Prof. Dr.-Ing. B. Platzer
Apparatebau
Apparatebau
Fachhochschule Kaiserslautern
Prof. Dr.-Ing. B. Platzer
Verfahrenstechnik
Apparatebau
Thermodynamik
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Apparatebau
INHALTSVERZEICHNIS
1 EINFÜHRUNG................................................................................................................................... 5
1.1 BEDEUTUNG DES APPARATEBAUS ................................................................................................... 5
1.2 APPARATEBAU ALS TEIL DES ANLAGENBAUS ................................................................................ 6
1.2.1 PROZESSTECHNIK ........................................................................................................................... 7
1.2.2 ANLAGENTECHNIK ......................................................................................................................... 7
1.2.3 SICHERHEITSTECHNIK..................................................................................................................... 8
1.2.4 BAUAUSFÜHRUNG, MONTAGETECHNIK ......................................................................................... 8
1.2.5 INBETRIEBNAHME ........................................................................................................................... 8
2 APPARATEKONSTRUKTION ....................................................................................................... 9
2.1 SYSTEMATISCHE KONSTRUKTION .................................................................................................. 9
2.2 KONSTRUKTIONSANFORDERUNGEN / RANDBEDINGUNGEN ........................................................ 10
2.2.1 FUNKTIONSGERECHT .................................................................................................................... 10
2.2.2 BEANSPRUCHUNGSGERECHT ........................................................................................................ 11
2.2.3 WERKSTOFFGERECHT ................................................................................................................... 11
2.2.4 KORROSIONSSCHUTZGERECHT ..................................................................................................... 11
2.2.5 FERTIGUNGSGERECHT .................................................................................................................. 12
2.2.6 PRÜFGERECHT .............................................................................................................................. 12
2.2.7 SICHERHEITSGERECHT .................................................................................................................. 12
2.2.8 VORSCHRIFTENGERECHT .............................................................................................................. 13
2.2.9 BETRIEBSGERECHT ....................................................................................................................... 14
2.2.10 PREISGERECHT ............................................................................................................................ 14
2.3 FESTIGKEITSBERECHNUNGEN ....................................................................................................... 15
2.3.1 AD-MERKBLÄTTER ...................................................................................................................... 15
2.3.2 ASME - BERECHNUNGEN ............................................................................................................. 16
3 APPARATEBAUELEMENTE ....................................................................................................... 18
3.1 ALLGEMEIN .................................................................................................................................... 18
3.2 BEHÄLTERMANTEL ........................................................................................................................ 19
3.3 BEHÄLTERVERSCHLÜSSE............................................................................................................... 20
3.4 ANSCHLÜSSE FÜR DEN ROHRLEITUNGSBAU ................................................................................. 20
3.4.1 SCHWEIßVERBINDUNGEN.............................................................................................................. 20
3.4.2 FLANSCHVERBINDUNGEN ............................................................................................................. 21
3.4.3 SCHRAUBENVERBINDUNGEN ........................................................................................................ 22
3.4.4 KLEMMVERBINDUNGEN ............................................................................................................... 22
3.4.5 SCHIEBEVERBINDUNGEN .............................................................................................................. 22
3.5 ANSCHLÜSSE FÜR EMR- UND SICHERHEITSEINRICHTUNGEN .................................................... 23
3.5.1 DRUCK-, TEMPERATURMESSSTUTZEN .......................................................................................... 23
3.5.2 SICHERHEITSEINRICHTUNGEN ...................................................................................................... 23
3.5.2.1 BESICHTIGUNGSEINRICHTUNGEN .............................................................................................. 23
3.5.2.2 ÜBERDRUCK-/ UNTERDRUCKSICHERUNGEN ............................................................................. 24
3.5.2.3 ÜBERTEMPERATURSICHERUNGEN ............................................................................................. 25
3.5.2.4 FABRIKSCHILD ........................................................................................................................... 25
3.5.2.5 ERDUNG ..................................................................................................................................... 25
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3.6 ANSCHLÜSSE FÜR DEN STAHL- / BETONBAU ................................................................................ 26
3.6.1 UNTERSTÜTZUNGEN ..................................................................................................................... 26
3.6.2 VERANKERUNGSMATERIAL .......................................................................................................... 26
3.6.3 ANSCHLUSS VON BÜHNEN, LEITERN UND TREPPEN ..................................................................... 26
3.6.4 FEUERSCHUTZ ............................................................................................................................... 27
3.7 EINRICHTUNGEN FÜR TRANSPORT, MONTAGE UND BETRIEB .................................................... 27
3.7.1 ANSCHLAGVORRICHTUNGEN ........................................................................................................ 27
3.7.2 HEBEVORRICHTUNGEN ................................................................................................................. 27
3.7.3 BEGEHUNGSVORRICHTUNGEN ...................................................................................................... 27
3.7.4 DÄMMUNG .................................................................................................................................... 28
3.7.5 LICHT- UND SCHAUGLÄSER .......................................................................................................... 28
4 WERKSTOFFE................................................................................................................................ 29
4.1 RANDBEDINGUNGEN BEI DER WERKSTOFFAUSWAHL ................................................................. 29
4.1.1 FESTIGKEIT UND DUKTILITÄT ...................................................................................................... 29
4.1.2 KORROSIONSBESTÄNDIGKEIT ....................................................................................................... 30
4.2 STÄHLE ........................................................................................................................................... 33
4.2.1 ALLGEMEINE BAUSTÄHLE ............................................................................................................ 33
4.2.2 FEINKORNBAUSTÄHLE .................................................................................................................. 33
4.2.3 VERGÜTUNGSSTÄHLE ................................................................................................................... 34
4.2.4 WARMFESTE STÄHLE.................................................................................................................... 34
4.2.5 HITZEBESTÄNDIGE STÄHLE .......................................................................................................... 34
4.2.6 KALTZÄHE STÄHLE ...................................................................................................................... 35
4.2.7 DRUCKWASSERSTOFFBESTÄNDIGE STÄHLE ................................................................................. 35
4.2.8 NICHTROSTENDE STÄHLE ............................................................................................................. 35
4.2.9 FERRITISCHE STÄHLE ................................................................................................................... 36
4.3 GUSS ................................................................................................................................................ 37
4.4 SONDERWERKSTOFFE .................................................................................................................... 37
4.4.1 TITAN ............................................................................................................................................ 37
4.4.2 TANTAL......................................................................................................................................... 38
4.4.3 ZIRKONIUM ................................................................................................................................... 38
4.4.4 KUPFER ......................................................................................................................................... 39
4.4.5 ALUMINIUM .................................................................................................................................. 39
4.4.6 BLEI (DIN EN 12659)................................................................................................................... 39
4.4.7 ZINK .............................................................................................................................................. 39
4.4.8 EMAIL ........................................................................................................................................... 40
4.4.9 KERAMIK ...................................................................................................................................... 40
4.4.10 NICKEL UND NICKELBASISLEGIERUNGEN .................................................................................. 41
5 APPARATEFERTIGUNG .............................................................................................................. 43
5.1 WALZEN, PRESSEN, SCHMIEDEN................................................................................................... 43
5.2 SCHNEIDEN ..................................................................................................................................... 43
5.2.1 SCHEREN ....................................................................................................................................... 43
5.2.2 BRENNSCHNEIDEN ........................................................................................................................ 44
5.2.3 PLASMASCHNEIDEN ...................................................................................................................... 44
5.2.4 LASERSCHNEIDEN ......................................................................................................................... 44
5.3 BIEGEN ............................................................................................................................................ 45
5.3.1 ABKANTEN.................................................................................................................................... 45
5.3.2 BIEGEN.......................................................................................................................................... 45
5.4 SCHWEIßEN ..................................................................................................................................... 46
5.4.1 SCHWEIßNAHTVORBEREITUNG ..................................................................................................... 46
5.4.2 SCHWEIßVERFAHREN .................................................................................................................... 46
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Apparatebau
5.5 WÄRMEBEHANDLUNG .................................................................................................................... 47
5.5.1 VORWÄRMEN ................................................................................................................................ 47
5.5.2 SPANNUNGSARMGLÜHEN ............................................................................................................. 47
5.6 PRÜFUNG ......................................................................................................................................... 48
5.6.1 VORPRÜFUNG (KONSTRUKTIVE AUSFÜHRUNG UND FESTIGKEITSBERECHNUNG) ....................... 48
5.6.2 WERKSTOFFE ................................................................................................................................ 49
5.6.3 FERTIGUNG ................................................................................................................................... 49
5.6.3 DRUCKPRÜFUNG ........................................................................................................................... 50
5.6.4 BESCHEINIGUNG ÜBER BAU- UND DRUCKPRÜFUNG .................................................................... 50
5.7 KORROSIONSSCHUTZ ..................................................................................................................... 51
5.8 DOKUMENTATION .......................................................................................................................... 52
6 VERPACKUNG, TRANSPORT, LAGERUNG............................................................................ 53
7 MONTAGE UND INBETRIEBNAHME....................................................................................... 54
8 DESTILLATIONSKOLONNEN .................................................................................................... 55
8.1 ALLGEMEINE BEMERKUNGEN ...................................................................................................... 55
9 WÄRMEAUSTAUSCHER (S. BEI_WAT, BEI_WT_1).............................................................. 57
9.1 ALLGEMEINE BEMERKUNGEN ...................................................................................................... 57
9.2 THERMISCHE AUSLEGUNG ............................................................................................................ 57
9.3 BAUARTEN ...................................................................................................................................... 59
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Apparatebau
1 Einführung
1.1 Bedeutung des Apparatebaus
Der Apparatebau ist von großer Bedeutung für die deutsche Wirtschaft
~ 300 Apparatebaufirmen
~ 24.000 Beschäftigte
~ 190.000 t/a Apparategewicht
~ 1,5 Mrd. €/a Umsatz
~ 55 – 60 % Exportanteil
Bestellvolumen der BASF für Neuanlagen im Jahr 1995 ~ 350 Mio.
Zahlen gelten für die chemische Industrie. Nicht berücksichtigt sind z.B.
-
Lebensmittelindustrie
-
Medizintechnik
-
Pharmaindustrie
-
Kosmetikindustrie
Æ Wahre Zahlen dürfen um ca. 50 % höher liegen.
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Apparatebau
1.2 Apparatebau als Teil des Anlagenbaus
Wichtigste Schritte bei der Findung und Errichtung einer neuen Produktionsanlage
Forschung
(Chemie)
Versuche im Labormaßstab. Erprobung einzelner Herstellungsschritte
meist ohne Verknüpfung.
