马后炮化工论坛-第8章化工工艺系统设计

《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和先进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.公用工程平衡图和表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。PID图的版次细分以下几个版次,在基础设计阶段应完成的有以下四版:(1)A版(初步条件版):A版在工艺包阶段已开始形成,但在基础设计阶段才完成。它主要为装置内设备布置及自控专业开展基础设计创造条件。(2)B版(内审版):主要供设计单位内部核对评议和征求意见。(3)C版(用户版):此版用于用户审查和提出意见。(4)D版(0版)(确认版、设计版):主要作为设备布置、管道设计、详细模型配管及有关专业开展详细工程设计的依据。在详细工程设计阶段完成的有以下三版:(5)E版(详1版):主要用于设备布置、管道设计等有关专业开展详细工程设计。(6)F版(详2版):主要用于管道设计专业核对轴测图。(7)G版(施工版):此版作为现场施工、安装及编制操作手册、指导开车、生产、事故处理的依据。一般在中小型项目设计中出现的是A版、D版和G版。A版至少应包括的内容:①应列出全部有位号的设备、机械、驱动机及备台。成套(配套)设备供货范围和设计单位分工范围;②主要工艺物料管道(包括间断使用管道)标注物料代号、公称道径,并表明物料的流向;③与设备或管道相连接的公用工程、辅助物料管道,应标注代号、公称通径,并表明介质的流向。蒸汽管道的物料代号应反映出压力等级,如LS、MS、HS。④应标注对工艺生产起控制、调节作用的主要阀门;⑤应标注主要安全阀、爆破片。标明有泄压系统和释放系统的要求;⑥标注主要检测与控制仪表,以及功能标识;⑦必需的设备关键标高(最小尺寸)和关键的设计尺寸;⑧首页图上文字代号、缩写字母、各类图形符号;D版是在C版经用户确认审查后,根据审查意见进行修改补充,最终完成的版本,该版可认为是基础设计的最终版,其主要作为设备布置、管道设计、详细模型配管及有关专业开展详细工程设计的依据。G版作为施工、安装、编制操作手册、指导开车、生产和事故处理等的依据,故称之为施工版。对该版的内容和深度,应注意下列事项:①应符合制造厂的图纸及资料的要求,符合开车工程师提出的要求。②管道上的放空、放净应标注俱全。③图纸的接续关系,界区交接点要完整、准确。④将图上所有表示修改的符号和修改范围线均应擦去。⑤全部“待定”问题和需要说明问题的处理意见。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(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，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，这样调节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1.53.1.5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:见式(8.3.1-1)p6043.2.2管内流动的雷诺数:见式(8.3.1-3)p6053.2.3磨擦产生的压力损失:见p6063.2.4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:见表(8.3.1)p6073.3管道中可压缩流体的阻力计算气体在管道内的流动过程,因速度高而导致压力降较大时,气体的密度将产生显著的变化,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。气体密度可按以下不同情况取值:当管道进出口端的压差小于进口端压力的10％时,可取进口或出口端的密度;当管道进出口端的压差为进口端压力的10％～20％时,应取进出口平均压力下的密度。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。a.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b.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c.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。一般考虑泵扬程的安全系数为1.1~1.15。（2）泵选型后，应考虑到制造商提供的泵性能曲线一般是在常温常压下用清