楊成偉 藍(lán)星化工新材料股份有限公司江西星火有機(jī)硅廠 九江 330319

工藝管道經(jīng)濟(jì)流速的研究

楊成偉*藍(lán)星化工新材料股份有限公司江西星火有機(jī)硅廠 九江 330319

介紹工藝管道經(jīng)濟(jì)流速的選擇及其與管道壓力降的關(guān)系。

經(jīng)濟(jì)流速管徑百米壓降

1 概述

化工生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的流體運(yùn)動絕大多數(shù)是湍流。當(dāng)輸送流體的能力一定時(shí)，管徑大小直接影響經(jīng)濟(jì)效果。管徑小，介質(zhì)流速高，管路壓力降大，增加流體輸送設(shè)備的動力操作費(fèi)用;反之，增大管徑，動力費(fèi)用減少，管路建造費(fèi)用增加。因此，為求得其矛盾的統(tǒng)一，設(shè)計(jì)上必須選擇合理的管徑。

管路壓力降計(jì)算的目的，是根據(jù)介質(zhì)流量及允許的壓力降來確定管徑或根據(jù)管徑和介質(zhì)流量來驗(yàn)算壓力降。確定管徑時(shí)應(yīng)根據(jù)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最大流量和允許的最大壓力降來計(jì)算。

經(jīng)濟(jì)流速、管徑、壓力降這三者之間是密切相關(guān)的，它們之間的選擇與確定應(yīng)該根據(jù)介質(zhì)性質(zhì)、操作情況、建設(shè)投資和操作費(fèi)用、項(xiàng)目建設(shè)要求等情況具體確定。但是它們的選取還是有一定規(guī)律可循的，在日常的工作中，一些年輕的工程師在確定經(jīng)濟(jì)流速時(shí)往往是查手冊規(guī)范中相關(guān)表格中的數(shù)據(jù)，這些表格中的數(shù)據(jù)雖然正確，但是在應(yīng)用到具體實(shí)際問題中卻略顯粗糙，以下對液體、氣體、水蒸汽、氣液兩相流等流體經(jīng)濟(jì)流速的選取進(jìn)行概括與討論，并對具體問題完善常用流速范圍及壓力降推薦值。

2 液體

液體是化工生產(chǎn)中常見的流體種類，最常見的有水、酸、堿、有機(jī)物、油品、液化烴等。不同的流體按其性質(zhì)、狀態(tài)和操作要求的不同，應(yīng)選用不同的流速。粘度較高的液體，摩擦阻力較大，應(yīng)選擇較低的流速;允許壓力降較小的管道，例如常壓自流管道和輸送泡點(diǎn)狀態(tài)液體的泵入口管道，應(yīng)選擇較低的流速;允許壓力降較大或介質(zhì)粘度較小的管道，應(yīng)選擇較高的流速;一些含有固體顆?；蜉^易結(jié)晶的管道，應(yīng)選擇較高的流速;同時(shí)為防止因介質(zhì)流速過高引起管道沖蝕、磨損、振動和噪聲等現(xiàn)象，液體流速一般不宜超過4 m/s。

2.1 流速

2.1.1 特殊液體最大流速

特殊液體最大流速值，見表1。

表1 特殊液體最大流速值(m/s)

2.1.2 一般液體的流速

液體多由泵來輸送，泵的進(jìn)口液體流速:0.5～1.5 m/s;泵的出口液體流速:1.5～2.5 m/s;設(shè)備底部出口液體流速:1.0～1.5 m/s;對于自流的管道出口液體流速:0.7～1.5 m/s;罐區(qū)大罐底部出口的流速:0.5～1.0 m/s。常見液體經(jīng)濟(jì)流速推薦值，見表2。

2.2 壓降

2.2.1 壓降的計(jì)算

在工藝設(shè)計(jì)中，估算直管道的百米壓降值較為常見，其公式為:

式中，λ為摩擦因子，無量綱;L為管長，m;D為管道內(nèi)徑，m;u為流體平均流速，m/s;摩擦因子λ與管內(nèi)流動介質(zhì)的雷諾數(shù)Re和管壁相對粗糙度ε/D有關(guān)，見表3～6。

