储罐内加热盘管的设计与计算.docx

储罐内加热盘管的设计与计算何文静*华陆工程科技有限责任公司 西安710065摘要 本文介绍储罐内加热盘管的传热与压降计算，确定盘管的加热面积，实例介绍在实际工程中的应用。关键词 内加热盘管 储罐化工生产过程中，当储罐贮存具有高粘度或高凝固点的液体时，为保持其流动性，防止物料 凝固，需要加热或保温。内加热盘管是较常用的 一种储罐加热器，又称为沉浸式蛇管换热器。本 文主要讨论储罐内加热盘管传热的计算，以及盘 管加热面积的确定。利用该方法设计计算的储罐 内加热盘管，已经应用到某粗苯精制项目中。冲击振动，还可能发生不凝性气体聚集于盘管的上部，很难排出，影响冷凝效果。所以当所需的 传热面积较大时，宜采用若干组盘管并联来解决。 ( 3) 内加热盘管直径不宜过大，直径过大加工制造有困难，一般常用管径在 dn25 65 范围。为防止盘管的压降过大，限制管内流速在 0. 3 0. 8m / s，对 于 气 体，质 量 流 速 可 以 控 制 在 310kg / ( m2 s) 。1储罐内加热盘管的特点及设计原则( 4)盘管内外圈之间的间距一 般 为 2 3do1. 1 储罐内加热盘管的优缺点内加热盘管的特点是结构简单、 造价低、 操 作管理方便、管内可承受高压、安装灵活、 可以 适应容器 的 形 状，弯曲成圆柱形或平板等形状， 也可并联若干组以增加传热面积，甚至可在同一 设备中采用两组独立的盘管，通入不同的热载体 以充分利 用 热 量。 但由于储罐的体积相对较大， 储罐内流体的流速必然很低，所以管外给热系数 也相对较小，这将影响总传热系数的提高。此外， 盘管本身通过的能力有限，而且管内难以清 洗， 故只适于传热负荷不是很大的场合及较清洁的流 体，为提高盘管外侧的给热系数，往往安装搅拌 装置，以强化传热过程，提高总传热效率。1. 2 储罐内加热盘管的设计原则( 1) 当采用液体作为加热或保温介质时，为 使盘管中充满液体，应从盘管下端送入液体; 当 采用蒸汽或低压热源时，为避免水锤或阻塞，应 从上端送入蒸汽，下端排出凝液。( 2) 内加热盘管不宜过长，否则会增加流体 阻力，消耗过多能量。 当采用蒸汽为加热源 时， 蒸汽在盘管内发生冷凝，易产生凝液排出困难和( 其中 d 为盘管外径) ，上下圈的垂直距离 h 应保o持在 1. 5 2. 0 d ，而最外圈与储罐壁间的最小距o离为 100 200mm。( 5) 在设计计算时，首先应根据管内流体的 物性，选择适宜的流速，决定盘管直径及并联组 数 m，然后进行传热计算，求得传热面积，计算管 长和圈数 n。以及盘管的几何尺寸。已知体积流量 v0 ，则根据选定流速 v，计算盘 管并联组数 m:2m = 4v0 / ( di v)盘管总长 lt :lt = a / ( do )每组长 l:l = lt / m每圈盘管长 l:( 1)( 2)( 3)l = 槡( dc ) + hdc每组的总圈数 n:n = l / l盘管高度 lc :lc = nh2( 4)( 5)( 6)*何文静: 工程师。2002 年毕业于西北大学精细化工专业。 一直从事化工工艺设计工作。 联系电话 ( 029 )hwj1935 chinahualueng. com。87988609，e mail:112013，23( 3)何文静 储罐内加热盘管的设计与计算数公式:hi = 388 ( ki / di ) ( dc / di )2储罐散热的计算 0. 540 15( 14) / ( 3. 6) f 2. 1储罐外部有蒸汽伴管伴热时的热损失计算储罐中介质的凝固点、 粘度较大，工艺介质3. 2盘管外的给热系数由于盘管外容器容积很大，通常可作为自然需要维持的温度较高，一般采用伴热保温的形式，伴热保温通常使用蒸汽伴热，此时，储罐散热量 计算采用公式:对流考虑。在 pr0. 7 时:ho de( 7)( 8)= k0 a0 t0nnu = co ( grpr) =pr = c( 15)1 1 k0 = 11 ( 16)+ +10 1 0保温设备内介质对外壁的传热一般忽略不计， 这样储罐外壁温度 tw0 与设备内工作温度 t 可视作相 同，则:3 2do gt( 17)gr =2 w w( 18) = t=( t t)www( 9)壁温 tw 需满足公式:t0 = tw0 ta = t ta112. 2 储罐外部无伴热时的热损失计算储罐外部无伴热，而只是保温时，热损失计 算采用公式:t = t k (+ ) t = t + k (+ ) t( 19)wiohhio采用试差的方法确定壁温，得出 ho 。根据公式，求得 k 值6:( 10)= q a0t ta+ o + i () +(dots do) +()do1 11( 20)( 11)=q =k hodi hi di di + 1 0 0do di( 21)dm =do )in (di3储罐内盘管的传热计算根据公式:= k a t3. 1 盘管内的给热系数( 22)无相变强制对流给热系数对气体3. 1. 1( 1)可得出 a 值，然后再设计盘管的几何尺寸。计算实例某装置苯、甲苯混合物常压中间储罐，规格4hi di pr 0 8= e26. 2 ( pr2 /3 0. 074)k( di )1 + 0. 098 0 12 1 /5 ( 12)为 9000 16500mm，v = 1000m ，外界环境平均3 e ( di / dc ) dc温度 ta 为 13. 1 ，进出物料温度 t 为 50 ，要求此公式适用范围为 pr1;( 2) 对液体e ( di / dc ) 0. 