L ỜI CẢM ƠN
3.1.2.Lựa chọn bồn và thông số tính toán
3.1.2.1. Dung tích bồn chứa
Yêu cầu đặt ra là thiết kế bồn áp lực chứa LPG với dung tích chứa 800 m3 Nguyên liệu cần chứa là LPG với thành phần hoá học chủ yếu là các cấu tử C3
và C4 gồm có:
- Propane (C3H8): 40 % mol - Butan (C4H10): 60 % mol
Tỷ trọng của LPG là 0,5533 tấn/m3.
3.1.2.2. Lựa chọn phương án thiết kế bồn áp lực
Bồn chứa khí hóa lỏng LPG hiện nay gồm có 2 loại thông dụng là bồn cầu (Spherical Vessel) và bồn trụ ngang (Horizontal Vessel).
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
Hình 3.1. Cấu tạo bồn chứa cầu
Theo phương án náy thì đường kính trong của bồn sơ bộ cần là:
D = (1,9 . V)3 1
= (1,9 . 800)3 1
= 11,498 (m).
Ta nhận thấy đường kính bể cũng không lớn lắm, theo phương án bể cầu là không nên vì vấn đề thiết kế và thi công rất phức tạp.
● Phương án bồn trụ ngang
Hình 3.2. Cấu tạo bồn chứa trụ ngang
Mục đích đặt ra là thiết kế bồn chứa áp lực với khả năng chứa 800m3. Với phương án bồn trụ ngang thì có nhiều phương án lựa chọn về đường kính bồn, chiều dài bồn.
Kích thước (đường kính, chiều dài) có lợi nhất cho bồn căn cứ vào các yếu tố sau:
- Thể tích thiết kế. - Áp lực trong thiết kế. - Ăn mòn cho phép. - Hệ số liên kết hàn.
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
3.1.2.3. Các thông số thiết kế của bồn
Chọn loại bồn chứa là loại bồn hình trụ đặt nằm ngang, hai đầu bồn là loại nắp hình elip.
Với thể tích chứa là 800 m3 ta chọn đường kính trong của bồn là: Dt = 4,2 m. Vậy chiều dài của bồn là:
L =
Thay số vào công thức ta có:
L = = 57,743 (m).
Ta chọn L = 58 (m).
Bảng 3.1. Các thông số của bồn chứa
Kí hiệu Thông số Đơn vị
Loại nhiên liệu chứa LPG 0,5533 tấn/m3
Áp suất làm việc Pm 18 kG/cm2
Nhiệt độ thiết kế Ttk 0 ÷ 50 oC
Áp suất thử thuỷ lực Ptl 27 kG/cm2
Áp lực vận hành Pvh 7,5 kG/cm2
Nhiệt độ vận hành Tvh 15 ÷ 50 oC
Khả năng chứa bình thường 85 %
Thử tia X kiểm tra mối hàn 100 %
Vận tốc gió V 36 m/s
Ăn mòn cho phép CA 0,1 cm
Bồn chứa được trang bị các loại van và thiết bị có nhãn hiệu thích hợp để nhận dạng:
- Van an toàn.
- Van vặn và van điều lượng dùng cho LPG lỏng. - Van dùng cho đường hồi lưu LPG hơi.
- Van vặn và van 1 chiều dùng cho đường nhập LPG. - Thiết bị đo mức.
- Đồng hồ đo áp suất.
- Van vặn có nút bịt kín dùng cho đường xả đáy. * Vị trí lắp đặt các van:
4.V π.Dt2
4 . 800 π . (4,2)2
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
+ Các van phải được lắp đặt tại các vị trí dễ tiếp cận để thuận tiện cho việc vận hành và bảo dưỡng.
+ Mỗi kho chứa LPG hoặc kho chứa chai phải có van điều khiển chính để cắt nhanh các đường cung cấp LPG khi có sự cố. Van được đặt tại vị trí dễ quan sát, dễ tiếp cận khi có sự cố và đóng cắt nhanh khi có sự cố xảy ra.
