工艺管道经济流速的研究

2011-12-08杨成伟蓝星化工新材料股份有限公司江西星火有机硅厂九江330319

化工设计 2011年4期

关键词：推荐值压力降水蒸汽

杨成伟蓝星化工新材料股份有限公司江西星火有机硅厂九江 330319

工艺管道经济流速的研究

杨成伟*蓝星化工新材料股份有限公司江西星火有机硅厂九江 330319

介绍工艺管道经济流速的选择及其与管道压力降的关系。

经济流速管径百米压降

1 概述

化工生产中经常遇到的流体运动绝大多数是湍流。当输送流体的能力一定时，管径大小直接影响经济效果。管径小，介质流速高，管路压力降大，增加流体输送设备的动力操作费用;反之，增大管径，动力费用减少，管路建造费用增加。因此，为求得其矛盾的统一，设计上必须选择合理的管径。

管路压力降计算的目的，是根据介质流量及允许的压力降来确定管径或根据管径和介质流量来验算压力降。确定管径时应根据运行中可能出现的最大流量和允许的最大压力降来计算。

经济流速、管径、压力降这三者之间是密切相关的，它们之间的选择与确定应该根据介质性质、操作情况、建设投资和操作费用、项目建设要求等情况具体确定。但是它们的选取还是有一定规律可循的，在日常的工作中，一些年轻的工程师在确定经济流速时往往是查手册规范中相关表格中的数据，这些表格中的数据虽然正确，但是在应用到具体实际问题中却略显粗糙，以下对液体、气体、水蒸汽、气液两相流等流体经济流速的选取进行概括与讨论，并对具体问题完善常用流速范围及压力降推荐值。

2 液体

液体是化工生产中常见的流体种类，最常见的有水、酸、碱、有机物、油品、液化烃等。不同的流体按其性质、状态和操作要求的不同，应选用不同的流速。粘度较高的液体，摩擦阻力较大，应选择较低的流速;允许压力降较小的管道，例如常压自流管道和输送泡点状态液体的泵入口管道，应选择较低的流速;允许压力降较大或介质粘度较小的管道，应选择较高的流速;一些含有固体颗粒或较易结晶的管道，应选择较高的流速;同时为防止因介质流速过高引起管道冲蚀、磨损、振动和噪声等现象，液体流速一般不宜超过4 m/s。

2.1 流速

2.1.1 特殊液体最大流速

特殊液体最大流速值，见表1。

表1 特殊液体最大流速值(m/s)

2.1.2 一般液体的流速

液体多由泵来输送，泵的进口液体流速:0.5～1.5 m/s;泵的出口液体流速:1.5～2.5 m/s;设备底部出口液体流速:1.0～1.5 m/s;对于自流的管道出口液体流速:0.7～1.5 m/s;罐区大罐底部出口的流速:0.5～1.0 m/s。常见液体经济流速推荐值，见表2。

2.2 压降

2.2.1 压降的计算

在工艺设计中，估算直管道的百米压降值较为常见，其公式为:

式中，λ为摩擦因子，无量纲;L为管长，m;D为管道内径，m;u为流体平均流速，m/s;摩擦因子λ与管内流动介质的雷诺数Re和管壁相对粗糙度ε/D有关，见表3～6。

表3 各种流体流型与雷诺数的关系

表4 各种流型下相对粗糙度与雷诺数的关系

2.2.2 压降的选取

用离心泵输送液体，当采用一对一的供料方式时，选取适当的流速和压降使最终泵的扬程在20～50m较为经济，最好不大于50m;当采用一对多用户供料方式时，泵的扬程可能大于50m，这在公用工程的设计中是十分常见的。在泵的进口管道设计中，由于目前国内较为常见的离心泵的NPSHr大于2m，所以在选取合适的流速和压降的前提下计算出的NPSHa应该大于4m为宜，在输送饱和液体的情况下，NPSHa也以不小于3m为宜。