表3 各種流體流型與雷諾數(shù)的關(guān)系

表4 各種流型下相對粗糙度與雷諾數(shù)的關(guān)系

2.2.2 壓降的選取

用離心泵輸送液體，當(dāng)采用一對一的供料方式時(shí)，選取適當(dāng)?shù)牧魉俸蛪航凳棺罱K泵的揚(yáng)程在20～50m較為經(jīng)濟(jì)，最好不大于50m;當(dāng)采用一對多用戶供料方式時(shí)，泵的揚(yáng)程可能大于50m，這在公用工程的設(shè)計(jì)中是十分常見的。在泵的進(jìn)口管道設(shè)計(jì)中，由于目前國內(nèi)較為常見的離心泵的NPSHr大于2m，所以在選取合適的流速和壓降的前提下計(jì)算出的NPSHa應(yīng)該大于4m為宜，在輸送飽和液體的情況下，NPSHa也以不小于3m為宜。

表5 各種流型下摩擦因子與雷諾數(shù)的關(guān)系

表6 部分工業(yè)管道的絕對粗糙度

一些液體的壓力降推薦值見表7。

表7 部分液體的壓力降推薦值

在公用工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，常見的液態(tài)流體有循環(huán)水、純水、冷凍水、新鮮水、軟水、生活用水等。由于從水站或界區(qū)到各生產(chǎn)裝置的距離較長，所以在公用工程的設(shè)計(jì)中各專業(yè)一般取壓降值為10～20kPa/100m，以水為例，輸水管道的流量、流速和壓力降對照，見表8。

表8 輸水管道流量、流速和壓力降對照簡表

3 常見氣體

常見氣體有壓縮空氣、氮?dú)?、氧氣、氫氣、煤氣、煙道氣、氨氣、氣態(tài)烴類等。氣體流速一般不超過其臨界速度的85%，真空下最高不超過100 m/s。

3.1 流速

氣體管道流速一般控制在10～15m/s，真空度高的管道流速較高，可在80 m/s以上。

常見氣體經(jīng)濟(jì)流速推薦值，見表9。

表9 常見氣體經(jīng)濟(jì)流速推薦值

3.2 壓降

氣體在管道內(nèi)流速高導(dǎo)致壓力降較大時(shí)，氣體的密度將顯著變化，當(dāng)管道末端的壓力低于始端壓力的80%時(shí)，應(yīng)按可壓縮流體的計(jì)算方法選擇管徑和計(jì)算壓力值。

在工程設(shè)計(jì)中一般可按理想氣體計(jì)算，長度大于管內(nèi)徑1000倍的不隔熱管道，可按等溫流動計(jì)算;長度小于管內(nèi)徑1000倍的不隔熱管道，可按絕熱流動計(jì)算。

在同一管道內(nèi)，氣體按等溫或絕熱流動計(jì)算所得到的流通能力是不同的。絕熱流動的能力比等溫流動的能力大20%左右，但等溫流動計(jì)算方法比較簡單，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，如果用等溫流動計(jì)算絕熱流動管道，其結(jié)果偏于安全，是允許的。

一些氣體的壓力降推薦值，見表10。

表10 部分氣體的壓力降推薦值

在公用工程系統(tǒng)中經(jīng)常見的氣體有壓縮空氣、儀表空氣、氮?dú)獾?。在這些氣體中壓縮空氣、儀表空氣常規(guī)的壓力為0.7MPa(G)，氮?dú)獬Ｒ?guī)的壓力為0.6MPa(G)。以0.7MPa(G)壓縮空氣和0.6MPa(G)氮?dú)鉃槔?，氣體管道的流量、流速和壓力降對照分別見表11和表12。

表11 壓縮空氣管道流量、流速和壓力降對照簡表

4 水蒸汽

水蒸汽是最常用的熱源，它具有熱焓高、易于制備和輸送、使用比較安全等優(yōu)點(diǎn)。按照其飽和溫度區(qū)分可分為飽和蒸汽和過熱蒸汽。目前使用較普遍的低壓蒸汽規(guī)格有0.45MPa(G)和1.0MPa(G)。

