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第1章 工艺系统设计概况1

1.1 概述1

1.2 工艺系统设计范围、阶段及程序1

1.2.1 设计范围1

1.2.2 工程设计阶段2

1.2.2.1 工程基础设计阶段2

1.2.2.2 工程详细设计阶段3

表1-1 设计阶段划分表3

1.2.3 设计程序3

1.2.3.1 工程基础设计程3

图1-1 工艺系统专业工程设计阶段工作程序方框图（见插页）5

1.2.3.2 工程详细设计程5

1.3 工艺系统计算种类及数据汇总表6

1.3.1 工艺系统计算种类6

1.3.1.1 管道水力计算6

1.3.1.2 泵和压缩机压差、泵的NPSH计算6

1.3.1.3 设备设计压力确定7

1.3.1.4 管道流量控制元件尺寸计算7

1.3.1.5 管道安全控制元件尺寸计算7

1.3.2 工艺系统主要计算参数数据表7

表1-2 计算数据汇总表一览表7

表1-3 管道命名表索引9

表1-4 管道壁厚计算表10

表1-5 管道计算表12

表1-6 压缩机数据表13

表1-7 泵数据汇总表14

表1-8 泵计算表15

表1-9 设备保温汇总表19

表1-10 爆破板计算表19

表1-11 爆破板采购数据表20

表1-12 限流孔板计算表20

表1-13 限流孔板汇总表21

表1-14 安全阀采购数据表21

表1-15 电动阀和活塞式操作阀数据表22

表1-16 疏水器采购数据表23

表1-17 特殊管件数据表之一23

表1-18 特殊管件数据表之二24

表1-19 设备标高和泵的NPSH表25

表1-20 容器接管汇总表（工业炉）25

表1-21 换热器接管汇总表26

第2章 工艺系统水力计算原理及常用公式27

2.1 流体运动概述27

2.2 稳定流动与断面平均流速27

2.2.1 稳定流动27

图2-1 均匀流示意图28

图2-2 非均匀流示意图28

2.2.2 断面平均流速28

2.3 质量守恒定律29

图2-3 管道质量流量计算示意图29

2.4 连续性方程30

2.4.1 不可压缩流体连续性方程30

图2-4 任意管道截面推导连续性方程示意图30

2.4.2 可压缩流体连续性方程31

图2-5 连续性方程计算示意图32

2.5 一元流动运动方程32

2.5.1 基本概念32

2.5.2 运动方程的推导33

图2-6 微元流管受力分析示意图33

2.6 一元流动百努利方程35

2.6.1 不可压缩流体百努利方程35

图2-7 理想流体H-I-Z相互关联示意图36

图2-8 计算示意图37

2.6.2 理想气体等温过程百努利方程38

2.6.3 理想气体绝热过程百努利方程39

2.7 实际流体百努利方程40

图2-9 实际流体能位损失曲线示意图41

2.8 百努利方程的几种简化计算公式42

2.8.1 不可压缩实际流体百努利方程式42

2.8.2 可压缩实际流体等温过程百努利方程式43

2.8.3 可压缩实际流体绝热过程百努利方程式44

2.9 经济管径44

2.9.1 管径的一般表示方法44

表2-1 白铁管与黑铁管规格44

表2-2 热拔无缝钢管规格45

表2-3 高压管道规格45

2.9.2 管径与管道动力消耗46

图2-10 管径与管道动力消耗曲线47

2.9.3 管径与一次投资费用47

表2-4 部分管道单位长度重量47

表2-5 管径d与管道单价We表47

图2-11 管径与管道单价曲线图48

2.9.4 经济管径48

图2-12 管道尺寸与总成本关系曲线48

2.10 许用压力降50

2.10.1 管道工作压力降50

图2-13 水泵取水压力降示意图50

2.10.2 管道许用压力降51

2.10.3 许用压力降的选取54

表2-6 两相流许用压力降54

表2-7 某些蒸汽许用压力降54

表2-8 某些气体许用压力降55

表2-9 某些液体许用压力降55

本章符号对照表56

第3章 阻力控制法确定管径及管网系统方程58

3.1 流速控制法确定管径58

表3-1 蒸汽控制流速［u］60

表3-2 液体控制流速［u］60

表3-3 气体控制流速［u］60