Forschung
+
Erprobung
*
*
Entwicklung
Versuche in Technikum (im Pilotmaßstab) einzelner oder zusammenhängender Verfahrensschritte
DurchführungsStudie
Feasibility study
Erste sicherheitstechnische Betrachtung, erste Kostenschätzung,
Standortplanungen, etc
Basic Engineering
Erste techn. Spezifikation der Apparate. Erstellen von Grundfließbildern
für Massen– und Energieflüsse. Erste
Aufstellungsplanung (Styropormodell)
Zweite Stufe sicherheitstechnischer
Betrachtung
Technische
Freigabe zur
Ausarbeitung
*
Realisierung
des Projekts
Anlagenbau
*
Detailplanung
Realisierung
des Projekts
(*)
(*)
Erstellen Technischer Blätter für Apparate zur Anfrage und Bestellung
beim Apparatebauer. EMRFließbilder. Erstellen der Dokumentation. Modell Bauplanung (Fundamente / Stahlbau etc.)
Montage
Inbetriebnahme
* Schritte unter Beteiligung des Apparatebauer
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Apparatebau
Anlagenbau beinhaltet u. a.:
•
Prozesstechnik (siehe 1.2.1)
•
Anlagentechnik (siehe 1.2.2)
•
Sicherheitstechnik (siehe 1.2.3)
•
Bau- und Montagetechnik ( siehe 1.2.4)
•
Inbetriebnahmetechnik ( siehe 1.2.6)
Definition: Eine Anlage ist ein zusammengebautes, funktionsfähiges und autonomes System aus:
•
Apparaten
•
Maschinen
•
Transporteinrichtungen
•
Geräten
•
Bauten
•
Straßen
in dem Prozesse mit Stoff-, Energie- und Signalverarbeitung ablaufen.
1.2.1 Prozesstechnik
Definition: Mit Hilfe der Signalverarbeitung werden Veränderungen von Stoff- und
Energieströmen in einer Anlage durchgeführt.
1.2.2 Anlagentechnik
Ausrüstung, Materialien:
- Apparatetechnik
Æ
Stoffumwandlung (Reaktor)
Energieübertragung (WAT)
Lagerung (Tank)
- Maschinentechnik
Æ
Energieumwandlung (Pumpe)
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Apparatebau
- Nebenanlagentechnik
Æ
Versorgung und Aufbereitung von Hilfs- und
Betriebsmitteln (Kälteaggregat)
- EMR-Technik
Æ
Elektro-, Mess- und Regelungstechnik
- Bautechnik
Æ
Fundamente, Stahlbau, Gebäude, Straßen
- Betriebseinrichtungen
Æ
Labor- und Werkstatteinrichtungen
1.2.3 Sicherheitstechnik
Entwicklung eines Sicherheitskonzeptes.
Beachtung von sicherheitstechnischen Aspekten bei der Planung und Ausführung Æ
Fluchtwege, Anordnung der Anlagen, etc.
1.2.4 Bauausführung, Montagetechnik
Errichtung von Gebäuden, Rohrbrücken, Straßen, Fundamente etc. innerhalb der
Anlage. Montage der Anlagenteile.
1.2.5 Inbetriebnahme
Durchführung von:
- Probeläufen
- Einstellen der EMR-Geräte
- Druck- und Dichtheitsproben
Æ
Spülen der Anlage, Überprüfung der Sicherheitsgeräte
Danach Anfahren der Anlage und Garantienachweis (Garantielauf) der Anlage
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Apparatebau
2 Apparatekonstruktion
Die Konstruktion im Apparatebau unterscheidet sich stark vom Maschinenbau.
Beispiel: Lagerbehälter
Oberer Boden
P
N
LN
M
RN
O
Zyl. Mantel
Stutzenplan
M
N
O
P
NW
...
...
...
...
Medium
...
...
...
...
Unterer Boden
Füße
NW = Nennweite ≈ lichte Weite
M
N
P
O
2.1 Systematische Konstruktion
VDI-Richtlinien 2221 und 2222
Unterscheiden zwischen Konstruktionsphasen
- Planen
Æ
- KonzipierenÆ
Klären + Fixieren der Aufgabenstellung
Was muss der Apparat können und was nicht?
Randbedingungen
- Entwerfen
- Ausarbeiten
Erstellen detaillierter Pläne
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Apparatebau
Im Apparatebau findet man:
- Neukonstruktionen
- Anpassungskonstruktionen
ca. 80 – 90%
- Variantenkonstruktionen
aller Fälle
Apparate zum:
Wandeln von Stoffen
Speichern von Stoffen
- Filter
- Behälter
- Reaktoren
- Tanks
- Kolonnen
- Bunker, Silos, etc
- Extraktoren etc.
Verknüpfen von Stoffen
Ändern des Energieinhalts
- Zerkleinerer
- Wasserkühler
- Agglomerierer
- Luftkühler
- Trenner / Sichter
- Öfen etc.
- Sammler
2.2 Konstruktionsanforderungen / Randbedingungen
2.2.1 Funktionsgerecht
Beherrschen aller Prozessbedingungen, d.h. Erfüllen der Aufgabenstellung unter allen Randbedingen im Rahmen vorgegebener Toleranzen / Garantien
- Druck / Temperatur
- Produkt- und Betriebsmittelströme
- Übertragung von Wärme und Arbeit
- Verschmutzung (vermeiden)
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2.2.2 Beanspruchungsgerecht
- Material gleichmäßig beanspruchen
- Biegespannungen vermeiden
- Spannungsspitzen vermeiden
- Wärmespannungen vermeiden
- Beachtung der Belastungen aus der Umwelt ( Wind-, Schneelasten,
Erdbeben etc.) aber auch von anderen Ausrüstungen (z.B.
Rohrleitungskräfte Bühnenlasten etc.)
2.2.3 Werkstoffgerecht (s. Beiblätter: Werkstoffgerecht, Graphit-konstr., Überzugsgerecht )
Die Werkstoffauswahl hängt ab von:
- Festigkeit, Duktilität
- Korrosionsbeständigkeit
- Fertigungsmöglichkeiten
- Betriebs- und Sicherheitsaspekten
- Preis, Verfügbarkeit
- Lebensdauer
2.2.4 Korrosionsschutzgerecht (s. BEI_Korrosionsschutzgerecht)
- Korrosion (innen und außen) darf unter allen zugelassenen
Betriebsbedingungen nicht zu Korrosionsschäden führen
- Korrosionsbeständige Werkstoffe sind häufig sehr teuer
Æ
Beschichten, Überziehen, Plattieren von un- bzw. niedrig legierten
Grundwerkstoff.
Æ
Grundwerkstoff
↔
mechanische Festigkeit
Überzug, Plattierung, etc. ↔
Korrosionsbeständigkeit
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2.2.5 Fertigungsgerecht (s. BEI_Fertigungsgerecht)
Ziel ist eine wirtschaftliche Fertigung:
- Materialgerechtes Fertigungsverfahren
- Maschinenpark und Personal berücksichtigen
- Werkstoff sollte problemlos schweißbar sein
- Anzahl der Schweißnähte minimieren
- Allgemein gilt: „So viel wie nötig, so wenig wie möglich“
2.2.6 Prüfgerecht (s. BEI_Prüfgerecht)
Druckbehälter unterliegen einmaligen bzw. wiederkehrenden Prüfungen
Das erfordert, dass Schweißnähte leicht zugänglich Æ prüfbar sind.
- optische Prüfung
Æ Begehbarkeit, Spiegel, Sichtkontrolle
- Schweißnahtprüfverfahren
Æ Röntgen
Æ Ultraschall
Æ Farbeindringverfahren
Wichtig: Zugänglichkeit und Oberflächenbeschaffenheit
2.2.7 Sicherheitsgerecht
- Konstruktion muss den definierten, auftretenden Belastungen in der
vorgesehenen Betriebszeit standhalten
- Primäre vor Sekundärer Sicherheitstechnik
- Sicherheitsfaktoren Æ Höhe abhängig von der Höhe des Unwissens (S>1)
- „Riss vor Bruch“ Werkstoffauswahl in der Konstruktion so, dass nur ein Riss
und nicht ein Bruch auftritt.
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Apparatebau
- Sicherheit umfasst:
•
Herstellung
•
Transport
•
Betrieb des Einzelapparates
•
Betrieb der Anlage
•
Umfeld
2.2.8 Vorschriftengerecht
(s. Beiblätter: Vorschriftengerecht, Druckbehälterverordnung,
Werkstoffprüfungen)
Zu beachten sind:
1) gesetzliche Auflagen
2) örtlich gültige Normen, Vorschriften, Regeln
3) Kundenvorschriften
4) eigene Herstellungsstandards
Der Kaufvertrag regelt über technische Blätter (Spezifikationen) die Funktionalität,
bestimmte Details und erklärt allgemein technische Regeln für verbindlich:
- BImSchG (TA-Luft)
- UVV
- Arbeitsstättenrichtlinien
- Regeln und Merkblätter:
•
der Berufsgenossenschaften
•
des TÜV
•
der Industrieverbände
¾ TRD
¾ TRB
¾ TRbF
¾ AD-Merkblätter
¾ etc.
Überwachungsbedürftige Anlagen sind z.B.:
- Druckbehälter
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- Dampfkesselanlagen
- Aufzugsanlagen
- Acetylenanlagen
- Anlagen zur Lagerung, Abfüllung und Beförderung
Die
•
brennbarer
•
wassergefährdender Stoffe
Güteüberwachung
der
Werkstoffe
erfolgt
gemäß
DIN
EN
10204
(s.
BEI_Werkstoffprüfungen). Liegen keine verbindlichen Regelungen vor, so können aner-
kannte Standards bzw. Veröffentlichungen (z.B. ASME-CODE, AD-Merkblätter, Arbeiten von Wichmann, Hepper und Mershom Æ Beulverhalten) herangezogen werden.
Bei Druckbehälter müssen alle druckbelasteten Teile den Anforderungen der Regelwerke entsprechen.
2.2.9 Betriebsgerecht
Ein Apparat muss allen üblichen oder spez. Belangen im Betrieb genügen.
Insbesondere müssen z.B.:
- Mess- und Sicherheitseinrichtungen gut zugänglich sein.
