化工工艺系统设计.

《化工工艺系统设计》主讲：徐谋源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。研究对象及主要解决的问题工作重点主要发表资料/成品责任化工工艺专业1.化学反应2.传热3.传质（流体力学）1.物料平衡计算2.热量平衡计算3.设备计算4.工艺流程1.PFD2.工艺设备数据表3.工艺说明4.建议布置图对生产技术可靠性负责工艺系统专业1.流体力学2.安全3.可操作性1.管道流体力学计算2.泵的计算3.管道附件计算、选择4.安全可操作性研究1.PID,附管道命名表2.特殊管件数据表3.界区条件表4.公用工程平衡图和标对系统的安全性和可操作性负责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。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，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P606〜609,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，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介质名称最大流速m·sֿ¹氯气25.0二氧化硫气20.0氨气p≤0.7MPa20.20.7MPaP≤2.1MPa8.0浓硫酸1.2碱液1.2盐水和弱碱液1.8酚水0.9液氨1.5液氯1.5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)乙炔站设计规范部分流体最大流速可参见下表：介质最大流速m/s乙烯气P≤22MPa≤3022MPaP≤150MPa5~6乙炔气P≤110KPa3~4P≤250KPa4~8P≤2.5MPa5氢、氧气≤8乙醚、苯、二硫化碳≤1甲醇、乙醇、汽油≤3丙酮≤10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：管道周围的声压级dB防止噪声的流速限制值m·sֿ¹7033804590573.2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λ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=diuρ/μ当Re2000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λ=64/Re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ε有关。而湍流的摩擦系数λ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ε/d15/Re时，摩擦系数λ可按光滑管计当3*103Re105时λ=0.3164/Re0.25阻力平方区：当管道相对粗糙度ε/d≥560/Re时，摩擦系数λ与Re无关，而只取决于相对粗糙度，此时λ=1/（1.74+2log(di/2ε))2过渡区：当15/Re≤ε/d≤560/Re时，摩擦系数λ与Re数和管道相对粗糙度ε/d有关。λ=1/（1.74-2log(2ε/di+18.7/Re√λ))23.4.2管道压力降流体在管道中流动的压力降ΔPp可分为直管压力降ΔPf和局部压力降ΔPt即ΔPp=ΔPf+ΔPt考虑到估算的直管长度和管件数量的不准确性，计算出ΔPp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ΔPf=6.26*104λLV2fρ/d5i单相流（可压缩流体）的等温流动ΔPf=6.26*103gλLW2G/d5iρm(2)局部阻力（P615~P617)1)当量长度法2)局部阻力系数法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。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。其计算公式：H=(Pd-Ps)/ρg+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=QHρ/102η(参见式8.3.6-2P623)4安全设施的设置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GBJ16-87，2001年版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，也应该按用户要求。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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，在设置阀门时必须考虑以下诸因素：输送流体的性质阀门的功能阀门的尺寸阀门的阻力损失阀门的工作温度和压力阀门的材质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联使用。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安全阀数据表可依据行业标准制作填写或参照“化工装置工艺系统工程设计规定(二）”表11.0.1（P40)4.5爆破片的设置下列7种情况优先选用爆破片：（P630）●压力有可能迅速上升的。●泄放介质含有颗粒、易沉淀、易结晶、易聚合和介质粘度较大。●释放介质有强腐蚀性，使用安全阀时其价格很高。●工艺介质十分贵重或有剧毒，在工作过程中不允许有任何泄漏，应与安全阀串连使用。●工作压力很高或很低时，选用安全阀则其制造比较困难。●当使用温度较低而影响安全阀的工作特性。●需要较大的泄放面积。爆破片数据表可依据行业标准制作填写，或参照“化工装置工艺系统工程设计规定（二）”表（P81)4.6限流孔板的设置限流孔板设置在管道中适用于限