沥青汽化器计算.docx
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沥青汽化器计算
焦油蒸馏系统冷却器计算15万吨/年
一、已知条件
提量后焦油处理量21t/h
馏份
沥青
循环水
产率/%
54.5
——
产量/t•h-1
11.34
——
冷却器温度/℃
入口
380
32
出口
230
45
二、沥青汽化冷却器工艺计算
1、计算条件
1.1沥青汽化下段:
沥青流量=11340kg/h
沥青汽化冷却后温度:
230℃
沥青汽化冷却前温度:
380℃
热水由75℃被加热至沸腾;
1.2沥青汽化上段:
水蒸汽冷凝并冷却至75℃
冷却水由32℃被加热至45℃
1.3汽化冷却器操作压力为常压;
2、沥青冷却部分(下段)
2.1循环热水的确定:
沥青在汽化器中放出的热量:
Q=11340×0.5×(380-230)=850500kcal/h
式中:
0.5—沥青在220~370℃之间的平均比热,kcal/kg•h•℃
75℃的热水吸热后所汽化的量:
Gwa=850500/[(100-75)+540]=1505.31kg/h
式中:
540——水在常压的汽化潜热,kcal/kg
2.2传热量及平均温度差的计算:
管内介质为水,管外介质为沥青,其情况可分为两段如下图:
管外
管内
Ⅰ
100℃
380℃
100℃
X℃
Ⅱ
75℃
230℃
沥青汽化冷却器下段传热情况
Ⅰ段:
管外水沸腾,管内沥青由380℃冷却至X℃
传热量:
Q1=1505.31×540=812867.25kcal/h
求温度X:
812867.25=(380-X)0.5×11340
X=236.64℃
平均温度:
380——→236.6
100←——100
280℃136.6℃
Δtm1=(280-136.6)/ln(280/136.6)=200℃
Ⅱ段:
管外热水由75℃被加热到100℃,管内沥青由236.7℃冷却至230℃
传热量Q2=850500-812867.25=37632.74kcal/h
平均温度:
236.6——→230
100←——75
136.6℃155℃
Δtm2=(155-136.6)/ln(155÷136.6)=146℃
2.3传热系数K的计算:
2.3.1第Ⅰ段的传热系数K1
管外水沸腾,管内沥青由380℃冷却至236.7℃
2.3.1.1管外水沸腾给热系数α11
设壁温tw=110.5℃,则管壁与水的温度差:
Δtb=110.5-100=10.5℃
当Δtb=10.5℃时,查图(常压下水平或垂直面上沸腾液体的给热系数)得:
αb=4000kcal/m•h•℃
在垂直管内的沸腾给热系数为:
α11=1.25×4000=5000kcal/m•h•℃
2.3.1.2管内液体沥青冷却给热系数α12
按自然对流情况考虑其给热公式为:
Nu=A(Gr•Pr)n
式中各物理量取壁面与流体平均温度的值:
流体平均温度t=(380+236.7)/2=308℃
设壁温为175℃,则流体与管壁的温度差:
Δt=308-175=133℃
流体与管壁的平均温度:
tm=(308+175)/2=241.5℃
在241.5℃时中温沥青的物理常数:
粘度Z=2cp
导热系数λ=0.162kcal/m•h•℃
重度γ=1300kg/m3
比热C=0.487kcal/kg•℃
膨胀系数β=0.000551/℃
普兰特准数:
Pr=3600μCg/λ=[3600×(2/11340)×0.487×9.81]/0.162=18.72
格拉斯霍夫准数:
Gr=gd3ρ2βΔt/μ2
=[9.81×(0.025)3×(1300/9.81)2×0.00055×133]/(2/980)2
=6.35×106
Pr•Gr=1.187×108取系数A=0.135n=1/3
α12=(λ/d)Nu=(λ/d)A(Gr•Pr)n=(0.162/0.025)×0.135(1.187×108)1/3
=415kcal/m•h•℃
2.3.1.3总传热系数KⅠ:
管壁及垢层的总热阻:
∑(δ/λ)=0.0009m2•h•℃/kcal
则总传热系数K1=1÷[(1/415)+0.0009+(1/5000)]=284.92kcal/m2•h•℃
2.3.1.4管壁温度核算:
管外:
α11(tw-100)=K1Δtm1
5000(tw-100)=284.92×200
tw=111.40℃
与假设的壁温tw=110.5℃相差仅0.9℃,可以认为原假设是适当的。
管内:
α12(308-tw)=K2Δtm1
