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1、 化工工艺系统设计 1概述1 1化工工艺系统设计人员必须具备的基本条件要建设一个化工厂 必须具有一批化工工艺专业技术人员 同时也必须具有一批化工工艺系统专业设计人员 这些专业人员必须具备的基本化工专业知识与工艺专业基本相同且各有侧重 包括以下几点 掌握化工基本理论 掌握化工工艺系统设计方法和技能 熟悉较广泛的相关专业知识 熟悉有关的国家标准规范 实际的工程经验 1 2化工工艺专业和工艺系统专业的区别工艺系统专业主要是将工艺专业提供的PFD发展成为能指导施工 安装 正常开车停车 事故停车 满足生产要求的PID 2工艺系统设计的内容和深度2 1管道及仪表流程图 PID PID在工艺包阶段就开始形成
2、初版 随着设计阶段的深入 不断补充完善深化 它分阶段和版次分别发表 PID各个版次的发表 表明了工程设计进展情况 为工艺 自控 设备 电气 电讯 配管 管机 管材 设备布置和给排水等专业及时提供相应阶段的设计信息 PID是基础设计和详细设计中主要成品之一 它反映的是工艺设计流程 设备设计 设备和管道布置设计 自控仪表设计的综合成果 PID所包含的内容 1 表示出全部设备 机械 驱动机及备机 包括制造商提供的 并进行标注 2 表示出所有工艺 公用工程 辅助物料管道 包括开 停车管道 吹扫 置换 再生 溶液制备管道 以及间断使用的管道 并标注管道顺序 物料代号 管道直径 管道等级 在同一管道中有不
3、同等级的应表示出分界符号 管道材料代号和隔热 隔声代号 并表明物料流向 3 所有检测与控制仪表 以及功能标识 并进行编号 4 画出工艺生产所需的全部阀门 不同阀门类别以不同图形表示 特殊管件 限流孔板 安全阀 爆破片 疏水器 阻火器等都进行标注 5 设备的关键标高 最小尺寸 和关键的设计尺寸 对设备 管道 仪表有特定布置的要求和其他关键的设计要求说明 如对配管对称要求 真空管路等 6 成套 配套 设备供货范围和设计单位分工范围 7 首页图上文字代号 编写字母 各类图形符号 以及仪表图形 代号 线型符号的表示含义 2 2公用工程管道及仪表流程图 UID UID包含了 1 在工艺流程中重要考虑的公
4、用工程配套设施 如工艺用水 蒸汽 仪表空气 压缩空气 氮气等以及冷冻 真空系统等 2 与其他专业密切配合的公用工程 如生产用电 给排水 空调采暖通风等 2 3化工管道设计 在 3 节中详述 2 4设置和选择必要的安全设施 如安全阀 爆破片 限流孔板 阻火器等 2 5机泵的安装设计2 6确定设备 管道的布置原则及要求2 7编制管道数据表2 8进行必要的系统安全分析 3化工管道设计3 1化工管道设计的原则化工装置的工艺管道设计应在满足工艺要求和安全生产的前提下 求得最经济的管径 要求工艺系统专业根据流体力学知识 从生产装置的不同工艺要求进行管道工艺设计 并符合有关介质安全设计规定 在管道工艺设计时
5、 一般应考虑以下原则 3 1 1经济管径管径选择方法对化工装置的经济效果十分重要 一个化工装置的管道投资往往占整个装置投资的10 20 如果任意放大管径 不仅增大了管壁厚度和管子重量 还增大了相应的阀门和关键的尺寸 增加了保温材料的用量以及管子支吊架的荷重 因此在计算管径时应尽量选用较高的流速 以减小管径 但是 随着流速的增大 管内摩擦阻力也加大 增加压缩机和泵的功率消耗和操作费用 因此 需在建设投资和操作费用之间寻找最佳结合点 即成本最低 来求得经济管径 在初选管径时 由于条件所限 还无法从建设投资和操作费用两者中寻找最佳结合点的角度来求得经济管径 但可以采用查取常用流速范围 见P606 6
