物性数据在化工设计中的用途

曲宇霞

（中国能源工程集团有限公司，上海 200061）

物性数据在化工设计中的用途

曲宇霞

（中国能源工程集团有限公司，上海 200061）

物性数据在化工设计中具有重要的作用，本文从化工设计的角度，对物性数据进行了分类。同时结合相关标准和设计手册，分别介绍了各类物性数据在化工设计中的作用及应用注意事项。本文旨为化工工程设计者尤其是初学者提供参考。

物性数据；化工设计；用途

化工物性数据是化工设计的重要基础之一，物性数据隐含了许多工程设计所需的必要信息，包括物料储存条件、输送方法、处理手段、安全措施等。因此，进行一个化工项目设计的时候，首先要做的就是了解物料的物性数据。

1 常用的物性数据

1.1 物性数据分类

物质的物性数据包括基本特性数据、热力学数据、热化学数据、相平衡和化学平衡数据、传递性质数据等。

从化工设计的角度，物性数据可分为基础物性数据、安全性数据、溶解性数据、腐蚀性数据等。

基础物性数据包括：沸点、熔点、饱和蒸汽压、汽化热、密度、比热、表面张力、念度、导热系数等。

安全性数据包括：闪点、燃烧热、引燃温度、爆炸极限等，还包括危险性、稳定性、毒性及健康危害性、理化、急救、消防、泄漏应急处理、操作与储存、接触防护、生态学、废弃处置、包装运输等信息。

溶解性数据常见的有气体或无机物质在水中的溶解度、有机物质在有机溶剂的溶解度等，需查阅相关手册。

腐蚀性数据主要指材料的耐蚀性数据，需查阅相关手册。

1.2 物料的分类

了解上述物性数据后，需依据相关标准对物料进行分类分级。

依据《石油化工企业设计防火规范》（GB50160）对物料火灾危险性进行分类。

依据《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB50058）对爆炸性物料进行分级、分组。

依据《职业性接触毒物危害程度分级》（GBZ230—2010）对物料危害程度进行分级。

2 基础物性数据

2.1 沸点和熔点

通过操作压力下的沸点和熔点可判断出物料在操作条件下所处的相态。相态决定了物料的输送方式、储存方法、处理方法及处理过程中必须采取的安全措施等。

2.1.1 气态

气态物料用压缩机、风机、真空泵等输送；对于某些危险介质如H2、C2H2、O2等有安全流速要求。安全流速可以参阅相应危险气体的安全操作规程或设计规范。

气态物料一般用钢瓶、气柜或储罐储存；钢瓶要考虑防晒、防滚动，不同危险介质有不同的库容要求；气柜储存又分干式、湿式气柜储存；储罐储存需考虑火灾危险性、罐容和安全距离要求等。

2.1.2 液态

液态物料用泵输送或气体压送；对于有机物输送为了防止静电产生和积累，并综合考虑投资和操作费用等因素，要求流速按经验选取，可参考标准HG/T20570.6—1995。

液体可采用储罐、桶、钢瓶等容器储存，储存时还需依据物性考虑罐容和安全距离要求等。

2.1.3 固态

固态物料用传送带、螺旋输送机、水力、气力、粉料泵等输送；用料仓、堆场等方式进行储存；采用的包装方式有桶装、袋装、散装等；处理过程需防设备磨损，危险固体需防撞击。处理固体时往往伴随着粉尘生成，因此防止粉尘污染、爆炸和危害也是一项重要工作。

2.1.4 混合相

气液混相物料需根据气液流量等参数确定两相流流型，一般要求为环状流或分散流，尽量避免柱状流[1]，以避免液击、振动对管道或设备产生损害。工程中还需依据后续单元设备的要求决定是否设置气液分离器（如压缩机前）和分液设施（如疏水器、排液管线和阀门）等。

气固混相物料需要考虑流速是否偏小引起固体颗粒沉积、堵塞；流速是否偏大引起设备管道磨损加剧等。

液固混相物料需要考虑液固两相的性质：如成浆性、固体颗粒大小、固含量等因素；对于成浆性好的物料（如水煤浆）可以采用浆液泵进行输送；对于成浆性差但固含量≤15%（w）的物料，可以考虑采用泥浆泵进行输送；固含量高于15%（w）的物料可能引起设备和管道的堵塞，需要采用特殊机械进行输送，如混凝土泵。液固混相物料储存时要设置防沉积设施。液固物料可以通过沉降、过滤、压滤、离心机等进行固液分离。