415(308-tw)=284.92×200
tw=170.69℃
与假设的壁温tw=171℃相差仅0.31℃,可以认为原假设是适当的。
2.3.2第Ⅱ段的传热系数K2
管外热水由75℃被加热到100℃,管内沥青由236.7℃冷却至230℃。
2.3.2.1管外水的给热系数α21
钢管根数n=256规格:
φ25×3.5mm
水的平均温度t=(100+75)/2=87.5℃
水在87.5℃时的物理常数如下:
Z=0.327cp
λ=0.582kcal/m2•h•℃
γ=967kg/m3
C=1.003kcal/kg•℃
β=6.85×10-41/℃
水的流速:
ω=1505.31÷[967×0.785×(0.018)2×256×3600]=0.0066m/s
雷诺准数;
Re=1000×(ωdγ/Z)=1000×0.0066×0.018×967÷0.327=351.3
属于滞流状态(10 Nu=0.15ε1Re0.33×Pr0.43×Gr0.1×(Pr/Prw)0.25 式中: Prw系指壁温tw时的值,其余各物理量取流体平均温度时的值。 管长l=1.1m管径d=0.018m l/d=1.1/0.018=61 当l/d>50时其校正数ε1=1.00 设管壁tw=157℃ 水在1000℃时的普兰特准数Prw=1.72 水在88℃时的普兰特准数Pr=1.91 管壁与水的温度差Δt=157-87.5=69.5℃ 格拉斯霍夫准数: Gr=gd3ρ2βΔt/μ2 =[9.81×(0.018)3×(967/9.81)2×6.85×10-4×69.5]/(0.327/11340)2 =3.233×107 Nu=α21d/λ α21=(0.582/0.018)×0.15(351.3)0.33(1.91)0.43(3.233×107)0.1×(1.91/1.72)0.25 =256.44kcal/m2•h•℃ 2.3.2.2管内沥青的给热系数α22 按自然对流情况考虑公式用Ⅰ段管外给热公式: Nu=A(Gr•Pr)n 流体的平均温度: t=(236.7+230)/2=233℃ 设管壁温度tw=171.5℃ 则流体与管壁的温差: Δt=233-171.5=61.5℃ 流体与管壁的平均温差: tm=(233-171.5)/2=202℃ 在202℃时液体沥青的物理常数: Z=3cp λ=0.162kcal/m2•h•℃ γ=1300kg/m3 C=0.487kcal/kg•℃ β=0.000551/℃ 普兰特准数: Pr=3600μCg/λ=[3600×(3/11340)×0.487×9.81]/0.162=28.09 格拉斯霍夫准数: Gr=gd3ρ2βΔt/μ2 =[9.81×(0.025)3×(1300/9.81)2×0.000055×61.5]/(3/11340)2 =1.33×106 Pr•Gr=3.74×107取系数A=0.135n=1/3 α22=(λ/d)Nu=(λ/d)A(Gr•Pr)n=(0.162/0.025)0.135(3.74×107)1/3 =301.30kcal/m2•h•℃ 2.3.2.3总传热系数K2 管壁及垢层的总热阻: ∑(δ/λ)=0.0009m2•h•℃/kcal 则总传热系数K2=1÷[(1/256.44)+0.0009+(1/301.30)]=123.18kcal/m2•h•℃ 2.3.2.4管壁温度核算: 管外: α21(tw-87.5)=K2Δtm2 256.44(tw-87.5)=123.18×146 tw=157.63℃ 与假设的壁温tw=157℃相差0.63℃,可以为原假设是适当的。 管内: α22(233-tw)=K2Δtm2 301.30(233-tw)=123.18×146 tw=173.31℃ 与假设的壁温tw=171.5℃相差1.81℃,可以为原假设是适当的。 2.4传热面积的确定: 2.4.1第Ⅰ段: 传热量Q1=812867.25kcal/h 平均温度差Δtm1=200℃ 传热系数K1=284.92kcal/m2•h•℃ 需要的传热面积: F1=812867.25/(284.92×200)=14.26m2 2.4.2第Ⅱ段: 传热量Q2=37632.74kcal/h 平均温度差Δtm2=146℃ 传热系数K2=123.18kcal/m2•h•℃ 需要的传热面积: F2=37632.74/(123.18×146)=2.09m2 2.4.3冷却器下段的总传热面积为: F下=F1+F2=14.26+2.09=16.35m2 考虑到理论计算与实际之间的差距,传热面积增加25%,则实际需要的传热面积应为: F下修=16.35×1.25=20.44m2取21m2 冷却器内钢管数n=256根,管径φ25×3.5mm,管束长1.1m。 