化肥生产工艺技术资料汇编

1化肥生产工艺技术资料汇编二分公司工艺科二零一零年十一月份2第一部分化工基础知识计算一、流体密度的计算：流体的密度：单位体积流体所具有的质量称为流体的密度。其数学表达式为：ρ=M/V式中：ρ-----流体的密度，kg/m3；M-----流体的质量，kg；V-----流体的体积，m3；流体的密度一般可在物理化学手册或有关资料中查得，如果查得的数据不是以SI制表示的，可换算为SI制。(1)液体的密度：a.纯液体的密度ρ若知比重为d，则ρ=1000d；如：d笨=0.88，则ρ苯=880kg/m3b.液体混合物的密度ρm若某种液体是由N种不同的液体混合而成，其密度ρm可由下式计算：1/ρm=xA/ρA+xB/ρB+……+xN/ρN(2--2)式中：xA、xB、……xN-----各组分的质量分率。ρA、ρB、……ρN------各组分的密度。例2-1：已知20°C时水、甘油的密度分别为998kg/m3、1260kg/m3求50%甘油水溶液的密度。解：1/ρm=0.5/998+0.5/1260ρm=1114kg/m3(2)气体的密度：a.纯气体的密度ρ在气体的温度不太低，压力不太高的情况下，气体的密度可按理想气体状态方程式计算：ρ=PM/RT式中：M-----气体分子量；P-----气体的绝对压强；T-----气体的绝对温度；R-----气体常数，8.314kJ/kmol·Kb.气体混合物的密度ρm气体混合物的密度ρm的计算与纯气体的密度计算式类似，只不过将M改为Mm即可，而Mm为平均分子量，即ρm=PMm/RT而Mm=MAYA+MBYB+……+MNYN式中：MA、MB、……MN----各组分的分子量；YA、YB、……YN-----各组分的摩尔分率；二.流体静压强的计算：流体垂直作用于单位面积上的压力，称谓流体的静压强，其数学表达式为：P=F/A（2--5）式中：P-----流体的压强，N/m2或Pa；A-----作用面的面积，m2；F-----面积A上的作用力，N；在工业生产上，有时把压强也称为压力，请予以注意。在工业生产上，经常用到标准大气压和工程大气压，它们与常见的压强单位换算关系如下：1atm=101325Pa=760mmHg柱=10.33mH2O柱。1at=1kgf/cm2=9.81×104Pa=735.6mmHg柱=10mH2O柱。流体压强P除采用不同的单位来计量外还可根据不同的情况，用不同的方法来表示。3绝对压强，或称为真实压，是以绝对零压为起点计算的压强。或真空为起点计算的压强。本课程中所有公式、方程中所指的压强，均为绝对压强，简称绝压。表压强，简称表压，是指以当时当地大气压为起点计算的压强。当所测量的系统的压强等于当时当地的大气压时，压强表的指针指零。即表压为零。真空度，当被测量的系统的绝对压强小于当时当地的大气压时，当时当地的大气压与系统绝对压之差，称为真空度。此时所用的测压仪表称为真空表。系统P大气压时绝对压=大气压+表压系统P大气压时绝对压=大气压-真空度三.流体比容的计算：单位质量流体的体积，称为流体的比容，数学表达式为：υ=V/M式中：υ----液体的比容，m3/kg；M-----流体的质量，kg；V-----流体的体积，m3显然，流体的比容是其密度的倒数，即：υ=1/ρ四、流体流量、流速及管径的计算：1、流量单位时间内流过管道任一截面的流体量，称为流量。一般有体积流量和质量流量两种表示方法。体积流量：单位时间内流过管道任一截面的流体体积，以符号V表示，单位为m3/s质量流量：单位时间内流过管道任一截面的流体质量，以符号w表示，单位为kg/s.2、流速单位时间内流体的质点在流动方向上流过的距离称为流速，以符号u表示，单位为m/s。粘性流体在管内流动时，任一截面上各点的流速沿管径而变化，管中心处流速最大，越靠近管壁，流速越小，在管壁处流速为零。