1。2( g)的低压水蒸汽，维持该温度的热源为 0. 4mpa计算内加热盘管的加热面积及管内压降。1 /12hi dipr0. 4( d )d5 /6ik = 41. 0e计算热负荷和蒸汽用量已知条件: 物料温度为 50 ; 外界环境平均4. 1c1 +0 061( 13)2. 5 1 /6 e ( di / dc )温度 为 13. 1 ; 根据项目的材控规范，平壁保ta温层厚度 为 0. 07m，保温材质为岩棉; 根据规范2. 5此公 式 适 用 范 围 为 0. 4。pr 1;e ( di / dc )( shj 10 90 ) ，表面给热系数 为 11. 6w / ( m2冷凝给热系数3. 1. 2 ) ;岩棉的导热系数 0 为 0. 046 + 0. 00018tm ，蒸气在盘管内的冷凝给热系数与水平管内冷凝时相近，计算水蒸气在盘管内冷凝时的给热系1( t + ta ) ，故 o = 0. 052 w / ( m ) 。2tm = 212chemical engineeing design化工设计 2013，23( 3)储罐外壁无伴管加热，罐壁散热量的计算采3设壁温 tw = 72 ，查得 w 为 823. 7 kg / m ，由公式( 18) 得:用式( 10)( 11) :和50 13. 1= 25. 8 w / m2q = = 0. 847 0. 8237 = 0. 0012860. 07 10. 052 + 11. 60. 8237 ( 72 50)2q = qa0 = 25. 8 ( 3. 14 9 16. 5 + 2 3. 14 4. 5 )= 15311 w = 13187 kcal / hr( 17)得:由公式3 2gr = 0. 0483 847 9. 81 0. 001286 ( 72 50) 0. 4mpa ( g)的蒸汽汽化潜热为 504 kcal / kg，( 0. 44 10 3 ) 2故蒸汽质量流量为:= 115. 9 106w = 13187= 26. 2 kg / hr。( 15)得:由公式504 1 nu = 0. 47 ( 115. 9 5. 81 10 ) 4 = 75. 764. 2确定盘管直径取 dn40 的盘管，查得 0. 4 mpa75. 7 0. 12= 227. 1 kcal / ( m h )2( g)的低压ho =0. 04水蒸汽密度 i 为 2. 67 kg / m ，可计算流速为:3将 ho = 227. 1 kcal / ( m h ) ，tw = 72 代入壁温计算公式 ( 19 ) ，公式中盘管内流体温度 t为 152 ; 盘管内污垢系数 i 为 根 据 经 验，取2v = 26. 2 0. 785 3600 0. 042 2. 67 = 2. 2 m / s计算流量符合盘管内气体推荐流速的要求，最终选取 dn40 作为蒸汽盘管直径。4. 3 盘管加热面积的确定0. 0001 m2 h / kcal;盘管外污垢系数 根据0经验，取 0. 0003 m2 h / kcal。经计算得: 72 50 k = 计算盘管内侧界膜导热系数 hi4. 3. 11(+ 0. 0003) 102222. 1已知条件:0. 4 mpa ( g)的低压水蒸汽的导= 45. 9 kcal / ( m2 h )热系数 ki 为 0. 025 kcal / ( m h ) ; dn40 管子内径 di 为 0. 0383 m; 考虑储罐直径及盘管的固定，dc 取 6m; 冷凝负荷 为 w / di = 217. 9 kg / ( m 1 tw = 152 45. 9 ( 58. 0 + 0. 0001) 102 = 71 与假设 tw = 72 相比，浮动 3 ，所以 tw = h ) ; 0. 4 mpa ( g )为 0. 014cp。的 低 压 水 蒸 汽 的 粘 度 f272 成立，此时 ho = 227. 1 kcal / ( m h ) 。根据公式( 20)和公式 ( 21 ) ，在盘管壁厚 ts采用公式( 14)得内侧界膜导热系数:为 0. 005m、 盘 管 导 热 系 数 为 50kcal / ( m hhi = 388 ( 0. 025 0. 0383) ( 6 /0. 0383) 0. 54 )条件下:217. 9 ( 3. 6 0. 014) 0. 15 = 58. 0 kcal / ( m2 h )do di48. 3 38. 3盘管外侧给热系数 ho求取普兰特准数 pr4. 3. 2( 1)dm = 41. 1 mmd48. 3oin ()in ( d )38. 3i盘管外侧按自然对流考虑，已知条件: 盘管t0. 005 s 2= 0. 0001 m h / kcalkcal / ( kg ) ;外流体比热为 0. 441. 584 kg / ( mh)其粘度 为50( 单位换算后为 0. 44 10 3 pa1 148. 3k = 227. 1 + 0. 0003 + 0. 0001 38. 3 +s) ; 介质导热系数 1 为 0. 12 kcal / ( mh ) 。 1 48. 348. 358. 0 38. 3 + 0. 0001 43. 1由公式( 14)得出:2= 0. 02668 m h / kcalk = 37. 5 kcal / ( m2 h )( 3) 确定盘管加热面积pr = 0. 44 1. 584= 5. 810. 12( 2) 求取总传热系数 k已知条件: dn40 管子外径 do 为 0. 