3水蒸汽的冷凝与冷却部分(上段): 3.1冷却水量的确定: 3.1.1水蒸汽放出的冷凝热量: q1=1505.31×540=812867.25kcal/h 式中: 1505.31——由下段到上段的水蒸汽量;kg/h 540——水蒸汽在常压下的汽化潜热,kcal/kg 3.1.2热水由100℃冷却到75℃放出的冷却热量: q2=1505.31×(100-75)=37632.75kcal/h 3.1.3冷却水由32℃被加热到45℃水的消耗量。 Gwb=(812867.25+37632.75)/1×(45-32)=65423.08kg/h 3.2传热量及平均温度的计算: 管内介质冷却水,管外介质为水蒸汽,其传热情况可分为两段;如下图所示介质为沥青,其情况可分为两段: 管内 管外 Ⅰ 45℃ 100℃ X℃ 100℃ Ⅱ 32℃ 75℃ 沥青汽化冷却器上段传热情况 Ⅰ段: 管内的水由X℃被加热到45℃管外水蒸汽冷凝: 传热量: Q1=812867.25kcal/h 求温度X: 65423.08×(45-X)=812867.25 X=32.57℃ 平均温度差: 100——→100 45←——32.6 55℃67.4℃ Δtm1=(67.4℃-55)/ln(67.4÷55)=61℃ Ⅱ段: 管内的水由32℃被加热到32.57℃管外热水由100℃冷却到75℃; 传热量: Q2=37632.75kcal/h 平均温度差: 100——→75 32.6←——32 67.4℃43℃ Δtm2=(67.4℃-43)/ln(67.4÷43)=54℃ 3.3传热系数K的计算: 3.3.1第Ⅰ段的传热系数K1 管内水由32.57℃加热至45℃,管外水蒸汽冷凝。 3.3.1.1管内水的给热系数α11 水的平均温度tm=(32.57+45)/2=38.8℃ 水在38.8℃时的物理常数: Z=0.723cp λ=0.537kcal/m2•h•℃ γ=994kg/m3 C=0.997kcal/kg•℃ Pr=4.81 钢管根数n=256规格: φ25×3.0mm 钢管内孔截面积: F=0.785×(0.019)2×256=0.0725m2 水的流速ω=65423.08/(3600×994×0.0725)=0.252m/s 雷诺准数; Re=1000×(ωdγ/Z)=1000×0.252×0.019×994÷0.723=6587.27 因Re介于2300至104之间,属于强制对流过度流范围,按强制对流湍流的给热公式计算,乘以校正系数φ。 (式中各物理量,取流体平均温度时的值) Nu=0.023×Re0.8×Pr0.4×φ 当Re=6587.27时,校正系数φ为: φ=1-(6×105/Re1.8)=1-(6×105/6587.271.8)=0.92 Nu=αd/λ α11=(0.537/0.019)×0.023×(6587.27)0.8×(4.81)0.4×0.92=1272.20kcal/m2•h•℃ 3.3.1.2管外水蒸汽冷凝的给热系数α12 按蒸汽膜状冷凝的给热公式计算: Nu=A(Ga•Pr•KD)n 式中各物理量取壁面与蒸汽的算术平均温度时的值,而冷凝潜热r则取蒸汽饱和器温度时的值。 设壁温tw=98℃ 则蒸汽与壁温的温差: Δt=100-98=2℃ 蒸汽与壁温的平均温差: tm=(100+98)/2=99℃ 水在99℃时的物理常数: Z=0.287cp λ=0.586kcal/m2•h•℃ γ=958kg/m3 C=1.0057kcal/kg•℃ 水蒸气在100℃时的冷凝潜热: r=540kcal/kg 管长l=1.5m GaPrKD=(3600l3γ2r)/(μλΔt) =(3600×1.53×9582×540)/[(0.287÷11340)×0.586×2] =2.03×1017 GaPrKD>1015A=0.068n=1/3 α12=A[(3600λ3γ2r)/(lμΔt)]n =0.068×{3600×(0.586)3×(958)2×540/[1.5×(0.287÷11340)×2]}1/3 =13065.22 3.3.1.3总传热系数KⅠ 钢管壁厚δ=0.003m 钢的导热系数λ=40kcal/m2•h•℃ 取软水的1/R软=5000 冷却水的1/R冷=500 则热阻∑δ/λ=(1/5000)+(0.003/40)+(1/500)=0.00227m2•h•℃/kcal 则总传热系数: K1=1÷[(1/1272.20)+0.00227+(1/13065.22)]=319.23kcal/m2•h•℃ 3.3.1.4管壁温度核算: 管外: α0(100-tw)=KⅡΔtmⅠ 13065.22(100-tw)=319.23×61 tw=98.51℃ 与假设的壁温tw=98℃相差0.51℃,可以认为原假设壁温是适当的。 