储罐内加热盘管的设计与计算

CHEMICAL ENGINEEＲING DESIGN化工设计2013，23(3)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3 10kg/（m2·s）。

（4）盘管内外圈之间的间距一般为2 3d
o （其中d
o
为盘管外径），上下圈的垂直距离h应保持在1.5 2.0d o，而最外圈与储罐壁间的最小距离为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：
m=4V
/（πd2
i
v）（1）盘管总长L t：
L
t
=a/（πd
o
）（2）每组长L：
L=L
t
/m（3）每圈盘管长l：
l=（пD
c
）2+
槡h≈πD c（4）每组的总圈数n：
n=L/l（5）盘管高度L c：
L
c
=nh（6）
01
*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）87988609，E－Mail：hwj1935@。

DOI:10.15910/ki.1007-6247.2013.03.013
2013，23(3)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
：
=K 0A 0△t 0（7）K 0=
11α0+1α1+δλ0
（8）
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 w0与设备内工作温度t 可视作相同，则：
△t 0=t w 0－t a =t －t a
（9）
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
：
=q A 0
（10）q =
t －t a
δλ0+1α0
（11）
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
h i d i k =Pr
26.2（Pr 2/3－0.074）
Ｒe 0．8·d i D ()c
0．1
1+
0.098
Ｒe （d i /D c ）[]21/{
}
5（12）
此公式适用范围为Pr ≈1；Ｒe （d i /D c ）2
＞0.1。

（2）对液体
h i d i k =Pr 0.441.0Ｒe 5/6d i
D ()
c 1/12
·1+0．061Ｒe （d i
/D c
）
[]{}
2.5
1/6
（13）
此公式适用范围为Pr ＞1；Ｒe （d i /D c ） 2.5
＞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
数公式：
h i =388（k i /d i ）（D c /d i ）
－0.54
Γ/（3.6）μ[]f 0．15（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Pr ≥0.7时：
N u =C o （GrPr ）n
=
h o d e λ1
（15）Pr =C μλ1
（16）Gr =d o 3ρ2g βΔt
μ
2
（17）β=
ρ－ρw ρw Δt =
ρ－ρw
ρw （t w －t ）
（18）
壁温t w 需满足公式：
t w =T －k （
1h i +γi ）Δt =t +k （1h o
+γo ）Δt （19）
采用试差的方法确定壁温，得出h o 。

根据公式，求得K 值
［6］
：
1
K =1h o +γo +γi d o d ()i +
1h i
d o
d ()i
+t s γ
d o d ()
i
（20）d m =
d o －d i
In （d o
d i
）
（21）
根据公式
：
=K A Δt
（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Φ9000ˑ16500mm ，V =1000m 3
，外界环境平均
温度t a 为13.1ħ，进出物料温度t 为50ħ，要求
维持该温度的热源为0.4MPa （G ）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50ħ；外界环境平均温度t a 为13.1ħ；根据项目的材控规范，平壁保温层厚度δ为0.07m ，保温材质为岩棉；根据规范（SHJ 10－90），表面给热系数α为11.6W /（m 2·ħ）；岩棉的导热系数λ0为0.046+0.00018t m ，t m =
1
2
（t +t a ），故λo =0.052W /（m 2·ħ）。

1
1
CHEMICAL ENGINEEＲING 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
用式（10）和（11）：
q=
50－13.1
0.07
0.052
+
1
11.6
=25.8W/m2
Q=qA
=25.8ˑ（3.14ˑ9ˑ16.5+2ˑ3.14ˑ4.52）=15311W=13187kcal/hr
0.4MPa（G）的蒸汽汽化潜热为504kcal/kg，故蒸汽质量流量为：
w=13187
504
=26.2kg/hr。

4.2确定盘管直径
取DN40的盘管，查得0.4MPa（G）的低压水蒸汽密度ρi为2.67kg/m3，可计算流速为：
v=
26.2
0.785ˑ3600ˑ0.042ˑ2.67
=2.2m/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
4.3.1计算盘管内侧界膜导热系数h
i
已知条件：0.4MPa（G）的低压水蒸汽的导热系数k i为0.025kcal/（m·h·ħ）；DN40管子内径d i为0.0383m；考虑储罐直径及盘管的固定，
D
c
取6m；冷凝负荷Γ为w/π·d i=217.9kg/（m
·h）；0.4MPa（G）的低压水蒸汽的粘度μ
f 为0.014cP。

采用公式（14）得内侧界膜导热系数：
h
i
=388ˑ（0.025ː0.0383）ˑ（6/0.0383）－0.54ˑ［217.9ː（3.6ˑ0.014）］0.15=58.0kcal/（m2·h·ħ）
4.3.2盘管外侧给热系数h
o
（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0.44kcal/（kg·ħ）；其粘度μ为1.584kg/（m·h）（单位换算后为0.44ˑ10－3Pa
·s）；介质导热系数λ
1
为0.12kcal/（m·h·ħ）。

