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    储罐内加热盘管的设计与计算.pdf

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    储罐内加热盘管的设计与计算.pdf

    l0 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 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。 1储罐内加热盘管的特点及设计原则 1.1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,通人不同的热载体 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 从上端送人蒸汽,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 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DN2565范围。 为防止盘管的压降过大,限制管内流速在0.3 0.8rn/s,对于气体,质量流速可以控制在3~ lOkg/m s。 4盘管内外圈之间的间距一般为23d。 其中d。为盘管外径,上下圈的垂直距离h应保 持在1.5~2.0 d。,而最外圈与储罐壁间的最小距 离为lo0~200mm。 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Ill,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V。,则根据选定流速v,计算盘 管并联组数m m4Vo/7r 口 1 盘管总长L. L a/仃d。 2 每组长L LL,/m 3 每圈盘管长l l、 丌D 4 每组的总圈数n nL/l 5 盘管高度L L nh 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02987988609,EMail hwj1935chinahualueng.corn。 何文静储罐内加热盘管的设计与计算 2储罐散热的计算 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 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 QKoA0/kto 7 1 丁 一十一十~ a0 l 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t们与设备内工作温度t可视作相 同,则 数公式 h 388 /d D /d 枷 【1/3.6 14 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 对流考虑。 在Pr0.7时 _c0 警 Pr do3p 麟£ 一 卢 At0t|‘0一t。tt 9 壁温t 需满足公式 2.2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 Qq A0 1O q 1 1 T 【 3储罐内盘管的传热计算 3.1盘管内的给热系数 3.1.1无相变强制对流给热系数 1对气体 .. __1leo.s. k一26.2 fpr2 一0.074。 {, 此公式适用范围为Pr 1;R /D。 0.1。 2对液体 Re5 { 13 iH 可 j 【l 此公式适用范围为Pr1;Redl/D。。 0.4。 3.1.2冷凝给热系数 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 15 16 17 18 J}亡 Att|I} 1 19 采用试差的方法确定壁温,得出h。。 根据公式,求得K值 1yoyl鲁 l\t d o』 Y f\生d120 d 21 口 ■ ~ In Ⅱi 根据公式 KA At 22 可得出A值,然后再设计盘管的几何尺寸。 4计算实例 某装置苯、甲苯混合物常压中间储罐,规格 为d9000 X 16500mm,V1000m ,外界环境平均 温度t 为13.1℃,进出物料温度t为50C,要求 维持该温度的热源为0.4MPaG的低压水蒸汽, 计算内加热盘管的加热面积及管内压降。 4.1计算热负荷和蒸汽用量 已知条件物料温度为50C;外界环境平均 温度t 为13.1qC;根据项目的材控规范,平壁保 温层厚度8为0.07m,保温材质为岩棉;根据规范 SHJ 1090,表面给热系数o【为11.6 W/in ℃;岩棉的导热系数入0为0.0460.00018t , t tt。,故入。0.052 W/1TI ℃。 12 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工设计2013,233 储罐外壁无伴管加热,罐壁散热量的计算采 用式10和11 g 25.8 m2 Qqa025.8 X3.14 X 9 X 16.52 X 3.144.5 15311 W13187 kcal/hr 0.4MPaG的蒸汽汽化潜热为504 kcal/kg, 故蒸汽质量流量为 26.2 kg/hro 4.2确定盘管直径 取DN40的盘管,查得0.4 MPaG的低压 水蒸汽密度P 为2.67 kg/m ,可计算流速为 一堑 2.2 m/s 一0.78536000.04 2.67一‘ 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 4.3.1计算盘管内侧界膜导热系数hi 已知条件0.4 MPaG的低压水蒸汽的导 热系数ki为0.025 kcal/mhoC;DN40管子 内径d;为0.0383 m;考虑储罐直径及盘管的固定, D。