3.2 阻力控制法确定管径61

3.3 阻力控制法与流速控制法对比及应用65

3.3.1 阻力控制法与流速控制法比较65

图3-1 管道能耗损失曲线67

3.3.2 阻力控制法应用67

3.4 管系压力降67

3.4.1 管系压力降的表示方法67

图3-2 几种管系压力降示意图68

3.4.2 管系压力降的分类69

3.4.3 管系压力降的控制70

3.5 系统压力降71

3.5.1 系统压力降表示方法72

3.5.2 简单管网系统73

图3-3 简单管网系统73

3.5.3 循环管网系统73

图3-4 氨合成工艺循环系统流程示意图73

3.5.4 敞开系统74

图3-5 敞开系统管网75

3.5.5 重力流、减压系统76

图3-6 重力流、减压系统示意图76

本章符号对照表77

第4章 工艺系统常用物性数据选取79

4.1 换算系数79

表4-1 速度换算系数79

表4-2 能量换算系数79

表4-3 长度换算系数80

表4-4 单位面积上的重量换算系数80

表4-5 压力、应力换算系数80

表4-6 质量换算系数81

表4-7 体积换算系数81

4.2 压缩因子81

4.2.1 两参数普遍化压缩因子图81

图4-1 普遍化压缩因子图之一82

图4-2 普遍化压缩因子图之二82

图4-3 普遍化压缩因子图之三83

图4-4 普遍化压缩因子图之四84

4.2.2 三参数普遍化压缩因子图84

表4-8 某些气体偏心因子ω84

图4-5 三参数普遍化压缩因子图之一85

图4-6 三参数普遍化压缩因子图之二86

4.3 流体密度86

4.3.1 标准密度86

4.3.2 操作密度87

4.3.3 混合气体密度88

4.3.4 混合液体密度89

4.3.5 临界密度89

4.3.6 两相流密度89

4.3.7 平均密度90

4.3.8 高压气体密度90

4.4 流体粘度91

4.4.1 粘度定义91

表4-9 动力粘度换算表92

表4-10 运动粘度换算表93

4.4.2 低压气体粘度93

表4-11 简单类型分子的极性93

表4-12 Lennard-Jones势能参数94

表4-13 偏心因子95

表4-14 某些极性分子势能参数97

4.4.3 低压气体混合物粘度97

4.4.4 高压气体牯度100

4.4.5 高压气体混合物粘度100

图4-7 加压下气体粘度101

图4-8 普遍化气体对比粘度102

图4-9 对比态粘度之103

图4-10 对比态粘度之二104

图4-11 对比态粘度之三104

图4-12 双原子气体的粘度105

图4-13 烃类燃烧气粘度106

4.4.6 纯液体粘度106

表4-15 某些原子和基团结构常数106

表4-16 θ结构常数107

表4-17 简单流体对比粘度μr［0］108

表4-18 简单流体对比粘度μr［1］109

4.4.7 常压液体粘度110

图4-14 常压液体粘度列线图110

表4-19 液体X,y值表111

4.4.8 高温液体粘度111

4.4.9 混合液体粘度112

本章符号对照表112

第5章 直管沿程阻力摩擦系数选取116

5.1 直管摩擦系数116

5.1.1 流动形态116

5.1.2 摩擦系数是雷诺数和相对粗糙度的函数117

5.1.3 摩擦系数的判断118

5.1.4 相对粗糙度119

表5-1 某些工业管道绝对粗糙度121

5.2 摩擦系数的一般表达式121

5.3 层流摩擦系数123

5.3.1 圆管中流速分布方程123

图5-1流速分布图123

5.3.2 摩擦系数125

表5-2 校正系数′K值125

表5-3 正方形管层流摩擦系数表126

表5-4 矩形管层流摩擦系数表126

表5-5 圆管层流摩擦系数表127

表5-6 套管环隙层流摩擦系数表128

5.4 湍流摩擦系数128

5.4.1 光滑区摩擦系数129

5.4.1.1 总切应力129

5.4.1.2 流速分布方程130

5.4.1.3 摩擦系数131

5.4.1.4 工程上的应用133

表5-7 光滑管摩擦系数表（一）135

表5-8 光滑管摩擦系数表（二）141

5.4.2 粗糙区摩擦系数146

