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    用于气体限流的孔板孔径计算分析.pdf

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    用于气体限流的孔板孔径计算分析.pdf

    2014,242 唐凤金等 用于气体限流的孔板孔径计算分析 19 用于气体限流的孔板孔径计算分析 唐凤金 张宗飞王光友姜赛红杨珂游伟章卫星 中国五环工程有限公司武汉430223 摘要 介绍限流孔板的限流原理及应用场合,分析对比用于气体管路限流孔板孔径的两种计算方法,详 细阐述了混合气体的绝热指数、临界限流压力比及流量系数等的计算方法,重点给出一种计算混合气体绝热指 数的新方法,并结合具体实例描述限流孔板孔径的计算过程。 关键词 限流孔板绝热指数临界限流压力比流量系数 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。流体通过孔板会产生压 力降,在一定范围内,通过孔板的压力降随流量 的增大而增大。当孔板前后压力降超过一定数值, 即超过临界压力降时,流经孔板的流量将维持一 定的数值而不再增加。限流孔板即根据此原理用 来限制流体的流量或降低流体的压力。 从本质上讲,限流孔板和固定开度的阀门的 作用原理基本一致,但是与阀门相比,限流孔板 具有价格便宜的优点及常开的特性,适用于小流 量且连续流通的管线,特别是在压力和流量调节 精度要求不高的场合得到广泛应用,如泵的冲洗 管线、仪表吹扫管线、热备用泵的旁路管线、调 节阀的旁路管线及分析取样管线等。 对于气体管路限流孔板的计算,主要包括气 体的性质参数及限流孑L板的孔径、板厚和开孔数 等方面的计算。本文主要针对气体限流孔板孔径 的两种计算方法进行对比分析,重点讨论混合气 体的绝热指数、临界限流压力比及流量系数等的 计算方法。 1孔径的计算方法 1.1方法一 对于气体管路限流孔板孔径的计算,工艺系 统工程设计技术规定HG/T 2057095给出了详 细的计算公式及过程,其计算孔板孔径公式 W43.78c Pl 式中,w为流体的质量流量,kg/h;C为孔板流量 系数,由Re和do/D值查限流孔板cRedo/D 关系图求取;d。为孔板孔径,m;D为管道内径, m;P 为孔板前压力,Pa;P2为孔板后压力或临 界限流压力,取其大者,Pa;M为分子量;Z为压 缩系数,由流体对比压力P 及对比温度T 查气体 压缩系数图求取;T为孔板前流体温度,K;k为 绝热指数,kC。/C ;C 为流体定压比热容,kJ/ kgK;Cv为流体定容比热容,kJ/kgK。 由式1可知,欲求出限流孔板孔径d0,需 先确定孔板流量系数C,而孔板流量系数C又由 Re和do/D值共同决定,故只能先假定C值,经迭 代计算求出限流孔板孔径d。。同时文献l规定 按式1计算出孔板的孔径d。,然后根据do/D 值和k值由“ 。一kd0/D表”查出临界流率压力 比 。,当孔板后与孑L板前压力比P2/P1≤y。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孔板的孑L径,再重新 计算,直到满足要求为止。 分析计算过程可知,应用式1计算限流孔 板的孔径既有c和d。值的迭代计算,又有查临界 流率压力比 。的验证,直到满足迭代要求为止, 其计算过程相当复杂。 1.2方法二 石油地面工程设计手册及文献3指出,当 孔板用于限制气体流量时,应使孔板后压力与孔 板前压力的比值小于或等于临界压力比 即P / P ≤ ,才能使气体流量限制在某一要求的数值。 唐凤金助理工程师。2011年毕业于华东理工大学化学工程专业获硕士学位。从事化工工程设计工作。联系电话 027 81927091,EmailtarI出ngjincwc%eom。 化工设计2014,242 此时气体属临界流动,气体流量G仅与P 有关而 与孔板后压力P无关。文献2给出限流孔板孔径 计算公式 do2.812 式中,do为限流孔板孔径,mm;G为气体质量流 量,kg/h;‘p为流量系数;P 为孔板前压力, kPa;P 为孔板前气体密度,kg/m 。 对单一气体的流量系数‘p的取值,文献2规 定单原子气体流量系数为0.51;双原子气体流 量系数为0.49;三原子气体及过热蒸汽流量系数 为0.47;饱和蒸汽流量系数为0.45。 由式2可知,只需知道气体的质量流量、 流量系数、孔板前压力及密度即可简便地计算出 限流孑L板的孔径d。。在实际生产过程中,流经孔 板的介质在很多工况下为混合气体,但文献2只对 单一气体的相关参数给出了具体的数值,而对混 合气体的绝热指数、临界限流压力比及流量系数 等重要参数未进行深人的阐述,这在一定程度上 限制了式2在气体限流孔板孔径计算方面的广 泛应用。 