表5 各种流型下摩擦因子与雷诺数的关系

表6 部分工业管道的绝对粗糙度

一些液体的压力降推荐值见表7。

表7 部分液体的压力降推荐值

在公用工程系统的设计中，常见的液态流体有循环水、纯水、冷冻水、新鲜水、软水、生活用水等。由于从水站或界区到各生产装置的距离较长，所以在公用工程的设计中各专业一般取压降值为10～20kPa/100m，以水为例，输水管道的流量、流速和压力降对照，见表8。

表8 输水管道流量、流速和压力降对照简表

3 常见气体

常见气体有压缩空气、氮气、氧气、氢气、煤气、烟道气、氨气、气态烃类等。气体流速一般不超过其临界速度的85%，真空下最高不超过100 m/s。

3.1 流速

气体管道流速一般控制在10～15m/s，真空度高的管道流速较高，可在80 m/s以上。

常见气体经济流速推荐值，见表9。

表9 常见气体经济流速推荐值

3.2 压降

气体在管道内流速高导致压力降较大时，气体的密度将显著变化，当管道末端的压力低于始端压力的80%时，应按可压缩流体的计算方法选择管径和计算压力值。

在工程设计中一般可按理想气体计算，长度大于管内径1000倍的不隔热管道，可按等温流动计算;长度小于管内径1000倍的不隔热管道，可按绝热流动计算。

在同一管道内，气体按等温或绝热流动计算所得到的流通能力是不同的。绝热流动的能力比等温流动的能力大20%左右，但等温流动计算方法比较简单，在工程设计时，如果用等温流动计算绝热流动管道，其结果偏于安全，是允许的。

一些气体的压力降推荐值，见表10。

表10 部分气体的压力降推荐值

在公用工程系统中经常见的气体有压缩空气、仪表空气、氮气等。在这些气体中压缩空气、仪表空气常规的压力为0.7MPa(G)，氮气常规的压力为0.6MPa(G)。以0.7MPa(G)压缩空气和0.6MPa(G)氮气为例，气体管道的流量、流速和压力降对照分别见表11和表12。

表11 压缩空气管道流量、流速和压力降对照简表

4 水蒸汽

水蒸汽是最常用的热源，它具有热焓高、易于制备和输送、使用比较安全等优点。按照其饱和温度区分可分为饱和蒸汽和过热蒸汽。目前使用较普遍的低压蒸汽规格有0.45MPa(G)和1.0MPa(G)。

表12 氮气管道流量、流速和压力降对照简表

4.1 流速

蒸汽管道的流速比气体管道的要高些，一般控制在15～20m/s。

常见水蒸汽经济流速推荐值，见表13。

表13 常见水蒸汽经济流速推荐值

4.2 压降

通常查蒸汽算图计算水蒸汽压降，但是算图的种类很多，其适用范围不同，同时在查图过程中会由于尺寸连线的不准确使结果产生误差。较稳妥的计算方法是通过PROⅡ进行模拟运算，运算方法可用SRK。

水蒸汽的压力降推荐值，见表14。

表14 水蒸汽的压力降推荐值

以0.45MPa(G)水蒸汽和1.0MPa(G)水蒸汽为例，管道的流量、流速和压力降对照分别见表15和表16。

表15 0.45MPa水蒸汽管道流量、流速和压力降对照简表

表16 1.0MPa水蒸汽管道流量、流速和压力降对照简表

5 气体与水蒸汽经济流速的比较

由表9和表13可以看出，蒸汽管道介质流速随着蒸汽压力增高而增加，而压缩空气管道介质流速随空气压力增高而减小。关于蒸汽的流速之所以压力越高允许的流速越高，主要是因为要尽量避免输送过程的热损失，通常长距离输送的蒸汽都是过热度较高的蒸汽，然后经过减温减压后再送至用户。因而蒸汽管道的允许压降较大，所以可以在较高流速下输送。而使用压缩空气主要要利用其压力，压力过多损失在管道上会增加的压缩功的损耗，这样压缩机的投资增加较多而不经济。

6 气液两相流

气液两相流是常见的流体流动过程，具有单相流动所不存在的许多复杂因素。其流动状态不能仅由滞流和湍流确定，而是要取决于不同的流动型态(分层流、泡状流、雾状流、波状流、环状流、塞状流)和两相间的自由界面等因素，这些因素使问题变得很复杂，因而迄今尚没有一种完善的方法普遍适用于各种不同的两相流计算，往往需要根据工程经验采用不同的方法并根据不同的情况加以修正。

