterns  in  stirred  tanks  7.6  Rate and  time  for  mixing  7.7  Mixing equipment  7.7.1  Mechanical  agitation  7.7.2  Portable  mixers  7.7.3  Extruders  7.7.4  Static  mixers  7.7.5  Other  types  of  mixer  7.8  Mixing in  continuous  systems  7.9  Further  reading  7.10  References  7.11  Nomenclature 

8.  Pumping  of Fluids 

8.3 

8.4  8.5  8.6  8.7  8.8  8.9 

Introduction  Pumping  equipment  for  liquids  8.2.1  Reciprocating  pump  8.2.2  Positive­displacement  rotary  pumps  8.2.3  The  centrifugal  pump  Pumping  equipment  for  gases  8.3.1  Fans  and  rotary  compressors  8.3.2  Centrifugal  and  turbocompressors  8.3.3  The  reciprocating  piston  compressor  8.3.4  Power  required  for  the  compression  of gases  The  use  of  compressed  air  for  pumping  8.4.1  The  air­lift pump  Vacuum  pumps  Power  requirements  for pumping through pipelines  8.6.1  Liquids  8.6.2  Gases  Further  reading  References  Nomenclature 

274 274 274 274 275 275 275 275 276 277 277 279 280 282 282 288 294 298 301 301 306 306 307 310 310 31 i 311 312

314 314 315 316 321 329 344 344 346 347 347 358 358 364 367 368 374 376 376 377

Part  2 Heat Transfer 

379

9.  Heat Transfer 

381

9.1  9.2 

Introduction  Basic  considerations  9.2.1  Individual and  overall  coefficients  of  heat  transfer  9.2.2  Mean  temperature  difference 

38 i 381 381 384

CONTENTS  9.3 

9.4 

9.5 

9.6 

9.7 

9.8 

9.9 

9.10 

9.11 

9.12  9.13  9.14 

Heat  transfer  by  conduction  9.3.1  Conduction  through  a plane  wall  9.3.2  Thermal  resistances  in  series  9.3.3  Conduction  through  a thick­walled  tube  9.3.4  Conduction  through  a  spherical  shell and  to  a particle  9.3.5  Unsteady  state  conduction  9.3.6  Conduction  with internal  heat  source  Heat  transfer by  convection  9.4.1  Natural and  forced  convection  9.4.2  Application  of  dimensional  analysis to  convection  9.4.3  Forced  convection  in tubes  9.4.4  Forced  convection  outside  tubes  9.4.5  Flow  in non­circular  sections  9.4.6  Convection  to  spherical  particles  9.4.7  Natural  convection  Heat  transfer by  radiation  9.5.1  Introduction  9.5.2  Radiation  from  a  black body  9.5.3  Radiation  from  real  surfaces  9.5.4  Radiation transfer  between  black  surfaces  9.5.5  Radiation  transfer between  grey  surfaces  9.5.6  Radiation  from  gases  Heat transfer  in the  condensation  of  vapours  9.6.1  Film coefficients  for  vertical  and  inclined  surfaces  9.6.2  Condensation  on  vertical  and  horizontal tubes  9.6.3  Dropwise  condensation  9.6.4  Condensation  of mixed  vapours  Boiling liquids  9.7.1  Conditions  for  boiling  9.7.2  Types  of  boiling  9.7.3  Heat  transfer  coefficients  and  heat  9.7.4  Analysis based  on  bubble  characteristics  9.7.5  Sub­cooled  boiling  9.7.6  Design  considerations  Heat transfer in reaction  vessels  9.8. f  Helical  cooling  coils  9.8.2  Jacketed  vessels  9.8.3  Time  required  for  heating  or  cooling  Shell  and  tube  heat  exchangers  9.9.1  General  description  9.9.2  Basic  components  9.9.3  Mean  temperature  difference in multipass exchangers  9.9.4  Film  coefficients  9.9.5  Pressure  drop  in heat  exchangers  9.9.6  Heat  exchanger  design  9.9.7  Heat  exchanger performance  9.9.8  Transfer  units  '  Other  forms  of equipment  9.10.1  Finned­tube  units  9.10.2  Plate­type  exchangers  9.10.3  Spiral heat  exchangers  9.10.4  Compact  heat  exchangers  9.10.5  Scraped­surface  heat  exchangers  Thermal  insulation  9.11.1  Heat  losses  through  lagging  9.11.2  Economic  thickness  of  lagging  9.11.3  Critical  thickness  of  lagging  Further reading  References  '  Nomenclature 

IX

flux 

387 387 390 392 392 394 412 4.14 414 4!5 417 426 433 434 435 438 438 439 441 447 458 465 471 471 474 476 478 482 482 484 486 490 492 494 496 496 499 501 503 503 506 510 517 523 526 534 535 540 540 548 550 550 553 555 555 557 557 56! 562. 566

