固定頂儲(chǔ)罐內(nèi)盤管蒸汽伴熱工藝設(shè)計(jì)

張艷禹，陳鵬鵬

(惠生工程(中國(guó))有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司，鄭州　450018)

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固定頂儲(chǔ)罐內(nèi)盤管蒸汽伴熱工藝設(shè)計(jì)

張艷禹，陳鵬鵬

(惠生工程(中國(guó))有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司，鄭州450018)

摘要：本文首先對(duì)儲(chǔ)罐常見(jiàn)的伴熱型式及其適用范圍進(jìn)行對(duì)比分析；在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地介紹了固定頂儲(chǔ)罐內(nèi)盤管蒸汽伴熱的工藝設(shè)計(jì)步驟，分別計(jì)算維持系統(tǒng)正常運(yùn)行和出現(xiàn)極端情況時(shí)蒸汽使用量，為罐區(qū)公用工程蒸汽設(shè)計(jì)提供依據(jù)，最后采用極端加熱情況進(jìn)行伴熱管規(guī)格設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)盤管；蒸汽伴熱；固定頂儲(chǔ)罐

化工生產(chǎn)中，有些工藝介質(zhì)凝固點(diǎn)高、粘度較大，為了防止物料在儲(chǔ)罐中凝固，維持其工藝操作溫度，保證其在低溫環(huán)境下正常輸送，需要對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行伴熱保溫。固定頂儲(chǔ)罐伴熱保溫工藝設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)步驟：①伴熱型式選擇；②伴熱管加熱量及伴熱介質(zhì)用量(蒸汽用量)估算；③伴熱管規(guī)格設(shè)計(jì)。

1伴熱型式選擇

常用的設(shè)備伴熱形式有外盤管和內(nèi)盤管兩種。外盤管伴熱是將伴熱管纏繞在設(shè)備的外壁，然后在伴熱管外包裹設(shè)備保溫層。外盤管伴熱時(shí)，加熱介質(zhì)通過(guò)儲(chǔ)罐外壁對(duì)罐內(nèi)物料進(jìn)行加熱保溫。內(nèi)盤管則是在設(shè)備的底部一定高度通入加熱管。正常情況下盤管一直浸沒(méi)在工藝物料中，因此加熱介質(zhì)直接對(duì)工藝物料進(jìn)行加熱。

內(nèi)盤管與外盤管的設(shè)置形式及特點(diǎn)不同，在工程中適用于不同的場(chǎng)合。對(duì)伴熱儲(chǔ)罐進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際條件進(jìn)行選擇：內(nèi)盤管伴熱的傳熱效率高，熱量損失小，但不便于安裝和檢修，如果儲(chǔ)罐中的介質(zhì)具有腐蝕性，盤管中的加熱介質(zhì)易發(fā)生泄露，污染工藝物料。一般情況下，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)粘度比較大且無(wú)腐蝕性時(shí)，設(shè)備如需伴熱保溫宜采用內(nèi)部伴熱；當(dāng)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)為酸、堿或者其他嚴(yán)重腐蝕性的物料時(shí)，應(yīng)采用外伴熱；對(duì)于其他物料，可以采用外部伴熱或內(nèi)部伴熱。

表1　加熱介質(zhì)適用情況對(duì)比表

根據(jù)加熱源不同，設(shè)備伴熱保溫分為蒸汽伴熱、熱水伴熱、導(dǎo)熱油伴熱和電伴熱等[1，2]。這幾種伴熱介質(zhì)的適用范圍及優(yōu)劣對(duì)比見(jiàn)在化工生產(chǎn)中，由于蒸汽取用方便，冷凝潛熱大，溫度易于調(diào)節(jié)，適用的范圍最為廣泛。

本文以下兩節(jié)中重點(diǎn)對(duì)固定頂儲(chǔ)罐內(nèi)盤管蒸汽伴熱工藝計(jì)算進(jìn)行介紹，外盤管或者其他伴熱形式的工藝計(jì)算與內(nèi)盤管蒸汽伴熱類似。