3.1.2.4. Chọn vật liệu chế tạo
Chọn vật liệu là thép không gỉ để chế tạo thiết bị, ký hiệu thép là CT3. Vì nó có tính hàn không giới hạn, không có khuynh hướng giòn. CT3 có các thành phần: C: 0,14 ÷ 0,22%; Si: 0,05 ÷ 0,17%; Mn: 0,4 ÷ 0,65%; Ni ≤ 0,3%; S ≤ 0,05%; P ≤ 0,04%; Cr ≤ 0,3%; Cu ≤ 0,3%; As ≤ 0,08% (tính theo phần trăm khối lượng).
Thép làm thân bồn: CT3. Thép làm đầu bồn : CT3. Thép làm họng ống : CT3. Thép làm các chi tiết khác : CT3. ٭Các thông số chính của thép: Giới hạn bền: k = 380.106 (N/m2) ([8]-309) Giới hạn chảy: ch = 240.106 (N/m2) Hệ số dẫn nhiệt từ 20 100 0C: = 50 (W/m.độ) ([8]-313) Khối lượng riêng: = 7850 (kg/m3)
Hệ số an toàn bền: nk = 2,6; nc = 1,5; nbl = 1,5 ([8]-356) Hệ số hiệu chỉnh: ηh = 1 ([8]-356) Hệ số bền mối hàn: h = 0,95 ([8]-362)
3.1.2.5. Tính bề dày thành bồn chịu áp lực trong
Bề dày thành bồn phải đảm bảo đủ cho bồn bền trong quá trình thiết kế, trong vận hành và thử áp lực. Đây là bề dày tối thiểu yêu cầu.
Tuy nhiên trong quá trình chế tạo, bề dày thành bồn còn phảiđáp ứng được các công tác hàn lắp dựng bồn. Mặt khác còn kể đến độ ăn mòn do nhiên liệu, do môi trường bên ngoài. Như vậy, khi tính toán bề dày bồn cần phải kểđến các yêu cầu trên (vận hành, thi công, ăn mòn).
Bồn được thiết kế bằng cách hàn các chi tiết với nhau nên ta có thêm hệ số bền mối hàn φh vào công thức tính toán.
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
3.1.2.6. Lựa chọn phương án hàn đối với bồn
Với bồn kích thước đã xác định, chọn công nghệ gia công: Hàn tay bằng hồ quang điện, hàn giáp mối hai bền, kiểu hàn của các đường hàn là hàn đối đầu ta có các hệ số liên kết hàn như sau:
Đường hàn giữa các tấm thép “thân bể - thân bể”: φh = 0,95. Đường hàn giữa các tấm thép “thân bể - thân”: φh = 0,95. Đường hàn giữa các tấm thép “đầu bể - thân bể”: φh = 0,95. Đường hàn giữa các tấm thép “đầu bể - đầu bể”: φh = 0,95.
Như vậy, trong các công thức tính toán sau này sẽ dùng chung một hệ số liên kết hàn: φh = 0,95.
3.1.2.7. Tính ứng suất cho phép và áp suất khi bồn chứa nhiên liệua. Tính ứng suất cho phép của bồn a. Tính ứng suất cho phép của bồn
Ứng suất giới hạn bền: .1 146,154.10 ( / ) 6 , 2 10 . 380 6 6 2 m N nk h k k ([8] - 355)
Ứng suất cho phép giới hạn chảy:
.1 160.10 ( / ) 5 , 1 10 . 240 6 2 6 m N nc h ch c ([8] - 355)
Vậy ứng suất cho phép dùng để tính toán (lấy giá trị nhỏ): [] = [k] = 146,154.106(N/m2).
b. Tính áp suất khi bồn chứa nhiên liệu.
Khi bồn chứa nhên liệu thì áp suất tại đáy bồn được tính theo công thức sau: P = Pm + g.ρ.h, (kG/cm2)
Trong đó:
Pm: là áp suất thiết kế, (kG/cm2). g: là gia tốc trọng trường, (m/s2).
p: là khối lượng riêng của chất lỏng, (kG/m3).
h: là chiều cao cột chất lỏng (m), ta lấy h bằng đường kính trong của thiết bị tức là h = Dt = 4,2 m.
P là áp tại đáy bồn khi chứa nhiên liệu, kG/cm2.