对于混合相的管线，还需考虑管道坡度的要求，可依据前后单元设备的布置和清除沉积物的处理难易程度设置顺坡或逆坡。

2.2 饱和蒸汽压

物料的饱和蒸汽压决定了系统（或者物料）的操作压力和储存压力。

在工程设计中，利用物料在不同温度下的饱和蒸汽压数据，同时结合物料安全数据即可确定物料的储存条件和储存设备的设计条件。

一般石油化工中确定某种液体物料储存条件的过程如下：

（1）查出物料15℃的饱和蒸汽压、常压沸点和50℃的饱和蒸汽压。

（2）查出物料闪点。

（3）根据15℃时物料的饱和蒸汽压和闪点，按《石油化工企业设计防火规范》（GB50160）对物料火灾危险性进行分类。

（4）对于甲A类液体，可选择全冷冻式储存、全压力式储存或者半冷冻式储存。具体方式应依据储量、投资要求、操作习惯等综合确定。其操作压力与操作温度下的饱和蒸汽压对应，或者操作温度与操作压力下物料的饱和温度对应。

（5）根据50℃时的饱和蒸汽压可确定物料的挥发性，从而选择使用带压罐或是常压罐[2]。对于常压沸点小于45℃的甲B类液体，或者50℃时的饱和蒸汽压超过0.1MPa的其他液体，为防止蒸发损失，应采用压力储存（设计压力≥0.1MPa）或低压储存（6.9kPa＜设计压力＜0.1MPa）。此时物料的分压与操作温度下的饱和蒸汽压相对应，需设置气封系统维持一定的储存压力，具体压力选择应依据上下游工艺要求确定。

（6）其他液体物料可以采用常温常压储存，但是对于易挥发的物料（常压沸点较低）、蒸汽与空气混合后产生极易爆炸性混合物的物料、或与空气接触可受到污染或发生化学反应的物料，应设置气封系统。

2.3 汽化热

汽化热数据主要用于计算物料发生气液相变所需或放出的热量。其他用途还包括：

（1）根据汽化热的大小，结合物料的冰点、毒性、可获得性、危险性等来确定是否可以用作冷媒或者热媒。

以液氨为例，液氨物性见表1：

表1 液氨物性数据表

液氨适合做一般低温工况的冷媒。同样，丙烯、二甲醚、氟里昂等也适合做冷媒。另外，某些工厂的高温场合以导生（是“DOWTHERM“的译音，它是一种以联苯和联苯衍生物组成有机化合物的统称[4]）做热媒。

（2）根据汽化热来估算其他物性数据，如沸点、其他温度下的汽化热、闪点等，具体可参阅相关手册。

2.4 密度（比重）

密度在化工计算中是比较常用的一个物性参数，几乎所有的化工计算中都有使用，如计算流体体积流量、流速、体积、流体力学、传热计算等等。

记住一些常用介质的密度是化工工程师的必备技能。如水的密度密度1 000kg/m3、98%硫酸密度1 840kg/m3，水银密度13 600kg/m3，钢密度7 800kg/m3等。

气体的比重除查阅有关手册外，工程上常利用气体状态方程来估算气体密度。

2.5 黏度

黏度主要用于物料的流体力学计算和传热计算。

液体黏度决定了输送设备的类别选择。当液体运动黏度大于20cSt时，采用离心泵输送时必须考虑效率削减系数；高黏度液体考虑用容积式泵输送，黏度过大时还需考虑减粘措施。

以减压渣油为例，其黏度随储存时间增加而增加，输送时用螺杆泵或齿轮泵，输送管线还需设夹套保温和蒸汽吹扫接头等安全措施。

2.6 凝固点、露点

物料在凝固（结冰、结晶）点下输送会引起管道设备的堵塞问题。因此物料一般在高于凝固（结冰、结晶）点10～15℃的温度下输送（如尿素装置的熔融尿素）。对于油品需在高于倾点的温度下输送。

物料在露点下操作也会引起露点腐蚀问题，如湿CO2设备及管线必须要用304不锈钢管线来输送。

2.7 其他物性数据

如比热、表面张力、导热系数等数据都有不同用途。

3 安全性数据

物料的安全性数据揭示了加工处理物料的方法以及需要采取的安全措施等。

3.1 闪点

根据实验方法的不同，闪点分为闭杯闪点和开杯闪点。闪点反映出液体物料的安全性级别，通过闪点可以对液态物料进行火灾危险性分类，进而确定储存和处理方案。

已知闪点后，依据《石油化工企业设计防火规范》（GB50160）对液化烃或可燃液体的火灾危险性进行分类。划分原则如2所示：

表2 液化烃、可燃液体的火灾危险性分类[5]

常用物料的MSDS中可以查到相关闪点数据。不常用物料的闪点数据可通过查阅相关的关联公式进行估算。

闪点亦表示可燃液体表面蒸汽与空气构成一种能引起瞬时燃烧的混合物浓度，而爆炸下限则表示该混合物能着火时的最低蒸汽浓度[6]，因此通过闪点和饱和蒸汽压数据还可以求取物料蒸汽的爆炸下限，反之亦然。