5.4.2.1 粗糙区流速分布方程146

5.4.2.2 摩擦系数147

5.4.2.3 工程上的应用148

5.4.3 过渡区摩擦系数149

5.4.3.1 摩擦系数149

5.4.3.2 过渡区的判断150

5.4.3.3 工程上的应用151

5.5 临界区摩擦系数152

表5-9 摩擦系数公式汇总表153

图5-2 摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度曲线图154

本章符号对照表155

第6章 管件局部阻力系数选取157

6.1 概述157

6.2 局部阻力的分类158

6.2.1 常用管件158

表6-1 常用管件图例158

6.2.2 局部阻力分析159

6.2.2.1 流道突然扩大159

图6-1 突扩管159

6.2.2.2 流道突然缩小159

图6-2 突缩管159

6.2.2.3 流道逐渐扩大160

图6-3 渐扩管160

6.2.2.4 流道逐渐缩小160

图6-4 渐缩管160

6.2.2.5 流道方向变化160

图6-5 转弯管161

6.2.2.6 流道汇合与分支161

图6-6 流道汇合与分支管161

6.2.2.7 流道急剧变化161

图6-7 管道隔板161

6.3 局部阻力计算方程162

6.3.1 阻力系数法162

6.3.2 当量长度法163

6.4 突扩管阻力系数163

图6-8 突扩管164

表6-2 突扩管局部阻力系数（ξel）165

6.5 突缩管阻力系数166

6.5.1 插入式突缩管166

图6-9 插入式突缩管167

表6-3 插入式突缩管阻力系数（ξc2）168

6.5.2 无插入式突缩管168

图6-10 无插入式突缩管169

表6-4 无插入式突缩管阻力系数（ξd2）169

6.6 渐变管阻力系数170

6.6.1 渐扩管阻力系数170

图6-11 渐扩管171

图6-12 吉布森曲线图172

6.6.2 渐缩管阻力系数173

图6-13 渐缩管173

6.7 合流三通阻力系数174

图6-14 合流管174

图6-15 任意合流三通管175

图6-16 合流三通隔离体受力图176

图6-17 合流三通管（？2=0.？=？1）180

图6-18 合流三通管（？2=0,？=？1=90°）180

6.8 分流三通阻力系数182

图6-19 任意分流三通管182

图6-20 分流三通隔离体受力图183

6.9 弯管局部阻力系数186

6.9.1 圆截面缓弯管阻力系数187

图6-21 圆截面缓弯管187

6.9.1.1 90°圆截面缓弯管阻力系数187

表6-59 0°直角弯头阻力系数188

图6-22 长弯曲半径阻力系数图188

6.9.1.2 60°圆截面缓弯管阻力系数189

图6-23 60°缓弯管189

6.9.1.3 45°圆截面缓弯管阻力系数189

图6-24 45°缓弯管189

表6-64 5°缓弯管局部阻力系数190

图6-25 45°缓弯管阻力系数190

6.9.1.4 30°圆截面缓弯管阻力系数190

图6-26 30°缓弯管191

表6-73 0°缓弯管阻力系数191

6.9.1.5 135°圆截面缓弯管局部阻力系数191

图6-27 135°弯管阻力系数191

6.9.1.6 180°圆截面缓弯管局部阻力系数191

图6-28 180°弯管阻力系数192

表6-8 其它弯管阻力系数192

6.9.2 矩形截面弯管局部阻力系数192

图6-29 矩形截面弯头193

6.9.3 急转弯管阻力系数194

6.9.3.1 二段圆截面急转弯管阻力系数194

图6-30 二段圆截面弯管194

表6-9 二段圆截面阻力系数194

6.9.3.2 二段矩形截面急转弯管阻力系数194

图6-31 二段矩形截面弯管194

表6-10 二段矩形截面阻力系数194

6.9.3.3 圆截面急转管90°阻力系数195

表6-11 90°圆截面急转弯管阻力系数195

6.9.3.4 虾米弯阻力系数195

表6-12 各种虾米弯阻力系数195

6.10 阀门阻力系数197

6.10.1 旋塞阻力系数197

表6-13 旋塞阻力系数198