- Hilfsmittel für Wartungs-, Inspektions- und Montagearbeiten vorgesehen
sein (z.B. Treppen, Leitern, Bühnen, Öffnungshilfen, etc.)
- Ausrüstung muss robust sein
- Ersatz- und Verschleißteile normgerecht sein, wenn möglich Normapparate!
2.2.10 Preisgerecht (s. Beiblätter: Preisgerecht, Kostenschätzung von Apparaten)
Primär sind die Kosten so niedrig wie möglich zu halten.
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2.3 Festigkeitsberechnungen
Die Festigkeitsberechnung erfordert die Definition von Lastfällen entsprechend der
auftretenden Belastungen. Die Berechnung der Wanddicken erfolgt dann mit Hilfe
anerkannter Normen. Im weiteren AD-Merkblätter.
2.3.1 AD-Merkblätter
Folgende Lastfälle / Belastungen werden betrachtet:
a) Betriebsbedingungen (AD-Merkblätter)
- Innendruck (statisch / dynamisch)
- Außendruck
- hydrostatischer Druck
- Betriebstemperatur
b) Prüfbedingungen (AD-Merkblätter)
- Innendruck (statisch)
- Außendruck
1,3 x Betriebsdruck
- hydrostatischer Druck
- Prüftemperatur
c) Äußere Belastungen
- Windkräfte (DIN 1055 / 4133)
- Erdbeben (DIN 4149)
- Rohrleitungskräfte
- Kräfte aus Abstützungen
d) Besondere Belastungen
- Transport / Umschlag
- Montage
- An- und Abfahren
- Betriebsstörungen
- außergewöhnliche Belastungen
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Die Berechnung erfolgt dann getrennt für die einzelnen Apparateteile. Dabei werden
die Lastfälle a, b und c (nur Wind und Erdbeben) zur Auslegung der Wanddicke herangezogen, während bei dem Fall d nur geprüft wird ob die Wandstärke ausreichend
ist. Gegebenenfalls wird örtlich verstärkt (z.B. an Stutzen, Auflagen).
Stufung von Druck und Temperatur: siehe DIN 28002
Niedrige Lastwechselzahlen
Æ
quasistatisch
Hohe Lastwechselzahlen
Æ
dynamisch (z. B. Batch-Prozess)
Berechnung nach AD-S1 und –S2.
Vermeiden von Kerben bei Konstruktion und
Fertigung.
Gefährdungspotential des Apparates berücksichtigen.
- bei Apparaten mit hohen Drücken
- explosive oder toxische Stoffe
- Aggregatzustand (flüssig oder gasförmig)
Æ erhöhter Aufwand an Sicherheit
- Prüfumfang höher
- Toleranzen geringer
- Besondere Fertigung (Personal, Verfahren)
- Besondere Aufstellung (Einhausung etc.)
2.3.2 ASME - Berechnungen (American Society of Mechanical Engineers)
Regelwerk gültig für die USA, jedoch auch häufig als Vertragsgrundlage für Auslandsgeschäfte vereinbart (z.B. China). Prüfung geht stark in die Wanddickenberechnung ein. Das Regelwerk ist in verschiedene Spannungskategorien unterteilt. Im Gegensatz zu deutschen Regelwerken, die plastische Verformungen erfassen und be-
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grenzen, können hier Einzelspannungen durchaus unterschiedliche, einmalige und
wechselnde plastische Verformungen hervorrufen.
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3 Apparatebauelemente
3.1 Allgemein
Grundsätzlich besteht ein Apparat aus:
- Behältermantel:
eben, zylindrisch, kegel- und kugelförmig
- Behälterverschluss:
ebener Boden, Teller-, Klöpper-, Korbbogenboden,
etc.
- Anschlüsse:
Æ für Produktionsrohrleitungen
Æ MSR- und Sicherheitseinrichtungen
Æ Anbauten (Rührer etc.)
Æ Wartung
- Unterstützungen:
ausgeführt als Sattel, Fuß, Pratze, Zarge oder flach
z.B. Tragring
Komplizierter Apparat (s. BEI_Behälter mit Rührwerk):
Darüber hinaus weitere Bauteile:
-
Doppelmäntel
-
Rührwerk
-
Kühlschlangen
-
Stromstörer
-
Schau- und Lichtgläser
Vorschriften:
- zur Berechnung
Æ im wesentlichen AD
- zum Betrieb
Æ im wesentlichen UVV und TRB
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3.2 Behältermantel
Behälter unter Innendruck sind meist eigensteif. Während Behälter unter äußerem
Überdruck oder unter Vakuum auf Einbeulen ausgelegt werden müssen.
Æ häufig Versteifungen notwendig
Mäntel und Schüsse 2-3 m Länge mit Längs- und Rundnähten zusammen geschweißt.
Wichtig: Längsnähte versetzen! Keine Kreuzstöße!
Kegelförmige Mäntel dienen als Übergangsstücke (z.B. Kolonnen, Auslauftrichter bei
Silo etc.)
Kugelförmige Behälter aus gepressten Kalottenteilen und Segmenten (hoher Fertigungsaufwand).
Beheizung
oder
Kühlung
durch
Halbrohrschlangen,
Doppelmäntel
etc.
(s.
BEI_Doppelmantel)
Berechnung des Behältermantels nach AD-Merkblätter B0, B1, B2, B6, B9, B10
(für Da/Di bis 1,2)
z.B. Behälter unter Innendruck AD-B0
Wanddicke s=?
Æ Zylinderschale
s=
Da • p
+ c1 + c2
K
20 • v + p
S
Æ Kugelschale
s=
Da • p
+ c1 + c2
K
40 • v + p
S
Da
=
Behälteraußendurchmesser in mm
p
=
Berechnungsdruck (zul. Betriebsüberdruck oder Prüfdruck) in bar
K
=
Festigkeitskennwert (z.B. nach AD-W) in N/mm²
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S
=
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Sicherheitsbeiwert (z.B. für Stähle gegenüber der 0,2% Dehngrenze
Rp0,2)
V
=
Schweißfaktor
c1
=
Zuschlag zur Berücksichtigung der Wanddickenunterschreitung
c2
=
Abnutzungszuschlag
Pulsierend belastete Apparate sind zusätzlich nach AD-S1und –S2 zu berechnen.
Hochdruckapparate (Wandstärken wobei Da/Di > 1,2) müssen nach gesonderten
Verfahren berechnet werden.
Sie unterscheiden sich im Wesentlichen von den dünnwandigen, da hier versucht
wird, mit verschiedenen Verfahren gezielt Druckspannungen an der Behälterinnenseite zu erzeugen. (s. BEI_Hochdruckapparate)
3.3 Behälterverschlüsse
(s. Beiblätter: Böden, Kräfte-Momente-Spannungen, Schnellver-
schlüsse (niedr. Druck), Schnellverschlüsse (hoher Druck))
Behälter (insbesondere Druckbehälter) werden an beiden Enden mit angeschweißten
Böden verschlossen.
Berechnung nach AD- B1, B“, B3, B4, B5
Geringste Wanddicke ergibt sich für kugelförmige Böden / Behälter. Bei geringeren
Drücken oder aus anderen Gründen auch Flanschverbindungen.
3.4 Anschlüsse für den Rohrleitungsbau
3.4.1 Schweißverbindungen
Feste Schweißverbindung zwischen Rohrleitung und Behälter nur bei absolut wartungsfreien Anlagen, bzw. wenn die Betriebssicherheit es erfordert.
Vorteile:
- absolut dicht
- billig
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Nachteile:
Apparatebau
- Schweißnaht muss meist auf Baustelle gefertigt werden
- Demontage schlecht möglich
- Druckprobe Æ Rohrleitung bis zum nächsten Absperrorgan
3.4.2 Flanschverbindungen
Üblichste Art der Verbindung im Anlagenbau
Æ Stutzenrohranschlüsse (vgl. Beiblätter: Stutzenrohranschlüsse, Spann. u. Dehn. am
Stutzen, Spannungsverlauf)
Stutzenrohre: wenn immer möglich Normrohre verwenden.
Anschluss an Behälter sollte möglichst elastisch sein (ausgehalst hier besonders gut,
aber teuer). Berechnung nach AD-B9, S1, S2
Flanschverbindungen (vgl. Beiblätter: Stutzenflansche, Blockflansch, Formen v. Dichtflächen)
Auswahl nach Nenndruckstufen (DIN 28002)
Bei Berechnungstemperatur t > 120°C gilt für den erforderlichen Nenndruck
PN t = PN 120°C
R p 0, 2120°C
R p 0, 2t
Berechnung von Flanschverbindungen an Druckbehältern im Allgemeinen nicht erforderlich, wenn Flansch entsprechend Druck- und Temperaturstufen gewählt wurde
(s. BEI_Druckstufen nach DIN u. ANSI). Ansonsten nach AD-B8 und -S3.
In Amerika
Æ
ANSI-class (s. BEI_Explosionsklappe) und auch in der
BRD bes. Raffinerien
Normale Beanspruchung Æ
Flansch mit glatter Dichtleiste (vgl. BEI_Formen v. Dicht
flächen)
Höhere Beanspruchungen Æ
Flansch mit Nut und Feder oder Vor- und
Rücksprung. Dichtung wird exakt fixiert, Innendruck
kann Dichtung nicht herausquetschen.
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Höchste Drücke
Apparatebau
Æ
Linsendichtung (BASF Polyethylen)
Bei höheren Drücken (ab ~ 20 bar) und höheren Temperaturen (ab ~ 350°C)
Ring-Joint Dichtungen
Dichtungsarten
Berechnung nach AD-B7 bzw. DIN EN 1591-1 bis 2
Schrauben und Muttern
Werkstoffe für Schrauben AD-W2, -W7 und – W10.
Berechnung nach AD-B7 bzw. DIN EN 1591-1 und 2
3.4.3 Schraubenverbindungen
Bei geringen mechanischen Belastungen und kleinen Durchmessern (bis ~ 1“).
Häufig Schneidringverschraubungen.
3.4.4 Klemmverbindungen
Verwendung selten, nur bei geringen mechanischen Belastungen.
3.4.5 Schiebeverbindungen
Bei geringen Drücken.
