大型减压塔新型内构件的设计
静设备
石油化工设备技术, 2001, 22(6) ・9・Petro 2Chem ical Equi pm ent T echno logy
大型减压塔新型内构件的设计
李红云
(茂名石油化工设计院, 广东茂名 525000)
摘 要:茂名石油化工公司第四套常减压蒸馏装置减压塔设计中通过一系列技术创新, 成功地解决了大型塔设备的一些技术难点, 使该塔的设计达到了先进水平。
关键词:大型减压塔; 填料; 液体分布器; 进料分布器; 支承结构
中图分类号:T E 962 文献标识码:B 文章编号:100628805(2001) 0620009206
1 前言
目前, 世界各国炼油厂规模不断向大型化发
展, 而炼油厂大型化的关键在于设备大型化。1998年, 茂名石油化工公司新建成投产了一5000k t a 常减压蒸馏装置() 装置中主要设4200mm 7200的, 其拔出率若相差015, 一年的经济效
益就是几百万元。因此, , 提高真空度
。
料, , 见图1。该塔是当时国内蒸馏装置中自行设计的塔径最大, 难度较大的大型高效混合式塔器, 由茂名石化设计院和天津大学共同设计完成。设计通过一系列技术创新, 成功地解决了大型塔设备的一些技术难点。该塔设计、开车成功“标志着我国在化工分离工程领域塔器技术研究、设计和应用达到国际先进水平, 是我国大型塔器和成套装置实现国产化的重要标志”(摘自国家科委副主任韦钰的贺信) 。2 内构件设计的技术难点
大型减压塔设计时应解决以下几个主要问题:
a ) 由于塔内空间较大, 死角多, 容易造成气液
图1 四蒸馏装置减压塔简图
传质、传热不均匀, 严重偏流, 极大地影响塔效率和产品质量。保证气液分布均匀是一个难题。
b ) 减压塔原料重组分多, 液沫挟带较严重, 影响分离效果, 尤其对减四线油的质量影响较大。大直径、多侧线减压塔减四线油质量是设计的攻关重点, 它在一定程度上代表着炼油水平。
c ) 大型减压塔的一个关键工艺指标是其内部真空度, 真空度的高低直接影响减压塔的产品拔出率和产品质量, 也就直接影响装置的经济效益。四蒸馏装置是当时全国同类装置中处理量最大
d ) 由于塔直径大, 内部构件的支承元件可能会相当庞大, 既占用较大的有用空间, 又可能造成气流旋绕, 影响传质、传热, 进而影响塔效率和产品质量。
3 气液传质传热元件的选择
蒸馏塔主要有板式塔和填料塔两大类。过去
收稿日期:2001207210
作者简历:李红云(1968—) , 女, 安徽省淮南市人, 1989年毕业于江苏化工学院化工设备与机械专业, 获学士学位。现担任机械设计工程师, 从事压力容器的设计工作。已发表论文
1篇。
・10・石 油 化 工 设 备 技 术2001年
减压塔多采用板式塔, 塔板型式主要有圆泡帽塔板、浮喷塔板、舌形塔板、网孔塔板等[1]。无论何种塔板, 与填料相比都有不少明显的缺点:
a ) 由于塔板压降大, 造成真空度降低, 从而使拔出率降低, 影响经济效益。
b ) 塔板有效面积小。由于塔板的有效流通截面积比填料小, 所以, 要实现一定的分馏, 采用塔板比采用填料需要更大的塔径, 从而增加投资。
四蒸馏减压塔若采用板式塔, c ) 塔板效率低。塔板过长, 液体流动必须克服塔板上的各种阻力, 形成较大的液面落差, 造成气体鼓泡不均匀, 气体
偏流, 对分离效率影响很大。若采用双溢流甚至多溢流塔板, 又减少了塔板的有效截面积。无论如何, 由于塔板效率低, 必须采用更多的塔板层数。这样, 又增加了塔的压降, 同时也要增加塔体高度。
d ) 减压塔原料较重, 四蒸馏减压塔最大塔径为8400mm , 总高不足54m , 减四线以上采用六段规整填料。对于这种大直径塔, 为了尽量减小填料层高度, 填料的合理选型是设计的一个重要方面。因此, 选用了综合性能更优秀的天津大学专利产品Z U PA C 组片系列规整填料。该填料独特的结构及开缝(孔) 型式使其比表面积比同型号的M ellapak 填料高8%~12%, 开孔率比同型号的M ellapak 填料高20%~40%。精心设计的气液流路使气流趋于最佳流动状态。因此, 该填料的有效传质面积、液膜表面更新程度、气液流动线路及横向扩散能力、抗脏阻能力、刚度、分离效率、通过能力及压力降等方面均优于同型号的M ellapak 型金属孔板波纹填料。而且, 此种填料还具有在不增加填料层高度的情况下, , 同时进ellapak 型金属孔10%以上, 通过能力提, 压力降减少30%以上。所以, 运用该种高效填料, 对有效地降低填料层的高度和降低全塔压降起到了很大的作用。4 新型液体分布器的设计
