L ỜI CẢM ƠN
3.1. Tính toán bồn chứa LPG
3.1.1. Lý thuyết tính toán
3.1.1.1. Nhiệt độ làm việc, nhiệt độ tính toán
Nhiệt độ làm việc là nhiệt độ của môi trường trong thiết bị đang thực hiện các quá trình công nghệ đã định trước.
Nhiệt độ tính toán của thành (tường) và của các chi tiết khác bên trong thiết bị khi nhiệt độ của môi trường nhỏ hơn 250oC thì lấy bằng nhiệt độ cao nhất của môi trường đang thực hiện quá trình.
Nếu thiết bị bọc lớp cách nhiệt thì lấy nhiệt độ tính toán bằng nhiệt độ ở bề mặt lớp cách nhiệt cộng thêm 20oC.
3.1.1.2. Áp suất làm việc, áp suất tính toán
Áp suất làm việc là áp suất của môi trường trong thiết bị sinh ra khi thực hiện các quá trình không kể áp suất tăng tức thời (khoảng 10% áp suất làm việc) ở trong thiết bị.
Áp suất tính toán là áp suất của môi trường trong thiết bị, được dùng làm số liệu để tính toán thiết bị theo độ bền và độ ổn định. Nếu áp suất thủy tĩnh của thiết bị (có chứa chất lỏng) bằng 5 % áp suất tính toán thì bỏ qua, còn nếu nó lớn hơn 5% thì áp suất tính toán ở phần sát đáy của thiết bị được xác định như sau
P = Pm + g.ρ.h, (N/m2) Trong đó: Pm: là áp suất môi trường, N/m2; g: là gia tốc trọng trường, m/s2;
ρ: là khối lượng riêng của chất lỏng, kG/m3; h: là chiều cao cột chất lỏng, m.
3.1.1.3. Ứng suất cho phép
Việc lựa chọn ứng suất cho phép ở các chi tiết khi tính độ bền và độ ổn định của chúng phụ thuộc vào đặc tính bền của kim loại ở nhiệt độ tính toán. Đặc tính bền phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công nghệ chế tạo (hàn, đúc, rèn, dập), vào chế độ nhiệt luyện, vào tính chất tác động của tải trọng (tĩnh, động), vào các kích thước của chi tiết cũng như đặc điểm của môi trường trong thiết bị và điều kiện sử dụng.
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
Đối với các chi tiết thiết bị được chế tạo từ các kim loại cơ bản (thép, gang, kim loại màu và hợp kim của chúng) chịu tải trọng tĩnh do áp suất trong hoặc áp suất chân không cũng như chịu tác dụng của tải trọng gió và động đất, người ta nêu ra đại lượng tiêu chuẩn, đó là ứng suất cho phép tiêu chuẩn [σ]*.
Ứng suất cho phép tiêu chuẩn này được dùng để tính các chi tiết chịu kéo, nén và uốn. Còn khi các chi tiết chịu xoắn và cắt ở các điều kiện khác nhau thì lấy ứng suất cho phép tiêu chuẩn nhân với hệ số 0,6.
3.1.1.4. Hệ số hiệu chỉnh
Đại lượng hệ số hiệu chỉnh được xác định khi thiết kế phụ thuộc vào điều kiện sử dụng, vào độ độc hại và mức độ nguy hiểm của môi trường, lấy η = 0,9 ÷ 1,0.
Đối với các thiết bị dùng để chứa hoặc để chế biến các chất độc, chất dễ nổ có áp suất cao, các chi tiết bị đốt nóng bằng ngọn lửa, bằng khói lò hoặc bằng điện chọn η = 0,9. Đối với các thiết bị có bọc lớp cách nhiệt chọn η = 0,95. Các trường hợp khác chọn η = 1,0.
3.1.1.5. Hệ số bền mối hàn
Lúc ghép các chi tiết riêng biệt lại với nhau bằng mối hàn, phần lớn chúng kém bền hơn so với vật liệu để nguyên không hàn. Do đó khi tính độ bền của các chi tiết ghép bằng mối hàn thì đưa thêm hệ số bền mối hàn φh vào công thức tính toán, đại lượng này đặc trưng cho độ bền của mối ghép so với độ bền của vật liệu cơ bản.
3.1.1.6. Hệ số bổ sung bề dày tính toán
Khi tính kiểm tra độ bền các chi tiết hoặc các bộ phận của thiết bị cần chú ý đến tác dụng hóa học và cơ học của môi trường lên vật liệu chế tạo thiết bị. Do đó cần bổ sung cho bề dày tính toán của các chi tiết và bộ phận đó một đại lượng C.
Đại lượng C được xác định theo công thức sau: 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;
Trường DDH Bà Rịa - Vũng Tàu
Đại lượng hệ số bổ sung Ca phụ thuộc vào sự ăn mòn hóa học của môi trường và vào thời hạn sử dụng thiết bị. Nói chung, thời hạn sử dụng thiết bị hóa chất lấy khoảng 10 ÷15 năm.
Nếu lấy thời hạn sử dụng thiết bị là 10 năm thì có thể chọn hệ số Canhư sau: - Ca = 0 đối với vật liệu bền trong môi trường có độ ăn mòn không lớn hơn 0,05 mm/năm.
- Ca = 1 mm đối với vật liệu tiếp xúc với môi trường có độ ăn mòn lớn hơn, từ 0,05 đến 0,1 mm/năm. Nếu độ ăn mòn lớn hơn 0,1 mm/năm thì căn cứ vào thời hạn sử dụng thiết bị mà xác định Ca cho mỗi trường hợp cụ thể.
- Ca = 0 nếu ta dùng vật liệu lót có tính bền ăn mòn hoặc thiết bị tráng men. Nếu hai phía của thiết bị tiếp xúc với môi trường ăn mòn thì hệ số Ca phải lấy lớn hơn.
Đối với thiết bị hóa chất có thể bỏ qua hệ số bào mòn Cb. Người ta chỉ tính đến hệ số Cb khi môi trường bên trong thiết bị chuyển động với vận tốc ≥ 20 m/s (đối với chất lỏng) và vận tốc≥ 100 m/s (đối với chất khí) hoặc môi trường chứa nhiều hạt rắn.
Còn đại lượng Ccphụ thuộc vào dạng chi tiết, vào công nghệ chế tạo chi tiết và thiết bị.
3.1.2. Lựa chọn bồn và thông số tính toán3.1.2.1. Dung tích bồn chứa 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.