POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ

ZAKŁAD INŻYNIERII I APARATURY CHEMICZNEJ

ZBIORNIK

Projekt wykonany w ramach zajęć

Materiałoznawstwo Chemiczne i Korozja

Marta Martyła

studia dzienne I stopnia 2010/2011

na kierunku Technologia Chemiczna

Temat: Zaprojektuj zbiornik do magazynowania V=17m

3

40% roztworu kwasu fluorowodorowego w temperaturze t=20

o

C

i ciśnieniu wewnętrznemu p=1,0 bar.

Uwagi:

B. Charakterystyka techniczna zbiornika

Zbiornik służy do magazynowania 40% kwasu fluorowodorowego w temperaturze

20

o

C. Projektowany zbiornik zbudowany jest z cylindrycznego płaszcza i dwóch den

wyoblonych. Kwas fluorowodorowy doprowadzany jest do zbiornika króćcem

górnym, króciec dolny służy do opróżniania zbiornika. Dla umożliwienia
oczyszczenia zbiornika z osadzających się zanieczyszczeń dno zbiornika

przymocowano przez połączenie kołnierzowe. Zbiornik pracuje w pozycji pionowej,
dla stawienia zbiornika na konstrukcji wspornikowej przyspawano do niego łapy.

Wszystkie elementy aparatu zostały wykonane ze stali 1H18N9T. Jest to stal
stopowa kwasoodporna, bardzo dobrze uodporniona na działanie kwasu HF o

podanych parametrach. Zawiera powyżej 0,1% węgla, ok. 18% chromu, ok. 9% niklu
i do 1% tytanu.

C. Schemat ideowy zbiornika

2

D. Wykaz oznaczeń i jednostek:

symbol

oznaczenie

jednostka

np. [1]

