管路限流孔板的设置及设计.docx
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管路限流孔板的设置及设计
I第一种管路限流孔板的设置
1.总则
1.1目的
化工厂、石油化工厂装置管路的限流孔板设置在管道上，用于限制流体的流量或降低流体的压力。
1.2范围
管路的限流孔板应用于以下几个方面：
限流孔板为一同心锐孔板，用于限制流体的流量或降低流体的压力。
流体通过孔板就会产生压力降，通过孔板的流量则随压力降的增大而增大。
但当压力降超过一定数值，即超过临界压力降时，不论出口压力如何降低，流量将维持一定的数值而不再增加。
限流孔板就是根据这个原理用来限制流体的流量或降低流体的压力。
1.2.1工艺物料需要降压且精度要求不高。
1.2.2在管道中阀门上、下游需要有较大压降时，为减少流体对阀门的冲蚀，当经孔板节流不会产生气相时，可在阀门上游串联孔板。
1.2.3流体需要小流量且连续流通的地方，如泵的冲洗管道、热备用泵的旁路管道（低流量保护管道）、分析取样管等场所。
1.2.4需要降压以减少噪声或磨损的地方，如放空系统。
1.3编制依据：
化学工程学会《工艺系统工程设计技术规定》HG/T20570.15-1995第15篇管路限流孔板设置。
*本规定除注明外，压力均为绝对压力。
2分类及选型要点
2.1分类
限流孔板按孔板上开孔数分为单孔板和多孔板；按板数可分为单板和多板。
2.2选型要点
2.2.1气体、蒸汽
为了避免使用限流孔板的管路出现噎塞流，限流孔板后压力（P2）不能小于板前压力（P1）的55%，即P2≥0.55P1，因此当P2<0.55P1时，不能用单板，要选择多板，其板数要保证每板后压力大于板前压力的55%。
2.2.2液体
2.2.2.1当液体压降小于或等于2.5MPa时，选择单板孔板。
2.2.2.2当液体压降大于2.5MPa时，选择多板孔板，且使每块孔板的压降小于2.5MPa。
2.3孔数的确定
2.3.1管道公称直径小于或等于150mm的管路，通常采用单孔孔板；大于150mm时，采用多孔孔板。
2.3.2多孔孔板的孔径（do），一般可选用12.5mm,20mm,25mm,40mm。
在计算多孔孔板时，首先按单孔孔板求出孔径（d），然后按式（2.3）求取选用的多孔孔板的孔数（N）。
（2.3）
式中
N——多孔限流孔板的孔数，个；
d——单孔限流孔板的孔径，m；
do——多孔限流孔板的孔径，m；
3计算方法
3.1单板孔板
3.1.1气体、蒸汽
3.1.1.1气体、蒸汽的单板孔板按式（3.1-1）计算：
（3.1-1）
式中
W——流体的重量流量，kg/h；
C——孔板流量系数，由Re和d0/D值查图6.1；
do——孔板孔径，m；
D——管道内径，m；
P1——孔板前压力，Pa；
P2——孔板后压力或临界限流压力，取其大者，Pa；
M——分子量；
Z——压缩系数，根据流体对比压力（Pr）对比温度Tr查气体压缩系数图求取；
T——孔板前流体温度，K；
K——绝热指数，k=Cp/Cv；
CP——流体定压比热容，kJ/（kg·K）；
CV——流体定容比热容，kJ/（kg·K）。
3.1.1.2临界限流压力（Pc）的推荐值
饱和蒸汽：
Pc=0.58P1
过热蒸汽及多原子气体：
Pc=0.55P1
空气及双原子气体：
Pc=0.53P1
上述三式中P1为孔板前的压力。
3.1.2液体
液体的单板孔板按式（3.1-2）计算：
（3.1-2）
式中
Q——工作状态下体积流量，m3/h；
C——孔板流量系数，由Re值和d0/D查图6.1求取；
do——孔板孔径，m；
△P——通过孔板的压降，Pa；
——工作状态下的相对密度，（与4℃水的密度相比）。
3.2多板孔板
3.2.1气体、蒸汽
3.2.1.1先计算出孔板总数及每块孔板前后的压力（见下图）
以过热蒸汽为例：
P/1=0.55P1
P/2=0.55P/1
……
P2=0.55P/n-1
P2=（0.55）nP1
n=lg（P2/P1）/lg0.55
=-3.85lg（P2/P1）（3.2-1）
n圆整为整数后重新分配各板前后压力，按式（3.2-2）求取某一板的板后压力：
（3.2-2）
式中
n——总板数；
P1——多板孔板第一块板板前压力，Pa；
P2——多板孔板最后一块板板后压力，Pa；
——多板孔板中第m块板板后压力，Pa；
3.2.1.2根据每块孔板前后压力，计算出每块孔板孔径，计算方法同单板孔板。
同样n圆整为整数后，重新分配各板前后压力。
3.2.2液体
3.2.2.1先计算孔板总数（n）及每块孔板前后的压力
按式（3.2-3）计算出n，然后圆整为整数，再按每块孔板上压降相等，以整数（n）来平均分配每板前后压力：
（3.2-3）
式中n、P1、P2定义同前。
3.2.2.2计算每块孔板孔径，计算方法同单板孔板计算法。