Vorteil:
Ausgleich bei Längenänderungen
Nachteil:
Leckageprobleme
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Apparatebau
3.5 Anschlüsse für EMR- und Sicherheitseinrichtungen
3.5.1 Druck-, Temperaturmessstutzen
Siehe Kapitel 3.4
3.5.2 Sicherheitseinrichtungen
- Besichtigungs- und Befahröffnungen
- Anforderungen an Verschlüsse und Verschlussschrauben
- Kennzeichnung
- Sicherheitseinrichtungen gegen:
•
Drucküberschreitung Æ Ventile, Explosionsklappe, Berstscheibe
•
Temperaturüberschreitung Æ Notkühlung
- Absperreinrichtungen
- Abblaseeinrichtungen
- Flüssigkeitsanzeiger, Schaugläser
- Ablasseinrichtungen
- Druckmindereinrichtungen
3.5.2.1 Besichtigungseinrichtungen
- Mannlöcher
- Kopflöcher
- Handlöcher
- Schaulöcher
Konstruktion, Abmessungen nach AD-A5
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Apparatebau
3.5.2.2 Überdruck-/ Unterdrucksicherungen
Primäre Sicherheit gibt die Berechnung der exakten Wandstärke für den max. Betriebsdruck.
Sekundäre Maßnahmen:
- Sicherheitsventile, Berstscheiben (wirken selbsttätig)
- Absicherung über Steuer- und Regelgeräte
Höhere Sicherheit Æ
z.B. 2 von 3 Schaltungen
a) Sicherheitsventile
•
Normal-Sicherheitsventil (üblich im Anlagenbau), keine Anforderungen an Öffnungscharakteristik
•
Vollhub-Sicherheitsventile (explosive Stoffe), öffnen nach Ansprechen bei 5% Drucksteigerung voll.
•
Proportional-Sicherheitsventile
Hub proportional zum Druck
Bei
niedrigen
Drücken
Feder-
oder
gewichtsbelastete
Klappen
(s. BEI_Explosionsklappe).
Konstruktion unter Berücksichtigung von AD-A2
b) Berstelemente
Geben schlagartig beim Ansprechen den gesamten Öffnungsquerschnitt
frei
Æ
Entspannung auf Umgebungsdruck
Sie werden angewendet wenn:
•
Schneller Druckanstieg möglich
•
Anbackungen möglich
•
Hohe Anforderungen an Dichtheit im Normalbetrieb
•
Große Entlastungsquerschnitte erforderlich
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Apparatebau
Man unterscheidet:
•
Berstscheiben
•
Brechkappen
•
Brechbolzen
•
Knickstäbe
Konstruktion von Berstscheiben unter Berücksichtigung von AD-A1
3.5.2.3 Übertemperatursicherungen
Apparatewandtemperatur nie höher als die Berechnungstemperatur!
Die Einhaltung dieser Bedingung erfolgt durch Prozess-Steuerung auf der Basis einer Temperaturmessung
3.5.2.4 Fabrikschild
Jeder Druckbehälter muss ein Fabrikschild mit folgenden Daten haben:
- Hersteller oder Lieferant
- Fabriknummer, Baujahr
- zul. Betriebsüberdruck, zul. Betriebstemperatur
- Inhalt der Druckräume
- Art und Anzahl der Klammerschrauben (wenn vorhanden)
3.5.2.5 Erdung (s. VDE 0100 und 0185)
Alle Behälter müssen gegen elektrische Ströme mit Erdungslasche und FundamentErder geerdet sein. Behälter mit Ø ≥ 3m mehrere Erdungslaschen.
Zweck der Erdung : - Personenschutz (Berührungsspannung ≤ 65V)
- Objektschutz (Blitzschutz, stat. Aufladung)
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Apparatebau
3.6 Anschlüsse für den Stahl- / Betonbau
3.6.1 Unterstützungen
Abstützung des Behälters auf dem Fundament:
a) Sättel nach DIN 28080 (s. BEI_Behältersättel) für liegende Behälter Berechnung nach AD-S3/2 und BS 5500.
b) Zargen nach DIN 28082 (s. BEI_Standzargen) für hohe, stehende Apparate.
Gesamthöhe / Ø > 5 : 1
Zusatzkräf-
te aus Wind, Erdbeben, Rohrleitungsanschlüssen, Montage usw. sind bei
Berechnung nach AD-S3/1 zu berücksichtigen.
c) Füße nach DIN 28081-1 (s. BEI_Ehälterfüße) für stehende kleinere Behälter.
Berechnung der Wandstärke durch Zusatzkräfte der Abstützung nach
AD-S3/3
d) Pratzen nach DIN 28083 (s. BEI_Tragpratzen) für hängende Apparate. Berechnung der Behälterwand nach AD-S3/4
3.6.2 Verankerungsmaterial
Geringe Vertikal- und Horizontalkräfte: Ankerschrauben nach DIN 529 im Fundament mit Ankerschraubenkorb.
Große Vertikal- und Horizontalkräfte:
Hammerschrauben nach DIN 188 bzw. 7992
Mit Ankerhülsen oder –baren / -ringe (teuer).
Alternative: Fußringe fest im Fundament eingegossen.
3.6.3 Anschluss von Bühnen, Leitern und Treppen
Clipse aus Stahlbauprofilen. Angeschweißt an Apparat vor der Druckprobe.
Bei größeren Belastungen ist eine Nachrechnung auf Beulen (nach AD-S3/4) notwendig.
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3.6.4 Feuerschutz
Alle Bauteile, die im Brandfall eine Gefährdung der Umgebung beinhalten (z. B. Unterstützung einer Rohrbrücke), werden zur Sicherung gegen Feuer mit einem Feuerfestbetonmantel und äußerem Blechmantel versehen.
3.7 Einrichtungen für Transport, Montage und Betrieb
3.7.1 Anschlagvorrichtungen
(s. Beiblätter: Hebeösen u. Traglaschen, Tragzapfen)
- Hebeösen DIN 28086
- Traglaschen DIN 28087
- Tragzapfen DIN 28085 (größere Gewichte)
Anschlagvorrichtung und Anschluss an den Behältermantel sind für das Montagegewicht und Stoßzuschlag zu berechnen.
3.7.2 Hebevorrichtungen
- Bügel
- Schwenkvorrichtungen Æ größere Gewichte (z. B. Mannlochdeckel) BEI_Schwenkvorri- Davit Æ Montagehilfe (z.B. Kolonnenböden)
chtung u. Davit
3.7.3 Begehungsvorrichtungen
- Steigeisen (unterhalb des Mannloches, Abstand 300 mm)
- Haltegriff (unterhalb des Mannloches)
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3.7.4 Dämmung
Gründe:
- Berührungsschutz (t > 60°C)
- Verringerung der Energieverluste
- Schutz vor Übertemperatur (Ausmauerung eines Ofens)
Materialien (je nach Anforderung bzw. Temperaturbereich):
- Mineralwolle (t ≤ 500°C)
- Kalzium-Silikat-Schalen (t ≤ 900°C)
- Schüttungen (z.B. Perlite Æ Kältedämmung)
- Feuerfeste Ausmauerung bzw. Stampfmassen
Bei Außenisolierung mit Fasermatten zusätzliche Verkleidung mit 0,5 bis 1mm dicken
Dämmblechen. Die Bleche werden überlappend angeordnet, gerändelt und mit
Blechschrauben verbunden. Dämmdicke ist zwischen 40 – 300 mm
Æ Auswahl
nach Wirtschaftlichkeitsrechnung.
Dämmkosten
↔
Energieeinsparung
3.7.5 Licht- und Schaugläser (s. BEI_Licht- u. Schaugläser)
Dienen der Beobachtung des Prozesses (teilweise mit Spülvorrichtung).
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4 Werkstoffe
Eingesetzte Werkstoffe sehr verschiedenartig
- unlegierte
- niedrig-, mittellegierte
- hochlegierte Stähle
4.1 Randbedingungen bei der Werkstoffauswahl
Auswahl nach folgenden Kriterien:
-
Festigkeit, Duktilität
-
Korrosionsbeständigkeit
-
Verarbeitbarkeit
-
Betriebs-, Sicherheitsverhalten
-
Einsatzbeschränkungen durch Vorschriften
-
Preis, Verfügbarkeit
-
Prozessbedingungen
-
Betriebsbedingungen
-
Größe des Apparates.
4.1.1 Festigkeit und Duktilität
Festigkeit bestimmt wesentlich (neben der Korrosionsbeständigkeit) die Werkstoffauswahl. Wichtige Betriebsgröße ist die Temperatur, da im allg. die Festigkeit mit
steigender Temperatur abnimmt.
Duktilität ↔ plastisches Verformen, damit sprödes Versagen verhindert wird.
Plastisches Verformen
Æ
Verfestigung, Abbau von Spannungsspitzen.
Festigkeitskennwert geht direkt in die Berechnung ein. Duktilität nur als Erfahrungswert vorgegeben.
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4.1.2 Korrosionsbeständigkeit
Angaben dazu z. B.:
DECHEMA: Werkstofftabellen
Mannesmann: ABC der Stahlkorrosion
Böhler GmbH: chemische Beständigkeit nicht rostender
Stähle.
Komplexes Gebiet Æ
•
Hauptkorrosionsarten (s. BEI_Korrosionsarten)
Gleichmäßig abtragende Korrosion
häufigster Fall, lässt sich sehr leicht labortechnisch messen
Æ Korrosionsrate in (g/m²h) oder (mm/a)
•
Loch- oder Punktkorrosion (Lochfraß)
Passivschicht wird an Schwachstellen örtlich durchbrochen z. B. durch Cl-,
Brom- oder Jodionen. Gefährlich, da in kurzer Zeit selbst dickwandige Behälter durchlöchert sein können. Säuregrad und Oxidationsvermögen erhöhen
diese Korrosionsart.
Abhilfe:
- glatte, saubere Oberfläche
- Zulegieren Mo und höhere Chromanteile
- besonders im ruhenden Medium Æ höhere
Strömungsgeschwindigkeit
- Totgebiete vermeiden
•
Spaltkorrosion
In Spalten erreicht der Stahl wegen ungenügender Sauerstoffzufuhr keine
Ausreichende Passivschicht. Dabei ablaufende Reaktionen erhöhen die Korrosion. Tritt auf an Schraubverbindungen, unter Dichtungswerkstoffen, festhaftenden Ablagerungen, Konstr. Spalte, Schweißfehler usw. Zunehmender pHWert reduziert diese Korrosionsart, ab pH=12 nicht mehr vorhanden.