2混合气体相关参数计算 2.1绝热指数计算 混合气体的绝热指数由下式计算[4】 C M【Xl K 一 3 C MlX。/Kl 式中,K为混合气体n组分的绝热指数;C。; 为i组分的定压比热容,l kgK;M 为i组 分的摩尔质量,kg/kmol;Xi为i组分的体积分数; K;为i组分的绝热指数。 混合气体的绝热指数亦可由下式计算 J 1互- XL. 4K 1 1 一一鱼 一 \’, 笔者认为,在工程设计与计算中,可采用下 式计算混合气体的绝热指数 K 置K 5 1 I 采用式5计算混合气体的绝热指数的理论 依据,在于混合气体的定压比热容C。 和定容比热 容c 均服从叠加规律,从而可按式5计算混 合气体的绝热指数。经计算验证,其计算误差在 1.O%以内。计算实例的混合气体条件见表1。 表1 用于计算绝热指数的混合气体条件 由式3计算得到K1.399;由式4计 算得到K1.399;由式5计算得到K1.403。 由此可知,在保留四位有效数字的情况下, 式3与式4的计算结果一致,式5与 式3和式4的计算结果基本接近。而在保 留三位有效数字的情况下,三种方法的计算结果 相同。因此,在工程设计与计算中,采用式5 计算混合气体的绝热指数不失为一种既简便又准 确的方法。 2.2临界限流压力计算 前已述及,当孔板用于限制气体流量时,应 使孔板后压力与孔板前压力的比值小于或等于临 界压力比 ,这样才能使气体流量限制在某一要求 的数值。当孔板后压力与孔板前压力的比值等于 临界压力比 时,孔板后压力称为临界限流压 力P 。 混合气体的临界限流压力可由式6 计算 引 .y 昔 南 6 .y 百 Lj ‘ 【o 对单一气体,可由气体的绝热指数直接求出 气体的临界限流压力;对混合气体,可按式5 先求出混合气体的绝热指数,再由式6求出混 合气体的临界限流压力。常见气体的绝热指数K、 临界压力比 及流量系数‘P见表2。 2.3流量系数的计算 混合气体的流量系数可由下式计算 】 .7068 ㈩ 对单一气体,流量系数可由气体的绝热指数 直接求出;对混合气体,可按式5先求出混合 气体的绝热指数,再由式7求出混合气体的流 唐凤金等用于气体限流的孔板孔径计算分析 2l 量系数。常见气体的流量系数‘p见表2。 表2常见气体的绝热指数K值、临界压力比 及 流量系数‘P 气体类型 绝热指数K临界压力比 流量系数‘P 3计算实例 以下通过具体实例说明混合气体的绝热指数、 临界限流压力、流量系数的计算方法,并通过式 2计算出限流孔板的孔径。 有一股尾气经孔板限流后排放,气体组成见 表3。 表3气体中各组分的含量 mo1% 气体流量为3466kg/h,气体绝对压力为 10.3MPa,温度为57℃,孔板前气体粘度为1.305 10~mPa8,孔板后气体绝对压力为5.44MPa, 管道内径D38.1mm,计算限流孔板尺寸。 解析步骤 按式5计算混合气体的绝热指数K Kgx,lq 6.091.3063.381.4029.081.4o 1.431.660.021.30100 1.40 按式6计算混合气体的临界限流压力P。 鲁南 0.5283 yPl0.528310.3 5.44 MPa 故该股尾气经孔板后可起到限流的作用。 按式7计算混合气体的流量系数‘P .0.7068 南 0.7068√1.40 0.484 混合气体平均摩尔质量 M_∑五‘Mi 11.0 kg/kmol 混合气体密度 PM 10.310‘11.0 p 而 丽 41.30 kg/m3 按式2计算限流孔板的孔径do -z.s . 属 9.3 mm 按工艺系统工程设计技术规定中给出的 式1也同样可计算出限流孔板的孔径,由于需 要反复迭代计算及查“ 。一kd。/D表”得出临界 流率压力比 。,并需查表验算孔板后与孔板前 压力比P2/Pl≤ 。,此处不再赘述。 4结语 式1与式2均适用于计算限流孔板的 孔径,但式2在计算限流孔板的孔径时,避免 了反复的迭代计算及查表验算。因此,式2相 对而言能更方便快捷并准确地计算出限流孔板的 孔径。 通过混合气体的绝热指数、临界限流压力比 及流量系数等的计算方法,使混合气体的这些重 要参数可以由单一气体的绝热指数计算得出,弥 补了式2在混合气体限流孔板孔径计算方面的 不足并扩展了式2的应用范围。 参考文献 1 HG/T2057095,工艺系统工程设计技术规定[s]. 2四川石油设计院编.石油地面工程设计手册[M].东营 石油大学出版社,1995. 3张弛.气体限流孔板的计算[J].天然气与石油,1995, 1341417. 4 GB 26248l,流量测量节流装置的设计安装和使用[s]. 5石油化学工业部石油化工规划设计院编.炼油设备工艺设 计资料压缩机工艺计算[M].jB京石油化学工业出版 社。1978. 收稿日期20130624

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