固定頂儲罐內盤管蒸汽伴熱工藝設計

張艷禹，陳鵬鵬

(惠生工程(中國)有限公司河南化工設計院分公司，鄭州　450018)

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固定頂儲罐內盤管蒸汽伴熱工藝設計

張艷禹，陳鵬鵬

(惠生工程(中國)有限公司河南化工設計院分公司，鄭州450018)

摘要：本文首先對儲罐常見的伴熱型式及其適用范圍進行對比分析；在此基礎上，系統地介紹了固定頂儲罐內盤管蒸汽伴熱的工藝設計步驟，分別計算維持系統正常運行和出現極端情況時蒸汽使用量，為罐區公用工程蒸汽設計提供依據，最后采用極端加熱情況進行伴熱管規格設計。

關鍵詞：內盤管；蒸汽伴熱；固定頂儲罐

化工生產中，有些工藝介質凝固點高、粘度較大，為了防止物料在儲罐中凝固，維持其工藝操作溫度，保證其在低溫環境下正常輸送，需要對儲罐進行伴熱保溫。固定頂儲罐伴熱保溫工藝設計主要包括以下幾個步驟：①伴熱型式選擇；②伴熱管加熱量及伴熱介質用量(蒸汽用量)估算；③伴熱管規格設計。

1伴熱型式選擇

常用的設備伴熱形式有外盤管和內盤管兩種。外盤管伴熱是將伴熱管纏繞在設備的外壁，然后在伴熱管外包裹設備保溫層。外盤管伴熱時，加熱介質通過儲罐外壁對罐內物料進行加熱保溫。內盤管則是在設備的底部一定高度通入加熱管。正常情況下盤管一直浸沒在工藝物料中，因此加熱介質直接對工藝物料進行加熱。

內盤管與外盤管的設置形式及特點不同，在工程中適用于不同的場合。對伴熱儲罐進行工藝設計時應結合實際條件進行選擇：內盤管伴熱的傳熱效率高，熱量損失小，但不便于安裝和檢修，如果儲罐中的介質具有腐蝕性，盤管中的加熱介質易發生泄露，污染工藝物料。一般情況下，設備內介質粘度比較大且無腐蝕性時，設備如需伴熱保溫宜采用內部伴熱；當設備內介質為酸、堿或者其他嚴重腐蝕性的物料時，應采用外伴熱；對于其他物料，可以采用外部伴熱或內部伴熱。

表1　加熱介質適用情況對比表

根據加熱源不同，設備伴熱保溫分為蒸汽伴熱、熱水伴熱、導熱油伴熱和電伴熱等[1，2]。這幾種伴熱介質的適用范圍及優劣對比見在化工生產中，由于蒸汽取用方便，冷凝潛熱大，溫度易于調節，適用的范圍最為廣泛。

本文以下兩節中重點對固定頂儲罐內盤管蒸汽伴熱工藝計算進行介紹，外盤管或者其他伴熱形式的工藝計算與內盤管蒸汽伴熱類似。

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，儲罐伴熱就是維持罐內物料溫度在其操作溫度不變。這種情況下，單位時間伴熱管需要補充的熱量等于罐頂、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：儲罐上部存有一定的氣相空間，最大可占儲罐體積的1/10，因此儲罐上部及罐頂的氣相空間與外界傳熱可以描述為罐內氣體與外界空氣之間的熱量傳遞；罐壁散熱即罐內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)計算罐壁、罐頂和罐底散熱量時應分別計算其傳熱系數、傳熱面積和傳熱溫差。

Q=K·A·Δt

(2-1)

1)傳熱系數估算

工程計算中，一般假定儲罐罐頂和罐壁散熱的傳熱系數相同，可按照HG/T 20570.11-95中簡化公式進行估算。

(2-2)

當儲罐采用內盤管伴熱時，保溫材料緊貼著設備外壁，保溫層與設備之間的空氣阻力可忽略不計，因此上式可簡化為

(2-3)

忽略罐底流體與儲罐底部的傳熱以及污垢熱阻，罐底傳熱系數K底可依據《油品儲運手冊》進行估算：

(2-4)

2)傳熱面積計算

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　考慮介質升溫的加熱量估算

實際生產中，工藝物料經由管線進入罐區儲罐過程中，溫度會有所降低。考慮到極端情況，物料在儲罐中溫度降至一定溫度，這種情況下需要先對物料進行升溫至維持的溫度后再進行保溫。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定溫度需要補充的熱量，計算表達式見(2-11)。

(2-11)

Qrt=G·CPav·(ten-tbe)

(2-12)

2.3　蒸汽用量計算

將2.1和2.2計算的伴熱管加熱量帶入式(2-13)中分別計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，單位時間蒸汽用量與加熱時間有關。加熱時間越長，單位時間蒸汽用量越少。這里加熱時間的長短需要根據工藝操作周期確定。中間原料儲罐的加熱時間可根據上下游工段具體操作進行設定。