6.10.2 截止阀198

表6-14 常用截止阀阻力系数198

图6-32 角式截止阀阻力系数198

6.10.3 闸阀、蝶型阀、隔膜阀阻力系数198

表6-15 闸阀、蝶阀、隔膜阀阻力系数199

6.10.4 止回阀、底阀、水表阻力系数200

表6-16 止回阀、底阀、水表阻力系数200

6.10.5 层流管件阻力系数200

表6-17 管道附件，阀门局部阻力系数（层流）200

6.10.6 补偿器阻力系数200

表6-18 补偿器阻力系数201

6.11 当量长度法201

表6-19 管件当量长度202

本章符号对照表206

第7章 单相流管道压力降及尺寸设计208

7.1 层流管阻及管径设计209

7.1.1 不可压缩流体层流管阻及管径确定方程209

7.1.1.1 不可压缩流体层流单位管阻209

7.1.1.2 不可压缩流体层流管径210

7.1.1.3 不可压缩流体层流管系管阻及管长确定方程210

7.1.1.4 不可压缩流体层流系统管阻△PAB213

7.1.2 可压缩流体层流管阻及管径确定方程216

7.1.2.1 当Pa＜△Pab时，可压缩流体层流管阻及管径设计216

7.1.2.2 当10％Pa＜△Pab＜40％Pa时，可压缩流体层流管阻及管径设计217

7.2 湍流光滑区管阻及管径设计218

7.2.1 光滑区临界管径218

7.2.2 不可压缩流体光滑管管阻及管径确定方程219

7.2.2.1 不可压缩流体光滑管单位管阻219

7.2.2.2 不可压缩流体光滑管管系管阻221

7.2.2.3 不可压缩流体光滑管系统管阻222

7.2.2.4 不可压缩流体光滑管管径及管长确定方程222

7.2.3 可压缩流体光滑管管阻及管径确定方程224

7.2.3.1 可压缩流体光滑管绝热过程管阻及管径计算225

7.2.3.2 可压缩流体光滑管等温过程管阻及管径计算228

7.3 湍流粗糙区管阻及管径设计228

7.3.1 粗糙区临界管径228

7.3.2 不可压缩流体粗糙管管阻及管径确定方程229

7.3.2.1 不可压缩流体粗糙管单位管阻229

7.3.2.2 不可压缩流体粗糙管管系管阻230

7.3.2.3 不可压缩流体粗糙管系统管阻230

7.3.2.4 不可压缩流体粗糙管管径及管长确定方程231

7.3.3．可压缩流体粗糙管管阻及管径确定方程232

7.3.3.1 可压缩流体粗糙管绝热过程管阻及管径计算232

7.3.3.2 可压缩流体粗糙管等温过程管阻及管径计算233

7.4 湍流过渡区管阻及管径设计233

7.4.1 过渡区判断233

7.4.2 不可压缩流体过渡管管阻及管径确定方程233

7.4.2.1 不可压缩流体过渡管单位管阻233

7.4.2.2 不可压缩流体过渡管管系管阻234

7.4.2.3 不可压缩流体过渡管系统管阻235

7.4.2.4 管道尺寸设计方程235

7.4.3 可压缩流体过渡管管阻及管径确定方程236

7.4.3.1 可压缩流体过渡管绝热过程管阻及管径计算236

7.4.3.2 可压缩流体过渡管等温过程管阻及管径计算237

7.5 可压缩流体临界流判断242

7.5.1 声速计算242

表7-1 常用气体绝热指数243

7.5.2 临界流动判别243

7.6 几种典型管径确定方程244

7.6.1 魏玛斯公式244

7.6.2 潘汉德公式247

表7-2 气体流动效率系数248

7.6.3 哈雷斯公式248

7.6.4 哈曾－威廉斯公式249

表7-3 哈曾－威廉斯系数249

本章符号对照表250

第8章 两相流管道压力降及尺寸设计252

8.1 概述252

图8-1 汽水两相流流型示意图253

8.2 流型及流态确定254

8.2.1 流型分类254

图8-2 分散流流型示意图255

图8-3 层流流型示意图255

图8-4 波状流流型示意图256

图8-5 环状流流型示意图256

图8-6 气泡流流型示意图256

图8-7 柱状流流型示意图256

图8-8 活塞流流型示意图256

8.2.2 流型判断256

图8-9 贝克流型判断图257

表8-1 等张比容的结构贡献表258

图8-10 克里菲思－沃利斯流型判断图259