0483m，其根据公式( 22)得:3公称直径 de 为 0. 04m; 密度 为 847kg / m ; 系数co 取 0. 47，n 取 1 /4。壁温的计算采用试差法。假 q 13187 2a = kt = 37. 5 ( 152 50)= 3. 4 m132013，23( 3)何文静储罐内加热盘管的设计与计算( 4) 确定盘管尺寸取 dn40 的无缝钢管，盘管圈径为 6m，盘两 圈，则此时实际加热面积为:保温材料的导热系数，w / ( m2 )盘管内流体给热系数，kcal / ( m2 h ) 盘管内流体导热系数，kcal / ( mh ) 普兰特准数雷诺数冷凝负荷，kg / ( mh) ， = w / ( di ) ，其中 w 为盘管 内蒸汽的质量流量，kg / h盘管内流体的粘度，cp努赛尔常数 格朗特常数0hi ki pr ea = nd d= 2 3. 14 6 3. 14 0. 04 = 4. 7 m2ce盘管总长:lt = ndc = 2 3. 14 6 = 37. 7 m根据上述计算的结果，提出工艺设备数据表。结语长期以来，储罐内加热盘管的设计并没有很fnugr5c0 ，n 系数，盘管外的自然对流给热，在过渡流范围内，盘管4直径为 dn25 dn125 时，c0 取 0. 47，n 取 1 /4盘管外流体给热系数，kcal / ( m2 h ) 盘管公称直径，m 盘管外介质导热系数，kcal / ( mh ) 盘管导热系数，kcal / ( mh ) 盘管外流体的比热，kcal / ( kg ) 盘管外流体的粘度，kg / ( mh) 盘管外流体的密度，kg / m3 重力加速度，9. 81m / s2hode理想的计算公式，在工程上大部分采用估算的方式，很多资料给出了建议的总传热系数，以此来 估算所需的换热面积，由于给出的总传热系数的 范围跨度较大，且有些物料并不能找到相似的介 质作为参考，所以进行内加热盘管的传热计算是 有必要的，这样可以得到比较准确的传热系数和 合理的尺寸设计，既可以满足换热需要又不会造 成能源浪费，经过实际运行证明本设计是可靠的， 对其它类似的工程项目设计具有参考价值。c gw tw t ktts1壁温下盘管外流体的密度，kg / m盘管的外壁温度，盘管内外传热温差，3盘管的导热系数，kcal / ( mh )盘管内流体温度， 盘管壁厚，m 盘管内污垢系数 盘管外污垢系数总传热系数，kcal / ( m2 h )符号说明di 盘管内径，m传热面积，m2aidc 盘管的平均圈径，m热损失的负荷，w q 散热量，w / m2ok参 考 文 献热损失的传热系数，w / (储罐外表面积，m2m2 )k0a0hg / t 20570. 11 95，工艺系统工程设计技术规定 隔热、保温类型的选用 s .shj 10 90，石油化工企业设备和管道隔热设计规范 s .化学工程设计技术中心站，化工单元操作手册 m .化工部化工设计技术情报中心站，化工设计增刊 j .1t0 热损失的传热温差，保温设备的外壁温度，保温设备内的工作温度，周围环境温度，表面给热系数，w / ( m2 ) ，一般取 11. 6 w / ( m2 ) 保温隔热层表面至周围空气给热系数，w / ( m2 ) 设备外壁至保温隔热层内侧空隙间空气给热系数，w / ( ) ，一般工程计算中取 1 = 11. 62 13. 95 w / ( m2 ) 保温隔热层厚度，mtw0t ta 0123456石油化工设计手册 m热交换器设计手册 m化学工业出版社石油工业出版社( 修改回稿 2013 05 08)m2檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿?下 期 要 目?磷酸装置设备与管道布置特点分析微电解与全自动示踪加药技术在循环水处理中的应用12013，23( 3)abstacts of chemical engineeing designkey words lng terminal lng liquefaction station air compressionnitrogen making process designabstactsprocess design of styrene storage tankli dawei，et al( jilin design institute of petrochina northeast efining chemicalsengineering co ，ltd ，jilin 132002)in this paper，from styrene material properties and safety point of view， the process design features and safety measures to be taken for the styrene storage tank are describedkey words styrene storage tank selection process flowbrief introduction to bend optimum design bycaesa ii softwarewang jinbao( jilin design institute of petrochina northeast 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