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可压缩流体管径选择及压力降计算

发布时间:2018-05-17 发布者:天津汇源达钢铁贸易有限公司 所属类别:金蟾捕鱼

  可压缩流体管径选择及压力降计算

  来源:山东豪迈化工技术 王少梅

  引言

金蟾捕鱼  管道内的流体实际上都是可压缩的,然而,在许多流动中,流体的密度变化很小,几乎可以忽略,我们称为不可压缩流体,当流体流动过程中,流体体积变化过程明显时,将流体视为可压缩流体。流体的可压缩性是指流体受压,体积缩小,密度增大,除去外力后能够恢复原状的性质,可压缩流体实际上是流体的弹性。

  1 流体的可压缩性

  流体的压缩性是流体质点在一定压力差或温度差的条件下,其体积或密度可以改变的性质。

  1.1

  液体的可压缩性

  液体的可压缩性通常用压缩系数k来表示,即一定温度下,压强增加一个单位体积的相对缩小率。若液体的原体积为V,则压强增加dp后,体积减少dV,压缩系数为:

  由于液体受压体积减少,dp与dV异号,式中右侧加负号,以使k为正值,其值越大则流体越容易压缩。K的单位是1/Pa。根据增压前后质量不变,压缩系数可表示为:

  液体的压缩系数随着温度和压强变化,压缩系数的倒数是体积弹性模量,即:

  K的单位是Pa

  1。2

  气体的可压缩性

  气体具有显著的可压缩性,在一般情况下,常用气体(如空气、氮气、氧气、二氧化碳等)的密度、压强温度三者的关系符合完全气体状态方程,即:

  式中p为气体的绝对压强(N/m2);ρ为气体的密度(kg/m3);T为气体的热力学温度(K);R为气体常数,在标准状态下,R=8314/M(J/kg·K),M为气体的分子量。空气的气体常数R=287J/kg·K。当气体在压强很高,温度很低的状态下,或接近于液体时就不能当做完全气体看待,上式不再适用。

  2.可压缩流体管径选择的一般要求

  化工装置中管道系统的主要作用是流体输送,管道压力降则是管道系统设计的一项最基本的工作。图2所示即为化工装置管道图片。

金蟾捕鱼  管道尺寸的确定应在充分分析实际情况的基础上进行,对给定的流量,管径的大小与管道系统的一次投资(材料和安装)、操作费(动力消耗和维修)和折旧费等有密切的关系。因此,应根据这些费用做出经济比较,并使管道系统的总压力降控制在给定的工作压力范围内,以选择适当的管径,此外还应考虑安全流速及其它条件的限制。

  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变化,当管道末端的压力小于始端压力的80%时,应看可压缩流体的计算方法选择管径和计算压力降。

  理想气体在温度不变的情况下流动时,称之为等温流动,当管道内气体和管壁间的热交换可以略去不计时,称之为绝热流动。实际上,气体在管内的流动既非等温、又非绝热,而是一种多变过程。

  管长大于1000倍管内径的不隔热管道,应按气体在管内进行等温流动计算;隔热管道和长度小于1000倍管内径的不隔热管道,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,也是允许的。(SH/T 3035—2007只要求按等温流动进行计算)

  3.可压缩流体管径的初步确定

  众所周知,对于不可压缩流体而言,管道压力降计算是确定管道直径的重要依据;是系统水力学计算的一个重要组成部分。如果管线直径过大,虽然管线压力降减小了,但随着管径增大会导致管道投资成本的增加;但如果管线直径过小,管线压力降较大,需要高扬程的增压设备,这样不仅增加设备投资同时导致整个装置的能耗增加,长期运行成本升高。对于可压缩流体,这一点同样适用。因此,管径的合理、经济选择对于一个化工装置设计相当重要。但如果想要经济、合理的选择管径,管道压力降的计算就是重要的依据。下面介绍一下如何初步确定可压缩流体的管道管径。

  3。1

  马赫数的控制值

金蟾捕鱼  可压缩流体在管道内流动时,流速和马赫数随始端距离的增大而增大,初选管径时,先要按马赫数的控制值计算气体质量流速。可压缩气体在一般常用管道末端的马赫数控制值小于0.3;在特殊管道和紧急泄放管道末端的马赫数控制值不应大于0.7。

  3.2

  气体流动的马赫数

  气体在管道内流动时的马赫数是气体介质流速与声速之比,即:

  式中 Ma——马赫数;

  C——声音在气体介质中的传播速度,m/s;

  u——气体介质的流速,m/s;

  综合以上公式可得气体在管道内流动时,沿程各点的马赫数;

  式中 G——气体的质量流速,kg/(m2·s);

  C——气体的密度,kg/m3;

金蟾捕鱼  γ——气体的比热比,Cp/Cv;

  R——气体常数,Pa·m3/(kg·K);

  T——气体的绝对温度,K;

  p——气体的压力,kPa;

金蟾捕鱼  v——气体的比容,m3/kg;

金蟾捕鱼  气体常数可按下式计算:

  式中 M——气体的分子量;

  马赫数与相应的压力有关,用下式可由气体在管道末端的马赫数控制值计算出管道始端的马赫控制值。

  

 

 

  式中 Ma1——气体在管道始端的马赫数;

  Ma2——气体在管道末端的马赫数;

  P1——管道始端的气体压力,kPa;

  P2——管道末端的气体压力,kPa;

  3.2

  管径最小控制值

  根据马赫数控制值求得的气体质量流速,再按下式计算管径最小控制值:

金蟾捕鱼  式中di'——管内径,mm;

  qm——操作条件下气体的质量流量,kg/h;

  G——气体的质量流速,kg/(m2·s)。

  再按管径最小控制值,圆整到管材的标准规格,确定试选管径,然后按下式计算气体的质量流速:

  当管道上设置截面收缩的阀门(如截止阀、角阀等)或孔板时,应按下式核算截面收缩处所能通过的最大质量流量:

  式中,qmmax——截面收缩处所能通过的最大质量流量,kg/h;

  d0'2——截面收缩处的直径(阀座直径、孔径),mm;

  v——气体的比热容比,Cp/Cv;

金蟾捕鱼  p0——阀门或孔板前的气体压力,kPa;

  v0——阀门或孔板前的气体比容,m3/kg。

  4。管径的最终确定

  按所选管径计算的质量流速应满足下式要求:

  式中,p1——管道始端的气体压力,kPa;

  p2——管道末端的气体压力,kPa;

金蟾捕鱼  v1——管道始端的气体比容,m3/kg

  G——气体的质量流速,kg/(m2·s);

  λ——直管摩擦系数;

  L——直管长度,m;

  Le——阀门、管件等的当量长度,m;

  di'——管内径,mm;

  如能满足上述要求,即为最终确定管径,否则应另选较大规格的管径进行核算,直到满足要求。

  参考文献

  [1]张德姜,王怀义,刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册·第一篇 设计与计算(第四版)[M].中国石化出版社出版发行,2009,9(4):17-30.

  [2]HG/T20570-95工艺系统工程设计技术规定[S].1996年.

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