工艺管道经济流速的研究

1、工艺管道经济流速的研究 艾晓欣摘 要 本文主要介绍工艺管道经济流速的选择及其与管道压力降的关系关键词 经济流速 管径 百米压降 1、概述在化工生产中我们经常遇到的流体运动，绝大多数是湍流。当输送流体的能力一定时，管径大小直接影响经济效果。管径小，介质流速大，管路压力降大，从而增加了流体输送设备的动力操作费用。反之，增大管径，虽然动力费用减少，但管路建造费用却增加。因此，为求得其矛盾的统一，设计上必须选择合理的管径。管路压力降计算的目的，是根据介质流量及允许的压力降来确定管径或根据管径和介质流量来验算压力降。确定管径时应根据运行中可能出现的最大流量和允许的最大压力降来计算。经济流速、管径、压力降

2、这三者之间是息息相关的，他们之间的选择与确定应该根据介质性质、操作情况、建设投资和操作费用、项目建设要求等情况具体确定。但是它们的选取还是有一定规律可循的，在日常的工作中，一些年轻的工程师在确定经济流速时往往是查手册规范中相关表格中的数据，这些表格中的数据虽然正确，但是在应用到具体实际问题中却略显粗糙，以下我便对液体、气体、水蒸汽、气液两相流等流体经济流速的选取进行概括与讨论，并真对具体问题完善常用流速范围及压力降推荐值。2、各种流体的研究讨论2.1 液体液体是我们在化工生产中常见的流体种类，最常见的有水、酸、碱、有机物、油品、液化烃等。不同的流体按其性质、状态和操作要求的不同，应选用不同的流

3、速。粘度较高的液体，摩擦阻力较大，应选择较低的流速。允许压力降较小的管道，例如常压自流管道和输送泡点状态液体的泵入口管道，应应选择较低的流速。允许压力降较大或介质粘度较小的管道，应选择较高的流速。一些含有固体颗粒或较易结晶的管道，应选择较高的流速。同时为防止因介质流速过高引起管道冲蚀、磨损、振动和噪声等现象，液体流速一般不宜超过4 m/s。流速的选择.1特殊液体最大流速值名称最大流速（m/s）酚水溶液0.9浓硫酸1.2碱液1.2盐水和弱碱1.8液氨1.5液氯1.5富CO2胺液（不锈钢）3.0含悬浮固体2.50.9（最低）.2一般液体流速的选择在目前项目的设计中，大多数液体的输送是由泵来实现的。

4、 泵的进口液体流速一般在0.51.5 m/s，泵的出口液体流速一般在1.52.5 m/s，设备底部出口液体流速一般在1.01.5 m/s，对于自流的管道出口液体流速一般在0.71.5 m/s，罐区大罐底部出口的流速一般在0.51.0 m/s。具体常见液体经济流速推荐值见表1。表1 常见液体经济流速推荐值名称流速（m/s）层流1.21.5湍流密度：1600 kg/m31.52.4密度：800 kg/m31.83.0密度：320 kg/m32.54.0泵进口饱和液体0.51.5不饱和液体1.02.0负压下0.30.7泵出口流量：50m3/h1.52.0流量：50160m3/h2.43.0流量：&g

5、t;160m3/h3.04.0齿轮泵吸入口<1.0排出口1.02.0往复泵吸入口0.71.0排出口1.02.0结晶母液泵前速度2.53.5泵后速度34凝结水（自流）0.20.5自流管道0.71.5冷冻剂管道0.61.2设备底部出口1.01.5塔进料1.01.5油及粘度较大的液体粘度0.05Pa·sDN250.50.9DN500.71.0DN1001.01.6粘度0.1Pa·sDN250.30.6DN500.50.7DN1000.71.0DN2001.21.6粘度1Pa·sDN250.10.2DN500.160.25DN1000.250.35DN2000.35

6、0.552.1.2压降的选择.1压降的计算在平时的工艺设计中，估算直管道的百米压降值是较为常见的。其公式为：Pf=其中： 摩擦因子，无量纲 L 管长，m D 管道内径，m 流体平均流速，m/s摩擦因子与管内流动介质的雷诺数Re和管壁相对粗糙度有关，具体见表2。表2 摩擦因子、雷诺数Re和相对粗糙度的关系流体流型雷诺数层流Re2000湍流水力光滑管区3×103Re4×106水力光滑管区3×103Re1×105过渡区阻力平方区无关流体流型相对粗糙度层流无关湍流水力光滑管区<水力光滑管区<过渡区阻力平方区>流体流型摩擦因子层流湍流水力光滑管区