numer wykorzystanej normy; wykaz cytowanych norm
znajduje się na końcu dokumentu

V

c

objętość cieczy

m

3

V

nom

objętość nominalna cieczy

m

3

D

w

nominalna średnica wewnętrzna zbiornika

m

H

c

całkowita wysokość słupa cieczy

m

V

d

objętość dennicy

m

3

p

h

ciśnienie hydrostatyczne

Pa

ρ

20

gęstość kwasu fluorowodorowego w t=20

o

C

kg/m

3

g

przyspieszenie ziemskie

m/s

2

p

w

ciśnienie wewnętrzne

Pa

p

ow

ciśnienie obliczeniowe

Pa

k

rw

naprężenia dopuszczalne na rozrywanie dla płaszcza

N/m

2

R

e

granica płynności na rozrywanie dla stali 1H18N9T w

t=20

o

C

Pa

X

e

współczynnik bezpieczeństwa

z

współczynnik wytrzymałości szwu

a

współczynnik spawu

g

o

obliczeniowa grubość ścianki zbiornika

m

g

rz

nominalna rzeczywista grubość ścianki zbiornika

m

c

naddatek grubości

m

c

1

naddatek na minusową odchyłkę blachy

m

c

2

naddatek na korozję

m

s

szybkość korozji

m/rok

τ

okres użytkowania aparatu

lata

c

3

naddatek na dodatkowe naprężenia

m

D

z

średnica zewnętrzna zbiornika

m

g

sz

sztywność powłoki

m

R

m

wytrzymałość doraźna na rozciąganie

MPa

H

w

wysokość płaszcza zbiornika

m

h

c

wysokość części cylindrycznej pokrywy

m

h

w

wewnętrzna wysokość elipsoidalnej części dennicy

m

ω

współczynnik

3

g

dn

grubość dna

m

y

w

współczynnik wyoblenia dna

k

rd

naprężenia dopuszczalne na rozrywanie dla dennicy

N/m

2

g

od

obliczeniowa grubość części wyoblonej dna

m

g

d

nominalna rzeczywista grubość części wyoblonej dna

m

z

rd

współczynnik wytrzymałościowy dennicy

d

d

największa średnica otworu w dnie bez wzmocnienia

m

l

k

wysokość króćca

m

z

rw

współczynnik wytrzymałościowy płaszcza

d

w

największa średnica otworu w płaszczu bez wzmocnienia

m

g

owł

grubość ścianki włazu

m

D

nom

średnica nominalna

m

P

nom

ciśnienie nominalne

Pa

L

wzm

szerokość pierścienia wzmacniającego

m

F

wzm

powierzchnia wzmacniającej blachy

m

2

g

wzm

grubość blachy wzmacniającej

m

l

w

wysokość części cylindrycznej zbiornika

m

l

koł

wysokość kołnierza

m

L

c

wysokość całego zbiornika

m

m

cyl

masa części cylindrycznej zbiornika

kg

ρ

stali

gęstość stali

kg/m

3

m

d

masa dennicy

kg

m

k

masa króćca

kg

m

koł

masa kołnierza

kg

m

w

masa włazu

kg

m

a

masa pustego aparatu

kg

m

c

masa kwasu fluorowodorowego

kg

m

ap

masa pełnego aparatu

kg

n

liczba łap wspornikowych

h

ł

wysokość łapy wspornikowej

m

g

ł

grubość jednej łapy wspornikowej

m

4

E. Tok obliczeniowy:

DANE:

OBLICZENIA:

WYNIK:

1. Obliczanie średnicy wewnętrznej zbiornika

1.1. Objętość nominalna

V

c

= 17 m

3

V

nom

= V

c

+ 20%V

c

= 20,4 m

3

V

nom

= 20 m

3

[1]

V

nom

= 20 m

3

1.2. Średnica wewnętrzna

V

nom

= 20 m

3

m

m

V

D

nom

W

94

,

2

20

*

4

4

3

3

3

=

=

=

π

π

Dla objętości nominalnej równej 20m

3

przypisane są

wg normy [2] trzy średnice wewnętrzne równe:

2,0m, 2,2m i 2,4m. Jako, że średnica 2,4m jest
najbliższa tej wyliczonej przeze mnie przyjmuję ją

jako moją średnicę nominalną.

D

w

= 2,4 m

2. Obliczanie płaszcza zbiornika

2.1. Grubość ścianki aparatu

2.1.1. Obliczanie ciśnienia wewnętrznego

V

c

= 17 m

3

V

d

= 0,715 m

3

[3]

D

w

= 2,4 m

h

w

= 0,274 m

[3]

a) obliczenie całkowitej wysokości słupa cieczy

m

m

m

m

m

h

D

V

V

H

w

W

d

C

C

9

,

3

274

,

0

)

4

,

2

(

*

)

715

,

0

17

(

4

*

)

(

4

2

3

3

2

=

+

−

=

+

−

=

π

π

H

c

= 3,9m

ρ

20

= 1128

kg/m

3

g = 9,81 m/s

2

H

c

= 3,9 m

b) ciśnienie hydrostatyczne

p

h

= ρ

20

* g * H

c

= 1128kg/m

3

* 9,81m/s

2

* 3,9m =

43156,152 Pa

P

h

=

43156,152 Pa

p

h

=43156,152

Pa
p

w

=100000Pa

c) ciśnienie wewnętrzne

p

ow

= p

w

+ p

h

= 100000Pa + 43156,152Pa =

143153,152Pa = 1,432 bar = 0,14 MPa

p

ow

nom

= 0,16MPa [4]

P

ow

= 0,16

MPa

2.1.2. Obliczanie grubości ścianki aparatu

Re

20

=2,15*10

8

Pa

X

e

=1,8

α=1

a)obliczanie dopuszczalnych naprężeń na zrywanie

dla płaszcza

k

rw

=(R

e

/X

e

)*α=(2,15*10

8

Pa/1,8)*1=11,9*10

7

N/m

2

k

rw

=11,9*10

7

N/m

2

Marta Martyła

strona 5

z

dop

= 1

b) współczynnik wytrzymałości szwu

Jako spaw wybieram jednostronne złącze doczołowe
z = 0,8*z

dop

= 0,8*1 = 0,8

z = 0,8

c) współczynnik a

Zakładamy, że D

z

/D

w

≤ 1,4 i obieramy za a liczbę 1.

