物性數據在化工設計中的用途

曲宇霞

（中國能源工程集團有限公司，上海 200061）

物性數據在化工設計中的用途

曲宇霞

（中國能源工程集團有限公司，上海 200061）

物性數據在化工設計中具有重要的作用，本文從化工設計的角度，對物性數據進行了分類。同時結合相關標準和設計手冊，分別介紹了各類物性數據在化工設計中的作用及應用注意事項。本文旨為化工工程設計者尤其是初學者提供參考。

物性數據；化工設計；用途

化工物性數據是化工設計的重要基礎之一，物性數據隱含了許多工程設計所需的必要信息，包括物料儲存條件、輸送方法、處理手段、安全措施等。因此，進行一個化工項目設計的時候，首先要做的就是了解物料的物性數據。

1 常用的物性數據

1.1 物性數據分類

物質的物性數據包括基本特性數據、熱力學數據、熱化學數據、相平衡和化學平衡數據、傳遞性質數據等。

從化工設計的角度，物性數據可分為基礎物性數據、安全性數據、溶解性數據、腐蝕性數據等。

基礎物性數據包括：沸點、熔點、飽和蒸汽壓、汽化熱、密度、比熱、表面張力、念度、導熱系數等。

安全性數據包括：閃點、燃燒熱、引燃溫度、爆炸極限等，還包括危險性、穩定性、毒性及健康危害性、理化、急救、消防、泄漏應急處理、操作與儲存、接觸防護、生態學、廢棄處置、包裝運輸等信息。

溶解性數據常見的有氣體或無機物質在水中的溶解度、有機物質在有機溶劑的溶解度等，需查閱相關手冊。

腐蝕性數據主要指材料的耐蝕性數據，需查閱相關手冊。

1.2 物料的分類

了解上述物性數據后，需依據相關標準對物料進行分類分級。

依據《石油化工企業設計防火規范》（GB50160）對物料火災危險性進行分類。

依據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》（GB50058）對爆炸性物料進行分級、分組。

依據《職業性接觸毒物危害程度分級》（GBZ230—2010）對物料危害程度進行分級。

2 基礎物性數據

2.1 沸點和熔點

通過操作壓力下的沸點和熔點可判斷出物料在操作條件下所處的相態。相態決定了物料的輸送方式、儲存方法、處理方法及處理過程中必須采取的安全措施等。

2.1.1 氣態

氣態物料用壓縮機、風機、真空泵等輸送；對于某些危險介質如H2、C2H2、O2等有安全流速要求。安全流速可以參閱相應危險氣體的安全操作規程或設計規范。

氣態物料一般用鋼瓶、氣柜或儲罐儲存；鋼瓶要考慮防曬、防滾動，不同危險介質有不同的庫容要求；氣柜儲存又分干式、濕式氣柜儲存；儲罐儲存需考慮火災危險性、罐容和安全距離要求等。

2.1.2 液態

液態物料用泵輸送或氣體壓送；對于有機物輸送為了防止靜電產生和積累，并綜合考慮投資和操作費用等因素，要求流速按經驗選取，可參考標準HG/T20570.6—1995。

液體可采用儲罐、桶、鋼瓶等容器儲存，儲存時還需依據物性考慮罐容和安全距離要求等。

2.1.3 固態

固態物料用傳送帶、螺旋輸送機、水力、氣力、粉料泵等輸送；用料倉、堆場等方式進行儲存；采用的包裝方式有桶裝、袋裝、散裝等；處理過程需防設備磨損，危險固體需防撞擊。處理固體時往往伴隨著粉塵生成，因此防止粉塵污染、爆炸和危害也是一項重要工作。

2.1.4 混合相

氣液混相物料需根據氣液流量等參數確定兩相流流型，一般要求為環狀流或分散流，盡量避免柱狀流[1]，以避免液擊、振動對管道或設備產生損害。工程中還需依據后續單元設備的要求決定是否設置氣液分離器（如壓縮機前）和分液設施（如疏水器、排液管線和閥門）等。