7、2lg(Re)-0.8水力光滑管区过渡区1.742lg()阻力平方区1.742lg()表3 部分工业管道的绝对粗糙度金属管道绝对粗糙度,mm非金属管道绝对粗糙度,mm新无缝钢管0.020.1洁净的玻璃管0.00150.01正常工作的无缝钢管0.2橡皮软管0.010.03正常工作的焊接钢管及少腐蚀的无缝钢管0.20.3上釉陶器管1.4中等腐蚀的无缝钢管0.4新石棉水泥管0.050.1严重腐蚀的钢管13石棉水泥管中等情况0.6铜管，铅管0.010.05水泥管0.30.8铝管0.0150.06木管0.251.25新铸铁管0.251.0帆布管0.020.05使用过的铸铁管1.4玻璃钢管0.01.2压降

8、的选取在用离心泵输送液体的情况中，对于一对一的供料方式来说选取适当的流速和压降，最终泵的扬程在2050m较为经济，最好不大于50m。对于一对多用户供料的情况泵的扬程可能出现大于50m的情况，这在公用工程的设计中是十分常见的。在泵的进口管道设计中，由于目前国内机泵的设计水平，较为常见的离心泵的NPSHr大于2，所以在选取合适的流速和压降的前提下计算出的NPSHa应该大于4 m为宜，在输送饱和液体的情况下，NPSHa 也以不小于3m为宜。一些液体的压力降推荐值可见表4表4 部分液体的压力降推荐值名称压力降kpa/100m泵进口饱和液体10不饱和液体20负压下5泵出口流量：50m3/h80流量：50

9、160m3/h60流量：>160m3/h45循环冷却水管道30在公用工程系统的设计中，我们经常见到的液体流体有循环水、纯水、冷冻水、新鲜水、软水、生活用水等。从总图上看，由于从水站或界区到各生产装置的距离较长，所以在公用工程的设计中各专业一般取百米压降值为1020kpa，以水为例，输水管道的流量、流速压力降对照表见表5。表5 输水管道流量、流速、压力降对照简表流量范围m3/h管径mm流速范围m/s压力降范围kpa/100m0.150.35150.240.558.646.60.30.7200.270.627.540.70.51.3250.280.746.443.21.02.5320.350

10、.866.943.31.74.5400.380.996.243.238500.421.135.942.0616650.51.345.942.11020800.551.115.522.119351000.671.246.120.935651250.791.476.522.3551001500.861.576.120.21202102001.061.866.419.72103802501.192.156.120342.366.219.35009003501.442.606.019.470013004001.552.875.820.2100018004501.753.146

11、.520.9130024005001.843.406.321.5200038006001.963.735.820.9300055007002.173.975.919.7450080008002.494.426.620.96000110009002.624.806.421.580001400010002.834.956.620.3120002200012002.955.405.819.6180003500014003.256.326.022.6250004500016003.456.225.818.9350006500018003.827.106.321.8450008000020003.987

12、.076.119.42.2 气体常见的气体有压缩空气、氮气、氧气、氢气、煤气、烟道气、氨气、气态烃类等。气体流速一般不超过其临界速度的85，真空下最大不超过100 m/s。 流速的选择.1 特殊气体最大流速值名称设计压力（MPa）最大流速（m/s）备注氢气>3.010碳钢氢气管道适宜采用球阀、截至阀0.13.015碳钢<0.1按允许压力降确定碳钢0.10.325不锈钢氧气106工作压力大于0.1 MPa的阀门，严禁采用闸阀0.10.315<0.1按允许压力降确定氯气25乙炔0.020.158管道内径不应超过80mm0.15 MPa < P2.5MPa4管道内径不应超过2

13、0mm氨气P0.7MPa200.7 MPa < P2.1 MPa8二氧化硫20乙烯P22MPa3022 MPa < P150 MPa56.2 一般气体流速的选择对于气体管道一般流速控制在1015 m/s，真空度高的管道流速较高，可在80 m/s以上。具体常见气体经济流速推荐值见表6。表6 常见气体经济流速推荐值名称流速（m/s）压缩空气真空5.0100.10.2MPaA8.0120.20.6MPaA10200.61.0MPaA10151.02.0MPaA8.0102.03.0MPaA3.06.03.025.0MPaA0.53.0氮气1025氧气00.05MPa5.08.00.050