6、09 表8 3 2 1 和管道压力降控制表 见P610 611 表8 3 2 2 表8 3 2 3 的方法 这样计算得到的管径比较接近经济管径 3 1 2压力降要求一般情况下 管道是按阀门全开情况下计算压力降的 否则流量将难以满足工艺需要 一般对于允许压力降较小的流体 流量小的流体 粘度较大的流体则应选取较低的流速 反之 则应选取较高的流速 3 1 3工艺控制要求在一般情况下 调节阀压降应占整个控制系统总压力降的30 左右 这样调解阀的开大关小对流量控制就比较明显 易于调节 3 1 4限制管壁磨损金属的耐腐蚀性能 在大多数情况下 主要依靠其接触腐蚀介质表面的一层保护膜 管内流速过高会损坏保护膜
7、 引起管道冲蚀和磨损的现象 最终将缩短管道的预期使用寿命 因此 在进行管道工艺计算时 应该注意在下列条件下会使腐蚀速率加快 必须采取限制流速的措施 1 腐蚀介质会引起管壁脆弱 2 软金属管 如铅或铜 3 工艺介质中存在有腐蚀性的固体颗粒 4 带有大量管件的管道将导致高的湍流如遇到上述问题时 应采取限制流速的方法 建议液体最大的流速为2m s 部分腐蚀介质的最大流速见下表 3 1 5满足介质安全输送的规定特殊介质的流速还应符合相应的标准 例如 氧气流速应符合 GB50030 1991 氧气站设计规范氢气流速应符合 GB5077 1993 氢气站设计规范乙炔流速应符合 GB50031 1991 乙
8、炔站设计规范部分流体最大流速可参见下表 在没有数据情况下 可根据已有生产装置的情况 经核算 求出有关流速数据 3 1 6满足噪声控制要求流体在阀门或管道内的流速越高 噪声也越高 降低流速可以减小噪声 一般气体管道内流速的限制值见下表 3 2系统阻力降分析3 2 1伯努利方程3 2 2管内流动的雷诺数3 2 3磨擦产生的压力损失3 2 4摩擦系数和管道粗糙度的影响3 2 5阀门及管件的当量长度3 3管道中可压缩流体的阻力计算当管道末端的压力小于始端压力的80 时 应按可压缩流体的计算方法选择管径和计算压力降 3 3 1初选管径3 3 2最终确定管径按式8 3 2 1校核 P612 3 4管道中不
9、可压缩流体的阻力计算液体和进出口端的压差小于进口端压力的20 的气体都可按不可压缩流体来进行计算 3 4 1确定流体的流动状态和摩擦系数 的求取流动状态可用流体的雷诺数Re表示 Re的计算公式 Re diu 当Re 2000时 流体的流动处于层流状态 管道的阻力只与雷诺数有关 即 64 Re 当Re 2000时 流体的流动处于湍流状态 管道的阻力与Re和管壁粗糙度 有关 而湍流的摩擦系数 可分为三个区域 即水力光滑区 过渡区和阻力平方区 水力光滑区 当管道相对粗糙度 d 15 Re时 摩擦系数 可按光滑管计当3 103 Re 105时 0 3164 Re0 25阻力平方区 当管道相对粗糙度 d
10、 560 Re时 摩擦系数 与Re无关 而只取决于相对粗糙度 此时 1 1 74 2log di 2 2过渡区 当15 Re d 560 Re时 摩擦系数 与Re数和管道相对粗糙度 d有关 1 1 74 2log 2 di 18 7 Re 2 3 4 2管道压力降流体在管道中流动的压力降 Pp可分为直管压力降 Pf和局部压力降 Pt即 Pp Pf Pt考虑到估算的直管长度和管件数量的不准确性 计算出 Pp应乘以1 15安全系数作为设计值 1 直管压力降单相流 不可压缩流体 在湍流区的直管压力降的计算 Pf 6 26 104 LV2f d5i单相流 可压缩流体 的等温流动 Pf 6 26 103
11、g LW2G d5i m 2 局部阻力 P615 P617 1 当量长度法2 局部阻力系数法例题 P617例8 3 3 2 3 5管道 阀门的噪声控制根据国家标准 工业企业噪声控制设计规范 GBJ87 85 的规定 工人作业场所的噪声控制可见表8 3 4 P620 3 5 1管道的噪声控制3 5 2阀门的噪声控制 3 6设备接管要求设计 核算设备的接管时 要格外注意流体通过设备管口处的流速 压降是否在合理数值范围内 尤其在低压系统 管接头 管道处的最大推荐流速值见表8 3 5 P622 3 7机泵压差要求在确定机泵的压差要求是 1 要考虑到管道阻力计算的误差 运行过程管道的结垢使管道阻力增大