为计算方便，通常所说的流速是指整个管道截面的平均流速，其表达式为：u=V/A式中：A-----与流动方向垂直的管道截面积，m2；V-----此截面的体积流量，m3/s；3、质量流量w,体积流量V，平均流速间的关系。质量流量与体积流量之间的关系为：w=Vρ而u=V/A即V=uA代入（2-13）有w=Vρ=Auρ即w、V、u之间的关系，它是流体流动的计算中常用的关系式之一。4、管径的选择d==式中：d-----管道内径，m；V------流体体积流量，m3/s；u------流体在管道内的流速，m/s；根据流量和流速，可算得管道内径，其中流量通常是为生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。当流量V一定时，流速u越大，管径d越小，设备费用可减小，但此时流体流速相应增大，其在管道中流动阻力也越大，使操作费用（动力消耗）增加。反之，流速减小，阻力降低，操作费用减少，但管径增大，设备费用增加。设计管道时，尤其是输送距离较长时，需要综合考虑这两个相互矛盾的因素，确定适宜的流速，使操作费用与设备费用之和为最低。表2-1流体在管道中的常用流速范围4流体种类及状况常用流速范围m/s流体种类及状况常用流速范围m/s水及一般液体1～3压力较高的气体15～25粘度较大的液体0.5～18大气压以下饱和水蒸汽40～60低压气体8～153大气压以下饱和水蒸气20～40易燃、易爆的低压气体（如乙炔等）8过热水蒸汽30～50五、流体流动阻力的计算：1、流动类型：大量的实验结果表明，流体在直管内流动时的形态如下：管内径d、平均流速u、密度ρ、粘度μ，对流型的变化有很大影响，用雷诺系数表示Re=d·u·ρ/μ{≤2000层流(滞流)Re=2000～4000过渡流≥4000湍流雷诺数Re的大小，除了作为判别流体流动形态的依据，它还反映了流动中液体质点湍动的程度。Re值越大，表示流体内部质点湍动的越厉害，质点在流动时的碰撞与混合越剧烈，内摩擦也越大，因此流体流动的阻力也越大。在实际生产中，除了输送某些粘度很大的流体外，为了提高流体的输送量或传热传质速率，流体的流动形态一般都要求处在湍流的情况。Re值差不多都大于104数。2、流体在圆管内流动时的阻力流体在管路中流动时的阻力可分为直管阻力和局部阻力。直管阻力又称为沿程阻力，是流体在直管中流动时，由于流体的内摩擦而产生的能量损失。局部阻力是流体通过管路中的管件、阀门、突然扩大，突然缩小等局部障碍，产生漩涡而造成的能量损失。（1）直管阻力的计算通式：压头损失：ΔP=ρw=λ(L/d)(ρu2/2)其中：λ-为摩擦系数；L-为直管长度；d-为直管内径；ρ-为流体密度；u-为流体流速层流时的摩擦系数：λ=64/Re湍流时的摩擦系数：摩擦系数λ与雷诺准数Re及相对粗糙度ε/d有关。可通过下表可查出湍流时的摩擦系数。某些工业管道的绝对粗糙度5（2）直管阻力的计算（当量长度法）：将流体流过管件或阀门的局部阻力，拆合成直径相同、长度为Le的直管所产生的阻力即Wf=λ(Leu2)/2d式中Le称为管件或阀门的当量长度。同样，管件现阀门的当量长度也是由实验测定，有时也以管道直径的倍数Le/d表示。下表列出了一些管件阀门的当量长度。6（2）流体在管路中的总阻力计算：化工管路系统是由直管和管件，阀门等构成，因此流体流径管路的总阻力应是直管阻力和所有局部阻力之和。当管路直径相同时，总阻力=直管阻力+局部阻力六、泵的扬程计算（5-9）泵的扬程计算是选择泵的重要依据，这是由管网系统的安装和操作条件决定的。计算前应首先绘制流程草图，平、立面布置图，计算出管线的长度、管径及管件型式和数量。一般管网如下图所示，（更多图例可参考化工工艺设计手册）。D——排出几何高度，m；取值：高于泵入口中心线：为正；低于泵入口中心线：为负；S——吸入几何高度，m；取值：高于泵入口中心线：为负；低于泵入口中心线：为正；Pd、Ps——容器内操作压力，m液柱（表压）；取值：以表压正负为准Hf1——直管阻力损失，m液柱；Hf2——管件阻力损失，m液柱；Hf3——进出口局部阻力损失，m液柱；h——泵的扬程，m液柱。