New2013年化工工艺系统设计

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1、化工工艺系统设计 考前辅导,主讲：郑纳伟,8.1 化工工艺系统设计的内容和深度 8.1.1 概述,8.1.2 化工工艺专业和工艺系统专业的区别工艺系统专业的主要设计任务是：整个工艺流程的系统分析；管道流体力学计算；全流程的泄压装置、疏水器等管件阀门的设置；全流程的控制方案的设计。它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。,以下，从8.1.3至8.1.10，为工艺系统 专业的主要工作内容大项列举 8.1.3 管道及仪表流程图（PID) PID在工艺包阶段就开始形成初版，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

2、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

3、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。,8.1.4 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用工程配套设施，

4、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。8.1.5化工管道设计(在“8.2”节中详述).8.1.6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。,8.1.7 机泵的安装设计 8.1.8 确定设备、管道布置原则及要求 8.1.9 编制管道数据表（重点为分类，分级，下页） 8.1.10 进行必要的系统安全分析,管道分类 根据ASME、ANSI标准，化工厂和炼油厂输送流体的分类分为4类：(1) D类流体 非易燃，无毒，无害; 1.035MPaG -29186度(2) M类流体（高毒）(

5、3) 高压流体（大于PN420,即2500#）(4) 一般流体分类规定。 我国压力管道分类、分级规定见下页（重点）,TSG D0001-2009 压力管道安全技术监察规程工业管道,8.2 化工管道设计8.2.1 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，一般应考虑以下原则。,8.2.1.1 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

6、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P606609,表8.3.2-1）和管道压力降控制表（见P610611,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。一般部是由查取经济流

7、速计算管径。对于重要管道，例如；真空管道、低压管道、自吸泵进口管道、对阻力降有严格要求的管道和对安全有要求的管道，都要认真计算一下。 8.2.1.2 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。,8.2.1.3 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。 8.2.1.4 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

8、流速过高会损坏保护膜，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：,8.2.1.5 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（GB50030-2007)氧气站设计规范 氢气流速应符合（GB5077-2005)氢气站设计规范

9、乙炔流速应符合（GB50031-1991)乙炔站设计规范 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。,8.2.1.6 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：,8.2.1.7 符合管材的标准规格,由材料工程师确定管壁厚度，再由工艺系统工程师作核算。,8.2.2 系统阻力降分析 伯努利方程 管内流动的雷诺数 磨擦产生的压力损失 摩擦系数和管道粗糙度的影响 阀门及管件的当量长度,8.2.3.1 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

10、按可压缩流体的计算方法选择管径和计算压力降。 初选管径 管径选择HG/T20570.95,8.2.3 系统阻力降计算,最终确定管径，按下式校核。,牛顿型与非牛顿型流体,流体的流动是一种极为复杂的现象，粘度是液体在层流时流变性质的主要特征，粘度的大小不仅与流体的化学、物理性质或其温度有关，还与流动时所受的作用力大小有关。在一定温度下和较宽的剪切速率范围内，粘度值保持恒定的称为牛顿型流体，如水、常见溶剂、低分子溶液和某些高分子稀溶液等；相反，当一种液体的粘度值随剪切应力或剪切速率的变化而改变时，这种流体则称为非牛顿型流体，如高分子熔融体、非牛顿型流体涂料、油漆、油墨、浆糊及许多树脂流体等均属非牛顿

11、型流体,8.2.3.2 管道中不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。8.2.3.2.1 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Re2000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/d15/Re时，摩擦系数可按光滑管计 当3*103Re105时 =0.3164/Re0.25 阻力平方区：当管道相对粗糙度/d 560/Re时，摩擦系数与Re无关，而只取决

12、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)2,8.2.3.2.2 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*104LV2f/d5i 单相流（可压缩流体）的等温流动Pf=6.26*103gLW2G/d5im (2)局部

13、阻力1)当量长度法2)局部阻力系数法,8.2.4 管道设计压力和设计温度8.2.4.1 管道设计压力的确定原则 管道设计压力是在相应设计温度下，用以确定管道壁厚及其它管件尺寸的压力值，它不应小于操作运行中遇到的压力（内压或外压）与温度相组合中最苛刻条件下的压力值。 本专业根据化工工艺专业提供的正常工作过程中各种工况的工作压力数据，结合本专业该管道系统的附加条件（如管道系统压力变化、介质状况等）来确定管道的最大工作压力（即本专业所确定的设计压力），作为管材专业确定管道压力等级的基准压力和进行管壁厚度计算的依据。,1）管道设计压力不得低于最大工作压力 2）装有安全泄放装置的管道，其设计压力不得低于

14、安全泄放装置的开启压力 3）所有与设备相连接的管道，其设计压力应不小于所连接设备的设计压力。 4）输送制冷剂、液化气类等低沸点介质的管道，按阀被关闭或介质不流动时介质可能达到的最大饱和蒸汽压力作为设计压力。 5）管道或管道组成件与超压泄放装置间通路可能被堵塞或隔断时，设计压力按不低于可能产生的最大工作压力来确定。 6）设计规定需要计算管壁厚度的管道，其“管壁厚度数据表”所列的计算压力即为该管道的设计压力，与计算相对应的工作温度即为该管道的设计温度。,8.2.4.2 管道设计压力选取1）设有安全阀的压力管道管道设计压力安全阀开启压力2）与未设安全阀的设备相连的压力管道管道设计压力设备设计压力3）

15、离心泵出口管道管道设计压力泵的关闭压力4）往复泵出口管道管道设计压力泵出口安全阀开启压力,5）压缩机排出管道管道设计压力安全阀开启压力+压缩机出口至安全阀沿程最大正常流量下的 压力降6）真空管道管道设计压力=全真空7）凡不属上述范围管道管道设计压力工作压力变动中的最大 值,8.2.4.3 管道设计温度选取管道设计温度应根据化工工艺专业提供的正常操作过程中各种工况的工作温度，按“最苛刻条件下的压力温度组合”来选取管道设计温度。本专业不确定管道设计温度，但需根据化工工艺专业发表的数据，向管道专业和管材专业提出在相应压力下的正常工作温度和（或）最高（或最低）工作温度。如需本专业提出时，可按下述确定。

16、1）以传热计算或实测得出的正常工作过程介质的最高工作温度下的管壁温度，作为设计温度。,2）不便于传热计算或实测管壁温度的情况下，以正常工作过程中介质的最高（或最低）工作温度作为管道设计温度。 金属管道 a.不保温管道介质温度38管道：管道设计温度=介质最高温度介质温度38管道：管道设计温度=95%介质最高温度 b.外部保温管道管道设计温度=介质最高温度 c.内部保温管道（用绝热材料衬里）管道设计温度=传热计算管壁温度或实验室测的壁温,d.介质温度0时管道设计温度=介质最低温度 非金属管道及非金属衬里的金属管道 a.无环境温度影响的管道管道设计温度=介质最高温度 b.安装在环境温度高于介质最高温度的环境中的管道（除已采取保护措施者以外）管道设计温度=环境温度 3）以化工工艺专业提出的正常工作过程中介质的正常工作温度加（或减）一定裕量作为设计温度，按下式确定：,