挟带, 引起液泛, 甚至淹塔。, 如、操作弹性大、通量大、。在完成相同分馏任务时, 采用填料塔可以使塔径减小、塔高降低, 产品质量提高。
以二蒸馏装置减压塔(直径6400mm ) 为例, 该塔原为全塔板型1982年将原24层以上的四层塔板全部拆除, 改为一段1172m 高的
与散堆填料相比, 规整填料在整个塔截面上, 几何形状规则、对称、均匀, 它规定了气液流路, 克服了沟流和壁流现象, 压降小。在相同的通量和压降下, 规整填料比表面积大的多, 因此效率高。而且, 其结构的规整性、设计的合理性更有效地防止了填料塔的“放大效应”, 即塔的效率随塔放大而迅速降低。这曾被看作为填料塔的致命缺陷。
大直径、低床层的填料塔, 在任一横截面上保证气液的均匀分布难度要比小直径塔大得多, 而填料高效率的突出优点能否充分发挥, 取决于填料中液体分布的均匀程度。换句话说, 如果填料中的液体分布不均匀, 会严重影响填料塔的效率。因此, 首先要研究填料的液体分布规律。
411 液体的初始分布与填料塔效率之间的关系
液体在填料塔内的不良分布可以分为小尺度(即自然) 不良分布和大尺度不良分布。小尺度不良分布是填料固有的特性, 是由填料层内液体的沟流造成的。这种小尺度不良分布可以通过沟流的相互混合而减小, 对填料塔的效率影响不大。大尺度不良分布主要是由于分布器初始分布不良造成的, 其原因包括分布器设计不合理、安装水平度未达到要求等, 它可以使整个填料塔的效率明显下降。国外研究表明, 无论初始分布质量如何, 在散堆填料层内, 当液体流过一定长度的填料层之后, 通过填料的自分布作用, 都会建立起一个稳定的液体流动分布, 称为自然流分布, 只是所需要的填料层高度不同。图2[2]反映了液体初始分布与填料塔的分离效率之间的关系。图2中曲线 表示初始液体分布与填料的自然流分布相当; 曲线
第22卷第6期李红云. 大型减压塔新型内构件的设计・11・
表示初始液体分布比填料的自然流分布差; 曲线 表示初始液体分布优于填料的自然流分布; 曲线 表示初始液体分布出现局部液量过大。由图2可以看出, 在填料层高度一定的情况下, 当初始液体分布优于填料的自然流分布(图中曲线 ) 时, 液体在填料层内经过很短的填料层高度(h 1) 转化为自然流分布, 使填料塔分离效率提高; 当液体初始分布质量较差(图中曲线 ) 时, 液体在填料层内需流经较长的填料层高度(h 2) 才能形成自然流分布, 从而使填料塔分离效率下降, 此时, 要想达到同等的分离效率, 必须增加填料层高度。当液体初始分布出现局部液量过大(图中曲线 ) 时, 液体在填料层内难以达到正常的自然流分布, 使填料塔的分离效率急剧下降。由此可见, 液体的初始分布不良相当于损失了一段填料高度。与散堆填料相比, 规整填料的自分布性能较差, 液体初始均匀分布就显得更为重要, 良的液体分布装置, , 分发挥填料性能
, 。
佳, 有一定的初始壁流;
体积小、安b ) 喷淋型液体分布器结构简单、
装要求低。但需要足够的安装高度, 以便造成一定的喷洒圆, 故所占塔高较大。槽式液体分布器每个槽的水平度要求高, 所有槽均应在同一平面上, 故结构较复杂, 安装要求高。
粘稠介质时c ) 喷淋型液体分布器用于高温、易堵塞。槽式液体分布器分布点较多, 又有溢流孔, 故不易堵塞, 可靠性高。
由此可见, 因四蒸馏减压塔直径大、全塔高度低、回流油较重, 若采用喷淋型液体分布器, 极易堵塞喷孔, 造成液相油品分布不均, 局部填料发生“干板”, 甚至失效。因此, 为四蒸馏减压塔设计了一种新型槽式液体分布器, 3。液体由, 槽, 将多点式液体分, 均匀地喷射到, 具有良好的液体初始分布性能, 适合于大型填料塔, 操作弹性大、不易
堵塞、便于分块安装。
图2 液体分布质量对塔分离效率的影响
412 新型槽式液体分布器
理想的液体分布装置应该具备液体分布均匀、自由截面大、操作弹性宽、不易阻塞以及拆卸方便等特性。蒸馏装置中, 常用的液体分布器主要有溢流型槽式液体分布器和喷淋型液体分布器。槽式液体分布器和喷淋型液体分布器相比较, 各有其特点:
