管径选择SHJ35-91条文说明(7)

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X（Ma1），并由X（Ma）求出Ma，再从公式明2.3.3—7求出所需的压力值，从管道的始端条件求出末端的条件比较准确。

直接从X（Ma）=（1- Ma2）/γMa+（γ+1）/2γ·ιn[（γ+1）Ma/2+（γ-1）Ma]计算Ma是困难的，为此编制了X（Ma）的函数表，作为本条文说明的附录二。 在本条文说明中介绍了等温流动和绝热流动的理论分析和计算方法，可供设计人员在工作中遇到具体问题时参考，本导则并未要求按绝热过程计算气体的流动问题。

在本导则的编制、讨论、审核过程中决定本导则只规定设计人员习惯的简易计算方法，而在本导则的条文说明中介绍理论分析和比较严密的计算方法。通过马赫数来计算气体在管道内的绝热流动，并没有运用等熵过程的压力、比容的关系（即P1υ

γ

1

222

=P2υ

γ

2

），所以比较严密。严格来说，绝热过程采用Pυ

γ

为常数的关系，

只能是近似的。可是利用公式明2.3.6—7～8和公式明2.3.3—7，明2.3.6—19～20进行可压缩流体管道的计算又是一般设计人员所不熟悉的，所以本导则只规定采用常见的气体在管内作等温流动计算公式。

按等温流动计算公式再作进一步的简化，即忽略去ιn·P1/P2，则属于按不可压缩流体的计算范围，实际上已在本导则第2.1.9条作了规定。

第2.3.7条 本条的主要意图是不要在这类管道上设截面收缩的管件，如需要设阀门，则应采用闸阀，而不要设截止阀。如果必须设计量孔板和调节阀，则应按阻塞流进行验算。

气体在管道内流动，可能在两处出现流动阻塞现象（在等温流动情况下达到 γMa=1，在绝热流动情况下Ma=1）；一处是管道的末端，另一处是截面的收缩处，由于本导则已对管道末端的马赫数规定了控制值，所以在管道末端是不会发生流动阻塞的。截面收缩处所能通过的最大质量流量计算公式（2.3.7）是孔板的最大流量计算公式，流量系数采用0.6，压力用千帕为计量单位。应该注意的是P0、υ0是阀门或孔板前气体的绝对压力和比容，而不是管道始端的压力和比容。如果利用始端的压力和比容计算，则计算结果偏大。

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2

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第三章 气液两相流管道

第一节

管经选择的要求

第3.1.1条 本条说明了选择气液两相流管道的管经时，应考虑的因素。在实际工作中全部满足这些要求可能遇到较大的困难，需要设计人慎重研究、处理，必要时会涉及改变工艺生产的控制条件。

本条首先明确两相流流型判断的目的。在垂直向上的管段中，气液两相流的流型有：泡状（Bubble or aerated flow）、块状或塞状(Plug or slug flow)、 沫状 (Froth or churn flow)、环状或上升膜状(Annular or film flow),带液柬的环状(Wispy一annular flow)及雾状(Mist flow)流等流型;在水平的管段中，气液两相流有:泡状 (Bubble or froth flow)、塞状(Plug flow)、分层状 (Stratified flow)、波状 (Wavy flow)、块状 (Slug flow),环状 (Annular flow)及雾状 (Mist spray or dispersed flow)流等流型。 流型判断的目的是使所选择的管径能满足以下要求:

一、当流量为正常负荷的50%时，在垂直向上的管段中不应发生块状流(Slug flow); 二、当流量为正常负荷时，在水平管段中不宜发生块状流。

在块状流时，压力波动，回弯管件受到冲击、碰撞，会引起管道严重震动，甚至损坏管道，设备。

根据流型图分析，在垂直向上管段中避免块状流的可能性较大;在水平管段中发生块状流的流速范围很大。很难完全避免;特别是既有水平管段又有垂直向上管段时，难于避免，或者提高流速后又满足不了其它要求。

有些操作过程 (如气、液分离过程)是不希望气液两相流处在雾状流的，因为雾液不易分离，不利于分离过程的操作。

所以本导则参考有关技术资料后，对水平管段中不发生块状流的要求不如对垂直向上管段中不发生块状流的要求严格。

气液两相流的流速高时，--般是处在雾状流，气相中挟带着液滴，速度过高，会使管壁遭受严重侵蚀，故对最高的流速是有控制要求的。

由于两相流中存在气相，因此气液两相混合物具有可压缩流体的特性。在管内流动时，可能出现流动阻塞现象，所以由所选管径计算的流速，必须小于管道出口端的极限流速。

为了避免出现块状流，两相流的流速可能较高，使管道的阻力降较大，当然

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管道阻力降应小于进出口的压差。

第3·1·2条 本条说明选择两相流管道的管径应该做五项工作，条文中一至四项的工作顺序可以任意决定，具体的方法将在本节的其它条文中说明。 第五项工作应该放在满足前四项要求后进行，因为工作量较大，也较复杂，所以管道的压力降计算方法将在第二节说明。

本条特别说明两相流管道的管径选择必须采用尝试误差法，进行所规定的五项工作。原因有以下两方面:

一、为了开展工作必须假定管径试算，判断结果是否满足要求，每一项工作都有可能需要进行反复试算;