3.2 燃烧热

在缺乏物质的生成热数据时，经常用物质的燃烧热来计算化学反应热。

对于同系物料，利用爆炸下限与燃烧热乘积为常数的关系，可以推算同系物料的爆炸下限[6]。

燃烧热还可用于估算爆炸过程产生的爆炸力。

3.3 引燃温度

爆炸性气体混合物应按引燃温度分组[7]，结合其最大实验安全间隙或最小点燃电流分级，根据《爆炸危险环境电力装置设计规范》（GB50058）对爆炸性物料进行分级、分组。从而确定爆炸和火灾危险环境中用电设备的防爆等级。

3.4 爆炸极限、自燃温度

爆炸极限说明了混合气体的爆炸危险性能，操作上要尽可能处于爆炸极限外才是安全的。

已知爆炸极限后，依据《石油化工企业设计防火规范》（GB50160）对可燃气体的火灾危险性进行分类。划分原则如表3所示：

表3 可燃气体的火灾危险性分类[5]

以氢气为例：氢气为甲类气体，爆炸下限4.1%（ψ）、爆炸上限74.1%（ψ）；其爆炸范围很宽，为了防止爆炸，引入介质和倒空介质时需要考虑N2置换措施，而且不允许在负压下进行操作。氢气的自燃温度570℃，当操作温度高于570℃时连接法兰处要设置蒸汽灭火环[5]。

3.5 职业性接触毒物危害程度

职业性接触毒物危害程度分为轻度危害（IV级）、中度危害（III级）、高度危害（II级）和极度危害（I级）4个等级[8]。根据危害程度需要采取不同的安全措施。如结合设计温度、设计压力、介质毒性程度、腐蚀性和火灾危险性将压力管道确定为不同的等级（TSG D0001—2009《压力管道安全技术监察规程-工业管道》）、在安装过程中对管道实施不同的探伤级别。另外根据介质的危害程度和爆炸危险程度，结合容器的设计压力和容积，将压力容器分为不同的类别（参考《固定式压力容器安全技术监察规程》）。危害程度等级一般依据《职业性接触毒物危害程度分级》（GBZ230—2010）表1来确定。

3.6 其他安全性数据包括危险性、稳定性、理化、急救、消防、泄漏应急处理、操作与储存、接触防护、生态学、废弃处置、包装与运输等信息，以此确定物料处理过程中采取的安全卫生、消防、急救等措施。

4 其他物性数据

4.1 腐蚀性数据

腐蚀性数据是选取设备和管道材质的重要依据。对于有实践经验的场合一般依据有关腐蚀手册查得，无经验时需要进行挂片实验，依据实验结果选取材料。

对于一些特殊场合如临氢场合、高温H2S/H2场合、NaOH溶液场合、应力腐蚀场合[9]，对材料使用有特殊的规定。需要查阅相关规范如《石油化工管道设计器材选用规范》（SH/ T3059）。

4.2 溶解度

通过物料在不同介质中的溶解度数据，可以确定：（1）采用何种分离工艺如：萃取、蒸发、物理分离等；（2）输送过程中需要采取的措施如：介质温度不得低于饱和温度，或者介质浓度需低于输送温度下的饱和浓度。

5 物性数据的获得

纯物质基础数据一般可通过相关数据手册获取。

对于混合物料的物性数据或手册中较难查到的其他物性数据，可通过以下手段查阅或估算：

1）查相关资料。

2）依据相关关联公式计算。

3）通过国内外石油化工物性数据库、工程模拟软件（如ASPEN、PROII等）自带数据库或文献资料获取。

4）在网络高速发展的今天，通过Internet迅速有效地获取物性数据也是石化工作者的必备技能之一。

6 结束语

1）从某种意义上，物性数据揭示了石油化工过程的一切。

2）搞清楚物性数据不难，难的是如何将这些物性数据应用于工程。

3）物性数据必须和相关的规范结合起来使用。

[1] 化学工业部化工工艺配管设计技术中心站.化工管路手册（下）[M].北京：化学工业出版社，1988.

[2] 王松汉.石油化工设计手册（第4卷）[M].北京：化学工业出版社，2002.

[3] 卢焕章.石油化工基础数据手册[M].北京：化学工业出版社，1982.

[4] 张德姜，王怀义，刘绍叶，等.石油化工装置工艺管道安装设计手册[M].北京：中国石化出版社，2009.

[5] GB 50160—2008.石油化工企业设计防火规范[S].

[6] 田兰，曲和鼎.化工安全技术[M].北京：化学工业出版社，1984.

[7] GB50058—2014.爆炸危险环境电力装置设计规范[S].

[8] GBZ230—2010.职业性接触毒物危害程度分级[S].

[9] SH/T3059—2012.石油化工管道设计器材选用规范[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，河南洛阳人，工程师，主要从事化工工艺设计及设计管理工作。