表12 氮?dú)夤艿懒髁?、流速和壓力降對照簡?/p>

4.1 流速

蒸汽管道的流速比氣體管道的要高些，一般控制在15～20m/s。

常見水蒸汽經(jīng)濟(jì)流速推薦值，見表13。

表13 常見水蒸汽經(jīng)濟(jì)流速推薦值

4.2 壓降

通常查蒸汽算圖計(jì)算水蒸汽壓降，但是算圖的種類很多，其適用范圍不同，同時(shí)在查圖過程中會由于尺寸連線的不準(zhǔn)確使結(jié)果產(chǎn)生誤差。較穩(wěn)妥的計(jì)算方法是通過PROⅡ進(jìn)行模擬運(yùn)算，運(yùn)算方法可用SRK。

水蒸汽的壓力降推薦值，見表14。

表14 水蒸汽的壓力降推薦值

以0.45MPa(G)水蒸汽和1.0MPa(G)水蒸汽為例，管道的流量、流速和壓力降對照分別見表15和表16。

表15 0.45MPa水蒸汽管道流量、流速和壓力降對照簡表

表16 1.0MPa水蒸汽管道流量、流速和壓力降對照簡表

5 氣體與水蒸汽經(jīng)濟(jì)流速的比較

由表9和表13可以看出，蒸汽管道介質(zhì)流速隨著蒸汽壓力增高而增加，而壓縮空氣管道介質(zhì)流速隨空氣壓力增高而減小。關(guān)于蒸汽的流速之所以壓力越高允許的流速越高，主要是因?yàn)橐M量避免輸送過程的熱損失，通常長距離輸送的蒸汽都是過熱度較高的蒸汽，然后經(jīng)過減溫減壓后再送至用戶。因而蒸汽管道的允許壓降較大，所以可以在較高流速下輸送。而使用壓縮空氣主要要利用其壓力，壓力過多損失在管道上會增加的壓縮功的損耗，這樣壓縮機(jī)的投資增加較多而不經(jīng)濟(jì)。

6 氣液兩相流

氣液兩相流是常見的流體流動過程，具有單相流動所不存在的許多復(fù)雜因素。其流動狀態(tài)不能僅由滯流和湍流確定，而是要取決于不同的流動型態(tài)(分層流、泡狀流、霧狀流、波狀流、環(huán)狀流、塞狀流)和兩相間的自由界面等因素，這些因素使問題變得很復(fù)雜，因而迄今尚沒有一種完善的方法普遍適用于各種不同的兩相流計(jì)算，往往需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)采用不同的方法并根據(jù)不同的情況加以修正。

6.1 流速

氣液兩相流管道的流速較低，一般控制在0.5 m/s以下。

6.2 壓降

蒸汽冷凝液產(chǎn)生的凝結(jié)水在管道內(nèi)流動時(shí)，由于壓力降而產(chǎn)生的自蒸發(fā)現(xiàn)象，使管道內(nèi)出現(xiàn)汽水兩相狀態(tài)。

較為簡單的計(jì)算方法是首先按水計(jì)算其所需內(nèi)徑和管道壓力降，再用以下公式換算成有汽化凝結(jié)水的管徑和壓力降。

式中，ds為按汽水混合物計(jì)算的管內(nèi)徑，mm;di為按凝結(jié)水計(jì)算的管內(nèi)徑，mm;ρl為按凝結(jié)水計(jì)算的密度，kg/m3;ρs為按汽水混合物計(jì)算的密度，kg/m3。

公用工程中普遍使用的低壓蒸汽規(guī)格有0.45MPa(G)，其產(chǎn)生的冷凝液若忽略通過加熱設(shè)備的壓力損失和過冷因素，則冷凝液的壓力可按0.45MPa(G)考慮，溫度不變。冷凝液管道設(shè)疏水閥后排至凝液收集系統(tǒng)，若凝液收集系統(tǒng)用作熱水，則一般收集罐是常壓的。若疏水閥的背壓設(shè)為0.25MPa(G)，則不同管道管徑、流量和汽液兩相壓力降值之間的關(guān)系，見表17。