8.2.3 流态判断259

8.3 两相流分额计算262

图8-11 两相流汽液分额示意图263

8.3.1 空泡分额263

8.3.2 液相分额264

8.3.3 拟均相流动中液相分额的计算265

8.3.4 非均相流动中液相分额的计算266

8.3.4.1 洛卡特－马梯奈理方程267

8.3.4.2 胡玛克方程269

8.3.4.3 胡玛克图解法272

图8-12 胡玛克曲线图273

8.4 两相流管阻及管径设计276

8.4.1 通用法计算两相流管阻276

8.4.1.1 压力降计算通式276

8.4.1.2 气液相均为层流压力降计算公式277

8.4.1.3 气液相均为湍流光滑管压力降计算公式278

8.4.1.4 气液相均为湍流粗糙管压力降计算公式278

8.4.1.5 气液相不同流态压力降计算公式279

8.4.1.6 图解法确定φL，φV279

8.4.2 通用法管径确定方程282

8.4.2.1 层流两相流管径确定方程282

8.4.2.2 湍流两相流管径确定方程283

8.4.2.3 不同流态管径确定方程284

8.4.3 定型法计算两相流管阻286

8.4.3.1 汽泡流压力降计算公式286

图8-13 汽泡流压力降图287

8.4.3.2 活塞流压力降计算公式288

8.4.3.3 层流压力降计算公式289

8.4.3.4 柱状流压力降计算公式290

8.4.3.5 环状流压力降计算公式290

图8-14 环状流压力降图291

8.4.3.6 分散流压力降计算公式292

图8-15 分散流压力降图292

8.4.3.7 波状流压力降计算公式293

图8-16 泡状流摩擦系数图294

8.4.4 定型法管径确定方程294

表8-2 定型法常数表295

8.4.5 均相法计算两相流管阻和管径296

8.4.6 邓克勒法计算两相流管阻和管径297

图8-17 邓克勒法曲线图299

8.5 两相流管件阻力300

8.5.1 突扩管管阻300

图8-18 突扩管管阻300

8.5.2 突缩管管阻301

图8-19 突缩管管阻301

8.5.3 弯头管阻301

图8-20 气、液相摩擦系数305

本章符号对照表306

第9章 调节阀尺寸设计308

9.1 调节阀计算原理308

图9-1 调节阀系统工作图308

9.2 流量系数计算311

9.2.1 液体流量系数311

图9-2 液体临界压力比系数312

表9-1 各种调节阀的系数值312

图9-3 雷诺数修正系数FR314

9.2.2 气体流量系数315

9.2.3 蒸汽流量系数315

9.2.4 两相流流量系数316

9.2.5 液体与蒸汽流量系数316

9.3 调节阀可调比316

9.3.1 理想可调比317

9.3.2 实际可调比317

图9-4 并联管路示意图318

9.3.3 调节阀阻比319

9.4 调节阀流量特性319

9.4.1 理想流量特性320

9.4.1.1 直线流量特性320

图9-5 直线流量示意图320

9.4.1.2 等百分比流量特性320

图9-6 等百分比流量示意图320

9.4.1.3 抛物线流量特性321

图9-7 抛物线流量示意图321

9.4.1.4 快开特性321

图9-8 快开流量示意图321

9.4.2 实际流量特性321

9.5 调节阀压差计算324

9.5.1 工艺系统给定计算压差325

图9-9 计算压差示意图325

9.5.2 计算压差偏小326

9.5.3 计算压差偏大326

图9-10 放氨调节阀示意图326

表9-2 调节阀压力恢复系数328

9.5.4 静压波动系统329

9.6 调节阀尺寸的确定329

9.6.1 调节阀分类329

表9-3 ZMABP-16、64、100单座调节阀系列表330

表9-4 ZMABN-16、64、100双座调节阀系列表331

表9-5 ZMABS-64 角形阀系列表331

表9-6 ZMABS-22 0、320高压角形阀系列表332

9.6.2 调节阀尺寸确定原则332

本章符号对照表334

第10章 流量计尺寸设计337

10.1 概述337

图10-1 标准孔板示意图337