取6m;冷凝负荷r为w/rrdj217.9 kg/m h;0.4 MPaG的低压水蒸汽的粘度 为0.O14cP。 采用公式14得内侧界膜导热系数 h 388O.0250.O383X6/O.o383-0.54 [217.93.60.014]。 58.0 keal/m hoC 4.3.2盘管外侧给热系数h 1求取普兰特准数Pr 盘管外侧按自然对流考虑,已知条件盘管 外流体比热为0.44 kcal/kg℃;其粘度 为 1.584 kg/mh单位换算后为0.4410 Pa s;介质导热系数入 为0.12 kcal/mhoC。 由公式14得出 Pr 5.81 2求取总传热系数K 已知条件DN40管子外径d。为0.0483m,其 公称直径d。为0.04m;密度p为847kg/m ;系数 C。取0.47,n取1/4。壁温的计算采用试差法。假 设壁温t 72℃,查得p 为823.7 kg/m。,由公式 18得 /3 7_o.001286 o.8237 X7250 。 由公式17得 o.O483 X847 9.810.0012867250 Jr●●■■■一 0.4410 由公式15得 N 0.47a15.95.8110 了175.7 227.1 keal/m .h.℃ 将h。227.1 kcal/rll h℃,t 72%代 人壁温计算公式19,公式中盘管内流体温度T 为152C;盘管内污垢系数 i为根据经验,取 0.0001 m hC/kcal;盘管外污垢系数 0根据 经验,取0.0003 rfl h /kcal。经计算得 , 7250 一 加OOO3102 45.9 keal/m hcC t”152459 000110271 cC 与假设t 72%相比,浮动3e,所以t 72℃成立,此时h。227.1 keal/m h℃。 根据公式20和公式21,在盘管壁厚t。 为0.005m、盘管导热系数 为50 kcal/mh ℃条件下 d 堡 41.1 mm In In ~“““ o 1 m .h.℃/kcal 去 o. o-删 o.0001等 0.02668 m .h.℃/kcal K37.5 keal/m hoc、 3确定盘管加热面积 根据公式22得 A 3 7 5 1墨5 2 50-3.4 m2 一 . 一 2013,233 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 A n丌D 。23.1463.14 x0.044.7 m 盘管总长 L n 23.14637.7 m 根据上述计算的结果,提出工艺设备数据表。 5 结语 长期以来,储罐内加热盘管的设计并没有很 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。 符号说明 d 盘管内径,m A传热面积,m D 盘管的平均圈径,m Q热损失的负荷,w Q散热量,W/m lo热损失的传热系数,W/m qC A0储罐外表面积,m △t0热损失的传热温差,℃ t砷保温设备的外壁温度,℃ T 保温设备内的工作温度,℃ t。周围环境温度,℃ 口 表面给热系数,w/m ℃,一般取11.6 W/m2℃ a0保温隔热层表面至周围空气给热系数,W/m ℃ 。设备外壁至保温隔热层内侧空隙间空气给热系数,W/m2 ℃,一jI5江程计算中取 ,11.6213.95 W/m2℃ 6 保温隔热层厚度,m A0保温材料的导热系数, m ℃ h 盘管内流体给热系数,kcalfm h℃ k 盘管内流体导热系数,kcal/mh℃ Pr普兰特准数 Re雷诺数 r 冷凝负荷,ks/mh,r 7r-d ,其中W为盘管 内蒸汽的质量流量,ks/h ,盘管内流体的粘度,cp 努赛尔常数 C,格朗特常数 co,n系数,盘管外的自然对流给热,在过渡流范围内,盘管 直径为DN25一DN125时,G0取0.47,n取1/4 4 J h。盘管外流体给热系数,kcal/m2h℃ d。盘管公称直径,m J]L.盘管外介质导热系数,kcaVmh℃ A 盘管导热系数,kcal/mh℃ c 盘管外流体的比热,kcaVkg℃ 盘管外流体的粘度,kg/mh P 盘管外流体的密度,ks/m0 g 重力加速度,9.81Ⅱ g2 壁温下盘管外流体的密度,kg/m t 盘管的外壁温度,℃ △ 盘管内外传热温差,℃ k 盘管的导热系数,kcal/mh℃ 盘管内流体温度,℃ t 盘管壁厚,m 盘管内污垢系数 y。盘管外污垢系数 总传热系数,kcal/m h℃ 参考文献 1 HG/T 20570.1195,工艺系统工程设计技术规定隔热、 保温类型的选用[s】. 2 SILl 109O,石油化工企业设备和管道隔热设计规范 [s]. 3化学工程设计技术中心站,化工单元操作手册[M]. 4化工部化工设计技术情报中心站,化工设计增刊[J]. 5石油化工设计手册[M].化学工业出版社. 6热交换器设计手册[M].石油工业出版社. 修改回稿20130508 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

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