1
Politechnika Rzeszowska
Katedra Inżynierii
Chemicznej i Procesowej
PROJEKT ZBIORNIKA
CIŚNIENIOWEGO
Nr projektu:
Imię i Nazwisko
Imię i Nazwisko
Imię i Nazwisko
Imię i Nazwisko
Rzeszów, data
1
Politechnika Rzeszowska
Katedra Inżynierii
Chemicznej i Procesowej
PROJEKT ZBIORNIKA
CIŚNIENIOWEGO
Nr projektu:
Imię i Nazwisko
Imię i Nazwisko
Imię i Nazwisko
Imię i Nazwisko
Rzeszów, data
2
Treść projektu
Oblicz wymiary powłoki walcowej, den elipsoidalnych i króćców wlotowych dla zbiornika pionowego
do magazynowania substancji o temperaturze t
r
i pod ciśnieniem p
r
, o masie całkowitej wynoszącej
m
s
.
Obliczenia należy przeprowadzić dla dwóch wariantów, tj. przy założeniu stosunku wysokości
całkowitej aparatu do jego średnicy zewnętrznej s równym około 2,5 oraz około 6,5. Należy wskazać
optymalny wariant zbiornika pod względem zużycia materiału.
Podczas obliczeń należy przyjąć następujące założenia:
1. Substancja wypełnia maksymalnie 80% objętości zbiornika,
2. Czas eksploatacji zbiornika wynosi co najmniej 10 lat
3. Dna aparatu posiadają otwory umożliwiające napełnienie i opróżnienie zbiornika
w najkrótszym możliwym czasie, bez konieczności wzmacniania otworów.
Dane projektowe:
Lp.
Substancja
t
r
[
o
C]
p
r
[bar]
m
s
[kg]
125
Kwas mrówkowy 20%
20
5
350
3
WARIANT 1
4
Dane
Obliczenia
Wyniki
wg [1]
I. Obliczenie objętości zbiornika
Obliczam objętość magazynowanej substancji:
Obliczam objętość całkowitą zbiornika:
II. Ustalenie temperatury obliczeniowej
Wg warunków UDT [2] przyjmuję:
III. Ustalenie ciśnienia obliczeniowego
Obliczam ciśnienie podczas próby ciśnieniowej PT
wg [2]
Wyznaczam ciśnienie hydrostatyczne cieczy. W tym
celu obliczam przybliżoną średnicę aparatu:
√
√
W oparciu o normę PN-75/M-35412 [3] dobieram
średnicę nominalną aparatu:
5
Dane
Obliczenia
Wyniki
oraz pozostałe wymiary dna:
Obliczam objętość dna aparatu:
Obliczam maksymalną wysokość słupa cieczy
w zbiorniku:
(
)
( )
Obliczam ciśnienie hydrostatyczne cieczy:
Sprawdzam udział ciśnienia hydrostatycznego
w ciśnieniu roboczym:
Nie uwzględniam ciśnienia hydrostatycznego
w ustalaniu wartości ciśnienia obliczeniowego:
6
Dane
Obliczenia
Wyniki
IV. Obliczenie grubości nominalnej ścianki
powłoki walcowej
W oparciu o tablice korozyjne [4] oraz normę PN-EN
10028-7 [5] dobieram stal stopową austenityczną
1.4301 (X5CrNi18-10) należącą do grupy stali 18-10,
dla której umowna granica plastyczności w temp.
20
o
C wynosi
Obliczam naprężenie dopuszczalne w ściankach
powłoki walcowej:
Zakładam wartość współczynnika
, stąd
Zgodnie z warunkami UDT [2] przyjmuję wartość
współczynnika wytrzymałościowego
Wartość współczynnika
przyjmuję w oparciu o
warunki UDT [2] dla ciśnienia dopuszczalnego PS
równego ciśnieniu obliczeniowemu:
Obliczam grubość obliczeniową ścianki powłoki
walcowej wg [2]:
7
Dane
Obliczenia
Wyniki
Obliczam naddatki grubości ścianki.
Eksploatacyjny naddatek grubości ścianki obliczam
uwzględniając szybkość korozji materiału
konstrukcyjnego:
Przyjmuję wartość naddatku ze względu na obecność
dodatkowych naprężeń:
Obliczam najmniejszą wymaganą grubość ścianki
powłoki walcowej wg [2]:
W oparciu o katalog producenta blach [6] dobieram
rozmiary arkusza blachy na powłokę walcową
zbiornika: 4x1900 mm.