Abhilfe:
- Konstrukt. Maßnahmen
- gute Oberflächenausführung
- höhere Strömungsgeschwindigkeit (s. Lochfraß)
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•
Apparatebau
Kontaktkorrosion
Tauchen zwei unterschiedlich beständige Metalle in eine elektrisch leitende
Lösung, so wird das unedlere Metall stärker, das edlere, beständigere Metall
weniger angegriffen. Werden beide miteinander elektr. leitend verbunden, wird
das unedlere noch stärker angegriffen, während das edlere geschützt wird.
Gewollt oder ungewollt z.B.
- Opferanode, verzinktes Blech (gewollt)
- Falsche Scheißelektrode (ungewollt)
Wo sich eine Verbindung zweier verschieden beständiger Stoffe nicht vermeiden lässt
•
Æ
ausreichend elektr. Isolation.
Spannungsrisskorrosion
Für Auftreten müssen 3 Bedingungen erfüllt sein:
- Werkstoff muss anfällig sein für Spannungsrisskorrosion
- Oberfläche muss unter Zugspannung stehen (Last- oder
Eigenspannung)
- Angriffsmittel muss vorhanden sein.
Vorwiegend wird diese Korrosionsart durch Halogen-Ionen-haltige Angriffsmittel und besonders solche mit Chloriden der Alkali- bzw. Erdalkalimetalle (z. B.
Natrium-, Kalzium- oder Magnesiumchlorid beinhaltende Lösungen) verursacht.
Austenitische Chrom-Nickel-Stähle zeigen für Chloridinduzierte Spannungsrisskorrosion eine relativ starke Anfälligkeit. Ferritische Chromstähle unterliegen dieser Art der Spannungsrisskorrosion weitgehend nicht.
Charakteristisch für die Spannungsrisskorrosion ist, dass sie durch solche Mittel ausgelöst wird, gegen die das Material von der Korrosionsrate her gesehen
weitgehend beständig ist. Erkennbar ist diese Korrosionsart durch senkrecht
zur Zugspannung auftretende Risse, die mehr oder weniger stark verästelt
sind.
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Abhilfe:
Apparatebau
- Vermeiden von Zugspannungen
- höhere Nickel-Gehalte
- austenitische Stähle nicht Löten mit: Cu, Messing, Zinn, Blei
- Grobe Oberflächen schlechter als feingeschliffene oder polierte
- Kaltverdichtete Oberflächen günstig
•
Interkristalline Korrosion oder Kornzerfall
Chemischer Angriff entlang der Korngrenzen. Bei anfälligen Stählen kann dieser Angriff soweit gehen, dass das Metall buchstäblich zerfällt.
Werden austenitische Chrom-Nickel-Stähle längere Zeit in einem Temperaturbereich von 500 – 800°C gehalten, so scheiden sich an den Korngrenzen
chromreiche Karbide aus, wodurch die Korngrenznahen Bereiche an Chrom
verarmen und dadurch anfällig gegen Korrosion werden.
Ursprünglich war diese Korrosionsart besonders beim Schweißen eine unangenehme Erscheinung.
Abhilfe:
- Absenken des Kohlestoffgehalts auf Werte unter 0,03%
- Stabilisierung durch Zusatz von Titan oder Niob
Ferritische Chromstähle neigen auch zu dieser Korrosion
Abhilfe:
- Glühen bei 700 – 800 °C
- schweißbare Stähle stabilisiert mit Titan oder Niob
Vergütete martensitische Stähle zeigen keine Neigung zu dieser Korrosion.
Einteilung nach AD – HP0
Weitere Bezeichnungsmerkmale nach DIN 17006
- Gewährleistungsumfang
- Behandlungszustand
- Werkstoffnummer
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Apparatebau
Daneben gilt auch die Werkstoffnummer nach DIN 17007
z.B.
1.3503.08
Æ
100 Cr 6 Baustahl
1.4541
Æ
X 6 Cr Ni Ti 1810
4.2 Stähle
4.2.1 Allgemeine Baustähle
(St33 bis St70) DIN EN 10025-1 bis -2
Als Baustähle werden unlegierte oder niedrig legierte Stähle, die im warmgeformten
Zustand nach einem Normalglühen oder nach einer Kaltumformung im Wesentlichen
aufgrund ihrer Festigkeitseigenschaften verwendet werden.
Gasschmelzen oder Lichtbogenschweißen
C-Gehalt < 0,20%
Æ ab St 46 nicht ohne weiteres schweißbar
Einschränkungen für Druckbehälter nach AD-W1
Im Apparatebau besonders St 37.2 für Bleche und St37.8 für Rohre.
4.2.2 Feinkornbaustähle
(WStE 26 bis WStE 51) SEW 088, 089, 092, DIN 1702
Grundsätzlich bereinigt, vergossen mit geringen Anteilen von Al, Nb, V Æ Nitride und
/ oder Karbide Æ hohe Festigkeit (σS = 260 – 500 N/mm²). Schweißbarkeit ist
schwierig, aber nicht unmöglich (Elektroden trocken, vorwärmen etc.)
¾ Gerade mittlere Güte WStE 36 bis 47 wird häufig für größere Apparate bei höheren Drücken und höheren Temperaturen verwendet. Preis höher als z.B.
St37.2, aber auch Festigkeitskennwert (20°C) σS St37.2 = 235 N/mm² ,
σS St37.2=235 N/mm²
¾ Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
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Apparatebau
4.2.3 Vergütungsstähle
(C 22-C 60, Ck 22 – Ck 60) DIN EN 10083
Ck
=
unlegierter Edelstahl
C
=
unlegierter Qualitätsstahl
Niedrig oder unlegierte Baustähle mit C-Gehalten zwischen 0,18 – 0,65 %. Legierungsbestandteile sind: Cr, Mo, Ni, Mn.
Æ hohe Festigkeit mit guter Zähigkeit. Haben größere Reinheit d.h. geringere Gehalte an S und P.
Schweißbarkeit ist stark eingeschränkt Æ Im Apparatebau hauptsächlich bei geschraubten Teilen, wie z.B. Flansche, Schrauben, Muttern, geflanschte Wellen etc.
4.2.4 Warmfeste Stähle
(HI bis HIV, niedrig legiert, Mn, Cr; Mo-Stähle) DIN EN 10028
Haben ausreichende Festigkeit bei Langzeitbeanspruchung bei Betriebstemperatur
bis ~ 550°C. Je nach Anforderung legiert oder unlegiert. C<0,25% Æ gut schweißbar.
Æ werden im Apparatebau bei Temperaturen oberhalb 200°C bis etwa 500°C häufig
eingesetzt.
Werkstoffe wie HII, 15 Mo 3, 13 Cr Mo 4 4 gehören zu den Standardwerkstoffen.
4.2.5 Hitzebeständige Stähle
(z.B. X10 Cr Al 18, X10 Ni Cr Al Ti 3220 Å Incoloy 800)
Eingesetzt bei Temperaturen oberhalb von 550°C bis max. ~ 800°C im Dauerbetrieb.
Hohe Festigkeit bei guter bis sehr guter Korrosionsbeständigkeit. Gut schweißbar.
Bezeichnungen: Hastelloy B, C, Inconel, Monel
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Apparatebau
4.2.6 Kaltzähe Stähle
(z.B. TTSt 35/41, 10 Ni 14, X10 CrNi 189) nach SEW 680
Weisen auch bei Temperaturen unter -10°C eine ausreichende Zähigkeit auf. Werkstoffkennwert ist die Kerbschlagzähigkeit oder Kerbschlagarbeit als Funktion der
Temperatur.
Grundsätzlich gilt: Temp. ↓, Festigkeit ↑, Zähigkeit ↓
Leg.-Elemente:
Cr, Mo-Stähle oder Ni-Stähle
Im Apparatebau besonders 18/8 – CrNi – Stähle
4.2.7 Druckwasserstoffbeständige Stähle
(Cr – Mo – Stähle, z.B. 24 CrMo 10) nach SEW 590
Sind beständig gegen
Entkohlung durch Wasserstoff bei höheren Drücken und
Temperaturen. Das geeignete Leg.-Element ist Chrom. Da aber erhöhte Warmfestigkeitskennwerte notwendig sind, müssen weitere Leg.-Elemente zugesetzt werden
(vor allem Mo, evtl. auch Vanadium und Wolfram).
Anwendung der Werkstoffe geht aus dem Nelson-Diagramm (s. BEI_Nelson-Diagramm)
hervor.
Absolut beständig sind z.B. die austenitischen rostfreien Stähle z.B. X 10 CrNiMoTi
18 10 (1.4571 V4)
Stähle sind schweißbar, da C-Gehalt gering und stabilisiert mit Mo, Ti.
4.2.8 Nichtrostende Stähle
(Cr,Ni-, CrNiMo-Stähle) DIN EN 10028-7
Haben auf Grund ihrer ausgezeichneten Beständigkeit gegen atmosphärische Korrosion und viele Cl-freie Säuren ein breites Einsatzfeld im chemischen Apparatebau,
der Lebensmittel- und Pharmaindustrie.
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Apparatebau
Gute Festigkeit bei guter Zähigkeit. Problemlos schweißbar.
Nachteile:
- hoher Preis
- Anfälligkeit gegen Loch- und Spannungsrisskorrosion in Gegenwart von
Cl-Ionen. Konzentration von 60-100 ppm bei Temperatur > 60°C
Vorsicht bei Flusswasser-, Industriewasserkühler.
Bekannteste Vertreter:
-
1.4580 X 10 CrNiMoNb 18 10 (V4AE)
-
1.4571 X 10 CrNiMoTi 18 10 (V4AE)
-
1.4401 X 10 CrNiMo 18 10 (V4A)
-
1.4550 X 10 CrNiNb 18 9 (V2AE)
-
1.4541 X 10 CrNiTi 18 9 (V2AE)
-
1.4301 X 10 CrW 18 9 (V2A)
Wesentliches Kriterium für Verarbeitbarkeit ist der C-Gehalt.
4.2.9 Ferritische Stähle
Die ferritischen Stähle enthalten 12 bis 18% Cr, teilweise bis zu 30%,, weniger als
0,1% C und zur Verbesserung der Eigenschaften eventuell bestimmte Anteile an Ni,
Mo, Ti, Nb und Al.
Wärmebehandlungen wie Normalisieren oder Härten sind nicht möglich.