6.1 流速

气液两相流管道的流速较低，一般控制在0.5 m/s以下。

6.2 压降

蒸汽冷凝液产生的凝结水在管道内流动时，由于压力降而产生的自蒸发现象，使管道内出现汽水两相状态。

较为简单的计算方法是首先按水计算其所需内径和管道压力降，再用以下公式换算成有汽化凝结水的管径和压力降。

式中，ds为按汽水混合物计算的管内径，mm;di为按凝结水计算的管内径，mm;ρl为按凝结水计算的密度，kg/m3;ρs为按汽水混合物计算的密度，kg/m3。

公用工程中普遍使用的低压蒸汽规格有0.45MPa(G)，其产生的冷凝液若忽略通过加热设备的压力损失和过冷因素，则冷凝液的压力可按0.45MPa(G)考虑，温度不变。冷凝液管道设疏水阀后排至凝液收集系统，若凝液收集系统用作热水，则一般收集罐是常压的。若疏水阀的背压设为0.25MPa(G)，则不同管道管径、流量和汽液两相压力降值之间的关系，见表17。

表17 汽液两相流管道流量、流速和压力降对照简表

7 结语

通过对液体、气体、水蒸汽、气液两相流等流体流速、管径和压力降的分析讨论，可以得出以下结论:

(1)管道的设计应满足工艺对管道的要求，其流通能力应按正常生产条件下介质的最大流量考虑，其最大压力降应不超过工艺允许值，其流速应位于根据介质的特性所确定的安全流速的范围内。

(2)综合权衡建设投资和操作费用。石化装置的管道投资一般占装置投资20%左右。随着管径的增加，不仅增大了管壁厚度和管子重量，而且增大管道上的阀门和管件，增加隔热层厚度和材料的用量。因此，在设计管道时，一般在允许压力降的前提下尽量的选用较小管径，特别是在确定合金管管径时更需慎重对待，以节省投资。但是，管径太小则流速增高，阻力增大，增加机泵的投资和功率消耗，从而增加操作费用。因此，在确定管径时，应综合权衡投资和操作费用两种因素，取其最佳值。

(3)不同流体按其性质、状态和操作要求，应选用不同的流速。粘度较高的液体，摩擦阻力较大，应选用较低的流速;允许压力降较小的管道，如常压自流管道和输送泡点状态液体的泵入口管道，应选用较低的流速;允许压力降较大或介质粘度较小的管道，可选用较高流速。

(4)为防止因介质流速过高引起管道冲蚀、磨损、振动和噪声等现象，液体流速一般不宜超过4 m/s。气体流速一般不超过其临界速度的85%，真空下最高不超过100 m/s。含有固体物质的流体，其流速不应过低，以免固体沉积而堵塞管道，但也不宜太高，以免加速管道的磨损或冲蚀。

(5)同一介质在不同管径的情况下，虽然流速和管长相同，但管道的压力降却可能相差较大。因此，在设计管道时，如允许压力降相同，小流率介质应选用较小管道，大流率介质可选用较高流速。

(6)确定管径后，应选用符合管材的标准规格，对工艺用管道，不推荐选用DN32、DN65和DN125管子。

1 化工工艺设计手册(上册、下册)(第三版)［M］．北京:化学工业出版社，2003，8．

2 石油化工装置工艺管道安装设计手册(第一篇)(第一版)［M］．北京:中国石化出版社，1994，4．

3 工艺系统工程设计技术规定［M］．北京:化工部工程建设标准编译中心，1996，9．

4 ASME管道数据手册［M］，2001．

5 石油化工设计手册(第一版)［M］．北京:化学工业出版社，2002，1．

6 化工管路手册［M］．北京:石油化学工业出版社．

7 APPLIEDPROCESSDESIGNFORCHEMICALAND PETROCHEMICAL PLANTS．

8 化工流体流动与传质(第一版)［M］．北京:化学工业出版社，2000，9．