Grubość nominalna blachy:
8
Dane
Obliczenia
Wyniki
W oparciu o normę PN-EN 10051 [7] ustalam
wartość technologicznego naddatku grubości ścianki
równego co do wartości największej odchyłce
minusowej grubości blachy z uwzględnieniem
podwyższenia odczytu o 30% (dla stali
austenitycznych bez dodatku Mo):
Sprawdzam warunek prawidłowego doboru grubości
nominalnej:
Grubość nominalna została dobrana prawidłowo.
Obliczam grubość rzeczywistą ścianki powłoki
walcowej:
Obliczam średnicę zewnętrzną aparatu:
Sprawdzam założoną wartość współczynnika
:
9
Dane
Obliczenia
Wyniki
V. Obliczenie grubości nominalnej ścianki dna
elipsoidalnego
W oparciu o tablice korozyjne [4] oraz normę PN-EN
10028-7 [5] dobieram stal stopową austenityczną
1.4301 (X5CrNi18-10) należącą do grupy stali 18-10,
dla której umowna granica plastyczności w temp.
20
o
C wynosi
Wstępnie dobieram dno elipsoidalne stalowe wg PN
75/M-35412 [3] o następujących wymiarach:
Obliczam naprężenie dopuszczalne w ściankach dna
elipsoidalnego:
Obliczam średnicę zewnętrzną dna elipsoidalnego:
10
Dane
Obliczenia
Wyniki
3
W oparciu o katalog producenta blach [6] dobieram
rozmiary arkusza blachy na dno elipsoidalne: 4x1500
mm.
W oparciu o normę PN-EN 10051 [7] ustalam
wartość technologicznego naddatku grubości ścianki
, równego co do wartości największej odchyłce
minusowej grubości blachy z uwzględnieniem
podwyższenia odczytu o 30% (dla stali
austenitycznych bez dodatku Mo):
Obliczam grubość rzeczywistą ścianki dna
elipsoidalnego:
Obliczam największą średnicę otworu nie
wymagającego wzmocnienia:
(
)
(
)
( )
( )
√
(
)(
)
√ ( )( )
11
Dane
Obliczenia
Wyniki
Średnica otworu w dnie nie powinna przekraczać
najmniejszej z obliczonych wartości, czyli 77,1mm.
Dobieram średnicę otworu w dnie w oparciu o normę
PN ISO 1127 [11] z uwzględnieniem 2mm luzu:
Obliczam wartość współczynnika
:
√
√
Obliczam wartość stosunku
:
Obliczam wartość współczynnika konstrukcyjny dna
y
w
w oparciu o warunki UDT [2] stosując podwójną
interpolację dla uzyskanych wartości współczynnika
i stosunku
:
( )
( )
( )
12
Dane
Obliczenia
Wyniki
Obliczam grubość obliczeniową ścianki dna
elipsoidalnego:
Obliczam najmniejszą wymaganą grubość ścianki
dna elipsoidalnego:
Sprawdzam warunek prawidłowego doboru grubości
nominalnej dna elipsoidalnego:
Grubość nominalna dna została dobrana prawidłowo.