a ) 从液体分布型式看, 槽式液体分布器为定点滴洒, 滴点密度及滴点到塔壁的距离根据需要设计, 便于控制液体的壁流。喷淋型液体分布器是以每个喷头为圆心的喷洒圆相叠加, 因此在中间部分有重叠, 而在塔壁处又出现无液体喷洒区及喷洒到塔壁上的现象, 故此种分布器液体分布欠
图3 槽式液体分布器
413 新型槽式液体分布器的质量评定
目前, 从理论上评价液体分布装置的质量还十分困难, 一般做法是通过试验来评定液体分布
器的性能好坏。性能良好的液体分布器, 各喷淋点流量与平均流量的误差不超过6%[3]。天津大学对直径为8400mm , 直径为7200mm , 直径为4200mm 槽式液体分布器进行了喷淋试验, 其中直径为8400mm 槽式液体分布器的试验数据见
・12・石 油 化 工 设 备 技 术2001年
表1。
表1
液体流量
m 3・h -240424376
1
四蒸馏减压塔设计中, 为了减少进入分馏段气体中的渣油携带, 在分馏段与汽化段之间设置由五层大浮舌塔盘组成的洗涤段, 同时又设计了一种全新的具有捕液吸能性能的双切向环流进料分布器。该进料分布器是一种面对称结构、导流型、切向环流式进料分布器, 结构如图5所示。它由进料管、喇叭口形导流管、导流板、捕液吸能器组成。与进料分布管相比, 此进料分布器具有以下特点[5]:
喷淋孔最大流量
m 3・h -1
喷淋孔最小流量
m 3・h -1
喷淋孔平均流量
m 3・h -1
与平均流量的最大误差
4114%2143%2184%
[***********][***********]41224862
[**************]2
[***********][**************]
由表1中数据可见, 此槽式液体分布器是一
种高性能液体分布器。天津大学对直径为7200mm , 4200mm 槽式液体分布器进行的喷淋试验数据显示了同样的结果, 在此就不一一表述。5 大型填料塔新型进料分布器的设计
对于大型填料塔来说, 进料分布质量是影响填料性能的另一个重要的因素。设计进料分布器时, 主要应考虑:
压降要小、气体分布要均匀、液沫挟带率要低。Silvey 和Keller [4], 传质, 另据研究表明, 料段上升气体中挟带的渣油液滴量, 这不仅有利于提高产品质量, 也可以提高产品收率。
二蒸馏减压塔进料口原设计为带挡板的切线进料管, 此种进料结构有利于液体沉降, 但进气分布不均匀, 对塔壁冲刷严重。1985年改为分布管结构, 如图
4所示。此种结构与切线进料相比, 避免了对塔壁的冲刷, 进气分布相对较均匀。但压降大, 液沫挟带严重, 需要较高的进料闪蒸空间高度。二蒸馏减压塔原设计进料闪蒸空间高度为1200mm , 由于闪蒸空间太小, 气液分离不充分, 造成减四线油颜色较差。1991年二蒸馏减压塔改造时, 其中一项措施就是把减四段最下面两层塔板拆除, 全部塔板上移, 进料闪蒸空间高度加大至3300mm , 使油气中挟带的大量渣油雾滴充分分离沉降, 才使减四线产品达到合格。
图5 双切向环流进料分布器
a ) 气体分布的不均匀度小于014。该进料分布器的面对称结构保证了气体分布的对称性; 气流由进料管经喇叭口形导流管分两边进入环塔壁布置的导流通道, 再经导液板向下射入捕液吸能器, 气体上返后自然转为轴向气流。这种最佳流态使气体分布更加均匀。
b ) 压降小于40Pa , 比进料分布管小得多。设置喇叭口形导流管(椭圆形) 使气流通过时压降小。若没有这段喇叭口形导流管, 气流通道中就存在着节流截面, 气流通过时产生较大的阻力, 压降要比有喇叭口形导流管时大100Pa 左右。
c ) 液沫挟带率小于016%, 在分布器下方设置由环型框架和脱气填料组成的捕液吸能器。脱气填料是一种特殊结构的专用填料, 其空隙率特别高, 抗阻塞能力强, 气体横向贯通能力强, 可以有效防止高速气流携带液体。携带液滴的高速气流射入环塔壁布置的捕液吸能器, 吸收气体动能、捕集气流所挟带的液滴, 有效地降低了气流的液沫挟带率。
双切向环流进料分布器性能优良, 保证了洗涤段的洗涤效果, 使分馏段填料的效率得到充分发挥, 提高了减四线产品质量。同时进料闪蒸空间
图4 二蒸馏减压塔进料分布管
第22卷第6期李红云. 大型减压塔新型内构件的设计・13・
高度也大大降低。对有效地降低塔的高度起到了重要的作用。
6 大型塔器新型支承结构设计