h＝D+S+hf1+hf2+h3+Pd－Ps7h=D－S+hf1+hf2+hf3+Pd－Psh=D＋S+hf1+hf2+hf3+Pd－Ps表5-5：计算式中各参数符号的意义符号意义单位d管内径ml长度mQ液体的体积流量m3/sRe雷诺准数－T时间sv液体的流速m/s密度Kg/m3粘度Pa.sζ局部阻力系数－ε绝对粗糙度mλ摩擦因数－表5-6：某些工业管材的ε约值见表1管道类别绝对粗糙度ε/mm管道类别绝对粗糙度ε/mm金属管无缝黄铜管、钢管、铅管0.01～0.05非金属管干净玻璃管0.0015～0.01新的无缝钢管、镀锌铁管0.1～0.2橡皮软管0.01～0.03新的铸铁管0.3木管道0.25～1.25具有轻度腐蚀的无缝钢管0.2～0.3陶土排水管0.45～6.0具有显著腐蚀的无缝钢管0.5以上很好整平的水泥管0.33旧的铸铁管0.85以上石棉水泥管0.03～0.8管网局部阻力计算8表5-7：常用管件和阀件底局部阻力系数ζ值管件和阀件名称ζ值标准弯头45°，ζ＝0.3590°，ζ＝0.7590°方形弯头1.3180°回转头1.5活接管0.41工程一般认为，流体在直圆管内流动时，当Re≤2000时为层流；当Re≥4000时为湍流；当Re在2000～4000范围内，为过渡状态。过渡状态计算λ时，工程上按湍流公式计算。项目计算方法依据条件备注管径（1）确定流量、流速（2）计算管径：Q＝v4d2（3）确定管子规格管道阻力（1）计算Re准数Re＝dv（2）计算直管阻力hf1＝λdlgv22①当Re≤2000时为滞流（层流）λ＝Re64②当Re≥2000时为湍流11＝1.14－2lgRe35.9d（3）管件阻力：（管件、阀门等）hf2＝ζgv22（4）进出口局部阻力hf3＝ζgv22=1.5gv22突然扩大：ζ＝222211dd突然缩小：ζ＝0.522211dd由于d1/d2≈0，所以ζ＝1+0.5=1.5⑸管网总阻力hf＝hf1+hf2+hf3液体的密度和粘度直管长度l液体流量Q，管内径，管件，阀门型式扩大或收缩前后管的的尺寸1d、2d：小管、大管管径科尔布鲁克（Colebrook）公式试用范围Re＝4×103～108，ε/d＝5×10-2~10-6从水力光滑管到完全粗糙管。公式中Re35.9很小，可以忽略，即1＝1.14－2lgd某些工业管材的ε约值见表5-6常常用管件局部阻力系数ζ见表5-7。9弯管φR/d30°45°60°75°90°105°120°1.50.080.110.140.160.1750.190.202.00.070.100.120.140.150.160.17突然扩大A1/A200.10.20.30.40.50.60.70.80.91ζ10.810.640.490.360.250.160.090.040.011突然缩小A1/A200.10.20.30.40.50.60.70.80.91ζ0.50.470.450.380.340.30.250.200.150.090标准三通管ζ=0.4ζ=1.5ζ=1.3ζ=1闸阀全开3/4开1/2开1/4开0.170.94.524截止阀（球心阀）全开ζ=6.41/2开ζ=9.5碟阀a5°10°20°30°40°45°50°60°70°ζ0.240.521.543.9110.818.730.6118751旋塞θ5°10°20°40°60°ζ0.240.521.5617.3206单向阀摇板式ζ=2球形式ζ=70角阀(90°)5底阀1.5滤水器(或滤水网)2水表（盘形）7七、传热的相关计算：1、化工生产中的传热过程在化工生产中，无论是化学反应过程或是精馏等物理过程，都要控制在一定的温度下进行。为了达到和保持所要求的温度，常需要对无聊供给或取出热量。此外，化工设备的保温，生产中热能的合理利用以及废热的回收等也都涉及热量的传递问题。化工生产对传热过程的要求有以下两种情况：1.强化传热过程，例