VI. Wyznaczenie masy całkowitej aparatu
Obliczam długość walcowej części zbiornika:
(
)
( )
( )
13
Dane
Obliczenia
Wyniki
wg [12]
Obliczam masę części walcowej zbiornika:
(
)
(( )
( )
)
Obliczam masę pustego zbiornika:
Obliczam masę całkowitą zbiornika:
Obliczam całkowitą długość aparatu:
(
)
(
)
Sprawdzam stosunek długości całkowitej do średnicy
zewnętrznej aparatu:
14
WARIANT 2
15
Dane
Obliczenia
Wyniki
wg [1]
I. Obliczenie objętości zbiornika
Obliczam objętość magazynowanej substancji:
Obliczam objętość całkowitą zbiornika:
II. Ustalenie temperatury obliczeniowej
Wg wytycznych UDT [2] przyjmuję:
III. Ustalenie ciśnienia obliczeniowego
Obliczam ciśnienie podczas próby ciśnieniowej PT
wg [2]
Wyznaczam ciśnienie hydrostatyczne cieczy. W tym
celu obliczam przybliżoną średnicę aparatu:
√
√
W oparciu o normę PN-64/M-35411 [9] dobieram
średnicę nominalną aparatu:
16
Dane
Obliczenia
Wyniki
oraz pozostałe wymiary dna:
Obliczam przybliżoną objętość dna aparatu:
Obliczam maksymalną wysokość słupa cieczy
w zbiorniku:
(
)
( )
Obliczam ciśnienie hydrostatyczne cieczy:
Sprawdzam udział ciśnienia hydrostatycznego
w ciśnieniu roboczym:
Nie uwzględniam ciśnienia hydrostatycznego
w ustalaniu wartości ciśnienia obliczeniowego:
17
Dane
Obliczenia
Wyniki
IV. Obliczenie grubości nominalnej ścianki
powłoki walcowej
W oparciu o tablice korozyjne [4] oraz normę PN-EN
10216-5 [10] dobieram stal stopową austenityczną
1.4301 (X5CrNi18-10) należącą do grupy stali 18-10,
dla której umowna granica plastyczności w temp.
20
o
C wynosi
Obliczam naprężenie dopuszczalne w ściankach
powłoki walcowej:
Zakładam wartość współczynnika
, stąd
Zgodnie z warunkami UDT [2] przyjmuję wartość
współczynnika wytrzymałościowego
Obliczam grubość obliczeniową ścianki powłoki
walcowej wg [2]:
18
Dane
Obliczenia
Wyniki
Obliczam naddatki grubości ścianki.
Eksploatacyjny naddatek grubości ścianki obliczam
uwzględniając szybkość korozji materiału
konstrukcyjnego:
Przyjmuję wartość naddatku ze względu na obecność
dodatkowych naprężeń:
Obliczam najmniejszą wymaganą grubość ścianki
powłoki walcowej wg [2]:
W oparciu o normę PN-ISO 1127 [11] dobieram
grubość nominalną rury.
Grubość nominalna rury na powłokę walcową:
19
Dane
Obliczenia
Wyniki
W oparciu o normę PN-ISO 1127 [11] ustalam
wartość technologicznego naddatku grubości ścianki
, równego co do wartości największej odchyłce
minusowej grubości rury o klasie tolerancji T1:
Sprawdzam warunek prawidłowego doboru grubości
nominalnej:
Grubość nominalna została dobrana prawidłowo.
Obliczam grubość rzeczywistą ścianki powłoki
walcowej:
Obliczam średnicę wewnętrzną aparatu:
Sprawdzam założoną wartość współczynnika
:
20
Dane
Obliczenia
Wyniki
V. Obliczenie grubości nominalnej ścianki dna
elipsoidalnego
W oparciu o tablice korozyjne [4] oraz normę PN-EN
10028-7 [5] dobieram stal stopową austenityczną
1.4301 (X5CrNi18-10) należącą do grupy stali 18-10,
dla której umowna granica plastyczności w temp.
20
o
C wynosi
Wstępnie dobieram dno elipsoidalne stalowe wg PN
64/M-35411 [9] o następujących wymiarach:
Obliczam naprężenie dopuszczalne w ściankach dna
elipsoidalnego:
Obliczam średnicę wewnętrzną dna elipsoidalnego:
21
Dane
Obliczenia
Wyniki
W oparciu o katalog producenta blach [6] dobieram
rozmiary arkusza blachy na dno elipsoidalne: 4x1500
mm.
W oparciu o normę PN-EN 10051 [7] ustalam
wartość technologicznego naddatku grubości ścianki
równego co do wartości największej odchyłce
minusowej grubości blachy z uwzględnieniem
podwyższenia odczytu o 30% (dla stali
austenitycznych bez dodatku Mo):
Obliczam grubość rzeczywistą ścianki dna
elipsoidalnego:
Obliczam największą średnicę otworu nie
wymagającego wzmocnienia:
(
)
(
)
( )
( )
√
(
)(
)
√ ( ) ( )
22
Dane
Obliczenia
Wyniki
Średnica otworu w dnie nie powinna przekraczać
najmniejszej z obliczonych wartości, czyli 76,3mm.