二、要进行的工作，五项工作都需要采取尝试误差法来判断结果，不同的仅是有些过程比较简单，有些需要反复试算。

因而第一次试算的假定值比较重要，选择不当，有可能引起反反复复的试算过程，本条文说明将在适宜的条文内推荐假定值的选择方法。

第3，1·3条 本条列出了一组定义方程式，这些参数的计算都是开展其它工作所必须的。

第3·1·4条 本条也列出了一组定义方程式，主要是涉及流速和质量流速的，也是开展其它工作所必须求出的数据。

在计算流速和质量流速时，都需要有管径的数据。本条所列公式有两方面的作用: 一、首先假定一个管径，算出有关流速或质量流速，然后进行流型判断，是否严重侵蚀管壁，是否小于极限质量流速的判断;

二、经过判断选择一个标准规格的管径后，计算相应的流速和质量流速，以进行压降计算。

在第3·1·2条说明中已经提到第一次试算的假定值比较重要，选择不当，有可能引起反反复复的试算过程。为此，提出选择假定管径的建议如下:

一、求出管径的最小控制值:

1·为了使管壁不受流体的严重侵蚀，两相流的最大均相流速按下式计算:

UH=122.47ρ

H

-0.5

(3·1·7)

2·当管道进出口端的压差大于进口端绝对压力的30%时，取最大质量流速为:

G=0.75(γP2·10

3

/x2υ

g2)

0.5

(3.1.8--1～2)

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3、从下列两式所算出的管内径值中取大值为最小管径控制值: di=0.0188√qm/G (2.3.5---1) di=0.0188√qυ/ UH (明3.1.4---1) 式中 qm----两相流的质量流量 kg/h (qm= qmg+ qmι)

qυ----两相流的体积流量 m/h (qυ= qυg+ qυι

二、求出管径的最大控制值

3

)

1、 从海威特流型图分析，在垂直向上管段内发生块状流的上限为：ρHυgs

发生沫状流的上限为：ρHυgs

22

2

=60

=120

考虑到按50%负荷时，ρHυgs 取略大于块状流的上限值，如65，则正常负荷时ρHυgs 应为，处在环状流或带液束的环状流流型，而负荷降至50%时，则处在沫状流的流型。

从 ρHυgs

得：υgs =16.1245·ρ得 di=0.00468 qυ

g

0.5

2

2

=260

H

-0.5

(明3·1·4--2)

ρ

H

0.25

2、在《化学工程卷I---流体流动，传热与传质》[(英)J，M、柯尔禁，J·F、李嘉森著三版SI单位)的第四章中提出:

\冲击流 (本导则称块状流)必须避免，因为它导致不稳定的状态，故良好设计应使负荷降到正常流率的50始时，仍能维持环流。虽然两相必须处于湍流，但过高的气体流速将产生大压力降，特别是在小直径的管中。在发生相间分离之处可能引起不稳状态，并且在垂直向上的流动中，高气速也可能引起不稳状态。避免发生冲击流情况的一个经验关系式是含两相的最低流速u(m/s)大于(3.05@4 0·0gAD)，其申D为管子直径，以mm表示。。

因此可得

UH=3.05+24di (明3·I·4--3)

从公式明3·1·4一1和明3·1·4一3可以推导出

0.0003537qυ= (3.05+24di) di

2

(明3·1·4--4)

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由明3·1·4一2和明3·1·4--4两式算得的管内径值中取其小值作为管径的最大控制值。

三、假定的管径值应在最大、最小控制值范围内，选择偏向最大控制'值的标准规格，以求管道的压力降尽可能小一点。

第3·1·5条 两相流的流型图只具有相对准确性，各有优缺点，所以本导则提出用两种流型图进行判断，并推荐采用格里菲思(Griffith)流型图和海威特(Hewitt)流型图。

从两流型图分析，当假定管径的管道中流型处在块状流时，只有减小管径增大均相流速和气相表观流速，使流型进入环雾状流。由于选择假定管径时，已考虑到垂直向上管段内的流型要求，所以本条所提的判断要求，只起核对的作用。

第3·1·6条 本条提出用两种流型图进行水平管段内的流型判断，井推荐采用曼德汉(MAandhane)流型图和伯克 (Baker)流型图。

一般认为曼德汉流型图准确性高一些，伯克流型图的准确性虽不如曼德汉流型图，然而在石油化工领域中使用较多。为了便于查图，特将英制的曼德汉流型图作为本说明的图明3·1·6。

从曼德汉流型圈分析，当假定管径的管道中出现块状流时，只有缩小管径增加气相表观流速使流型转为环雾状流。因为假定管径时，已经考虑到垂直管中的要求，放大管径，降低两相的表观流速，有可能在垂直管段内出现块状流。如果假定管径是偏于管径最小控制值时，则应放大管径再试。

从伯克流型图分析，由于两相混合物的组成没有变化(非闪蒸型)所以横座标是定值。

因此，可以采取缩小或放大管径使流型从块状流转为环状流或分层流、塞状流。要视采用的管径假定值是偏向最大控制值，还是偏向最小控制值。 在只有水平管段、垂直或倾斜向下管段而无垂直向上或倾斜向上管段的两相流管道中，宜采取放大管径使流型转为分层状、波状、塞状流型。因为气相、液相表观质量流速均降低可以减小两相流的阻力降，降低对管道和设备的冲击、碰撞作用。

第3·1·7条 在《化学工程卷I一流体流动、传热与传质》的第四章中提出: \两相系统通常伴随发生侵蚀，故提出了避免这情况的一些经验关系。若为了

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