X 

CONTENTS

Part 3 Mass Transfer 

571

10.  Mass Transfer 

573

10.1  Introduction  10.2  Diffusion  in binary  gas  mixtures  10.2.1  Properties  of  binary  mixtures  10.2.2  Equimolecular counterdiffusion  10.2.3  Mass  transfer through a stationary second  component  10.2.4  Diffusivities  of gases  and vapours  10.2.5  Mass transfer  velocities  10.2.6  General  case  for  gas­phase  mass transfer  10.2.7  Diffusion  as  a mass  flux  10.2.8  Thermal  diffusion  10.2.9  Unsteady­state mass  transfer  10.3  Multicomponent  gas­phase  systems  10.3.1  Molar  flux  in  terms of  effective  diffusivity  10.3.2  Maxwell's  law  of  diffusion  10.4  Diffusion  in  liquids  10.4.1  Liquid phase  diffusivities  10.5  Mass transfer across  a phase boundary  10.5.1  The  two­film  theory  10.5.2  The  penetration  theory  10.5.3  The  film­penetration  theory  10.5.4  Mass  transfer to  a sphere  in a homogenous  fluid  10.5.5  Other theories  of  mass  transfer  10.5.6  Interfacial  turbulence  10.5.7  Mass  transfer coefficients  10.5.8  Countercurrent  mass transfer  and  transfer units  10.6  Mass  transfer  and chemical  reaction  10.6.1  Steady­state  process  10.6.2  Unsteady­state  process  10.7  Mass transfer  and chemical  reaction in a catalyst  pellet  10.7.1  Flat  platelets  "  10.7.2  Spherical  pellets  10.7.3  Other  particle shapes  10.7.4  Mass  transfer  and  chemical  reaction  with a  mass transfer  resistance  external  to the pellet 10.8  Practical  studies  of  mass  transfer  10.8.1  The  j­factor  of Chilton  and  Colburn  for  flow  in tubes  10.8.2  Mass  transfer at plane  surfaces  10.8.3  Effect  of  surface roughness  and form drag  10.8.4  Mass  transfer from  a  fluid  to  the  surface of  particles  10.9  Further reading  10.10  References  10.11  Nomenclature 

573 575 575 576 577 581 586 587 588 589 590 593 593 594 596 597 599 600 602 6J4 617 618 618 619 621 626 626 631 634 636 638 642 644 646 646 649 65i 651 654 655 656

Part 4 Momentum, Heat and  Mass Transfer 

661

11.  The Boundary Layer 

663

11.1  11.2  11.3  11.4 

Introduction  The  momentum equation  The  streamline  portion  of  the  boundary layer  The  turbulent boundary  layer  31.4.1  The  turbulent portion  11.4.2  The  laminar  sub­layer  11.5  Boundary layer theory  applied  to pipe  11.5.1  Entry conditions  11.5.2  Application of  the  boundary­layer theory 

flow 

663 668 670 675 675 677 681 681 682

CONTENTS  ! 1.6  The  boundary  layer  for  heat  transfer  11.6.1  Introduction  11.6.2  The  heat  balance  i  1.6.3  Heat  transfer  for  streamline  flow  over  a  plane  surface — constant surface  temperature  31.6,4  Heat  transfer for  streamline  flow  over  a  plane  surface — constant surface  heat  flux  11.7  The  boundary  layer for  mass  transfer  11.8  Further  reading  11.9  References  11.10  Nomenclature 

12.  Momentum, Heat, and Mass  Transfer  12.1  Introduction  12.2  Transfer  by  molecular  diffusion  12.2.1  Momentum  transfer  12.2.2  Heat  transfer  12.2.3  Mass  transfer  12.2.4  Viscosity  12.2.5  Thermal  conductivity  12.2.6  Diffusivity  12.3  Eddy  transfer  12.3.1  The  nature of  turbulent  flow  12.3.2  Mixing  length  and  eddy  kinematic  viscosity  12.4  Universal  velocity  profile  12.4.1  The  turbulent  core  12.4.2  The  laminar  sub­layer  12.4.3  The  buffer  layer  12.4.4  Velocity  profile  for  all  regions  12.4.5  Velocity  gradients  12.4.6  Laminar  sub­layer  and  buffer  layer  thicknesses  12.4.7  Variation  of  eddy  kinematic  viscosity  12.4.8  Approximate  form  of  velocity  profile  in  turbulent  region  12.4.9  Effect  of  curvature  of  pipe  wall  on  shear  stress  12.5  Friction  factor  for  a  smooth  pipe  12.6  Effect  of  surface  roughness  on  shear  stress  12.7  Simultaneous momentum,  heat  and  mass  transfer  12.8  Reynolds  analogy  12.8.1  Simple form  of  analogy  between  momentum,  heat  and  mass  transfer  12.8.2  Mass  transfer  with  bulk  flow  12.8.3  Taylor­Prandtl  modification  of  Reynolds  analogy  for  heat  transfer  and  mass  transfer 12.8.4  Use  of  universal  velocity  profile  in  Reynolds  analogy  12.8.5  Flow  over  a  plane  surface  12.8.6  Flow  in  a  pipe  12.9  Further reading  12.10  References  12.11  Nomenclature 

13.  Humidification  and  Water Cooling  13.1  Introduction  13.2  Humidification  terms  13.2.1  Definitions  13.2.2  Wet­bulb  temperature  13.2.3  Adiabatic  saturation  temperature  13.3  Humidity  data  for  the air­water  system  13.3.1  Temperature­humidity  chart  13.3.2  Enthalpy­humidity  chart 

XI 685 685 685 687 690 691 692 692 692

694 694 696 696 696 696 697 698 699 700 701 702 706 706 707 707 708 708 709 7SO 711 7 i 2 713 715 717 720 720 72,3 725 727 729 731 735 735 735

738 738 739 739 742 743 746 749 751

XII 

CONTENTS 13.4  Determination  of  humidity  13.5  Humidification  and  dehumidification  13.5,1  Methods  of  increasing  humidity  1.3.5.2  Dehumidification  13.6  Water cooling  13.6.1  Cooling  towers  13.6.2  Design  of  natural­draught  towers  13.6.3  Height  of  packing  for  both  natural and  mechanical draught towers  13.6.4  Change  in air condition  13.6.5  Temperature  and  humidity gradients  in  a  water  cooling  tower  13.6.6  Evaluation of  heat  and ...