Ferritische Stähle neigen nach dem Schweißen zur interkristallinen Korrosion. Erst
mit Hilfe von Ti-Zusätzen (>7 x % C) bzw. Nb-Zusätze (> 12 x % C) werden die Stähle stabilisiert. Bei sehr niedrigen C-Gehalten von 0,002%, N-Gehalten von 0,01%
Sowie 25 % Cr und 1% Mo werden die Stähle unempfindlich gegen Karbidausscheidung und damit gegen interkristalline Korrosion sowie Versprödung wegen Grobkornbildung.
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Apparatebau
Die Hochreinen ferritischen Stähle werden wegen ihrer sehr guten Korrosionsbeständigkeit zunehmend im chemischen Apparatebau bei Betriebstemperaturen bis
etwa 350°C angewendet.
4.3 Guss
Beim unlegierten Gusseisen unterscheidet man
- Grauguss mit Lamellengraphit (GG)
DIN EN 1561
- Grauguss mit Kugelgraphit (GGG)
DIN EN 1563
- Temperguss (GT)
DIN EN 1562
- Stahlguss (GS)
DIN EN 10293
Bei den hochlegierten Gusseisensorten sind folgende genormt:
- austen. Gusseisen mit Lamellengraphit (GGL)
DIN EN 13835
- austen. Gusseisen mit Kugelgraphit (GGG)
DIN EN 13835
- hitzebeständiger Stahlguss (GX...)
SEW 471
- nichtrostender Stahlguss (GX...)
DIN EN 10213-1 und -4
DIN EN 10283
SEW 410
Das Gusseisen wird in der Regel für Maschinen- und Armaturengehäuse verwendet,
weniger für den Apparatebau.
Dennoch gibt es heute noch Apparate, die man auf Grund der Korrosionsbeanspruchung in Grauguss ausführt: z.B. Naphtalin-Abtreiber in der Waschölregenerierung
von Kokereien (Kolonnen mit Glockenböden):
4.4 Sonderwerkstoffe
4.4.1 Titan
Ausgezeichnete chemische Beständigkeit bei hoher mechanischer Festigkeit, guter
Schweißbarkeit und guter Wärmeleitfähigkeit Æ Vielseitige Anwendung:
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Apparatebau
-
Druckapparate
-
Wärmetauscher
-
Pumpen
-
Armaturen / Rohrleitungen
Vorzugsweise in der Chlorproduktion, Harnstoffanlagen, Essigsäuren, Mehrwasserentsalzung, etc.
Titan bis 10 mm wirtschaftlich als Vollmaterial darüber als Plattierung.
Schweißbar: Vorsicht bei Temperaturen über 300°C im Werkstoff Æ Gefügeveränderungen (Schutzgas: Argon oder Helium)
4.4.2 Tantal
Sehr hohe Korrosionsbeständigkeit. Weitgehend beständig gegen konzentrierte Salzund Salpetersäure und heiße Laugen. Wird im Wesentlichen angegriffen von Fluor
und heißen Gasen (z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff)
H2 reagiert mit Ta bei 260°C
H reagiert mit Ta bei 20°C
O2, N2 reagiert mit Ta bei 300°C
Schweißen deshalb im Hochvakuum oder unter inerter Atmosphäre.
4.4.3 Zirkonium
Hervorragend beständig im Kontakt mit Salpetersäure. Unbeständig gegen Flusssäure, Schwefelsäure (Konz. > 70%) und feuchtes Chlor.
Außerdem reagiert es wie Ti, Ta mit H2, O2, N2 Æ ähnliche Sorgfalt beim Schweißen.
Zirkonium lässt sich nicht mit Stahl verschweißen.
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Apparatebau
4.4.4 Kupfer
Anfällig gegen NH3 Æ Spannungsrisskorrosion
Kupfer wird eingesetzt häufig wegen der sehr guten Wärmeleitfähigkeit. Bis ca. 9 mm
vollwandig, dann Plattierung erforderlich!
Schweißen erfordert sehr viel Erfahrung
4.4.5 Aluminium
Einsatz besonders im Tieftemperaturbereich, d. h. bis Temperatur um ca. – 190°C.
Mit MiG und WiG gut schweißbar.
Einsatz z. B. in Luftzerlegungsanlagen, Flüssiggaslagerung.
4.4.6 Blei (DIN EN 12659)
Blei ist sehr weich: Rp0,2 = 3 N/mm² Æ nur als Auskleidung von Druckbehältern. Korrosionsbeständig gegen die meisten Säuren und Salzlösungen. In der Pharmaindustrie und bei der Herstellung von schwer entflammbaren Materialien früher eingesetzt.
4.4.7 Zink
Zink gehört nach der Elektrochemischen Spannungsreihe zu den unedelsten Metallen. Heißwasser, Dampf, Säuren und Laugen (pH>12,5) zerstören Zink.
Wichtig: Im Apparatebau nur als Oberflächenschutz von Anbauteilen (Bühnen, Leitern, etc.)
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Apparatebau
4.4.8 Email
Als Email bezeichnet man die diversen Glasartigen Schichten auf einer metallischen
Oberfläche aufgeschmolzen. Sie besteht aus Fluorverbindungen (Quarz, Feldspat,
Ton, etc.), Silizium, Boraluminium gemischt mit Metalloxyden.
Behälter muss emailgerecht konstruiert werden Æ sandstrahlen und säubern Æ Emailschichten (Grundemail, Deckemail) Æ Gesamtschichtdicke ca. 0,8 – 1,8 mm
Haftung zu
Korrosionsschutz
Behälter
Grundwerkstoff
Æ Festigkeit
Email
Æ Korrosionsschutz, Reinigbarkeit
Vorteile:
-
glatte Oberfläche
-
gute Korrosionsbeständigkeit gepaart mit hoher Festigkeit
-
sorgfältige Herstellung
-
sorgfältige Behandlung im Betrieb
Nachteile:
4.4.9 Keramik
Im Apparatebau selten. Nur als Auskleidung (insb. Für Wärmedämmung / Feuerschutz). Ausmauerungen oder Stampfmassen.
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Apparatebau
4.4.10 Nickel und Nickelbasislegierungen
Nickel und Nickelbasislegierungen werden eingesetzt:
-
bei hohen Korrosionsbeanspruchungen
-
bei Dauerbeanspruchung im Bereich hoher Temperaturen
Reinnickel (Ni > 99%)
Reinnickel hat eine besonders gute Korrosionsbeständigkeit bei ätzenden Laugen
(z.B. Ätznatron), Brominen, Phenol etc. Außerdem ist es sehr gut einsetzbar bei Fluorwasserstoffen und organischen Säuren. Bei Chlorisierung von Kohlenwasserstoffen wird es bis 550°C eingesetzt. Es ist für Druckbehälter im Temperaturbereich von
-10 bis 650°C zugelassen.
Monel 400, K500 (ca. 65% Ni, 31% Cu)
Monel ist ein sehr häufig eingesetzter Werkstoff. Er kommt unter anderem bei reduzierender Schwefelsäure zum Einsatz. Außerdem ist er einer der ganz wenigen
Werkstoffe, die von Salzsäure (HCl) nicht angegriffen werden. Gegenüber Meerwasser ist es ebenfalls hervorragend beständig. Der Werkstoff kann für Druckbehälter
von -10 bis 425°C eingesetzt werden.
Inconel 600, 625
(61 – 76 % Ni, 16 – 22 % Cr, 7% Fe bei Typ 600, 9% Mo bei Typ 625)
Inconel wird eingesetzt bei hoher Korrosionsbeanspruchung und hoher Temperatur.
Es ist besser beständig als reines Nickel unter oxidierenden Bedingungen und hat
einen hohen Korrosionswiderstand bei reduzierenden Bedingungen. Es ist Immun
gegen Spannungsrißkorrosion durch Cl und ätzende Alkalien. Es wird auch bei hohen Temperaturen, z.B. für Gebläse in SO2, H2S-Anlagen (Entschwefelung, Reformer) eingesetzt.
Incoloy 800, 800H, 802, 825
(30 – 42 % Ni, 19 – 23 % Cr, 30 – 45 % Fe)
Incoloy ist eine Legierung, die sich im Hochtemperaturbereich um 600 – 900 °C sehr
gut bewährt hat, wobei auch die gute Korrosionsbeständigkeit hervorzuheben ist;
Einsatz z.B. in Reformer-, Äthylen- und Pyrolyseöfen, Crackern etc. Da bei hohen
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Temperaturen die Festigkeitskennwerte sehr niedrig werden, können bei gleichzeitig
auftretenden hohen Drücken nur noch Rohre unausgekleidet eingesetzt werden.
Hastelloy B, C
(50 – 66 % Ni, 15 – 30 % Mo, ca. 6 % Fe; bei Typ C noch 14 – 18 % Cr)
Beide Legierungen sind besonders wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit hervorzuheben.
-
Hastelloy B ist widerstandsfähig gegen Cl-H-Gas und Schwefel-,
Salz- und Phosphorsäuren. Es wurde als Werkstoff für Salzsäureanlagen entwickelt und ist deshalb gegen diese Säure bei allen Konzentrationen beständig.
-
Hastelloy C ist widerstandsfähig gegen stark oxidierende Mittel wie
Eisenchlorid, Kupferchlorid und heiße Cl-Lösung bis zu Temperaturen um 1000°C.
Hastelloy wird auf Grund seines Preises bis ca. 7 – 8 mm Wanddicke vollwandig verarbeitet; darüber als Plattierungsmaterial eingesetzt.
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5 Apparatefertigung
5.1 Walzen, Pressen, Schmieden
Stahl wird aus Erzen verschiedener Herkunft, Schrott und Zuschlagstoffen in verschiedenen Verfahren hergestellt.
Daraus ergeben sich unterschiede in der Zusammensetzung und in den Festigkeitskennwerten je Charge. Bei kritischen Prozessen, wie z.B. Hochtemperaturbereich, ist
darauf Rücksicht zu nehmen.
Durch Walzen werden Bleche, Rohre und Profilstähle hergestellt, deren Toleranzen
in den DIN-Normen fixiert sind. Die ausgeprägte Faserrichtung bewirkt Unterschiede
der Festigkeitskennwerte in Längs- und Querrichtung (Anisotropie).
Das Pressen/Tiefziehen dient im Bereich Apparatebau hauptsächlich dem 3dimensionalen Umformen von Blechen bei Böden, Kegel- und Kugelschalen sowie
ausgehalsten Formteilen.
5.2 Schneiden
(s. BEI_Schneiden)
Verfahren:
- Scheren
- Brennschneiden
- Plasmaschneiden
- Laserschneiden
5.2.1 Scheren
Mechanische Trennung zwischen einem festen Unter- und beweglichen und schräg
gestellten Obermesser (bis ca. 20mm Blechdicke).