气液两相的流动阻力; 有利于液体的再分布; 安装拆卸方便等。在此, 主要讨论支承梁的结构。
塔内径大于7000mm 时, 传统方法一般采用桁架式结构。镇海炼化公司8000k t a 蒸馏装置, 减压塔由瑞士苏尔寿公司设计, 直径为10000mm 及8000mm 段填料支承件均采用桁架结构, 桁架高度800mm , 占用较大的空间高度, 安装拆卸不方便, 而且, 气体流过时容易造成气流回旋、冲击, 影响填料性能的发挥。
四蒸馏装置减压塔填料支承梁设计采用了拱型支座梁, 如图7所示。与常规设计的梁结构不同, 它采用大支座小钢梁的设计指导思想, 左右与塔壁连接处, 采用长1500mm 、高度由700mm 减小至200mm 的悬臂梁支座。该悬臂梁支座设计, 此问题通H 型钢的受, 由于两端采用了长的支座, H 型钢梁的长度由原来的8400mm 缩短为5400mm , H 型钢梁的受力情况
对于大直径塔, 由于液体分布器、填料等内件的跨度和重量较大, 支承梁会产生较大的挠度。合理设计支承梁的结构是塔内件设计的另一个关键问题。
611 云梯形埋藏梁
前面提到, 槽式液体分布器对安装水平度有较高要求, 四蒸馏减压塔槽式液体分布器设计要求安装水平度及平面度偏差均小于±2mm , 在直径为8400mm 的塔内, 采用传统支承结构, 安装
时很难达到这一要求, 从而影响分布器的效果。为了解决这一问题, 设计采用了特殊的云梯型托槽式埋藏梁, 如图6所示。该埋藏梁由栅板组焊成一块块格栅, 在塔内用螺栓将格栅连接组装。该梁拆装方便、刚度大、容易调试水平。另外, 妙, 大直径、布均匀的要求, , 充分。全塔有三层槽式液体分布器, 采用此种支承结构, 大约可节省210m 塔的高度空间, 有效地降低了全塔高度
。
得到了很大改善。因此, 有效地降低了梁的最大弯
矩, 从而使H 型钢梁的高度降低(高仅为280mm ) 。采用此种结构的拱型支座梁, 便于从人
孔进出, 安装拆卸方便, 充分利用了材料, 减轻了梁的自重, 降低梁的高度, 避免气流旋绕、冲击, 发挥高效填料的性能, 有效降低了塔的高度
。
图6 云梯型埋藏梁
612 拱型支座梁的设计
填料支承装置对保证填料塔的操作性能具有重大作用, 纵然使填料本身的通过能力很强, 如果支承装置设计不当, 液泛仍将提前到来, 使塔的生产能力降低, 因此, 合理设计填料支承结构是十分重要的。
填料支承装置要求如下:有足够的强度以支承填料的重量; 提供足够大的自由截面, 尽量减少
图7 拱型支座梁
该梁设计的不足之处是支座端部受力不好, 剪应力过大; H 型钢的横板阻碍气液流动, 如果把H 型钢梁全部改为立板的栅梁结构, 则气液流动
的自由截面更大, 更有利于填料性能的发挥。7 使用效果
装置投a ) 装置对原油适应能力强, 操作灵活。
・14・石 油 化 工 设 备 技 术2001年
产后先后单炼过沙特轻质、阿曼、伊朗拉万等18种原油, 加工混合原油达25种, 装置均能平稳操作, 产品质量合格;
b ) 装置操作弹性大, 能满足不同处理量的要求。开工后处理量最低为9348t d , 为设计负荷的62132%, 最高为15750t d , 为设计负荷的105%;
加工沙特轻油, 轻油收率达到c ) 轻油收率高。5015%, 加工阿曼原油, 轻油收率达到47154%。
造完全国产化的大型高效塔器, 塔高不足54m (大
庆油田助剂厂同样类型的减压塔塔高为75m ) 。通过选用高性能填料, 合理设计内构件, 在降低塔的总高度方面取得了成功的突破。同时, 较好地解决了大直径减压塔气液分布、液沫挟带、减少压力降、大型内构件支承等关键性的问题。它的使用效果达到设计要求, 为装置一次开车成功提供了根本的保证。四蒸馏装置从1998年投产至今已近3年时间, 减压塔充分表现出高效性能, 在增产、节能、降耗、提高产品质量等方面发挥了重大的作用。参考文献:
1 化工设备设计全书编委会1塔设备设计1上海:上海
与国内同类装置炼同种原油相比, 达到了先进的
水平;
d ) 装置能耗低。即使受加工量限制, 装置低负荷运转, 仍能达到全年平均能耗48012M J t 的好水平;
e ) 产品结构多样, 质量合格, 且质量调整灵活, 操作稳定;
三、四线均可生产润滑油原f ) 减压塔减二、料, 且润滑油色度好、粘度合格、馏程宽度窄。
, 表明, 用。