氣固混相物料需要考慮流速是否偏小引起固體顆粒沉積、堵塞；流速是否偏大引起設備管道磨損加劇等。

液固混相物料需要考慮液固兩相的性質：如成漿性、固體顆粒大小、固含量等因素；對于成漿性好的物料（如水煤漿）可以采用漿液泵進行輸送；對于成漿性差但固含量≤15%（w）的物料，可以考慮采用泥漿泵進行輸送；固含量高于15%（w）的物料可能引起設備和管道的堵塞，需要采用特殊機械進行輸送，如混凝土泵。液固混相物料儲存時要設置防沉積設施。液固物料可以通過沉降、過濾、壓濾、離心機等進行固液分離。

對于混合相的管線，還需考慮管道坡度的要求，可依據前后單元設備的布置和清除沉積物的處理難易程度設置順坡或逆坡。

2.2 飽和蒸汽壓

物料的飽和蒸汽壓決定了系統（或者物料）的操作壓力和儲存壓力。

在工程設計中，利用物料在不同溫度下的飽和蒸汽壓數據，同時結合物料安全數據即可確定物料的儲存條件和儲存設備的設計條件。

一般石油化工中確定某種液體物料儲存條件的過程如下：

（1）查出物料15℃的飽和蒸汽壓、常壓沸點和50℃的飽和蒸汽壓。

（2）查出物料閃點。

（3）根據15℃時物料的飽和蒸汽壓和閃點，按《石油化工企業設計防火規范》（GB50160）對物料火災危險性進行分類。

（4）對于甲A類液體，可選擇全冷凍式儲存、全壓力式儲存或者半冷凍式儲存。具體方式應依據儲量、投資要求、操作習慣等綜合確定。其操作壓力與操作溫度下的飽和蒸汽壓對應，或者操作溫度與操作壓力下物料的飽和溫度對應。

（5）根據50℃時的飽和蒸汽壓可確定物料的揮發性，從而選擇使用帶壓罐或是常壓罐[2]。對于常壓沸點小于45℃的甲B類液體，或者50℃時的飽和蒸汽壓超過0.1MPa的其他液體，為防止蒸發損失，應采用壓力儲存（設計壓力≥0.1MPa）或低壓儲存（6.9kPa＜設計壓力＜0.1MPa）。此時物料的分壓與操作溫度下的飽和蒸汽壓相對應，需設置氣封系統維持一定的儲存壓力，具體壓力選擇應依據上下游工藝要求確定。

（6）其他液體物料可以采用常溫常壓儲存，但是對于易揮發的物料（常壓沸點較低）、蒸汽與空氣混合后產生極易爆炸性混合物的物料、或與空氣接觸可受到污染或發生化學反應的物料，應設置氣封系統。

2.3 汽化熱

汽化熱數據主要用于計算物料發生氣液相變所需或放出的熱量。其他用途還包括：

（1）根據汽化熱的大小，結合物料的冰點、毒性、可獲得性、危險性等來確定是否可以用作冷媒或者熱媒。

以液氨為例，液氨物性見表1：

表1 液氨物性數據表

液氨適合做一般低溫工況的冷媒。同樣，丙烯、二甲醚、氟里昂等也適合做冷媒。另外，某些工廠的高溫場合以導生（是“DOWTHERM“的譯音，它是一種以聯苯和聯苯衍生物組成有機化合物的統稱[4]）做熱媒。

（2）根據汽化熱來估算其他物性數據，如沸點、其他溫度下的汽化熱、閃點等，具體可參閱相關手冊。

2.4 密度（比重）

密度在化工計算中是比較常用的一個物性參數，幾乎所有的化工計算中都有使用，如計算流體體積流量、流速、體積、流體力學、傳熱計算等等。

記住一些常用介質的密度是化工工程師的必備技能。如水的密度密度1 000kg/m3、98%硫酸密度1 840kg/m3，水銀密度13 600kg/m3，鋼密度7 800kg/m3等。