2伴熱管加熱量及蒸汽用量估算

2.1　僅考慮儲(chǔ)罐散熱損失

正常情況下，忽略工藝物料在管線中的熱量損失，儲(chǔ)罐伴熱就是維持罐內(nèi)物料溫度在其操作溫度不變。這種情況下，單位時(shí)間伴熱管需要補(bǔ)充的熱量等于罐頂、罐壁和罐底外保溫層散失熱量之和[3]。這三部分散熱情況各不相同：儲(chǔ)罐上部存有一定的氣相空間，最大可占儲(chǔ)罐體積的1/10，因此儲(chǔ)罐上部及罐頂?shù)臍庀嗫臻g與外界傳熱可以描述為罐內(nèi)氣體與外界空氣之間的熱量傳遞；罐壁散熱即罐內(nèi)液相主體與外界空氣之間的傳熱；而罐底則為底部液體與地面之間的傳熱。在利用傳熱基本方程式[4](2-1)計(jì)算罐壁、罐頂和罐底散熱量時(shí)應(yīng)分別計(jì)算其傳熱系數(shù)、傳熱面積和傳熱溫差。

Q=K·A·Δt

(2-1)

1)傳熱系數(shù)估算

工程計(jì)算中，一般假定儲(chǔ)罐罐頂和罐壁散熱的傳熱系數(shù)相同，可按照HG/T 20570.11-95中簡(jiǎn)化公式進(jìn)行估算。

(2-2)

當(dāng)儲(chǔ)罐采用內(nèi)盤管伴熱時(shí)，保溫材料緊貼著設(shè)備外壁，保溫層與設(shè)備之間的空氣阻力可忽略不計(jì)，因此上式可簡(jiǎn)化為

(2-3)

忽略罐底流體與儲(chǔ)罐底部的傳熱以及污垢熱阻，罐底傳熱系數(shù)K底可依據(jù)《油品儲(chǔ)運(yùn)手冊(cè)》進(jìn)行估算：

(2-4)

2)傳熱面積計(jì)算

罐壁傳熱面積

A壁=ε·A罐

(2-5)

罐頂傳熱面積

A頂=拱頂面積+(1-ε)·A罐

(2-6)

罐底傳熱面積

A底=πD2/4

(2-7)

3)傳熱溫差計(jì)算

罐壁散熱傳熱溫差

Δt壁=tobj-tair

(2-8)

罐頂散熱傳熱溫差

Δt頂=tav-tair

(2-9)

罐底散熱傳熱溫差

Δt底=tobj-tgro

(2-10)

2.2　考慮介質(zhì)升溫的加熱量估算

實(shí)際生產(chǎn)中，工藝物料經(jīng)由管線進(jìn)入罐區(qū)儲(chǔ)罐過(guò)程中，溫度會(huì)有所降低?？紤]到極端情況，物料在儲(chǔ)罐中溫度降至一定溫度，這種情況下需要先對(duì)物料進(jìn)行升溫至維持的溫度后再進(jìn)行保溫。那么伴熱管的加熱量分為兩部分——物料升溫需要的熱量和維持物料在設(shè)定溫度需要補(bǔ)充的熱量，計(jì)算表達(dá)式見(jiàn)(2-11)。

(2-11)

Qrt=G·CPav·(ten-tbe)

(2-12)

2.3　蒸汽用量計(jì)算

將2.1和2.2計(jì)算的伴熱管加熱量帶入式(2-13)中分別計(jì)算正常情況和極端情況下蒸汽耗量。

qm=Q總/r

(2-13)

由式(2-11)和(2-13)可以看出，單位時(shí)間蒸汽用量與加熱時(shí)間有關(guān)。加熱時(shí)間越長(zhǎng)，單位時(shí)間蒸汽用量越少。這里加熱時(shí)間的長(zhǎng)短需要根據(jù)工藝操作周期確定。中間原料儲(chǔ)罐的加熱時(shí)間可根據(jù)上下游工段具體操作進(jìn)行設(shè)定。