综上所述, 四蒸馏装置减压塔是一台设计、制(上接第8页)
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天津大学, 2000
漏。
(14)
应力强度因子K It ≤K I C
假定裂纹扩展到穿透管壁时的裂纹形状为a =t , c =t , 用式(10) 计算时, 为安全起见, 取曲率约束系数M S =110。在压力为320M Pa 时, K It =
3 2
3806(N mm ) , 满足破前漏(LBB ) 条件。
3 2
即:K It ≤K I C =4250(N mm ) 4 结束语
a ) 在无残余应力且存在a o =013mm , c o =1215mm 的初始裂纹的情况下, 缺陷的分析结果
参 考 文 献
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6 A S M E B &PV Code Secti on I W B —3650and A p 2pendix H . Evaluati on P rocedures and A ccep tance C ri 2teria fo r Ferritic P i p ing . T he A S M E , N ew Yo rk :1992Editi on
是, 在自增强压力下仍有1197的安全系数。允许最大自增强压力为73119M Pa , 不发生脆断允许最大压力为92614M Pa 。
b ) 当反应管内残余应力完全消失后, 在设计条件下, 允许开停车326次, 允许伺服阀动作29887次。实际操作条件下, 允许开停车790次, 允许伺服阀动作40050次。应特别注意降低伺服阀引起的压力波动幅值。
c ) 在无残余应力情况下, 反应管仍满足破前
ABSTRACTS
PETRO 2CH E M I CAL EQU IPM EN T T ECHNOLO GY
Started Publicati on in 19801B i m onth ly 1N ov 12001V o l 122N o 16
D EVELOP M ENT AND PR OSPECT OF EVAL -UAT I ON TECHNOLOG Y F OR STRUCTURE
INTEGRAL IT Y
Chen Guohua . S ou th Ch ina un iversity of science and eng ineering , ind ustria l f acilities and con trol eng ineering d ep a rt m en t , saf e eng ineering resea rch institu te , P . C 510604
Abstract T he evaluati on techno logy and its de 2velopm en t of structu ral in tegrality is m en ti oned system atically . T he deficiency ex isted in evalua 2ti on m ethod fo r structu ral in tegrality at p resen t is analized . T he new developm en t tendency of e 2valuati on techno logy fo r structu ral in tegrality is po in ted ou t . A cco rding to engineering in tellectu 2al facu lties detecti on on line and reliab ility evalu 2ati on , in com b inati on w ith new sen sing techno lo 2gy , detecti on techno logy (eapecially , the fau lt di 2agno sis techno logy on line ) and com pu to r no logy , the new safe evaluati , on m on ito ring system .