氣體的比重除查閱有關手冊外，工程上常利用氣體狀態方程來估算氣體密度。

2.5 黏度

黏度主要用于物料的流體力學計算和傳熱計算。

液體黏度決定了輸送設備的類別選擇。當液體運動黏度大于20cSt時，采用離心泵輸送時必須考慮效率削減系數；高黏度液體考慮用容積式泵輸送，黏度過大時還需考慮減粘措施。

以減壓渣油為例，其黏度隨儲存時間增加而增加，輸送時用螺桿泵或齒輪泵，輸送管線還需設夾套保溫和蒸汽吹掃接頭等安全措施。

2.6 凝固點、露點

物料在凝固（結冰、結晶）點下輸送會引起管道設備的堵塞問題。因此物料一般在高于凝固（結冰、結晶）點10～15℃的溫度下輸送（如尿素裝置的熔融尿素）。對于油品需在高于傾點的溫度下輸送。

物料在露點下操作也會引起露點腐蝕問題，如濕CO2設備及管線必須要用304不銹鋼管線來輸送。

2.7 其他物性數據

如比熱、表面張力、導熱系數等數據都有不同用途。

3 安全性數據

物料的安全性數據揭示了加工處理物料的方法以及需要采取的安全措施等。

3.1 閃點

根據實驗方法的不同，閃點分為閉杯閃點和開杯閃點。閃點反映出液體物料的安全性級別，通過閃點可以對液態物料進行火災危險性分類，進而確定儲存和處理方案。

已知閃點后，依據《石油化工企業設計防火規范》（GB50160）對液化烴或可燃液體的火災危險性進行分類。劃分原則如2所示：

表2 液化烴、可燃液體的火災危險性分類[5]

常用物料的MSDS中可以查到相關閃點數據。不常用物料的閃點數據可通過查閱相關的關聯公式進行估算。

閃點亦表示可燃液體表面蒸汽與空氣構成一種能引起瞬時燃燒的混合物濃度，而爆炸下限則表示該混合物能著火時的最低蒸汽濃度[6]，因此通過閃點和飽和蒸汽壓數據還可以求取物料蒸汽的爆炸下限，反之亦然。

3.2 燃燒熱

在缺乏物質的生成熱數據時，經常用物質的燃燒熱來計算化學反應熱。

對于同系物料，利用爆炸下限與燃燒熱乘積為常數的關系，可以推算同系物料的爆炸下限[6]。

燃燒熱還可用于估算爆炸過程產生的爆炸力。

3.3 引燃溫度

爆炸性氣體混合物應按引燃溫度分組[7]，結合其最大實驗安全間隙或最小點燃電流分級，根據《爆炸危險環境電力裝置設計規范》（GB50058）對爆炸性物料進行分級、分組。從而確定爆炸和火災危險環境中用電設備的防爆等級。

3.4 爆炸極限、自燃溫度

爆炸極限說明了混合氣體的爆炸危險性能，操作上要盡可能處于爆炸極限外才是安全的。

已知爆炸極限后，依據《石油化工企業設計防火規范》（GB50160）對可燃氣體的火災危險性進行分類。劃分原則如表3所示：

表3 可燃氣體的火災危險性分類[5]

以氫氣為例：氫氣為甲類氣體，爆炸下限4.1%（ψ）、爆炸上限74.1%（ψ）；其爆炸范圍很寬，為了防止爆炸，引入介質和倒空介質時需要考慮N2置換措施，而且不允許在負壓下進行操作。氫氣的自燃溫度570℃，當操作溫度高于570℃時連接法蘭處要設置蒸汽滅火環[5]。

