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 oraz den elipsoidalnych 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]
225
Alkohol butylowy 100%
wrzenia
2
420
3
WARIANT 1
4
Dane
Obliczenia
Wyniki
wg
[1]
I. Obliczenie objętości zbiornika
Ustalam temperaturę wrzenia butanolu pod
ciśnieniem roboczym
wg [1]:
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:
√
√
5
Dane
Obliczenia
Wyniki
W oparciu o normę na dna PN-75/M-35412 [3]
dobieram średnicę nominalną aparatu:
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:
Uwzględniam ciśnienie hydrostatyczne 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
10028-2 [5] dobieram stal niestopową 1.0481
(P295GH) należącą do grupy stali węglowych, dla
której umowna granica plastyczności w temp. 150
o
C
wynosi
Obliczam naprężenie dopuszczalne w ściankach
powłoki walcowej:
Zakładam wartość współczynnika
, stąd
Zgodnie z wytycznymi UDT [2] przyjmuję wartość
współczynnika wytrzymałościowego
Wartość współczynnika
przyjmuję w oparciu
o wytyczne 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 normę BN75/2202-02 [6] dobieram
grubość nominalną 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 w temperaturze
obliczeniowej:
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
10028-2 [5] dobieram stal niestopową 1.0481
(P295GH) należącą do grupy stali węglowych, dla
której umowna granica plastyczności w temp. 150
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
W oparciu o normę PN-EN 10051 [7] ustalam
wartość technologicznego naddatku grubości ścianki
, równego co do wartości największej odchyłce
minusowej grubości blachy w temperaturze
obliczeniowej:
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 86 mm.
Dobieram średnicę otworu w dnie w oparciu o normę
PN-EN 10220 [8] z uwzględnieniem 2mm luzu:
Obliczam wartość współczynnika
:
√
√
Obliczam wartość stosunku
:
Obliczam wartość współczynnika
wytrzymałościowego y
w
w oparciu o wytyczne 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 [11]
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
Ustalam temperaturę wrzenia butanolu pod
ciśnieniem roboczym
wg [1]:
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:
√
√
16
Dane
Obliczenia
Wyniki
W oparciu o normę PN-64/M-35411 [9] dobieram
średnicę nominalną aparatu:
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:
Uwzględniam ciśnienie hydrostatyczne 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
10216-2 [10] dobieram stal niestopową 1.0425
(P265GH) należącą do grupy stali węglowych, dla
której umowna granica plastyczności w temp. 150
o
C
wynosi
Obliczam naprężenie dopuszczalne w ściankach
powłoki walcowej:
Zakładam wartość współczynnika
, stąd
Zgodnie z wytycznymi 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-EN 10216-2 [10] dobieram
grubość nominalną rury.
Grubość nominalna rury na powłokę walcową:
19
Dane
Obliczenia
Wyniki
W oparciu o normę PN-EN 10216-2 [10] ustalam
wartość technologicznego naddatku grubości ścianki
, równego co do wartości największej odchyłce
minusowej grubości rury:
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
10028-2 [5] dobieram stal niestopową 1.0425
(P265GH) należącą do grupy stali węglowych, dla
której umowna granica plastyczności w temp. 150
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 normę PN-EN 10051 [7] ustalam
wartość technologicznego naddatku grubości ścianki
równego co do wartości największej odchyłce
minusowej grubości blachy w temperaturze
obliczeniowej:
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 126,6 mm.
Dobieram średnicę otworu w dnie w oparciu o normę
PN-EN 10220 [8] z uwzględnieniem 2mm luzu:
Obliczam wartość współczynnika
:
√
√
Obliczam wartość stosunku
:
Obliczam wartość współczynnika
wytrzymałościowego y
w
w oparciu o wytyczne UDT
[2] stosując interpolację dla uzyskanej wartości
współczynnika
:
( )
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 [11]
Obliczam długość walcowej części zbiornika:
(
)
( )
( )
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:
25
Zestawienie najważniejszych wyników:
Jednostka
Wariant 1
Wariant 2
Objętość całkowita aparatu
m
3
0,73
0,73
Ciśnienie obliczeniowe (dopuszczalne)
Pa
5,1∙10
5
5,2∙10
5
Temperatura obliczeniowa
o
C
140
140
Materiał konstrukcyjny powłoki walcowej
-
Stal 1.0481
(P295GH)
1.0425
(P265GH)
Materiał konstrukcyjny dna elipsoidalnego
-
Stal 1.0481
(P295GH)
1.0425
(P265GH)
Naprężenie dopuszczalne w ściance powłoki
walcowej
MPa
138
183
Naprężenie dopuszczalne w ściance dna
elipsoidalnego
MPa
161
144
Średnica zewnętrzna powłoki walcowej
mm
708
508
Grubość nominalna ścianki powłoki walcowej
mm
4
11
Średnica zewnętrzna dna elipsoidalnego
mm
708
508
Grubość nominalna ścianki dna elipsoidalnego
mm
4
10
Średnica otworu w dnie elipsoidalnym
mm
78,1
116,3
Długość całkowita aparatu
mm
1,94
4,02
Masa pustego aparatu
kg
150,1
550,7
Masa całkowita aparatu
kg
570,1
970,7
Ze względu na mniejszą masę całkowitą wskazuję wariant I jako optymalny.
26
Literatura:
[1] red. J. Bandrowski – Materiały pomocnicze do ćwiczeń i projektów z inżynierii
chemicznej, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, 2000
[2] Wytyczne 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, 2004
[5] PN-EN 10028-2 Wyroby płaskie ze stali na urządzenia ciśnieniowe. Część 2: Stale
niestopowe i stopowe o określonych własnościach w podwyższonych temperaturach.
[6] BN-75/2202-02 Grubości blach w zakresie od 1 do 50 mm.
[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 10216-2 Rury stalowe bez szwu do zastosowań ciśnieniowych. Warunki
techniczne dostawy. Część 2: Rury ze stali niestopowych i stopowych z określonymi
własnościami w temperaturze podwyższonej.
[11] PN-EN 10028-1 Wyroby płaskie ze stali na urządzenia ciśnieniowe. Część 1:
Wymagania ogólne.