图10-2 孔板流量计示意图338

10.2 流量测量基本方程338

10.2.1 液体用流量实用方程338

10.2.2 气体用流量实用方程339

10.3 计算参数确定340

10.3.1 流量系数a,a0计算340

10.3.1.1 角接取压标准孔板流量系数计算340

表10-1 γ0系数表341

10.3.1.2 法兰取压标准孔板流量系数计算341

10.3.2 膨胀系数计算342

10.3.2.1 角接取压标准孔板ε342

10.3.2.2 法兰取压标准孔板ε342

10.3.3 流量计压差△pKP计算342

10.3.4 压差选择的步骤343

10.3.4.1 角接取压节流装置343

表10-2 最小雷诺数推荐值（角接取压）343

10.3.4.2 法兰取压节流装置344

表10-3 （法兰取压的）最小雷诺数推荐值345

10.3.4.3 不可恢复压力损失346

10.4 差压流量计的确定346

10.4.1 仪表刻度值确定346

10.4.2 压差确定346

表10-4 扩展系数与β关系347

本章符号对照表350

第11章 限流孔板尺寸设计351

11.1 概述351

11.2 单孔限流孔板流量计算公式351

11.2.1 液体用计算公式351

图11-1 孔板计算压力降示意图352

图11-2 限流孔系数曲线图（Re=2～104）354

图11-3 限流孔系数曲线图（Re=104～106）354

11.2.2 气体用计算公式355

11.2.3 两相流用计算公式356

11.3 多孔限流孔板尺寸计算356

11.3.1 液体限流孔板开孔公式356

11.3.2 气体限流孔板开孔公式356

11.3.3 两相流限流孔板开孔公式356

11.3.4 确定孔径及孔数356

11.3.5 最大开孔数357

11.3.6 板间距357

图11-4 限流孔板计算示意图357

本章符号对照表360

第12章 安全阀及爆破板尺寸设计362

12.1 安全阀整定压力362

12.2 安全阀背压363

12.2.1 安全阀允许背压值363

12.2.2 背压对安全阀释放能力的影响364

图12-1 通用式安全阀背压对释放能力的修正曲线364

图12-2 波纹管平衡式安全阀背压对释放蒸汽和气体能力的修正曲线365

图12-3 波纹管平衡式安全阀超压25％时背压对释放液体能力的修正曲线365

12.3 安全阀释放量计算366

12.3.1 气体释放量计算366

表12-1 过热水蒸汽修正系数Cs368

12.3.2 液体释放量计算370

图12-4 积聚压力修正系数曲线370

表12-2 粘度修正系数K0370

12.3.3 液体贮槽遇火或受外热时释放量计算371

表12-3 容器外壁校正系数371

12.4 安全阀释放面积计算372

图12-5 安全阀工作系数曲线图373

12.5 爆破板计算374

12.5.1 爆破板泄压面积计算374

表12-4 排出结构系数β374

12.5.2 爆破板压力确定及选择376

表12-5 普通换热器保护装置选择376

表12-6 爆破板直径、数量选择376

本章符号对照表377

第13章 泵的NPSH计算379

13.1 概述379

13.2 泵的分类及性能指标380

表13-1 常用泵性能表380

13.3 泵净正吸入压头（NPSH）计算382

13.3.1 需要的净正吸入压头（NPSHR）计算382

图13-1 汽蚀系数和比转数关系曲线383

图13-2 非粘性烃类汽蚀裕量修正图384

13.3.2 系统有效的净正吸入压头（NPSHA）计算385

图13-3 泵安装尺寸示意图385

表13-2 泵型系数C386

13.4 泵的允许吸上真空高度计算386

图13-4 离心泵的吸上真空高度386

图13-5 海拔高度与大气压关系曲线图388

13.5 泵的安装高度计算388

13.5.1 安装高度与汽蚀裕量关系388

13.5.2 安装高度与泵的吸上真空度关系389

13.6 泵的最大关闭压力计算389

13.7 泵的压差计算389

13.8 计算实例390

图13-6 流程布置示意图393

本章符号对照表396

参考文献397