a = 1

D

w

= 2,4m

p

ow

=1,6*10

5

Pa

k

rw

=11,9*10

7

N/m

2

z=0,8

a=1

d) obliczeniowa grubość ścianki płaszcza

ow

rw

ow

w

p

z

k

a

p

D

g

−

=

*

*

3

,

2

*

0

m

p

m

N

Pa

m

g

ow

0018

,

0

)

8

,

0

*

10

*

9

,

11

*

1

3

,

2

(

10

*

6

,

1

*

4

,

2

2

7

5

0

=

−

=

g

0

= 0,0018m

2.2. Obliczanie rzeczywistej grubości ścianki aparatu

c

1

=0,0008m

s=0,0001

m/rok

τ=10lat

c

3

=0

a) obliczanie naddatków na grubość

c

2

=s*τ=0,0001m/rok*10lat=0,001m

c=c

1

+c

2

+c

3

=0,0008m+0,001m+0=0,0018m

c=0,0018m

c=0,0018m

g

0

=0,0018m

g

rz

=g

0

+c=0,0018m+0,0018m=0,0036m≈0,004m

Grubość ścianki aparatu i grubość ścianki kołnierza

przyspawanego do płaszcza muszą być takie same. Ż
tego względu za g

rz nom

przyjmuję liczbę 0,02m.

Wartość tą obrałam na podstawie normy [5].

g

rz

=0,02m

2.2.1. Sztywność powłoki

g

rz

= 0,02m

D

w

= 2,4m

a) średnica zewnętrzna zbiornika

D

z

=D

w

+2g

rz

=2,4m+2*0,02m=2,44m

D

z

=2,44m

Stosunek D

z

/D

w

= 1,016 < 1,4, więc założony przeze mnie współczynnik a=1 jest prawidłowy.

D

z

=2,44m

R

m

=550MPa

b) obliczenie sztywności powłoki

m

MPa

m

R

D

g

m

z

sz

0026

,

0

550

)

5

,

2

44

,

2

(

*

294

,

0

)

5

,

2

(

*

294

,

0

=

+

=

+

=

g

sz

< g

rz

(warunek spełniony)

g

sz

= 0,0026m

3. Obliczanie i dobór dennic

3.1. Obliczanie grubości części wyoblonej dna zbiornika

D

z

= 2,44m

h

c

= 0,06m [3]

h

w

= 0,274m

g

rz

= 0,02m

a) obliczanie współczynnika H

w

/D

z

H

w

= h

c

+ h

w

+ g

rz

= 0,06m+0,274m+0,02m=0,354m

H

w

/D

z

= 0,174≈0,18

H

w

/D

z

= 0,18

Marta Martyła

strona 6

g

dn

=g

rz

=0,02m

D

z

=2,44m

d

d

=0,2m

b) obliczenie wartości współczynnika ω

0

,

1

02

,

0

*

44

,

2

2

,

0

*

=

=

=

m

m

m

g

D

d

dn

z

d

ω

ω=1,0

H

w

/D

z

= 0,18

ω=1,0

c) określenie współczynnika wyoblenia dna y

w

Dla określonych danych współczynnik przyjmuje

wartość: y

w

=3,37.

y

w

=3,37

Re

20

=21,5*10

7

Pa

X

e

=1,55

α=1

d) obliczenie naprężeń dopuszczalnych na zrywanie
dla dennicy

k

rd

=(R

e

/X

e

)*α=(2,15*10

8

Pa/1,55)*1=13,87*10

7

N/m

2

k

rd

=13,87*10

7

N/m

2

D

z

=2,44m

p

ow

=1,6*10

5

Pa

y

w

=3,37

k

rd

=13,87*10

7

N/m

2

z=1

e) obliczanie grubości części wyoblonej zbiornika

z

k

y

p

D

g

rd

w

ow

z

od

*

*

4

*

*

=

m

m

N

Pa

m

g

od

0024

,

0

1

*

10

*

87

,

13

*

4

37

,

3

*

10

*

6

,

1

*

44

,

2

2

7

5

=

=

g

od

=0,0024m

3.2. Obliczenie rzeczywistej grubości ścianki dennicy

g

od

=0,0024m

c=0,0018m

g

d

=g

od

+c= 0,0024m + 0,0018m = 0,0042m

g

d nom

= 0,014m [3]