12、一般考虑泵扬程的安全系数为1 1 1 15 2 泵选型后 应考虑到制造提供泵的性能曲线或性能一般是在常温常压下用清水测得的 若我们输送的液体的物理性质与水有较大差异时 则应将泵的性能指标流量 扬程换算成被输送液体性质的流量 扬程 与所要求的工艺条件比较确定所选泵的性能是否符合工艺要求 3 7 1扬程的计算机泵所需要的扬程 是由管网系统的安装和操作条件决定的 根据其实际长度 走向 相对位置来计算扬程 计算公式如下 H Pd Ps g HD HS hfs hfd式中各符号的含意详见P623 3 7 2泵的轴功率的校核离心泵的轴功率计算公式为N QH 102 参见式8 3 6 2P623 4安全设施
13、的设置4 1安全设施设置的原则 总平面布置 消防设计 火灾报警 均牵涉安全问题 严格按国家和行业有关的标准和规范 特别是一些强制性规范 主要规范有 石油化工企业设计防火规范GB50160 92 1999修订版爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50058 92 危险区的划分 建筑物防雷击设计规范GB50057 92 2000年版建筑设计防火规范GB50016 2006工业企业设计卫生标准GBZ1 2002以及其它行业标准和规范 如果用户有要求 只要不违背上述主要标准 也可以按用户要求 对于化工装置 储运中危险物料的安全控制是防火 防爆最有效的措施 因此必须严格遵照上述规范规定执行 在PID阶
14、段中 化工工程师必须和仪表工程师共同合作 设计必要的安全保护措施 安全泄压系统就是其中之一 4 2化工装置安全泄压系统系统安全设计至关重要 泄压系统主要由各个独立的泄压装置组成 它包括火炬管道系统 火炬分离器 以及包括点火 喷咀密封装置和用于无烟燃烧的蒸汽喷射装置 泄压阀或其它泄压装置 安全阀 爆破片等 用于管道或设备的过压保护 为保护人身安全和设备的完好 必须正确选择 设计泄压装置 同时要符合规范与法规的要求 一般造成安全隐患的因素有 设备和机泵等出口堵塞火灾管道破裂控制阀故障热膨胀公用工程故障例题 见P625例8 4 1 4 3阀门设置的原则阀门设置是在设计PID时的一项重要工作 在设置阀
15、门时必须考虑以下诸因素 输送流体的性质 是否含固体颗粒 腐蚀性如何 粘稠性如何 液体是否会气汽化 气体是否会液化等 阀门的功能 用于切断还是调节 是否需快速启闭 阀门的尺寸 一般与管道尺寸一致 阀门的阻力损失 主要指可接受的阻力损失 阀门的工作温度和压力阀门的材质 当阀门的温度压力等级和流体特性确定后 就应选择合适经济的材质 4 4安全阀的设置在石油化工生产过程中 为了防止由于某些生产事故造成生产装置系统压力超过设备和管道的设计压力 而发生爆炸事故 应在设备或管路上设置安全阀 安全阀适用于清洁 无颗粒 低粘度流体 凡必须安装安全泄压装置而又不适合安装安全阀的场所 应安装爆破片或安全阀与爆破片串
16、联使用 4 4 1凡属下列情况之一的容器必须安装安全阀 1 独立的压力系统 有切断阀与其他系统分开 该系统指全气相 全液相或与气相连通 2 反应器异常而引起的超压 3 容器的物料来源处没有安全阀的场合 4 设计压力小于压力来源处的压力的容器管道 5 容积式泵和压缩机的出口管道 6 由于不凝气的累积产生超压的容器 7 加热炉出口管道上如设有切断阀或控制阀时 应在该阀的上游设置安全阀 8 由于工艺事故 自控事故 电力事故 火灾事故和公用工程事故引起的超压部位 9 液体因两端阀门关闭而产生热膨胀的部位 10 凝气透平机的蒸汽出口管道 11 某些情况下 由于泵出口止回阀的泄漏 则在泵的入口管道上设置安全阀 4 4 2安全阀形式的选择 1 排放气体或蒸汽时 选用全启式安全阀 2 排放液体时 选用全启式或微启式安全阀 3 排放水蒸汽或空气时 可选用带扳手的安全阀 4 对设定压力大于3MPa 温度超过235 的气体用安全阀 则选用带散热片的安全阀 以防止泄放介质直接冲蚀弹簧 5 排放介质允许泄漏至大气的 选用开式阀帽安全阀 不允许泄漏至大气的 选用闭式阀帽安全阀 6 排放有剧毒 有强腐蚀 有极度危险