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
Pm = 18 kG/cm2; chọn g = 9,81 m/s2; ρ = 0,5533 tấn/m3. Thay số vào ta được:
P = 18 + 0,2324 = 18,2324 (kG/cm2) = 1,79.106 (N/m2).
3.1.2.8. Tính chiều dày thực của thân bồn
S = + C ([8] - 360)
Trong đó :
Dt : Đường kính trong, m.
h : Hệ số bền của thành hình trụ theo phương dọc. Ptt : Áp suất trong thiết bị, N/m2.
C : Hệ số bổ sung do ăn mòn.
Xét tỉ số: = = 81,71 > 50
Lúc này chiều dày tối thiểu của bồn được tính theo công thức sau: S’ =
Trong đó:
P: là áp suất tính toán của bồn chứa nguyên liệu (kG/cm2).
Dt: là đường kính trong của bồn chứa (mm). Dt = 4,2m = 4200 mm. φh: là hệ số liên kết hàn.
S’ = = = 27,002 (mm).
Hệ số bổ sung do ăn mòn:
C = Ca + Cb + Cc + C0 Trong đó:
Ca: là hệ số bổ sung do ăn mòn hóa học của môi trường, mm; Cb: là hệ số bổ sung do bào mòn cơ học của môi trường, mm; Cc: hệ số bổ sung do sai lệch khi chế tạo, lắp ráp, mm;
C0: là hệ số bổ sung để quy tròn kích thước, mm.
Chọn hệ số bổ sung để quy tròn kích thước C0 = 2,8 (mm); Ca = 0 (mm); Cb = 0 (mm); Cc = 0,2 (mm).
C = Ca + Cb + Cc + C0 = 0 + 0 + 0,2 + 2,8 = 3 (mm) Vậy chiều dày thực của thân là:
[σ].φh P 146,154.106.1 1,79.106 P . Dt 2 . [σ]. φh P . Dt 2 . [σ] . φh 1,79.106.4200 2.146,154.106.0,95 P . Dt 2.[σ].φh-P
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
S = S’ + C = 27,002 + 3 = 30,002 (mm). Chọn S = 30 mm
Kiểm tra chiều dày của thân bồn
= = 7,14.10-3 < 0,1 ([8] – 370) Kiểm tra áp suất tính toán cho phép ở bên trong thiết bị
[P] = = = 1,97.106 (N/m2) > 1,79.106 (N/m2).
[P] > Ptt thỏa điều kiện. Vậy chiều dày thân được chọn là S = 30 (mm).
3.1.2.9. Tính chiều dày đáy bồn chịu áp suất trong
Chọn kiểu đáy bồn là Elipsodial 2 : 1, có gờ làm bằng thép CT3.
Chọn chiều dày hai đáy bồn bằng chiều dày thân Sd1 = Sd2 = S = 30 (mm). Kiểm tra chiều dày của thân bồn
= 7,14.10-3 < 0,1 ([8] – 370)
Kiểm tra ứng suất thành của đáy bồn theo áp suất thử thủy lực bằng công thức (XIII.49).
([8] – 386)
= = 160,54.106 N/m2
Như vậy nhỏ hơn = = 200.106 N/m2 Với k là hệ số không thứ nguyên:
k = 1 – = 1 - = 0,964 d ở nắp có lỗ không được tăng cứng = 0,15 m.
hb là chiều cao phần lồi của đáy = 1050mm (tra bảng XIII.10 [8] – 382) Đáy nắp tiêu chuẩn có tỉ số = 0,25
Chiều sâu phần Elip ht = 0,25 . Dt = 0,25 . 4200 = 1050 mm. Bán kính cong bên trong của Elip được tính theo công thức:
Rt = = = 4200 mm.
Với chiều dày nắp là S=30mm, tra bảng XIII.11 ([8] – 384) ta có khối lượng phần nắp bình là Mn = 3444 kg.