Przyjmujemy tak dużą grubość ścianki dennicy, gdyż

będzie ona bliższa grubości ścianki płaszcza.

g

d

=0,014m

4. Wyznaczenie największej średnicy otworów w dennicy nie wymagających

wzmocnienia

4.1. Obliczenie wartości współczynnika wytrzymałościowego dennicy

p

ow

=1,6*10

5

Pa

D

w

=2,4m

g

d

=0,014m

c

2

=0,001m

a=1

k

rd

=13,87*10

7

N/m

2

)

(

*

*

3

,

2

)

(

2

2

c

g

k

a

c

g

D

p

z

d

rd

d

w

ow

rd

−

−

+

=

098

,

0

)

001

,

0

014

,

0

(

*

/

10

*

87

,

13

*

1

3

,

2

)

001

,

0

014

,

0

4

,

2

(

*

10

*

6

,

1

2

7

5

=

−

−

+

=

m

m

m

N

m

m

m

Pa

z

rd

z

rd

=0,098

4.2. Obliczenie średnicy otworu w dnie

D

w

=2,4m

g

d

=0,014m

c

2

=0,001m

z

rd

=0,098

D

z

=2,44m

m

m

m

m

d

z

c

g

D

d

rd

d

w

246

,

0

)

098

,

0

1

(

*

)

001

,

0

014

,

0

(

*

4

,

2

*

81

,

0

)

1

(

*

)

(

*

*

81

,

0

3

1

3

2

1

=

−

−

=

−

−

=

d

2

=0,35*D

z

=0,35*2,44m=0,854m

d

3

=0,2m

d

d

=0,2m

Marta Martyła

strona 7

Za największy otwór przyjmujemy najmniejszą
wartość z trzech obliczonych.

W obliczeniach współczynnika ω przyjęłam, że d

d

=0,2m. Przyjęta wartość okazała

się prawidłowa.

4.2.1. Dobór króćca wlotowego

Przyjmujemy króciec wlotowy zgodnie z normą [6] o
D

nom

=0,15m, P

nom

=1,6MPa i l

k

=0,2m.

4.2.2. Dobór króćca wylotowego

Przyjmujemy króciec wlotowy zgodnie z normą [6] o

D

nom

=0,15m, P

nom

=1,6MPa i l

k

=0,2m.

5. Wyznaczenie największej średnicy otworu w płaszczu nie wymagającej

wzmocnienia

5.1. Obliczenie wartości współczynnika wytrzymałościowego płaszcza

p

ow

=1,6*10

5

Pa

D

w

=2,4m

g

rz

=0,02m

c

2

=0,001m

a=1

k

rd

=11,9*10

7

N/m

2

)

(

*

*

3

,

2

)

(

*

2

2

c

g

k

a

c

g

D

p

z

rz

rw

rz

w

ow

rw

−

−

+

=

075

,

0

)

001

,

0

02

,

0

(

*

10

*

9

,

11

*

1

3

,

2

)

001

,

0

02

,

0

4

,

2

(

*

10

*

6

,

1

2

7

5

=

−

−

+

=

m

m

m

N

m

m

m

Pa

z

rw

z

rw

=0,075

5.2. Obliczanie średnicy otworu w płaszczu

D

w

=2,4m

g

rz

=0,02m

c

2

=0,001m

z

rw

=0,075

D

z

=2,44m

3

2

1

)

1

(

*

)

(

*

*

81

,

0

rw

rz

w

z

c

g

D

d

−

−

=

m

m

m

m

d

282

,

0

)

075

,

0

1

(

*

)

001

,

0

02

,

0

(

*

4

,

2

*

81

,

0

3

1

=

−

−

=

d

2

=0,35*D

z

=0,854m

d

3

=0,2m

Największym otworem w płaszczu nie wymagającym

wzmocnienia jest otwór o średnicy 0,2m.

d

w

=0,2m

5.3. Obliczanie pierścienia wzmacniającego

5.3.1. Wyznaczenie parametrów i dobór włazu

Przyjęto właz rodzaju PZ (z kołnierzem płaskim i
przylgą zgrubną), odmiany N (dla zakresu

temperatur od 0

o

C do 200

o

C) wg normy [7].