3.5 職業性接觸毒物危害程度

職業性接觸毒物危害程度分為輕度危害（IV級）、中度危害（III級）、高度危害（II級）和極度危害（I級）4個等級[8]。根據危害程度需要采取不同的安全措施。如結合設計溫度、設計壓力、介質毒性程度、腐蝕性和火災危險性將壓力管道確定為不同的等級（TSG D0001—2009《壓力管道安全技術監察規程-工業管道》）、在安裝過程中對管道實施不同的探傷級別。另外根據介質的危害程度和爆炸危險程度，結合容器的設計壓力和容積，將壓力容器分為不同的類別（參考《固定式壓力容器安全技術監察規程》）。危害程度等級一般依據《職業性接觸毒物危害程度分級》（GBZ230—2010）表1來確定。

3.6 其他安全性數據包括危險性、穩定性、理化、急救、消防、泄漏應急處理、操作與儲存、接觸防護、生態學、廢棄處置、包裝與運輸等信息，以此確定物料處理過程中采取的安全衛生、消防、急救等措施。

4 其他物性數據

4.1 腐蝕性數據

腐蝕性數據是選取設備和管道材質的重要依據。對于有實踐經驗的場合一般依據有關腐蝕手冊查得，無經驗時需要進行掛片實驗，依據實驗結果選取材料。

對于一些特殊場合如臨氫場合、高溫H2S/H2場合、NaOH溶液場合、應力腐蝕場合[9]，對材料使用有特殊的規定。需要查閱相關規范如《石油化工管道設計器材選用規范》（SH/ T3059）。

4.2 溶解度

通過物料在不同介質中的溶解度數據，可以確定：（1）采用何種分離工藝如：萃取、蒸發、物理分離等；（2）輸送過程中需要采取的措施如：介質溫度不得低于飽和溫度，或者介質濃度需低于輸送溫度下的飽和濃度。

5 物性數據的獲得

純物質基礎數據一般可通過相關數據手冊獲取。

對于混合物料的物性數據或手冊中較難查到的其他物性數據，可通過以下手段查閱或估算：

1）查相關資料。

2）依據相關關聯公式計算。

3）通過國內外石油化工物性數據庫、工程模擬軟件（如ASPEN、PROII等）自帶數據庫或文獻資料獲取。

4）在網絡高速發展的今天，通過Internet迅速有效地獲取物性數據也是石化工作者的必備技能之一。

6 結束語

1）從某種意義上，物性數據揭示了石油化工過程的一切。

2）搞清楚物性數據不難，難的是如何將這些物性數據應用于工程。

3）物性數據必須和相關的規范結合起來使用。

[1] 化學工業部化工工藝配管設計技術中心站.化工管路手冊（下）[M].北京：化學工業出版社，1988.

[2] 王松漢.石油化工設計手冊（第4卷）[M].北京：化學工業出版社，2002.

[3] 盧煥章.石油化工基礎數據手冊[M].北京：化學工業出版社，1982.

[4] 張德姜，王懷義，劉紹葉，等.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[M].北京：中國石化出版社，2009.

[5] GB 50160—2008.石油化工企業設計防火規范[S].

[6] 田蘭，曲和鼎.化工安全技術[M].北京：化學工業出版社，1984.

[7] GB50058—2014.爆炸危險環境電力裝置設計規范[S].

[8] GBZ230—2010.職業性接觸毒物危害程度分級[S].

[9] SH/T3059—2012.石油化工管道設計器材選用規范[S].

Brief Analysis of Small Mmethanol Plant Reform to Synthetic Oil Plant

Qu Yu-xia

Physicochemical property data are of great importance in chemical engineering design.This paper reclassif i es these data according to their roles in chemical engineering design.The roles and matters needing attention of types of physicochemical property data in chemical engineering design were put forward combined with relevant standards and handbooks.This paper aims to provide the reference for chemical engineering designers，especially for beginners.

physicochemical property data；chemical engineering design；role

TQ015.9

B

1003–6490（2017）03–0122–03

2017–03–12

曲宇霞（1976—），女，河南洛陽人，工程師，主要從事化工工藝設計及設計管理工作。