3.3.2第Ⅱ段的传热系数K2 管内冷水由32℃加热至32.57℃,管外热水由100℃冷却到75℃。 3.3.2.1管内冷水的给热系数α21 水的平均温度tm=(32.57+32)/2=32.29℃ 水在32.3℃时的物理常数: Z=0.768cp λ=0.52kcal/m2•h•℃ γ=997kg/m3 C=0.998kcal/kg•℃ Pr=5.16 总钢管孔的截面积: F=0.785×(0.019)2×256=0.0725m2 水的流速: ω=65423.08/(3600×994×0.0725)=0.252m/s 雷诺准数 Re=1000×(ωdγ/Z)=1000×0.252×0.019×994÷0.768=6196.97 因2300<Re<104属于强制对流过度流范围,按强制对流湍流的给热公式计算,乘以校正系数φ。 Nu=0.023Re0.8Pr0.4φ 当Re=6196.97时,校正系数φ为: φ=1-(6×105/Re1.8)=1-(6×105/6196.971.8)=0.91 α21=(λ/d)Nu=(0.52/0.019)×0.023×(6196.97)0.8×(5.16)0.4×0.91 =1193.50kcal/m2•h•℃ 3.3.2.2管外热水的给热系数α22 按自然对流情况计算,其给热公式为: Nu=A(Gr•Pr)n 式中各物理量取壁面与流体的平均温度时的值; 流体的平均温度: t=(100+75)/2=87.5℃ 设壁温tw=74℃ 则流体与管壁的温度差: Δt=87.5℃-74=13.5℃ 流体与管壁的平均温差: tm=(87.5+74)/2=80.75℃ 水在80℃时的物理常数为: Z=0.352cp λ=0.579kcal/m2•h•℃ γ=972kg/m3 C=1.0017kcal/kg•℃ β=64×10-51/℃ Pr=2.19 格拉斯霍夫准数: Gr=gd3ρ2βΔt/μ2 =[9.81×(0.025)3×(972/9.81)2×0.00064×13.5]/(0.352/11340)2 =1.35×107 Pr•Gr=2.96×107 因Pr•Gr>2×107,属于自然对流湍流A=0.135n=1/3 α22=(λ/d)×A(Gr•Pr)n=(0.579/0.025)×0.135×(2.96×107)1/3 =966.64kcal/m2•h•℃ 3.3.2.3总传热系数K2 管壁及垢层的热阻: ∑(δ/λ)=0.00226m2•h•℃/kcal 则总传热系数: K2=1÷[(1/1193.50)+0.00226+(1/966.64)]=241.99kcal/m2•h•℃ 3.3.2.4管壁温度核算: 管外: α22=(87.5-tw)=K2Δtm2 1043.73(87.5-tw)=241.99×54 tw=74.98℃ 与假设的壁温tw=74℃相差0.98℃,可以为原假设是适当的。 3.4传热面积的确定: 3.4.1第Ⅰ段: 传热量Q=812867.25kcal/h 平均温度差: Δtm1=61℃ 传热系数K1=315.63kcal/m2•℃•h 需要的传热面积: F1=812867.25/(315.63×61)=42.22m2 3.4.2第Ⅱ段: 传热量Q=37632.75kcal/h 平均温度差: Δtm2=54℃ 传热系数K2=246.55kcal/m2•℃•h 需要的传热面积: F2=37632.75/(246.55×54)=2.83m2 3.4.3冷却器需要的总传热面积为: F上=F1+F2=42.22+2.83=45.05m2 考虑到理论计算与实际之间的差距,传热面积增加25%,则实际需要的传热面积应为: F上修=45.05×1.25=56.31m2取57m2 冷却器内钢管数n=256根,管径φ25×3.0mm,管束长2.6m。 4总传热面积 F=F下修+F上修=21m2+57m2
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