3.1.2.10. Tính điều kiện khoét lỗ trên thân bồn chứa
Các thiết bị đường ống lắp vào bồn theo phương pháp hàn. S – C1 Dt 30 – 0 4200 2.146,154.106.0,95.(30 – 0) 4200 + (30 – 0) S – C1 Dt [Dt2 + 2hb.(S – C)].P 7,6.k.φhhb.(S – C) [4,22 + 2.1,05.(30 – 3).10-3]. 1,79.106 7,6.0,964.0,95.1,05.(30 – 3) 10-3 d Dt 0,15 4,2 c 1,2 240.106 1,2 ht Dt Dt2 4.ht 42002 4 . 1050 2. [σ] φh.(S – CA) D + (S – CA)
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
a. Các lỗ nhập, xuất, vét bồn ở đáy bồn
Theo yêu cầu công nghệ có các đường sau: - Đường nối công nghệ đầu vào d1 = 700 mm. - Đường nối công nghệ đầu ra d2 = 650 mm. - Lỗ ống gắn van an toàn d3 =450 mm. - Đường xả khí khi vệ sinh d4= 550 mm.
- Một số đường vét bồn đặt ở vị trí thấp nhất của bồn d5 = 50 mm. ● Xác định đường kính lớn nhất của lỗ không cần tăng cứng
Từ công thức: K = = = 0,737 dmax = 0,37 . 3 Dt .(S-Ca).(1-K) = 0,37 .3 4200.(30-0).(1-0,737) = 11,88 mm.
Vậy tất cả các lỗ ống cần phải tăng cứng bằng bạc lót. ● Đường nối dòng công nghệ đầu vào d1 = 700 mm
Ống được hàn trực tiếp vào bồn, được tăng cứng bằng vòng tăng cứng có chiều dày 30 mm và bề rộng bằng B1= 2. d1 = 2.700 = 1400 mm.
Kiểm tra độ bền của vòng tăng cứng bằng công thức sau: Sn . (B1 – d1) ≥ S . (d1 – dmax)
Trong đó:
Sn: là chiều dày vòng tăng cứng. B1: là chiều dày thân thiết bị.
dmax: là đường kính giới hạn tăng cứng 11,88 mm. Thay số vào phương trình trên ta có: 21000 > 20643,6. Vậy độ bền tăng cứng thỏa mãn điều kiện, an toàn. ● Đường nối dòng công nghệ đầu ra d2 = 650mm
Ống được hàn trực tiếp vào bồn, được tăng cứng bằng vòng tăng cứng có chiều dày 30 mm và bề rộng bằng B2 = 2 . d2 = 2 . 650 = 1300 mm.
Kiểm tra độ bền của vòng tăng cứng bằng công thức sau: Sn . (B2 – d2) ≥ S . (d2 – dmax)
P . Dt
(2,3 . [] – P) . (S - Ca) 1,79.106 . 4200
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
Trong đó:
Sn: là chiều dày vòng tăng cứng. B2: là chiều dày thân thiết bị.
dmax: là đường kính giới hạn tăng cứng 11,88 mm. Thay số vào phương trình trên ta có: 19500 > 19143,6. Vậy độ bền tăng cứng thỏa mãn điều kiện, an toàn. ● Lỗ ống gắn van an toàn d3 =450 mm
Ống được hàn trực tiếp vào bồn, được tăng cứng bằng vòng tăng cứng có chiều dày 34 mm và bề rộng bằng B3= 2. d3 = 2.450 = 900 mm.
Kiểm tra độ bền của vòng tăng cứng bằng công thức sau: Sn . (B3 – d3) ≥ S . (d3 – dmax)
Trong đó:
Sn: là chiều dày vòng tăng cứng. B3: là chiều dày thân thiết bị.
dmax: là đường kính giới hạn tăng cứng 11,88 mm. Thay số vào phương trình trên ta có: 13500 > 13143,6. Vậy độ bền tăng cứng thỏa mãn điều kiện, an toàn. ● Đường xả khí khi vệ sinh d4= 550mm
Ống được hàn trực tiếp vào bồn, được tăng cứng bằng vòng tăng cứng có chiều dày 34 mm và bề rộng bằng B4= 2. d4 = 2.550 = 1100 mm.
Kiểm tra độ bền của vòng tăng cứng bằng công thức sau: Sn . (B4 – d4) ≥ S . (d4 – dmax)
Trong đó:
Sn: là chiều dày vòng tăng cứng. B4: là chiều dày thân thiết bị.
dmax: là đường kính giới hạn tăng cứng 11,88 mm. Thay số vào phương trình trên ta có: 1650000 > 16143,6. Vậy độ bền tăng cứng thỏa mãn điều kiện, an toàn.