3伴熱管規格設計

考慮到現場可能出現不同的操作工況，這里根據極端加熱情況(考慮儲罐內介質升溫)，對蒸汽伴熱管進行設計。

3.1　伴熱管傳熱面積計算

由式(3-1)計算伴熱管面積。

A盤管=Q總/(K盤管·Δtm盤管)

(3-1)

伴熱管的總傳熱系數根據式(3-2)計算，由于蒸汽冷凝的傳熱系數很大，熱阻很小，在實際計算中可忽略不計，那么式(3-2)可簡化為式(3-3)

(3-2)

(3-3)

計算伴熱管外側工藝物料的傳熱膜系數時，式(3-4)中m和n的值可根據表2查取。整個計算過程中，由于伴熱管外壁溫度tw未知，這里先假設一個略小于蒸汽的溫度進行試算，然后用式(3-5)進行校核，該迭代過程可通過excel中模擬分析實現。

α介質=m·λiqu·(Gr·Pr)n/d

(3-4)

(3-5)

3.2　伴熱管管徑和長度計算

儲罐伴熱管的規格，通常采用DN15～DN25管徑的管子。當單位時間蒸汽用量比較大時，可以采用大一點的管徑。蒸汽伴熱管長度可按照式(3-6)進行計算。

為了排出伴熱管中冷凝水，儲罐內盤管的安裝應有一定的坡度，通常蒸汽進口高于冷凝水出口。

L=A盤管/(π·d)

(3-6)

4設計實例

某裝置草酸酯(DMO)中間原料罐，規格為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)蒸汽進行伴熱。計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儲罐體積較大，這里采用內盤管伴熱。由上述過程計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；根據極端加熱情況設計儲罐內盤管，伴熱管的換熱面積為3.4m2，采用DN40的換熱盤管，管長為27m。計算過程中DMO物性數據可通過PRO II模擬獲得。

5結語

化工儲運設計中，為了滿足生產和輸送的要求，對凝固點較高的物料儲存，通常對儲罐采用伴熱管加熱。本文對設備常用的內盤管伴熱和外盤管伴熱及其特點分別進行了介紹，并列表說明常用加熱介質使用范圍。對于固定頂儲罐，詳細地介紹了內盤管蒸汽伴熱的工藝設計，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行內盤管規格設計，能夠滿足現場的各種突發情況。

符號說明

A——總傳熱面積，m2；

A罐——儲罐外壁面積，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——儲罐介質平均溫度下的比熱，kJ/kg；

D，d——儲罐直徑，伴熱管直徑，m；

G——儲罐內介質質量，kg；

L——伴熱管長度，m；

Gr——格拉斯霍夫數；

K——總傳熱系數；

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

Pr——普朗特數；

Q——傳熱量；

Q總——儲罐散熱量和加熱量之和，kJ/h；

Qrt——儲罐升溫加熱量，kJ；

Q壁、Q頂、Q底——罐壁、罐頂和罐底散熱量，kJ/h；

qm——單位時間蒸汽用量，kg/h；

R——伴熱管兩側污垢系數，(m2·℃)/w；

r——蒸汽潛熱，kJ/kg；

tstream、tw——蒸汽溫度，伴熱管壁溫，℃；

tobj、tav——儲罐內介質溫度，儲罐上部氣相空間溫度，℃；

tair、tgro——當地最冷月份平均氣溫，當地地面最冷月份平均氣溫，℃；

ten、tbe——儲罐介質維持溫度，儲罐介質加熱初始溫度，℃；

Δt——傳熱溫差，℃；

Δt壁、Δt頂、Δt底、Δtm盤管——罐壁、罐頂、罐底、內盤管傳熱溫差，℃；

τ——儲罐介質升溫時間，h；

ε——固定頂儲罐裝填系數，儲罐容積大于等于1000方時，儲罐裝填系數為0.9；當儲罐容積小于1000方時，裝填系數為0.85；

α0、α1——保溫層外壁與空氣對流傳熱系數，設備外壁與保溫層內側之間的空氣的給熱系數，w/(m2·℃)；

W——冬季平均風速，m/s；

α介質、α蒸汽——伴熱管外側介質和伴熱管內蒸汽傳熱膜系數，w/(m2·℃)；

δ、δ′——設備和伴熱管壁厚，mm；

λ、λ′、λsoil——設備壁面、伴熱管罐壁、當地土壤導熱系數，w/(m·℃)；

λtqu——定性溫度(定性溫度為伴熱管壁面溫度和儲罐內介質的算數平均值)下儲罐內介質的導熱系數，w/(m·℃)。

參考文獻：

[1]HG/T 20570.11-95，隔熱、保溫類型的選用[S].

[2]張大船，王金富，姜萬軍，等.SH/T 3010-2013 石油化工設備和管道絕熱工程設計規范[S].

[3]李征西，徐思文.油品儲運設計手冊[M].北京：石油工業出版社，1997.

[4]陳敏恒.化工原理[M].北京：化學工業出版社，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：TQ264.1

文獻標志碼：B

文章編號：1003-6490(2015)01-0074-04

作者簡介：張艷禹(1964-)，男，河南滑縣人，主任，高級工程師，大學本科，學士學位。

收稿日期：2015-01-08