储罐内加热盘管的设计与计算_何文静

与假设 t w = 72℃ 相比， 浮动 ＜ 3℃ ， 所以 t w = 72℃ 成立，此时 h o = 227. 1 kcal / （ m2 ·h·℃ ） 。 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 50 kcal / （ m · h ·℃ ） 条件下：
采用试差的方法确定壁温，得出 h o 。 根据公式，求得 K 值
d 1 1 = + γo + γi o K ho di dm = do － di do In （ ） di
［6 ］
：
o i s o i
( ) + h1 ( dd ) + tγ ( dd )
i
（ 20 ） （ 21 ）
3
3. 1
储罐内盘管的传热计算
盘管内的给热系数 无相变强制对流给热系数
hi di Pr = Ｒe0． 8 · k 26. 2 （ Pr2 / 3 － 0. 074 ）
根据公式：
= K A Δt （ 22 ）
3. 1. 1
（ 1 ） 对气体
可得出 A 值，然后再设计盘管的几何尺寸。
4
（ 12 ）
计算实例
某装置苯、 甲苯 混 合 物 常 压 中 间 储 罐， 规 格
2 n
=
ho de λ1
（ 15 ） （ 16 ） （ 17 ） （ 18 ）
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：
△t0 = t w0 － t a = t － t a （ 9）
ρ － ρw ρ － ρw = ρ w Δt ρ w （ t w － t）
由公式 （ 17 ） 得：
Gr = 0. 0483 3 × 847 2 × 9. 81 × 0. 001286 × （ 72 － 50 ） （ 0. 44 × 10 － 3 ） 2
0. 4MPa （ G） 的蒸汽汽化潜热为 504 kcal / kg， 故蒸汽质量流量为：
w= 13187 = 26. 2 kg / hr。 504
= K0 A0 △ t 0 K0 = 1 1 1 δ + + α 0 α 1 λ0 （ 7） （ 8）
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） Pr = Gr = β= Cμ λ1 d o 3 ρ2 gβΔt μ
壁温 t w 需满足公式：
tw = T － k （ 1 1 + γ i ） Δt = t + k （ + γ o ） Δt hi ho （ 19 ）
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 A0 q= t － ta 1 δ + λ0 α 0 （ 10 ） （ 11 ）
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. 0 d 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：
= 115. 9 × 10 47 × （ 115. 9 × 5. 81 × 10 6 ）
1 4
4. 2
确定盘管直径
= 75. 7
取 DN40 的盘管， 查得 0. 4 MPa （ G ） 的低压 3 水蒸汽密度 ρ i 为 2. 67 kg / m ，可计算流速为：
dm = do － di 48. 3 － 38. 3 = = 41. 1 mm do 48. 3 In （ ） In （ ） 38. 3 di
h i = 388 × （ 0. 025 ÷ 0. 0383 ） × （ 6 / 0. 0383 ）
－ 0. 54
72 － 50 1 （ + 0. 0003 ） 222. 1
× 102
= 45. 9 kcal / （ m2 ·h·℃ ） t w = 152 － 45. 9 × （ 1 + 0. 0001 ） 58. 0 × 102 = 71 ℃
( ) {
di Dc
0． 1
1+
0. 098 [ Ｒe （ d i / D c ） 2 ] 1 / 5
}
3 为 Φ9000 × 16500mm， V = 1000m ， 外界环境平均
2 此公式适用范围为 Pr≈1 ； Ｒ e （ d i / D c ） ＞ 0. 1 。 （ 2 ） 对液体
h i d i Pr0. 4 5 /6 d i = Ｒe k 41. 0 Dc
{
( )
1 /12
温度 t a 为 13. 1℃ ， 进出物料温度 t 为 50℃ ， 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 50℃ ； 外界环境平均 温度 t a 为 13. 1℃ ； 根据项目的材控规范， 平壁保
k =
已知条件： 0. 4 MPa （ G ） 的低压水蒸汽的导 热系数 k i 为 0. 025 kcal / （ m · h ·℃ ） ； DN40 管子 内径 d i 为 0. 0383 m； 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. 9 kg / （ m · h ） ； 0. 4 MPa （ 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：
v= 26. 2 = 2. 2 m / s 0. 785 × 3600 × 0. 04 2 × 2. 67
75. 7 × 0. 12 ho = = 227. 1 kcal / （ m2 ·h·℃ ） 0. 04
2 将 h o = 227. 1 kcal / （ m · h ·℃ ） ，t w = 72℃ 代
3 设壁温 t w = 72℃ ，查得 ρ w 为 823. 7 kg / m ，由公式
（ 18 ） 得：
β= 0. 847 － 0. 8237 = 0. 001286 0. 8237 × （ 72 － 50 ）
Q = qA0 = 25. 8 × （ 3. 14 × 9 × 16. 5 + 2 × 3. 14 × 4. 5 2 ） = 15311 W = 13187 kcal / hr
2013 ， 23 ( 3 )
何文静
储罐内加热盘管的设计与计算
11
2
2. 1
储罐散热的计算
储罐外部有蒸汽伴管伴热时的热损失计算
数公式：
h i = 388 （ k i / d i ） （ D c / d i ）
－ 0. 54
[ Γ / （ 3. 6 ） μ f ] 0． 15 （ 14 ）
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：
*
盘管总长 L t ：
L t = a / （ πd o ） （ 2）
每组长 L：
L = Lt / m （ 3）
每圈盘管长 l：
l= （ пD c ） 槡
2
+ 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）
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@ chinahualueng. com。
2. 5
·
0． 061 1+ [ Ｒe （ d i / D c ） 2. 5 ] 1 /6
}
（ 13 ）
此公 式 适 用 范 围 为 Pr ＞ 1 ； Ｒe （ d i / D c ） ＞ 0. 4 。 3. 1. 2 冷凝给热系数
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. 6 W / （ m2 ·℃ ） ； 岩棉的导热系数 λ0 为 0. 046 + 0. 00018t m ， tm = 1 （ t + t a ） ，故 λ o = 0. 052 W / （ m2 ·℃ ） 。 2
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 γ i 为 根 据 经 验， 取 0. 0001 m2 ·h ·℃ / kcal； 盘管外污垢系数 γ0 根据
2 经验，取 0. 0003 m ·h·℃ / kcal。经计算得：
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 4. 3. 1 盘管加热面积的确定 计算盘管内侧界膜导热系数 h i
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
12
CHEMICAL ENGINEEＲING DESIGN
23 ( 3 ) 化工设计 2013 ，
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 = 25. 8 W / m2 0. 07 1 + 0. 052 11. 6
m = 4 V0 / （ πd2 i v） （ 1）
1
1. 1
储罐内加热盘管的特点及设计原则
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
10
CHEMICAL ENGINEEＲING DESIGN
23 ( 3 ) 化工设计 2013 ，
储罐内加热盘管的设计与计算
何文静* 摘要
应用。
华陆工程科技有限责任公司
西安 710065
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 内加热盘管 储罐
关键词
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。