表17 汽液兩相流管道流量、流速和壓力降對照簡表

7 結(jié)語

通過對液體、氣體、水蒸汽、氣液兩相流等流體流速、管徑和壓力降的分析討論，可以得出以下結(jié)論:

(1)管道的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足工藝對管道的要求，其流通能力應(yīng)按正常生產(chǎn)條件下介質(zhì)的最大流量考慮，其最大壓力降應(yīng)不超過工藝允許值，其流速應(yīng)位于根據(jù)介質(zhì)的特性所確定的安全流速的范圍內(nèi)。

(2)綜合權(quán)衡建設(shè)投資和操作費(fèi)用。石化裝置的管道投資一般占裝置投資20%左右。隨著管徑的增加，不僅增大了管壁厚度和管子重量，而且增大管道上的閥門和管件，增加隔熱層厚度和材料的用量。因此，在設(shè)計(jì)管道時(shí)，一般在允許壓力降的前提下盡量的選用較小管徑，特別是在確定合金管管徑時(shí)更需慎重對待，以節(jié)省投資。但是，管徑太小則流速增高，阻力增大，增加機(jī)泵的投資和功率消耗，從而增加操作費(fèi)用。因此，在確定管徑時(shí)，應(yīng)綜合權(quán)衡投資和操作費(fèi)用兩種因素，取其最佳值。

(3)不同流體按其性質(zhì)、狀態(tài)和操作要求，應(yīng)選用不同的流速。粘度較高的液體，摩擦阻力較大，應(yīng)選用較低的流速;允許壓力降較小的管道，如常壓自流管道和輸送泡點(diǎn)狀態(tài)液體的泵入口管道，應(yīng)選用較低的流速;允許壓力降較大或介質(zhì)粘度較小的管道，可選用較高流速。

(4)為防止因介質(zhì)流速過高引起管道沖蝕、磨損、振動和噪聲等現(xiàn)象，液體流速一般不宜超過4 m/s。氣體流速一般不超過其臨界速度的85%，真空下最高不超過100 m/s。含有固體物質(zhì)的流體，其流速不應(yīng)過低，以免固體沉積而堵塞管道，但也不宜太高，以免加速管道的磨損或沖蝕。

(5)同一介質(zhì)在不同管徑的情況下，雖然流速和管長相同，但管道的壓力降卻可能相差較大。因此，在設(shè)計(jì)管道時(shí)，如允許壓力降相同，小流率介質(zhì)應(yīng)選用較小管道，大流率介質(zhì)可選用較高流速。

(6)確定管徑后，應(yīng)選用符合管材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，對工藝用管道，不推薦選用DN32、DN65和DN125管子。

1 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(上冊、下冊)(第三版)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003，8．

2 石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(第一篇)(第一版)［M］．北京:中國石化出版社，1994，4．

3 工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［M］．北京:化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編譯中心，1996，9．

4 ASME管道數(shù)據(jù)手冊［M］，2001．

5 石油化工設(shè)計(jì)手冊(第一版)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002，1．

6 化工管路手冊［M］．北京:石油化學(xué)工業(yè)出版社．

7 APPLIEDPROCESSDESIGNFORCHEMICALAND PETROCHEMICAL PLANTS．

8 化工流體流動與傳質(zhì)(第一版)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000，9．

9 石油化工工藝管道設(shè)計(jì)與安裝(第一版)［M］．北京:中國石化出版社，2002，2．

10 化工配管用無縫及焊接鋼管尺寸選用系列［M］．北京:化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1994，7．

Introduce the selection of the economic velocity of flow in process pipe and its relation with the pressure drop in the pipe．

Study on Economic Velocity of Flow in Process Pipe

Yang Chengwei
(Bluestar NewChemical Materials Co.，Ltd．Jiangxi Xinghuo Organosilicon Factory，Jiujiang 330319)

economic velocitypipe diameterpressure drop per one hundred meter

*楊成偉:高級工程師。1987年畢業(yè)于黑龍江大學(xué)有機(jī)化工專業(yè)。一直從事石化、化工工藝技術(shù)、設(shè)計(jì)管理及項(xiàng)目管理工作。聯(lián)系電話:(0792)3171223，E－mail:yangcw@lxxhsi.cn。

2011－05－31)