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5.2.2 Brennschneiden
Beim Brennschneiden wird Material durch eine Brennerflamme auf Weißglut erhitzt
und durch Zuhalten von O2 unter Druck verbrannt und aus der Schweißzone geschleudert. (Dicken bis ca. 2m bei Freiformschneiden). Es wird üblicherweise nur bei
C-Stählen verwendet. Bei hochlegierten Stählen kommen folgende Brennschneideverfahren in Frage:
-
Pulverbrennschneiden (Powdercat-Verfahren): Zuführen von Eisenpulver mit
Pressluft zur Erhöhung der Temperatur an der Schnittstelle durch Verbrennung des Eisenpulvers (Blechdicken bis zu mehreren 100mm)
-
Cinoxverfahren: Verwendung von Quarzpulver statt Eisenpulver zur mechanischen Entfernung von Schlacken (Blechdicken bis zu 250mm).
Nachteile beider Verfahren:
- Erforderliche Nacharbeit der Schnittkanten
- Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit
5.2.3 Plasmaschneiden
Bei diesem Verfahren handelt es sich nicht um einen Verbrennungsvorgang, sondern
ein Aufschmelzen des Werkstoffs durch den Plasmastrahl (Temperatur bis ca.
30.000°C) und Herausblasen aus der Trennfuge.
Das Verfahren eignet sich praktisch für alle stromleitenden Werkstoffe, insbesondere
für hochlegierte Stähle, Al und Blechdicken bis etwa 170mm.
5.2.4 Laserschneiden
Ein Gasgemisch aus Helium, Stickstoff und CO2, wird in einem Resonator eingesetzt
und dort ionisiert. Die durch eine Öffnung austretenden Strahlen werden in einer
Schneidlinse zum Laserstrahl fokussiert. Dabei entsteht eine sehr hohe Energiedichte, die das Material in einem eng begrenzten Bereich aufschmilzt. Durch zusätzliches
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Blasen von O2 in die Schnittfuge wird der Stahl verbrannt und aus der Fuge geschleudert.
Vorteile:
- schmale Schnittfuge
- geringe Wärmebeeinflusste Zone
- geräuscharm
Nachteile:
- teure Anlagen
- geringere Schnittgeschwindigkeiten als das Autogenschneiden bei einer
Blechdicke > 5 mm
5.3 Biegen
5.3.1 Abkanten
Das Abkanten (Anbiegen der Blechenden) erfolgt vor dem Biegen der Schüsse von
Apparatemänteln auf Abkantpressen, die ähnlich wir Scheren arbeiten.
5.3.2 Biegen
(s. BEI_Biegen)
Das Biegen erfolgt mit Hilfe von 3 Walzen im Ständer, deren obere schwenkbar gelagert ist. Das Biegen von Kegelstümpfen kann ggf. mit Übung durch Schrägstellen
der Walzen erfolgen. Der Biegeradius wird durch den Walzenabstand beeinflusst.
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5.4 Schweißen
5.4.1 Schweißnahtvorbereitung
Die Schweißnahtformen sind in DIN 1912 (zeichnerisch) und DIN 8551 (ausführungsgemäß) genormt. Üblich sind für Stumpfstöße V-, Y-, KV- und HV-Nähte, da sie
sich durch Brennschneiden herstellen lassen.
Bei hoch beanspruchten Apparaten bzw. rissempfindlichen Werkstoffen sind sie zusätzlich zu schleifen und einer Oberflächenrissprüfung zu unterziehen.
Bei größeren Unterschieden der Wanddicken, z.B. zwischen Boden und Mantel, ist
durch Anschrägungen des dickeren Blechs ein sanfter Übergang zu schaffen (s.
DIN 8563 und AD HP 5/1)
5.4.2 Schweißverfahren
Man unterscheidet:
1. Pressschweißen
- Abbrennschweißen
- Widerstandspunkt- oder Rollnahtschweißung
- Walzplattieren
- Sprengplattieren
2. Schmelzschweißen
- Gasschmelzschweißen (Autogenschweißen)
- offenes Lichtbogenschweißen
- Uz-Schweißen
- Schutzgasschweißen
Æ WiG-Verfahren
Æ MIG/MAG-Verfahren
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- Plasmaschweißen
- Elektronenstrahlschweißen
3. Besondere Schweißverfahren
- Engspaltschweißen
- Auftragsschweißen/Schweißplattieren
- Schweißen plattierter Bleche
5.5 Wärmebehandlung
5.5.1 Vorwärmen
Das Vorwärmen ist bei vielen Werkstoffen, insbesondere bei großen Wanddicken,
notwendig, um Schweißeigenspannungen zu vermindern, die Vorwärmtemperaturen
liegen üblicherweise zwischen 80 bis 200, manchmal bis 400 °C. Die Vorwärmung
erfolgt üblicherweise durch Gas-Ring-Brenner und muss während des gesamten
Schweißvorganges aufrechterhalten und überprüft werden (z. B. mit Thermokreide.)
5.5.2 Spannungsarmglühen
Das Spannungsarmglühen dient dem Abbauen der Schweißeigenspannungen. Es
findet im Bereich zwischen 500 und 600 °C statt (bei Vergütungsstählen mindestens
30°C unter der Anlasstemperatur). Das Spannungsarmglühen ist auch nach größeren Kaltverformungen durchzuführen.
Zum Spannungsarmglühen werden hochbeanspruchte Druckbehälter komplett in besonderen Glühöfen geglüht. Bei zu großen Abmessungen muss manchmal das Glühen, z. B. auf das Induktivglühen einzelner Partien, beschränkt werden.
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Austenitische Stähle
Erwärmung auf über 950 °C (Bereich des Diffusionsglühens), verbunden mit schneller Abkühlung. Achtung: bei langsamer Erwärmung auf Temperaturen von 500-900
°C tritt die so genannte Sigma-Phasenversprödung auf (Mischkristallbildung).
Ferritische Stähle
Erwärmung auf ca. 680 °C, verbunden mit schneller Abkühlung im Bereich von
475 °C (475 °- Versprödung). Diese Versprödung tritt bei allen Cr-Stählen mit mehr
als 15 % Cr-Gehalt auf.
5.6 Prüfung
Die Prüfung von Druckbehältern generell ist in den AD-Merkblättern der Reihe HP
geregelt. Die speziellen Anforderungen, die sich aus dem Betrieb des Apparates in
einer Anlage ergeben, werden in der technischen Spezifikation des Apparates niedergelegt. Diese Anforderungen sind stets weitergehend als in den offiziellen Regelwerken (DIN, AD).
Je enger die zul. Toleranzen gewählt werden, desto größer ist die Gefahr von Ausschuss und desto umfangreicher und aufwendiger müssen die Prüfungen sein. Die
Kosten können dadurch erheblich steigen. So kann z. B. bei der US-Prüfung von
Blechen nach SEL 072-77 die Wahl der Prüfklasse bzw. des Prüfrasters die Materialkosten – insbesondere bei größeren Blechdicken – um 20 bis 100 % und darüber
ansteigen lassen.
5.6.1 Vorprüfung (konstruktive Ausführung und Festigkeitsberechnung)
Die Vorprüfung der Konstruktionszeichnungen sowie der schweißtechnischen Details
erfolgt bei Druckbehältern durch den TÜV. Zu diesem Zweck reicht der Apparateher-
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steller seine Konstruktionszeichnungen mit Fertigungshinweisen beim TÜV ein. Dieser prüft mit üblicherweise eigenen Berechnungen die Auslegung und die vorgesehene Ausführung des Druckbehälters. Wenn keine Bedenken bestehen, werden die
Unterlagen für die Fertigung freigegeben. Erst jetzt dürfte der Apparatehersteller mit
der Fertigung beginnen. Aus Terminzwängen beginnt er allerdings vielfach wesentlich früher, was jedoch auf eigenes Risiko (z. B. bei Auslegungsmängeln) geht.
5.6.2 Werkstoffe
Anforderungen und Prüfungen sind in den AD-Merkblättern der Reihe W geregelt.
Werkstoffe sind in der Regel vom Rohmaterialhersteller mit einem Prüfzeugnis entsprechend DIN EN 10204 versehen.
5.6.3 Fertigung
Für die Fertigung der Druckbehältern und Druckbehälterteilen sind nur solche Firmen
zugelassen, die die so genannte HP O-Zulassung besitzen. Dazu gehören auch die
Verfahrensprüfungen für die Schweißungen (s. AD-HO 2/1), die Regeln für die zur
Druckbehälterschweißung zugelassenen Schweißer und die erforderliche Schweißaufsicht (s. AD-HP 3).
Während der Fertigung müssen laufend die Maße gemäß den Ausführungsunterlagen sowie die Schweißnähte und die Wärmebehandlung geprüft werden. Die Überwachung („Bauprüfung“) erfolgt durch:
-
den Werkssachverständigen
-
den TÜV
-
das Ingenieurbüro
-
den Betreiber
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Zulässige Maßabweichungen: s. DIN 28005/6/7. Prüfungsumfang und Fertigungstoleranzen: s. AD-HP-Reihe und DIN 8524 bis 8570, speziell 8563.
Da die Schweißnahtbereiche zu den kritischen Stellen der Apparatebaufertigung zählen, ist der Schweißnahtprüfung stets besonders Beachtung zu schenken.
5.6.3 Druckprüfung
Die Druckprüfung (s. AD-HP 30) erfolgt durch den TÜV nach Fertigstellung des Apparates, aber vor Aufbringen des Korrosionsschutzes (Schweißnähte müssen sichtbar sein).
Die Druckprobe wird üblicherweise mit Wasser bei 1,3-fachem zulässigem Betriebsdruck durchgeführt.
Die Druckprüfung des Druckbehälters erfolgt durch den Hersteller im Beisein des
TÜV-Sachverständigen und ggf. weiterer Sachkundiger.
Nach erfolgreicher Abnahme eines Druckbehälters wird das Fabrikschild vom TÜV
abgestempelt.
5.6.4 Bescheinigung über Bau- und Druckprüfung
Über seine durchgeführten Prüfungen wird vom TÜV ein Bericht erstellt, der u. a. folgende Prüfungen beinhaltet (s. auch AD-HP 20):
-
Vorprüfung
-
Werkstoffprüfung
-
Bauprüfung
-
Schweißprüfungen
-
Wärmebehandlung
-
Druckprobe
Sind vom Auftraggeber weitere Prüfungen verlangt, so werden diese ebenfalls mit
aufgenommen.