14、.6MPa6.08.00.61.0MPa4.06.01.02.0MPa4.05.02.03.0MPa3.04.0氢气8.0氯化氢20溴气10真空度650710mmHg管道80130塔顶P>0.35 MPa1215常压1830负压P<0.073860烟道气烟道内3.06.0管道内3.04.0风管距风机最远处1.04.0最近处8.012通风机吸入口1015排出口1520旋风分离器入气1525出气4.015乙炔气<0.1MPa<150.10.15 MPa<8>0.154氨气真空1525<0.3 MPa815<0.6MPa10202.0MPa3.08.0

15、2.2.2压降的选择气体在管道内得流动过程，因流速高导致压力降较大时，气体得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值。在工程设计中，一般可按理想气体进行计算，长度大于管内径1000倍的不隔热管道，可按等温流动计算；长度小于管内径1000倍的不隔热管道，可按绝热流动计算。在同一管道内，气体按等温或绝热流动计算所得到的流通能力是不同的。绝热流动的能力比等温流动的能力大20左右，但等温流动计算方法比较简单，在工程设计时，如果用等温流动计算绝热流动管道，其结果偏于安全，是允许的。一些气体的压力降推荐值可见表7表7 部分气体的压力降推荐值名

16、称压力降kpa/100m一般气体（正压）>3.5MPa451.43.5 MPa351.01.4 MPa150.351.0 MPa700.35 MPa3.5一般气体（负压）负压 P<49kpa1.1负压 100 kpaP>49 kpa2.0压缩机进口P450 kpa1.83.5进口P>450 kpa3.57（0.01P）出口P450 kpa4.5出口P450 kpa0.01P塔顶P>0.35 MPa410常压410负压P<0.0712在公用工程系统的设计中，我们经常见到的气体流体有压缩空气、仪表空气、氮气等。在这些气体中压缩空气、仪表空气常规的压力规格为0.7

17、MPa(G)，氮气常规的压力规格为0.6MPa(G)。以0.7MPa(G)压缩空气和0.6MPa(G)氮气为例，气体管道的流量、流速、压力降对照表分别见表8和表9。表8压缩空气管道流量、流速、压力降对照简表流量范围Nm3/h管径mm流速范围m/s压力降范围kpa/100m510151.132.2527.91022201.272.81.78.12240251.783.252.5840753223.72.27.575140402.384.442.38.0140260502.845.272.58.3260500653.126.02.17.7500850803.966.742.67.485016001

18、004.318.112.38160030001255.199.742.58.6300048001506.7610.823.48.54800100002006.0912.681.98.110000180002508.1114.62.58.1180003000030010.1416.92.88.6表9氮气管道流量、流速、压力降对照简表流量范围Nm3/h管径mm流速范围m/s压力降范围kpa/100m510151.132.252.38.71022201.272.81.98.92240251.783.252.78.940753223.72.48.375140402.384.442.68.8140260

19、502.845.272.79.2260500653.126.02.38.5500850803.966.742.88.185016001004.318.112.58.8160030001255.199.742.79.6300048001506.7610.823.79.44800100002006.0912.682.18.910000180002508.1114.62.89.0180003000030010.1416.93.49.62.3 水蒸汽水蒸汽是目前最常用的热源，它具有热焓高、易于制备和输送、使用比较安全等优点。按照其饱和温度区分可分为饱和蒸汽和过热蒸汽。目前使用较普遍的低压蒸汽规格有0.

20、45MPa(G)，1.0MPa(G)。2.3.1流速的选择蒸汽管道的流速比气体管道的要大些，一般控制在1520 m/s。具体常见水蒸汽经济流速推荐值见表10。表10 常见气体经济流速推荐值名称流速（m/s）水蒸汽 （正压）P0.3 MPaA100.31.0 MPaA15201.04.0MPaA20404.012.0MPaA4060水蒸汽 （负压）50kpa100 kpa4020 kpa50 kpa605 kpa20 kpa75饱和蒸汽主管3040支管2030过热蒸汽主管4060支管3540泵驱动机进口4102.3.2压降的选择水蒸汽压降的计算通常是查蒸汽算图，但是算图的种类很多，其适用范围不同

21、，同时在查图过程中会由于尺寸连线的不准确使结果产生误差。目前在进行蒸汽压降的计算中，较稳妥的计算方法是通过PRO2进行模拟运算，运算方法可选用SRK。水蒸汽的压力降推荐值可见表11表11 水蒸汽的压力降推荐值名称压力降kpa/100m水蒸汽P0.3 MPa100.30.6 MPa150.61.0MPa201.02.0MPa20P>2.0 MPa30以0.45MPa(G)水蒸汽和1.0MPa(G)水蒸汽为例，管道的流量、流速、压力降对照分别见表12和表13。表12 0.45MPa水蒸汽管道流量、流速、压力降对照简表流量范围kg/h管径mm流速范围m/s压力降范围kpa/100m102515