Dobieram średnicę otworu w dnie w oparciu o normę
PN ISO 1127 [11] z uwzględnieniem 2mm luzu:
Obliczam wartość współczynnika
:
√
√
Obliczam wartość stosunku
:
Obliczam wartość współczynnika konstrukcyjnego
dna y
w
w oparciu o wytyczne UDT [2] stosując
podwójną interpolację dla uzyskanych wartości
współczynnika
i stosunku
:
( )
( )
( )
23
Dane
Obliczenia
Wyniki
Obliczam grubość obliczeniową ścianki dna
elipsoidalnego:
Obliczam najmniejszą wymaganą grubość ścianki
dna elipsoidalnego:
Sprawdzam warunek prawidłowego doboru grubości
nominalnej dna elipsoidalnego:
Grubość nominalna dna została dobrana prawidłowo.
VI. Wyznaczenie masy całkowitej aparatu
Obliczam objętość dna elipsoidalnego:
24
Dane
Obliczenia
Wyniki
wg [12]
Obliczam długość części walcowej zbiornika:
(
)
( )
( )
Obliczam masę części walcowej zbiornika:
(
)
(( )
( )
)
Obliczam masę pustego zbiornika:
Obliczam masę całkowitą zbiornika:
Obliczam całkowitą długość aparatu:
(
)
( )
25
Dane
Obliczenia
Wyniki
Sprawdzam stosunek długości całkowitej do średnicy
zewnętrznej aparatu:
26
Zestawienie najważniejszych wyników:
Jednostka
Wariant 1
Wariant 2
Objętość całkowita aparatu
m
3
0,418
0,418
Ciśnienie obliczeniowe (dopuszczalne)
Pa
7,15∙10
5
7,15∙10
5
Temperatura obliczeniowa
o
C
20
20
Materiał konstrukcyjny powłoki walcowej
-
Stal 1.4301
(X5CrNi18-10)
Stal 1.4301
(X5CrNi18-10)
Materiał konstrukcyjny dna elipsoidalnego
-
Stal 1.4301
(X5CrNi18-10)
Stal 1.4301
(X5CrNi18-10)
Naprężenie dopuszczalne w ściance powłoki
walcowej
MPa
127
118
Naprężenie dopuszczalne w ściance dna
elipsoidalnego
MPa
150
150
Średnica zewnętrzna powłoki walcowej
mm
608
457
Grubość nominalna ścianki powłoki walcowej
mm
4
4
Średnica zewnętrzna dna elipsoidalnego
mm
608
457
Grubość nominalna ścianki dna elipsoidalnego
mm
5
4
Średnica otworu w dnie elipsoidalnym
mm
90,9
62,3
Długość całkowita aparatu
mm
1590
2720
Masa pustego aparatu
kg
121,1
126
Masa całkowita aparatu
kg
471,1
476
Ze względu na mniejszą masę całkowitą wskazuję wariant I jako optymalny.
27
Literatura:
[1] R.H. Perry, D.W. Green – Chemical Engineers’ Handbook, McGraw-Hill, 2008.
[2] Warunki Urzędu Dozoru Technicznego, 2003.
[3] PN-75/M- 35412 Dna elipsoidalne stalowe o średnicy wewnętrznej od 600 do 4000 mm.
[4 ] Outokumpu Stainless Corrosion Handbook, 2009.
[5] PN-EN 10028-7 Wyroby płaskie ze stali na urządzenia ciśnieniowe. Część 7: Stale
odporne na korozję.
[6] Katalog blach walcowanych na gorąco firmy Outokumpu
[7] PN-EN 10051 Blacha gruba, blacha cienka i taśma walcowane na gorąco w sposób ciągły
niepowlekane ze stali niestopowej i stopowej. Tolerancje wymiarów i kształtu.
[8] PN-EN 10220 Rury stalowe bez szwu i ze szwem. Wymiary i masy na jednostkę długości.
[9] PN-64/M- 35411 Dna elipsoidalne stalowe o średnicy zewnętrznej od 33,5 do 508 mm.
[10] PN-EN 102016 Rury stalowe bez szwu do zastosowań ciśnieniowych. Warunki
techniczne dostawy. Część 5: Rury ze stali odpornych na korozję.
[11] PN-ISO 1127 Rury ze stali nierdzewnych.
[12] PN-EN 10088-1 Stale odporne na korozję. Część 1: gatunki stali odpornych na korozję.