3伴熱管規(guī)格設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)可能出現(xiàn)不同的操作工況，這里根據(jù)極端加熱情況(考慮儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)升溫)，對(duì)蒸汽伴熱管進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1　伴熱管傳熱面積計(jì)算

由式(3-1)計(jì)算伴熱管面積。

A盤管=Q總/(K盤管·Δtm盤管)

(3-1)

伴熱管的總傳熱系數(shù)根據(jù)式(3-2)計(jì)算，由于蒸汽冷凝的傳熱系數(shù)很大，熱阻很小，在實(shí)際計(jì)算中可忽略不計(jì)，那么式(3-2)可簡(jiǎn)化為式(3-3)

(3-2)

(3-3)

計(jì)算伴熱管外側(cè)工藝物料的傳熱膜系數(shù)時(shí)，式(3-4)中m和n的值可根據(jù)表2查取。整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，由于伴熱管外壁溫度tw未知，這里先假設(shè)一個(gè)略小于蒸汽的溫度進(jìn)行試算，然后用式(3-5)進(jìn)行校核，該迭代過(guò)程可通過(guò)excel中模擬分析實(shí)現(xiàn)。

α介質(zhì)=m·λiqu·(Gr·Pr)n/d

(3-4)

(3-5)

3.2　伴熱管管徑和長(zhǎng)度計(jì)算

儲(chǔ)罐伴熱管的規(guī)格，通常采用DN15～DN25管徑的管子。當(dāng)單位時(shí)間蒸汽用量比較大時(shí)，可以采用大一點(diǎn)的管徑。蒸汽伴熱管長(zhǎng)度可按照式(3-6)進(jìn)行計(jì)算。

為了排出伴熱管中冷凝水，儲(chǔ)罐內(nèi)盤管的安裝應(yīng)有一定的坡度，通常蒸汽進(jìn)口高于冷凝水出口。

L=A盤管/(π·d)

(3-6)

4設(shè)計(jì)實(shí)例

某裝置草酸酯(DMO)中間原料罐，規(guī)格為φ8200×11000，V=500m3，冬季最冷月份平均氣溫2.1℃，地面溫度5.1℃，物料維持溫度為70℃，物料加熱初始溫度為55℃，采用0.4MPa(G)蒸汽進(jìn)行伴熱。計(jì)算正常情況和極端情況下蒸汽用量及伴熱管換熱面積。

由于DMO儲(chǔ)罐體積較大，這里采用內(nèi)盤管伴熱。由上述過(guò)程計(jì)算可得正常情況下蒸汽用量為17kg/h，考慮加熱情況下蒸汽用量為172kg/h；根據(jù)極端加熱情況設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐內(nèi)盤管，伴熱管的換熱面積為3.4m2，采用DN40的換熱盤管，管長(zhǎng)為27m。計(jì)算過(guò)程中DMO物性數(shù)據(jù)可通過(guò)PRO II模擬獲得。

5結(jié)語(yǔ)

化工儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)中，為了滿足生產(chǎn)和輸送的要求，對(duì)凝固點(diǎn)較高的物料儲(chǔ)存，通常對(duì)儲(chǔ)罐采用伴熱管加熱。本文對(duì)設(shè)備常用的內(nèi)盤管伴熱和外盤管伴熱及其特點(diǎn)分別進(jìn)行了介紹，并列表說(shuō)明常用加熱介質(zhì)使用范圍。對(duì)于固定頂儲(chǔ)罐，詳細(xì)地介紹了內(nèi)盤管蒸汽伴熱的工藝設(shè)計(jì)，分別得出蒸汽的正常用量和最大用量。此外，采用加熱蒸汽用量最大的情況進(jìn)行內(nèi)盤管規(guī)格設(shè)計(jì)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的各種突發(fā)情況。

