管路限流孔板的设置及设计说明.docx
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管路限流孔板的设置及设计说明
I第一种管路限流孔板的设置
1.总那么
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,通过孔板的流量那么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分类与选型要点
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
为了防止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孔数确实定
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,根据流体比照压力(Pr)比照温度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
过热蒸汽与多原子气体:
Pc=0.55P1
空气与双原子气体:
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;
γ——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先计算出孔板总数与每块孔板前后的压力(见下列图)
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)与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(γc),当每块孔板前后压力比P2/P1≤γc时,可使流体流量限制在一定数值,说明计算出的d0有效,否那么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进展计算;
〔8-5〕
式中m——锐孔面积与管子截面积之比。
当
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1.305⨯10-5mPa·s,降压后气体绝对压力为2.0MPa,降压前管子径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
:
P=10.3⨯106Pa
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
比照温度:
Tr=330/71.66=4.6
比照压力:
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/(3600⨯0.785⨯0.03812)=844.9kg/m2·s
粘度:
μ=1.305⨯10-5mPa·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=0.601≈0.60,这说明求得的d0=12.5mm有效。
第二块板:
比照压力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,那么Re=2.5⨯106
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=2.5⨯106
d0/D=0.42
得C=0.61,这说明取d0=16mm有效。
第三块板:
比照压力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,那么Re=2.5⨯106
求得d0=2.61⨯10-4/C
设C=0.63,d0=0.02035m
取d0=20mm,d0/D=0.525
查图6.1:
Re=2.5⨯106,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.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,管道径为D=509mm,溶液温度t=110℃,粘度为0.56⨯10-3mPa·s,相对密度γ=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那么d0=0.12md0/D=0.12/0.509=0.2358
由图6.1查得C=0.595,C值选取适宜,这说明d0=0.12m有效(单孔、单板)。
假设选用多孔孔板,取孔径为0.02m,那么总孔数为:
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工程设计中心《工艺系统专业提交文件容的规定》(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(γc)
临界流率压力比(γc)与流体绝热指数(k)与孔板孔径(d0)和管道直径(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,根据流体比照压力(Pr)比照温度(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;
γ——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流量系数与膨胀系数
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:
比照温度
比照压力
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〕由高压别离器去低压别离器,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2002
3.炼油装置工艺管线安装设计手册下册石油1978