3.3气-液两相流
先分别按气-液流量用各自公式计算出dL和dv，然后以下式求出两相流孔板孔径：
（3.3）
式中
d——两相流孔板孔径，m；
dL——液相孔板孔径，m；
dV——气相孔板孔径，m；
3.4限流作用的孔板计算
按式（3.1-1）或式（3.1-2）或式（3.3）计算孔板的孔径（d0），然后根据d0/D值和k值由表6.2查临界流率压力比（c），当每块孔板前后压力比P2/P1≤c时，可使流体流量限制在一定数值，说明计算出的d0有效，否则需改变压降或调整管道的管径，再重新计算，直到满足要求为止。
3.5孔板厚度计算
当流体温度小于375℃时
当流体温度大于375℃时
式中
H——孔板厚度，毫米；
△P——孔板压降，公斤/厘米2；
D——管子内径，毫米；
σ——允许应力，公斤/厘米2；
——挠度系数。
钢材的挠度系数按公式8-5进行计算；
（8-5）
式中m——锐孔面积与管子截面积之比。
当已知
值时，可从表3-1直接查出
值。
表3-1挠度系数
4计算实例
例1.有一股尾气经孔板降压后去燃料气管网，气体组成如下：
组成
CH4
H2
N2
Ar
NH3
V%
6.09
63.38
29.08
1.43
0.02
气体流率3466kg/h，气体绝对压力10.3MPa，温度为57℃，降压前气体粘度为1.30510-5mPa·s，降压后气体绝对压力为2.0MPa，降压前管子内径D=38.1mm，计算限流孔板尺寸。
解：
按式（3.2-1）计算所需孔板数
总板数n=-3.85lg（P2/P1）
=-3.85lg（2.0/10.3）
=2.74
取n=3
再按式（3.2-2）计算：
按式（3.1-1）计算第一块孔板：
孔径
已知：
P=10.3106Pa
W=3466kg/h
M=11.0
T=330K
计算Z和k值
组成
CH4
H2
N2
Ar
NH3
Tc（K）
190.7
33.3
126.2
151
405.6
Pc（MPa）
4.64
1.30
3.39
4.86
11.40
k
1.33
1.4
1.41
1.67
1.34
混合气体：
Tc=71.66K，Pc=2.16MPa
取混合气体：
k=1.4
对比温度：
Tr=330/71.66=4.6
对比压力：
Pr=10.3/2.16=4.77
根据Pr、Tr查气体压缩系数图得Z=1.08
质量流速：
G=3466/（36000.7850.03812）=844.9kg/m2·s
粘度：
=1.30510-5mPa·s，D=0.0381m
设C=0.60，求得d0=12.3mm
取d0=12.5mm，d0/D=12.5/38.1=0.328
由图6.1查得C=0.6010.60，这说明求得的d0=12.5mm有效。
第二块板：
对比压力Pr=5.96/2.16=2.76
假定Tr不变，根据Pr、Tr查气体压缩系数图，查得Z=1.04；k=1.4
为简化计算，假定气体粘度不变，则Re=2.5106
将有关数据代入求取的公式中得到
设C=0.61，得d0=0.01589m，取d0=16mm，d0/D=0.42
查图6.1：
Re=2.5106
d0/D=0.42
得C=0.61，这说明取d0=16mm有效。
第三块板：
对比压力Pr=3.45/2.16=1.597
假定Tr不变，根据Pr、Tr查气体压缩系数图，得气体压缩系数Z=1.0；取k=1.4。
假定气体粘度不变，则Re=2.5106
求得d0=2.6110-4/C
设C=0.63，d0=0.02035m
取d0=20mm，d0/D=0.525
查图6.1：
Re=2.5106，d0/D=0.525
得C=0.63，这说明取d0=20mm有效。
采用限流孔板降压计算
例2.已知某脱碳溶液，流量为1150m3/h，采用限流孔板降压，降压前绝对压力为P1=2.06MPa，降压后绝对压力为P2=0.74MPa，管道内径为D=509mm，溶液温度t=110℃，粘度为0.5610-3mPa·s，相对密度=1.24，求此限流孔板孔径：
解：
P=2.06-0.74=1.32MPa＜2.5MPa
因此选用单板限流孔板。
溶液质量流速G（kg/m2·s）为：
采用式（3.1-2）：
设C=0.595则d0=0.12md0/D=0.12/0.509=0.2358
由图6.1查得C=0.595，C值选取合适，这说明d0=0.12m有效（单孔、单板）。
若选用多孔孔板，取孔径为0.02m，则总孔数为：
N=（0.12）2/（0.02）2=36个。
5计算表和限流孔板汇总表
5.1限流孔板计算表
限流孔板计算表见表5.1。
5.2限流孔板汇总表
限流孔板汇总表的用途和表格格式见宁波工程有限公司设计中心《工艺系统专业提交文件内容的规定》（T/ES220008-2005）中规定的“限流孔板汇总表编制说明”，汇总表详见表5.2-1.示例见表5.2-2.