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5.7 Korrosionsschutz
Nach Abnahme des Behälters erfolgt das Aufbringen des Korrosionsschutzes, je
nach den Erfordernissen, üblicherweise nur auf der Außenseite. Zu diesem Zweck
müssen die Apparate zuerst gereinigt werden (s. a. VDI / VDE 240):
-
nicht rostender Stahl: Beizen oder Strahlen mit Glaskugeln (100 –
200 μm Durchmesser)
-
un- und niedrig legierter Stahl: Strahlen mit Quarzsand u. ä.
Das Beizen erfolgt werkstoffabhängig. Eine übliche Beizlösung für den austenitischen Stahl ist z. B.:
Salpetersäure (HNO3)
8,0 Vol. %
Flusssäure (HF)
1,5 Vol. %
Wasser (H2O)
90,5 Vol. % (möglichst chloridfrei)
Nach dem Beizen ist der Apparat mit Frischwasser zu spülen, bis auch in Spalten
keine Säure mehr nachgewiesen werden kann.
Das früher vielfach propagierte Neutralisieren (z. B. mit alkalischer Sodalösung) kann
bei CI-freien Beizlösungen entfallen, ebenso das erneute Passivieren der Oberfläche
mit verdünnter Salpetersäure, da die Passivierung bereits mit dem Luftsauerstoff und
dem Frischwasser erfolgt.
Durch das Beizen wird die Oberfläche von Fremdrost und Anlauffarben (vom
Schweißen) befreit.
Während nicht rostende Stähle üblicherweise kein Korrosionsschutzbeschichtung
erhalten, erhalten Apparate aus rostanfälligem Material beim Hersteller unmittelbar
nach dem Strahlen eine ein- oder zweifache Grundbeschichtung (DIN EN ISO
12944-1 bis 8), die den Betriebsbedingungen anzupassen ist. Flanschdichtflächen
erhalten keine Grundbeschichtung, höchstens eine temporäre Beschichtung mit einem wachsartigen Konservierungsmittel. (Die Deckbeschichtung erfolgt erst auf der
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Baustelle.) Apparate, die auf der Baustelle wärmegedämmt werden, erhalten im Inland häufig keine Grundbeschichtung unter der Dämmung.
5.8 Dokumentation
Über jeden Behälter wird vom Hersteller des Apparates eine Dokumentation erstellt.
Diese enthält z. B.:
-
Technische Spezifikation des Behälters
-
Werkstattbezeichnungen mit Stücklisten
-
Ggf. die Festigkeitsberechnung
-
Ggf. statische Berechnung bei turmartigen Bauwerken
(bei H:D = 5:1)
-
Amtliche Bescheinigung über Bau- und Druckprüfung (bei Druckbehältern)
-
Werksbescheinigungen
-
Ersatzteillisten
-
Transport-, Verpackungs-, Montagehinweise
Diese Dokumentation ist nicht genormt und kann je nach den Anforderungen der Anlagenbetreiber sehr unterschiedlich ausfallen. Vielfach wird die gesamte Dokumentation mikroverfilmt, so dass sie entsprechend dieser Anforderungen (s. DIN 19052) zu
gestalten ist.
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6 Verpackung, Transport, Lagerung
Die Verpackung von Apparaten umfasst:
-
Bei empfindlichen Innenflächen Einbringen eines temporären Korrosionsschutzmittels (Trockenmittel, Inertgas, VCI (Volatile Corrosion
Inhibitor))
-
Verschließen der Stutzen mit Dichtungen und festsitzen der Deckeln
-
Abstützung von stehenden Apparaten auf Holzsätteln
-
Abdecken empfindlicher Teile (z. B. Lichtgläser)
-
Verpacken in Kisten oder Verschlägen bei kleinen, empfindlichen
Apparaten.
Der Transport der Apparate erfolgt je nach den örtlichen Erfordernissen unter Beachtung der Beschränkungen beim Transport großer Behälter (ab ca. 3 m Durchmesser
und 12 m Länge).
Die Lagerung der Behälter für den Großanlagenbau erfolgt meistens im Freien (Näheres s. DECHEMA-Richtlinie über den temporären Korrosionsschutz von Ausrüstungen).
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7 Montage und Inbetriebnahme
Da die Fertigung (von Apparaten und anderen Anlagenteilen) in der Werkstatt des
Herstellers immer unter den günstigeren Bedingungen stattfindet, werden Apparate
möglichst komplett zur Baustelle geliefert. Bei großen Apparaten (ab ca. 6 m Durchmesser) stehen dem aber Transportprobleme entgegen und man kann vielfach auf
eine Baustellenmontage nicht verzichten. In diesen Fällen wird die Konstruktion und
Fertigung eines Apparates ganz entscheidend von den Möglichkeiten auf der Baustelle beeinflusst.
Nach der Montage des Apparates auf der Baustelle und seiner Integration durch
Rohrleitungen und MSR-Geräte in die Gesamtanlage, wird der Apparat von den örtlichen Behörden sicherheitstechnische überprüft und ggf. noch einmal mit Innendruck
auf Dichtheit geprüft.
Nach dem Spülen der Anlage und dem Einstellen der MSR-Geräte steht Inbetriebnahme nichts im Wege. Mit allen anderen Anlagenteilen erhält der Apparat schließlich den endgültigen Deckanstrich.
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8 Destillationskolonnen
8.1 Allgemeine Bemerkungen
Die Destillation (lat.: destillare – herabtröpfeln) ist ein thermisches Trennverfahren,
um ein flüssiges Gemisch verschiedener, ineinander löslicher Flüssigkeiten zu trennen. Dabei liegen die Siedepunkte der einzelnen Komponenten des Gemisches in
der Regel nah bei einander. Typische Anwendungen der Destillation sind das Brennen von Alkohol und das Destillieren von Erdöl in der Raffinerie.
Bei der Destillation wird zunächst das Ausgangsgemisch zum Sieden gebracht. Der
entstehende Dampf, der sich aus den verschiedenen Komponenten der zu trennenden Lösung zusammensetzt, wird in einem Kondensator kondensiert. Im Anschluss
wird das flüssige Kondensat aufgefangen. Die Trennwirkung beruht auf der unterschiedlichen Zusammensetzung der siedenden Flüssigkeit und des gasförmigen
Dampfes.
Eine Kolonne ist ein verfahrenstechnischer Apparat in der Form einer schlanken
Säule, die dazu dient, Stoffgemische durch thermische Verfahren zu trennen. Hierzu
werden physikalische Eigenschaften und Gleichgewichtszustände zwischen unterschiedlichen Phasen genutzt.
In ihr werden zwei Phasen im Gegenstrom direkt miteinander in Kontakt gebracht.
Einbauten in der Kolonne dienen dem erhöhten Stoffaustausch und Energieaustausch zwischen den Phasen.
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9 Wärmeaustauscher (s. BEI_WAT, BEI_WT_1)
(s. BEI_WAT, BEI_WT_1)
9.1 Allgemeine Bemerkungen
Der Rohrbündelwärmeübertrager ist ein thermischer Apparat zur Übertragung von
Wärmeenergie von einem Medium auf ein zweites. Manchmal wird ein Rohrbündelwärmeübertrager auch "Rekuperator" genannt. Weit verbreitet ist noch die Bezeichnung Rohrbündelwärmetauscher.
Die beiden Medien werden bei dieser Wärmeübertragung nicht vermischt.
Technisch wird der Rohrbündelwärmeübertrager durch einen Hohlzylinder aus Stahlblech verwirklicht, in dessen inneren sich hunderte bis tausende Rohre mit einer geringen Nennweite befinden. Durch den Blechzylinder strömt das erste Medium, durch
die Rohre das zweite. Bei diesem Vorgang kühlt das heißere Medium ab, während
das kältere Medium aufgeheizt wird.
1.Rohrbündel
2.Mantel
3.Innenrohr
4.Umlenkblech
5.Entlüftungsmuffe
6.Rohrseite
7.Rohrplatte
8.Entleerungsmuffe
9.Mantelseite
Quelle: www.aan-nuernberg.de
9.2 Thermische Auslegung
Für die thermische Auslegung von Wärmeaustauschern werden die bekannten Gleichungen der Wärmeübertragung angewendet.
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Q = k • A • Δϑm
Grundgleichung:
Q
= Wärmestrom
[W]
k
= Wärmedurchgangskoeffizient
[W/m²K]
A
= Austauschfläche
[m²]
Δϑm
= mittlere logarithmische Temperaturdifferenz der fluiden Medien [K]
Wärmeübertragungsleistung:
Q = m • c • Δϑa
Q
= Wärmestrom
[W]
m
= Massenstrom im Mantelraum
[kg/s]
c
= Wärmekapazität des Fluids
[J/kg
K]
Δϑa
= Temperaturdifferenz im Mantelraum von Ein- und Austritt
[K]
k-Wert
Der Wärmedurchgangskoeffizient k kennzeichnet den Wärmestrom, der pro Zeiteinheit in einem Wärmeaustauscher von 1m² Austauschfläche bei 1 Grad Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien übertragen wird.
Bei einschaligen Rohren wird der k-Wert nach folgender Gleichung vereinfacht berechnet:
k=
1
1
αi
•
⎛d ⎞ 1
da
da
+
• ln⎜⎜ a ⎟⎟ +
+ f
d i 2 • λW
⎝ di ⎠ α a
k
= Wärmedurchgangskoeffizient
αi/a
= Wärmeübergangskoeffizient innen bzw. außen
λW
= Wärmeleitkoeffizient der Rohrwand
da
= Außendurchmesser des Rohres
di
= Innendurchmesser des Rohres
f
[W/m² K]
[W/m² K]
[W/m K]
[m]
[m]
= Fouling-Faktor
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9.3 Bauarten
Je nach Betriebsweise und Stömungsrichtung der Medien unterscheidet man:
- Gegenstromrekuperatoren
- Kreuzstromrekuperatoren
- Gleichstromrekuperatoren
Die Übertragung der Wärme ist bei einem Gegenstromrekuperator am besten gewährleistet, beim Gleichstromrekuperator wird die Wärme dagegen nicht so gut übertragen. Der Kreuzstromrekuperator liegt mit seiner Leistung zwischen den beiden
anderen Bauarten.
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