Keywords re , Evaluati on m ethod , D evelopm t D EFECT EVAL UAT I ON OF TUBULAR REAC -T OR R 401F OR SUPERH IGH PRESSURE POLY ETHYL ENE
F an S an lin , J i S houg uang . CN P C D aqing p etro 2che m ica l co m p any , p lastic p lan t , P . C 163714Abstract In acco rdance w ith the English R 6e 2valuati on m ethod and the evaluati on m ethod of Am erica A S M E Code secti on X I , I W B 23640, I W B 23650etc . , in com b inati on w ith the relevan t theo ry of fractu re m echan ics and m aterial testing data , the defect evaluati on of superh igh p ressu re self 2strengthen reacti on tube w as conducted . T he fissu re p rop agati on life after non 2residual stress , and the conclu si on , that the reacti on s tube leak s befo re fractu re , w ere ach ieved .
Keywords :Sup erh igh p ressu re , Po lyethylene , R e 2acti on tube , 30C r N i M o 8Steel , D efect evaluati on . D ESIGN OF NE W T Y PE INTERNAL COM PO -NENT F OR LARGE SCAL E VACUU M T OW ER L i H ongy un . M ao m ing p etroche m ica l d esig n in 2stitu te , P . C 525000
Abstract In the vacuum tow er design of the 4th atom o spheric vacuum distillati on fo r M aom in p etrochem ical com p any , som e techn ical difficu l 2
ties of large scale tow er w ere so lved successfu lly by m ean s of a series of techn ical innovati on , and m ade the design of that tow er reach the ad 2
. vanced level
Keywords L arge scale vacaum tow er , Pack ing , L iqu id distribu to r , Feeding distribu to r , Suppo rt 2ing structu re
THE FABR I CAT I ON OF OPEN ING SHELL PLATE OF LARGE O I L TANK AND POST STRESS REL IEF HEAT TREAT M ENT
. Ch ina p etroche m ica l eng ineering S un X iaobo
construction co m p any , P . C 100101
M in p ing qiu . B eij ing Y anshan p etroche m ica l co m 2p any , construction and insta lla tion co m p any , P . C 102502
Abstract T he tank u sed to be i m 2po , se of the open ing concen trative in the p ro 2on , the w elding defo r m ati on is no t easy to con tro l , and is difficu lt to co rrect . Ch ina p etrochem ical con structi on com pany jo in t 2ly w ith B eijing Yan shan p etrochem ical com pany , con structi on and in stallati on com pany tack led key p rob lem s . In the p rocess of open ing shell p late fab ricati on of o il tank , the p redefo r m ati on m easu re , resonab le w elding sequence , su itab le w elding m ethod and w elding code , and reinfo rce 2m en t m easu re are adop ted . In heat treatm en t , the w o rkp iece w as changed from ho rizen tal setting to verticle setting . T he testing research had suc 2cess . A ll the geom etrical di m en si on of open ing shell p late and the m aterial p roperty confo r m ed w ith the requ irem en t of relevan t code . T h is ex 2p erience is sp readed and app lied successively in dalian w est p acific petrochem ical com pany and B eijing Yan shan petrochem ical com p any , and is w ell received by the ow ners .
Keywords O il tank open ing shell p late , P rede 2fo r m ati on , W elding sequence , W elding code , Stress relief heat treatm en t
SAFET Y ANALY SIS OF LARGE CAPAC IT Y INNER F LOAT ING R OOF O I L TANK
J in W eiang . CN P C g enera l p lann ing Institu te , P . C 100083
Abstract In com b inati on w ith actual acciden t , the developm en t situati on of inner floating roof