符號(hào)說(shuō)明

A——總傳熱面積，m2；

A罐——儲(chǔ)罐外壁面積，m2；

A壁、A頂、A底、A盤管——罐壁、罐頂、罐底及盤管總傳熱面積，m2；

CPav——儲(chǔ)罐介質(zhì)平均溫度下的比熱，kJ/kg；

D，d——儲(chǔ)罐直徑，伴熱管直徑，m；

G——儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)質(zhì)量，kg；

L——伴熱管長(zhǎng)度，m；

Gr——格拉斯霍夫數(shù)；

K——總傳熱系數(shù)；

K壁、K頂、K底、K盤管——罐壁、罐頂、罐底和內(nèi)盤管總傳熱系數(shù)，w/(m2·℃)；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

Q——傳熱量；

Q總——儲(chǔ)罐散熱量和加熱量之和，kJ/h；

Qrt——儲(chǔ)罐升溫加熱量，kJ；

Q壁、Q頂、Q底——罐壁、罐頂和罐底散熱量，kJ/h；

qm——單位時(shí)間蒸汽用量，kg/h；

R——伴熱管兩側(cè)污垢系數(shù)，(m2·℃)/w；

r——蒸汽潛熱，kJ/kg；

tstream、tw——蒸汽溫度，伴熱管壁溫，℃；

tobj、tav——儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)溫度，儲(chǔ)罐上部氣相空間溫度，℃；

tair、tgro——當(dāng)?shù)刈罾湓路萜骄鶜鉁?，?dāng)?shù)氐孛孀罾湓路萜骄鶜鉁?，℃?/p>

ten、tbe——儲(chǔ)罐介質(zhì)維持溫度，儲(chǔ)罐介質(zhì)加熱初始溫度，℃；

Δt——傳熱溫差，℃；

Δt壁、Δt頂、Δt底、Δtm盤管——罐壁、罐頂、罐底、內(nèi)盤管傳熱溫差，℃；

τ——儲(chǔ)罐介質(zhì)升溫時(shí)間，h；

ε——固定頂儲(chǔ)罐裝填系數(shù)，儲(chǔ)罐容積大于等于1000方時(shí)，儲(chǔ)罐裝填系數(shù)為0.9；當(dāng)儲(chǔ)罐容積小于1000方時(shí)，裝填系數(shù)為0.85；

α0、α1——保溫層外壁與空氣對(duì)流傳熱系數(shù)，設(shè)備外壁與保溫層內(nèi)側(cè)之間的空氣的給熱系數(shù)，w/(m2·℃)；

W——冬季平均風(fēng)速，m/s；

α介質(zhì)、α蒸汽——伴熱管外側(cè)介質(zhì)和伴熱管內(nèi)蒸汽傳熱膜系數(shù)，w/(m2·℃)；

δ、δ′——設(shè)備和伴熱管壁厚，mm；

λ、λ′、λsoil——設(shè)備壁面、伴熱管罐壁、當(dāng)?shù)赝寥缹?dǎo)熱系數(shù)，w/(m·℃)；

λtqu——定性溫度(定性溫度為伴熱管壁面溫度和儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的算數(shù)平均值)下儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·℃)。

參考文獻(xiàn)：

[1]HG/T 20570.11-95，隔熱、保溫類型的選用[S].

[2]張大船，王金富，姜萬(wàn)軍，等.SH/T 3010-2013 石油化工設(shè)備和管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]李征西，徐思文.油品儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1997.

[4]陳敏恒.化工原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

Heat Tracing Design of Inner Coil For Fixed Roof Tank

ZHANGYan-yu，CHENPeng-peng

(Henan Chemical Engineering Design Institute of Wison

engineering(China)Co.，Ltd，Zhengzhou，450018)

Abstract：This article makes a comparative analysis of common heat tracing types and applicable range for tanks. On this basis，it systematically introduces heat tracing design of inner coil for fixed roof tank. It also calculated the steam consumption under normal and extreme cases. This provides a base for steam design in utilities.

Key words：inner coil；steam tracing；fixed roof tank

中圖分類號(hào)：TQ264.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1003-6490(2015)01-0074-04

作者簡(jiǎn)介：張艷禹(1964-)，男，河南滑縣人，主任，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，學(xué)士學(xué)位。

收稿日期：2015-01-08