D

nom

=0,6m

P

nom

=1,6MPa.

Dobrano do niego 24 śruby z łbem sześciokątnym.

Marta Martyła

strona 8

5.3.2. Pierścień wzmacniający

D

nom

=0,6m

c

2

=0,001m

g

owł

=0,005m

[7]

g

rz

=0,02m

a) szerokość pierścienia

g

wzm

=0,6*g

rz

= 0,6 * 0,02m = 0,012m

wzm

owł

nom

wzm

g

g

c

D

L

2

*

)

2

(

2

+

=

m

m

m

m

m

L

wzm

13

,

0

012

,

0

*

2

005

,

0

*

)

001

,

0

*

2

6

,

0

(

=

+

=

L

wzm

=0,13m

L

wzm

=0,13m

g

wzm

=0,012m

b) powierzchnia dodanego materiału

F

wzm

=2*L

wzm

*g

wzm

=0,003m

2

F

wzm

=0,003m

2

6. Wysokość zbiornika

6.1. Wysokość części cylindrycznej

V

nom

=20m

3

D

w

=2,4m

Zgodnie z normą [2] wysokość części cylindrycznej
zbiornika wynosi 5,15m.

l

w

=5,15m

6.2. Dobór kołnierza do płaszcza

Zgodnie z normą [5] wybieramy kołnierz przypawany

okrągły z szyjką i przylgą zgubną o średnicy
D

nom

=2,4m.

Liczba śrub: 56
Gwint śrub: M52.

6.3. Obliczanie wysokości całego zbiornika

l

w

=5,15m

l

k

=0,255m

l

koł

=0,17m [5]

L

c

= l

w

+ 2*(l

k

+ l

koł

)

L

c

= 5,15m + 2*(0,255m + 0,17m) = 6m

L

c

= 6m

7. Obliczanie masy aparatu

7.1. Obliczanie masy części cylindrycznej

D

z

=2,44m

D

w

=2,4m

ρ

stali

= 7850

kg/m

3

4

*

*

)

(

2

2

stali

w

z

cyl

D

D

m

ρ

π

−

=

kg

m

kg

m

m

m

cyl

1193

4

/

7850

*

*

)

)

4

,

2

(

)

44

,

2

((

3

2

2

=

−

=

π

m

cyl

=1193kg

7.2. Obliczanie masy pustego aparatu

m

cyl

=1193kg

m

d

=605kg [3]

m

koł

=826kg [5]

m

k

=12,12kg

[6]
m

w

=156kg [7]

)

(

*

2

koł

k

d

w

cyl

a

m

m

m

m

m

m

+

+

+

+

=

m

a

=1193kg + 156kg + 2*(605kg + 12,12kg + 826kg)

m

a

= 4235,24kg

m

a

=

4235,24kg

Marta Martyła

strona 9

7.3. Obliczanie masy pełnego zbiornika

V

c

=17m

3

ρ

c

=1128kg/m

3

a) masa cieczy

m

c

=V

c

*ρ

c

=17m

3

* 1128kg/m

3

= 19176kg

m

c

=

19176kg

m

a

=4220,64kg

m

c

=19176kg

b) masa pełnego zbiornika

m

ap

=m

a

+m

c

= 4235,24kg+19176kg = 23411,24kg

m

ap

=

23411,24kg

8. Dobór łap wspornikowych

D

w

=2,4m

m

ap

=

23411,24kg

Zgodnie z normą [8] dla podanej średnicy
wewnętrznej i masy aparatu dobieramy łapy

wspornikowe o wielkości 250. Stosujemy 4 łapy,
które zostaną przyspawane do zbiornika bez użycia

blachy wzmacniającej.
Według normy [8] te łapy wspornikowe mają

wymiary:
h

ł

=0,375m

g

ł

=0,02m

n=4
h

ł

=0,375m

g

ł

=0,02m

Marta Martyła

strona 10

F. Wykaz cytowanych norm:

[1] BN-80/2201-02 „Aparaty typu zbiornikowego. Szereg objętości
nominalnych”.