● Một số đường vét bồn đặt ở vị trí thấp nhất của bồn d5 = 50mm
Ống được hàn trực tiếp vào bồn, được tăng cứng bằng vòng tăng cứng có chiều dày 34 mm và bề rộng bằng B5 = 2. d5 = 2.50 = 100 mm.
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
Sn . (B5 – d5) ≥ S . (d5 – dmax) Trong đó:
Sn: là chiều dày vòng tăng cứng. B5: là chiều dày thân thiết bị.
dmax: là đường kính giới hạn tăng cứng 11,88 mm. Thay số vào phương trình trên ta có: 1500 > 1143,6.
Vậy độ bền tăng cứng thỏa mãn điều kiện, an toàn.
3.1.3. Chọn mặt bích
Mặt bích là bộ phận quan trọng dùng nối các phần của để nối các phần của thiết bị cũng như nối các bộ phận khác với thiết bị. Các loại bích thường sử dụng:
Bích liền: là bộ phận nối liền với thiết bị (hàn , đúc , rèn). Loại bích này chủ yếu dùng thiết bị làm việc với áp suất thấp và áp suất trung bình.
Bích tự do: chủ yếu dùng nối ống dẫn làm việc ở nhiệt độ cao, để nối các bộ bằng kim loại màu và hợp kim của chúng, đặc biệt là khi cần làm mặt bích bằng vật liệu bền hơn thiết bị.
Bích ren: chủ yếu dùng cho thiết bị làm việc ở áp suất cao.
Chọn bích được ghép thân, đáy và nắp làm bằng thép CT3, cấu tạo của bích là bích liền không cổ để nối đáy, nắp, thân thiết bị.
Các loại đường nối với bồn:
- Đường nối công nghệ đầu vào d1 = 700 mm. - Đường nối công nghệ đầu ra d2 = 650 mm. - Lỗ ống gắn van an toàn d3 =450 mm. - Đường xả khí khi vệ sinh d4= 550 mm.
- Và một sốđường vét d5 = 50 mm dùng để xả khi vệ sinh bình được đặtở dưới đáy thấp nhất của bình.
Đối với kích thước của các đường ống trên, ta chọn các loại bích liền bằng thép để nối ống dẫn và các bộ phận của thiết bị.
Theo bảng XIII.27 ([8] – 382) chọn bích loại 5.
Tra bảng XIII.27 ([8] – 382) với áp suất P = 18,2324 (kG/cm2) = 1,79.106 (N/m2) và các đường kính lỗ tương ứng thì ta có:
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu Bảng 3.2. Kích thước của mặt bích và thông số về bulong của các đường nối với
bồn. Py.106 N/m2 Dy mm Dn mm D mm D1 mm D0 mm db mm Z cái h mm H mm S1 mm 1,79 700 900 825 770 719 M30 24 38 65 9 1,79 650 825 760 715 669 M30 20 33 65 9 1,79 450 620 550 510 465 M24 20 28 55 7 1,79 550 720 650 610 565 M30 16 33 55 7
Kích thước chiều dài các đoạn ống nối, tra bảng XIII.32 ([8] – 434) ta có bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kích thước chiều dài các đoạn ống nối
Tên ống D l mm (p ≤ 2,5.10-6, N/m2) d1 700 180 d2 650 180 d3 450 160 d4 550 170 d5 50 100 3.1.4. Cửa người
Mỗi bồn chứa có từ 1-2 cửa người lắp đặt trên thành bồn, được chế tạo cùng loại vật liệu với bồn.
Cửa người được thiết kế thuận lợi cho việc vệ sinh, sửa chữa bồn cũng như quan sát mực chất lỏng trong bồn.
Cửa người phải có kích thướcđủ lớn để một người có thểchui vào được.
Chọn kích thước của cửa người là d = 590 mm. Theo bảng XIII.27 ([8] – 382) chọn loại bích kiểu số 1.
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
Tra bảng XIII.27 ([8] – 382) với áp suất P = 18,2324 (kG/cm2) = 1,79.106 (N/m2) và các đường kính lỗ tương ứng thì ta có các kích thước của mặt bích cũng như