由公式（14）得出：
Pr=0.44ˑ1.584
0.12
=5.81
（2）求取总传热系数K
已知条件：DN40管子外径d o为0.0483m，其公称直径d e为0.04m；密度ρ为847kg/m3；系数
C
o 取0.47，n取1/4。

壁温的计算采用试差法。

假
设壁温t w=72ħ，查得ρw为823.7kg/m3，由公式
（18）得：
β=
0.847－0.8237
0.8237ˑ（72－50）
=0.001286
由公式（17）得：
Gr=
0.04833ˑ8472ˑ9.81ˑ0.001286ˑ（72－50）
（0.44ˑ10－3）2
=115.9ˑ106
由公式（15）得：
N
u
=0.47ˑ（115.9ˑ5.81ˑ106）14=75.7
h
o
=
75.7ˑ0.12
0.04
=227.1kcal/（m2·h·ħ）
将h o=227.1kcal/（m2·h·ħ），t w=72ħ代
入壁温计算公式（19），公式中盘管内流体温度T
为152ħ；盘管内污垢系数γi为根据经验，取
0.0001m2·h·ħ/kcal；盘管外污垢系数γ
根据
经验，取0.0003m2·h·ħ/kcal。

经计算得：
k=
72－50
（
1
222.1
+0.0003）ˑ102
=45.9kcal/（m2·h·ħ）
t
w
=152－45.9ˑ（
1
58.0
+0.0001）ˑ102=71ħ
与假设t w=72ħ相比，浮动＜3ħ，所以t w=
72ħ成立，此时h
o
=227.1kcal/（m2·h·ħ）。