[2] BN-75/2221-21 „Zbiorniki cylindryczne poziome i pionowe z dnami o

małej wypukłości. Główne wymiary”.

[3] PN-69/M-35413 „Dna o małej wypukłości stalowe tłoczone o średnicach
wewnętrznych od 600 do 3200mm. Wymiary”.

[4] PN-89/H-02650 „Armatura i rurociągi. Ciśnienia i temperatury”.

[5] PN-67/H-74722 „Kołnierze przypawane okrągłe z szyjką. Wymiary”.

[6] BN-76/2211-40 „Króćce z kołnierzami przypawanymi okrągłymi z szyjką.

Ciśnienie nominalne 1,0 i 1,6 MPa”.

[7] BN-83/2211-25/02 „Zbiorniki i aparaty odporne na korozję. Włazy z pokrywą
z dnem elipsoidalnym na ciśnienie nominalne

<1,6; 4,0> MPa”.

[8] BN-64/2212-02 „Łapy wspornikowe. Wymiary i wytyczne doboru”.

11

G. Spis treści:

strona:

A.

Temat projektu

1

B.

Dobór materiału

2

C.

Schemat ideowy zbiornika

2

D.

Wykaz oznaczeń i jednostek

3

E.

Tok obliczeniowy

5

1.

Obliczanie średnicy wewnętrznej zbiornika

5

1.1.

Objętość nominalna

5

1.2.

Średnica wewnętrzna

5

2.

Obliczanie płaszcza zbiornika

5

2.1.

Grubość ścianki aparatu

5

2.1.1.

Obliczanie ciśnienia wewnętrznego

5

2.1.2.

Obliczanie grubości ścianki aparatu

5

2.2.

Obliczanie rzeczywistej grubości ścianki aparatu

6

2.2.1.

Sztywność powłoki

6

3.

Obliczanie i dobór dennic

6

3.1.

Obliczanie grubości części wyoblonej dna zbiornika

6

3.2.

Obliczanie rzeczywistej grubości ścianki dennicy

7

4.

Wyznaczenie największej średnicy otworów w dnie nie
wymagających wzmocnień

7

4.1.

Obliczanie wartości współczynnika wytrzymałościowego
dennicy

7

4.2.

Obliczanie średnicy otworu w dnie

7

4.2.1.

Dobór króćca wlotowego

8

4.2.2.

Dobór króćca wylotowego

8

5.

Wyznaczenie największej średnicy otworu w płaszczu nie

wymagającego wzmocnienia

8

5.1.

Obliczanie wartości współczynnika wytrzymałościowego

płaszcza

8

5.2.

Obliczanie średnicy otworu w płaszczu

8

5.3.

Obliczanie pierścienia wzmacniającego

8

5.3.1.

Wyznaczenie parametrów i dobór włazu

8

5.3.2.

Pierścień wzmacniający

9

6.

Wysokość zbiornika

9

12

6.1.

Wysokość części cylindrycznej

9

6.2.

Dobór kołnierza do płaszcza

9

6.3.

Obliczanie wysokości całego zbiornika

9

7.

Obliczanie masy aparatu

9

7.1.

Obliczanie masy części cylindrycznej zbiornika

9

7.2.

Obliczanie masy pustego aparatu

9

7.3.

Obliczanie masy pełnego zbiornika

10

8.

Dobór łap wspornikowych

10

F.

Wykaz cytowanych norm

11

G.

Spis treści

12

H.

Rysunek ofertowy w formacie A-2

14

13