22、5.413.515962550207.615.120805080259.715.513.26180150329.517.815.8571503004011.422.816.8703005005014.624.320.56050010006514.428.714.158.510001600801930.318.8501600300010019.436.414.753.73000500012523.338.91645.7500075001502740.4174075001500020022.845.57.334.3150002500025029.148.610.429.42500035000300

23、33.747.211.122.0350004500035034.744.610.016.1450006000040034.145.5814.2600008000045036487.613.68000010550038.948.67.812.3表13 1.0MPa水蒸汽管道流量、流速、压力降对照简表流量范围kg/h管径mm流速范围m/s压力降范围kpa/100m1035152.89.97.693.33560205.69.519.457.560100256.110.117.248.1100200326.212.412.851.4200400407.915.915.562.84007505010.1

24、19.018.767.575012006511.318.016.542.5120020008012.020.013.839.22000400010012.725.411.948.54000600012516.324.414.533.360001000015016.928.212.535.5100002000020015.931.87.731.2200003000025020.330.59.621.6300004500030021.231.88.318.7450007000035023.336.38.320.27000010540027.839.710.020.510512500045031.4

25、39.211.017.312500018000050031.845.810.020.72.3.3气体与水蒸汽经济流速的比较由表6和表10可以看出，蒸汽管道内介质流速随着蒸汽压力增大而增加，而压缩空气管道介质流速随空气压力增大而减小。关于蒸汽的流速之所以压力越高允许的流速越大，主要是因为蒸汽都是用锅炉产生的，工业领域使用蒸汽主要是利用其提供热能，也就是尽量避免输送过程的热损失，通常长距离输送的蒸汽都是过热度较高的蒸汽，然后经过减温减压后再送至用户使用。因而蒸汽管道的允许压降较大，所以可以在较高流速下输送。而使用压缩空气，主要是利用其压力，压力过多的损失在管道上所导致的因压力损失而增加的压缩功就很

26、大，这样压缩机的投资增加较多，就不经济了。2.4 气液两相流体汽液两相混合物在管道中的流动是石油化工企业工艺装置中常见的流体流动过程之一，具有单相流动所不存在的许多复杂因素。其流动状态不能仅由滞流和湍流确定，而是要取决于不同的流动型态（分层流。泡状流、雾状流、波状流、环状流、塞装流）和两相间的自由界面等因素，这些因素使问题变得很复杂，因而迄今尚没有一种完善的方法普遍的适用于各种不同的两相流计算，往往需要根据工程经验采用不同的方法并根据不同的情况加以修订正。2.4.1流速的选择气液两相流管道的流速较低，一般控制在0.5 m/s以下。2.4.2压降的计算蒸汽冷凝液产生的凝结水在管道内流动时，由于摩

27、擦压力降而产生的自蒸发现象，使管道内出现汽水两相状态。较为简单的计算方法是首先按水（未汽化）计算其所需内径和管道压力降。再用下列公式换算为凝结水（有汽化）的管径、压力降。ds 按汽水混合物计算的管内径，mmdi 按液态凝结水计算的管内径，mm 按液态凝结水计算的密度，kg/m3 按汽水混合物计算的密度，kg/m3在目前公用工程的设计中使用较普遍的低压蒸汽规格有0.45MPa(G)，其产生的冷凝液若忽略通过加热设备的压力损失和过冷因素，则冷凝液的压力可按0.45MPa(G)考虑，温度不变。冷凝液管道加设疏水阀后排至凝液收集系统，若凝液收集系统是用来制造热水，则一般收集罐是常压的，若疏水阀的背压设

28、为0.25MPa(G)则不同管道管径、流量、汽液两相压力降值之间的关系可见表15。表15 汽液两相流管道流量、流速、压力降对照简表流量范围kg/h管径mm流速范围m/s压力降范围kpa/100m160400250.10.25453004001500400.10.362235015002500500.230.3910029025004000650.230.377018025004000800.150.24225740008000800.240.48572658000150001000.310.587135015000300001250.370.748141015000300001500.260.523013530000400001500.520.6913527030000500002000.30.4826803、结论经过对液体、气体、水蒸汽、气液两相流等流体流速、管径、压力降的分析讨论，可以总结出以下结论：1) 管道的设计应满足工艺对管道的要求，其流通能力应按正常生产条件下介质的最大流量考虑，其最大压力降应不超过工艺允许值，其流速应位于根据介质的特性所确定的安全流速的范围内。2) 综合权衡建设投资和操作费用。一套石化装置的管道投资一般占装置投资20左右。随着管径的