表5.2-2
6附图和附表
6.1限流孔板的流量系数
限流孔板的流量系数（C）与Re、d0/D关系见图6.1所示。
图6.1限流孔板C－Re－d0/D关系图
6.2临界流率压力比（c）
临界流率压力比（c）与流体绝热指数（k）及孔板孔径（d0）和管道内直径（D）的关系见表6.2。
7.符号说明
C——孔板流量系数，由Re和d0/D值查图6.1；
CP——流体定压比热容，kJ/（kg·k）；
CV——流体定容比热容，kJ/（kg·k）；
D——管道内径，m；
d——单孔限流孔板的孔径，m；
两相流孔板孔径，m；
dL——液相孔板孔径，m；
dV——气相孔板孔径，m；
dO——多孔限流孔板的孔径，m；
孔板孔径，m；
N——多孔限流孔板的孔数，个；
n——总板数；
M——分子量；
△P——通过孔板的压降，Pa；
P1——孔板前压力，Pa；
多板孔板第一块板板前压力，Pa；
P2——孔板板后压力或临界限流压力，取其大者，Pa；
多板孔板最后一块板板后压力，Pa；
——多板孔板中第m块板板后压力，Pa；
Q——工作状态下体积流量，m3/h；
W——流体的重量流量，kg/h；
Z——压缩系数，根据流体对比压力（Pr）对比温度（Tr）查气体压缩系数图求取；
T——孔板前流体温度，K；
k——绝热指数，k=Cp/Cv；
——工作状态下的相对密度，（与4℃水的密度相比）；
II第二种管路限流孔板的设计方法
表1流量系数及膨胀系数
图5膨胀系数算图（临界流动时）
[例1]一个用蒸汽的设备，水蒸汽流率为72公斤/时，新蒸汽压力为36公斤/厘米2（表），蒸汽出口压力为11.5公斤/厘米2，蒸汽管径为DN20，管子表号为G30。
计算限流孔板
解：
按公式1
验算：
[例2]加氢精制装置的含氢气由水洗塔出来后，经过孔板降压，去燃料气管网。
含氢气的组成如下：
气体流率480公斤/时，气体出水洗塔的压力为75公斤/厘米2（绝），温度为38℃，降压后压力为5公斤/厘米2（绝），降压前含氢气管线为Dc25，管子表号为G80。
计算限流孔板
解：
按公式1计算
计算气体的ρ：
气体的分子量为
在标准状态下气体条件下的流率
换算为操作条件下的流率
式中Z——压缩系数，由气体的临界温度Tc，临界压力Pc求得。
计算如下：
对比温度
对比压力
压缩系数
验算
气体的绝热系数如下：
[例2]加氢精制装置中精制油（汽油、柴油的混合油）由高压分离器去低压分离器，压力由75公斤/厘米2（绝）降为10公斤/厘米2（绝）温度为38℃，流率为54.4吨/时，精制油比重d2为0.7985，管子为DN100，管子表号为G80计算限流孔板
解
验算：
[例4]计算[例3]的限流孔板厚度
解：
查表5，得
=0.5421
将上列数值代入式3
孔板厚度一般不应超过0.1D，但此处用作降压孔板，厚度超过此值是允许的。
参考文献
1.HG/T20570.15-1999管路限流孔板的设置
2.王松汉石油化工设计手册4卷，石化出版社2002
3.炼油装置工艺管线安装设计手册下册石油出版社1978
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