根据公式（20）和公式（21），在盘管壁厚t s
为0.005m、盘管导热系数λ为50kcal/（m·h
·ħ）条件下：
d
m
=
d
o
－d
i
In（
d
o
d
i
）
=
48.3－38.3
In（
48.3
38.3
）
=41.1mm
t
s
λ
=
0.005
50
=0.0001m2·h·ħ/kcal
1
K
=
1
227.1
+0.0003+0.0001ˑ
48.3
38.3
+
1
58.0
ˑ
48.3
38.3
+0.0001ˑ
48.3
43.1
=0.02668m2·h·ħ/kcal
K=37.5kcal/（m2·h·ħ）
（3）确定盘管加热面积
根据公式（22）得：
A=
Q
KΔt
=
13187
37.5ˑ（152－50）
=3.4m2
21
2013，23(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：
A'=nπD
c ·πd
e
=2ˑ3.14ˑ6ˑ3.14ˑ0.04=4.7m2
盘管总长：
L t =nπD
c
=2ˑ3.14ˑ6=37.7m
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 i盘管内径，m
A传热面积，m2
D c盘管的平均圈径，
m
热损失的负荷，W
Q散热量，W/m2
K0热损失的传热系数，W/（m2·ħ）
A0储罐外表面积，m2
Δt0热损失的传热温差，ħ
t w0保温设备的外壁温度，ħ
T保温设备内的工作温度，ħ
t a周围环境温度，ħ
α表面给热系数，W/（m2·ħ），一般取11.6W/（m2·ħ）
α0保温隔热层表面至周围空气给热系数，W/（m2·ħ）
α1设备外壁至保温隔热层内侧空隙间空气给热系数，W/（m2·ħ），一般工程计算中取α1=11.62 13.95W/（m2·ħ）δ保温隔热层厚度，m λ0保温材料的导热系数，W/（m2·ħ）
h i盘管内流体给热系数，kcal/（m2·h·ħ）
k i盘管内流体导热系数，kcal/（m·h·ħ）
Pr普兰特准数
Ｒe雷诺数
Γ冷凝负荷，kg/（m·h），Γ=w/（π·d i），其中w为盘管内蒸汽的质量流量，kg/h
μf盘管内流体的粘度，Cp
N u努赛尔常数
G r格朗特常数
C0，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 DN125时，C0取0.47，n取1/4［4］
h o盘管外流体给热系数，kcal/（m2·h·ħ）
d e盘管公称直径，m
λ1盘管外介质导热系数，kcal/（m·h·ħ）
λ盘管导热系数，kcal/（m·h·ħ）
C盘管外流体的比热，kcal/（kg·ħ）
μ盘管外流体的粘度，kg/（m·h）
ρ盘管外流体的密度，kg/m3
g重力加速度，9.81m/s2
ρw壁温下盘管外流体的密度，kg/m3
t w盘管的外壁温度，ħ
ΔT盘管内外传热温差，ħ
k盘管的导热系数，kcal/（m·h·ħ）
T盘管内流体温度，ħ
t s盘管壁厚，m
γi盘管内污垢系数
γo盘管外污垢系数
K总传热系数，kcal/（m2·h·ħ）
参考文献
1HG/T20570.11－95，工艺系统工程设计技术规定隔热、保温类型的选用［S］.
2SHJ10－90，石油化工企业设备和管道隔热设计规范［S］.
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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2013－05－08
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
31
2013，23(3)ABSTＲACTS OF CHEMICAL ENGINEEＲING DESIGN
ABSTＲACTS
Process Design of Styrene Storage Tank
Li Dawei，et al
（Jilin Design Institute of PetroChina NortheastＲefining＆Chemicals Engineering Co．，Ltd．，Jilin132002）
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 described．
Key words styrene storage tank selection process flow
Piping Design for Catalyst Line of CatalyticＲeforming Unit
Chen Yingnan
（Sinopec Luoyang Petrochemical Engineering Corporation/SINOPEC，Luoyang471003）
Combined with a1．0ˑ106t/a catalytic reforming unit，this paper discusses the piping design for reforming catalyst line regarding how to prevent reforming catalyst attrition from layout，pipe routing，material selection，construction requirements and other aspects．
Key words catalytic reforming catalyst piping piping design
Design and Calculation of Heating Coil inside Storage Tank
He Wenjing
（Hualu Engineering＆Technology Co．，Ltd．，Xi’an710065）
This paper describes the heat transfer and pressure drop calculations of the heating coil inside the storage tank and how to determine the heating area of the coil，and also presents the examples in practical engineering applications．
Key words internal heating coil storage tank
Fire－fighting System Design of a Large Oil－Gas Tank Farm
Liu Wei
（Dalian Dahua Engineering Co．，Ltd．，Dalian116031）
This paper presents the fire－fighting system design for a large Class A ＆B oil and liquefied petroleum gas tank farm，combined with the requirements of Interim Provisions of Fire Safety Management for Petrochemical Enterprises of Liaoning Province and Oil－Gas Storage＆Supply Place，and elaborates the parameters determination，calculation and equipment selection in the design process．
Key words class A＆B oils liquefied petroleum gas（LPG）fire －fighting system design
Discussion on FullＲefrigerated Ethylene Storage and Layout
Tao Qing
（SINOPEC Ningbo Engineering Co．，Ltd．，Ningbo315103）
This paper briefly describes the full refrigerated ethylene storage method，type of the storage tank and the problems needing attention in the layout，fire separation distance，enclosure weir settings and so on．Key words cryogenic ethylene full refrigeration storage layout
Discussion on Process Design of Nitrogen Making by Air
Compression of LNG Terminal and Liquefaction Station
Guo Lei，et al
（CNOOC Shandong Chemical Engineering Co．，Ltd．，Jinan250101）According to the special requirements of LNG terminal and liquefaction station on its air compression nitrogen making system，this paper proposes the appropriate major equipment selection and the applicable process flow of the air compression nitrogen making system．
Key words LNG terminal LNG liquefaction station air compression nitrogen making process design
Brief Introduction toπ－Bend Optimum Design by
CAESAＲII Software
Wang Jinbao
（Jilin Design Institute of PetroChina NortheastＲefining＆Chemicals Engineering Co．，Ltd．，Jilin132002）
Because of the relatively low cost，simple structure and reliable operation，etc．，the pipingπ－bend are very commonly used．How to reasonable design theπ－bends plays an important role in saving piping materials and reducingπshape spaces．The use of Loop Optimization Wizard function of CAESAＲII2011software can achieve the optimal design ofπ－bend．
Key words pipingπ－bend software optimum design
Application of Finned Gypsum Calcinator
Liu Yu，et al
（Dalian Dahua Engineering Co．，Ltd．，Dalian116031）
As for desulfurization gypsum after drying first and then calcined to produceβ－hemihydrate gypsum，there are main production process technologies such as drying separated from calcinations and drying integrated with calcination．This paper introduces a new type of process equipment－finned gypsum calcinator which can complete the drying and calcination at a time．
Key words finned gypsum calcinatory desulfurization gypsum hemihydrate gypsum
Optimum Design of Air Temperature Control System of
Oxidation Unit in Acrylic Acid Plant
Li Xinping
（Jilin Design Institute of PetroChina NortheastＲefining＆Chemicals Engineering Co．，Ltd．，Jilin132002）
This paper presents that by means of controlling the temperature of electric heater groups of air preheater and the inlet air temperature of the premixer，can make the fresh air feed temperature within the permissible operating temperature range of the catalyst performance，ensure the stable gas mixture temperature and save the steam consumption of the plant，so as to avoid interference to the plant operation due to the ambient temperature changes and to increase the propylene conversion rate．
Key words acrylic acid plant air preheater temperature control system optimum design
Engineering Design of an Airport Oil Pipeline
Ｒelocation and Modification Project
Zhang Shuiying
（Huanqiu Guangdong Company，Guangzhou510655）
This paper presents the pipeline route selection，design，laying and anti－corrosion measures of an oil pipeline relocation and modification project．
Key words oil pipeline pipeline route selection anti－corrosion
Calculation Method of Using Triangular Cross Section for
OpeningＲeinforcement
Qiao Haixing，et al
（SEDIN Engineering Co．，Ltd．，Taiyuan030032）
Ｒeinforcement by area replacement method is the simplest and most commonly used method for opening reinforcement of pressure vessel．This
1。