Zásobníky z nerezavějící oceli pro výrobu a skladování bioetanolu

NEREZAVĚJÍCÍ ZÁSOBNÍKY – VÝBĚR MATERIÁLU
Při projektování ocelových zásobníků se obvykle používá nerezová ocel z důvodů nebezpečí koroze a zvýšených požadavků na čistotu prostředí, pro dobrou funkci technologického procesu. V lihovarech se používají různé typy zásobníků, které souvisí s technologií výroby bioetanolu:

• proces ztekucení suroviny – zásobníky o objemu cca 200 m³, průměr 6 000 mm a výška 8.600 mm,
• proces zcukření suroviny – zásobníky o objemu 900 m³, průměr 10.000 mm a výška 12.500 mm,
• proces fermentace suroviny – zásobníky o objemu 2.000 m³, průměr 14.000 mm a výška 14.000 mm.

Pro správný průběh chemické reakce je u všech tří procesů nezbytně nutné, aby byl vnitřní povrch před zahájením provozu dobře vyčištěn a aby byl dodržován vysoký stupeň čistoty. K tomuto účelu je nejvhodnějším materiálem nerezavějící ocel, i když je nutné počítat s faktem, že cena nerezové oceli je několikrát vyšší než cena oceli uhlíkové.

 
Výstavba závodu na výrobu bioetanolu v Hustopečích u Brna

Cena materiálu tvoří zhruba 50–60 % ceny, a proto správný výběr druhu oceli má velký vliv na celkovou cenu díla. V našem případě byla použita ocel třídy 1.4301, která je asi nejpoužívanějším druhem z řady nerezavějících ocelí. Tento typ oceli můžeme charakterizovat jako austenitickou ocel, s obsahem uhlíku menším než 0,03 % s vyhovující charakteristikou a dobrou svařitelností.

PROJEKTOVÁNÍ
Americká API 650 a evropská EN 14 015 jsou normy, podle kterých jsou projektovány zásobníky z uhlíkové oceli. Petrochemický, chemický a potravinářský průmysl však již řadu let potřebuje nádrže z nerezavějící oceli.

Na výrobu zásobníků v Hustopečích u Brna byla použita nerezová ocel
třídy 1.4301.

Tento fakt přinutil projektanty, aby přizpůsobili existující normy, a tím umožnili použití nerezové oceli. V roce 1998 byla k API 650 připojena příloha S, která řeší projektování zásobníků z austenitické nerezavějící oceli třídy 304, 316 a 317.

Mezi nejdůležitějšími doporučeními, která jsou obsažena v příloze S, patří:

• Seznam vhodných materiálů k výrobě plechů, konstrukcí a potrubí.
• Informace o procesu projektování – je v podstatě stejná, jako v hlavní normě, s tím rozdílem, že při projektování pláště nádrže je potřeba spočítat i koeficient efektivity spojů, který se mění v návaznosti na rozsah objemu rentgenových kontrol svárů pláště.
• Tabulka s dovoleným namáháním a namáhání při mezi kluzu v plášti zásobníků pro různé teploty ocelového materiálů uvedeného v normě. Deformace nerezavějící oceli při namáhání není stejná jako u uhlíkové oceli, neboť nemá přesně vymezenou hranici meze kluzu. Jako alternativa se dá použít „jmenovitá hodnota meze kluzu“ jako mez kluzu. Obvykle se používá hodnota, při které trvalé prodloužení dosáhne 1 %.
• Tabulka, která uvádí hodnoty modulu pružnosti nerezavějících ocelí v závislosti na teplotě.
• Seznam příloh, které vyžadují změny pro práci s austenitickou ocelí.

Evropská norma EN 14 015 obsahuje doporučení v případě použití austenitických ocelí:

• Seznam přijatelných austenitických a austeniticko-feritických ocelí podle EN 10 088
• Dovolená namáhání jsou stanovená projektantem na základě údajů z EN 10 088.
• Ve formě tabulek jsou poskytnuty údaje o minimální přípustné tloušťce dna, pláště a opláštění střechy zásobníků v porovnání s obdobnými požadavky, týkajícími se uhlíkových ocelí.

KONSTRUKCE
Zásobníky byly projektovány a vyrobeny podle normy EN 14 015. Navíc byly splněny i oba velmi důležité požadavky pro budování podobných nádob – aby vnitřní povrch byl perfektně čistý, a aby se maximálně šetřilo materiálem.
S cílem dobře vyčistit a zcela vyprázdnit zásobníky během provozu byla dna navržena s 5° jednosměrným sklonem a vyprazdňování se provádí otvorem pod úrovní dna v jeho nejnižším bodě. Jednotlivé plechy dna byly svařeny tupým spojem na podložný pásek. Tímto způsobem svařování se docílilo rovnějšího povrchu dna.

Dokončená výstavba závodu na výrobu bioetanolu v Trmicích u Ústí nad Labem

I když nádrže byly relativně malé, střechy byly navrženy jako sférické, protože při zvýšeném vnitřním tlaku, jako tomu bylo v našem případě, je tento typ střech vhodnější. U sférických střech jsou přechody mezi jednotlivými elementy plynulé, což znamená lepší rovinnost povrchu. Za stejným účelem dosažení maximální rovinnosti povrchu bez výstupků byla i nosná konstrukce střechy postavena nad krycími plechy tj. z vnější strany střechy.
Pro výrobu den byly použity plechy o tloušťce 4 mm a pro plášť – plechy o tloušťce 4 až 8 mm. Podle výpočtové metody by měly být tloušťky horních lubů nižší, ale byla použita minimálně přípustná tloušťka podle EN 14 015.
U zásobníků, které jsou posuzovány jako tenkostěnné skořepinové konstrukce, je ztráta stability rozhodujícím parametrem při stanovení tloušťek pláště. Plášť má relativně velkou odolnost vůči tažným silám, ale kvůli malé tloušťce plechu je velice náchylný k deformaci.
Kromě ztráty stability prázdné nádrže během exploatace (pro tento případ je zásobník kontrolován už v procesu projektování), je dalším nejnebezpečnějším obdobím pro nádrže proces výroby, dopravy a montáže. V některých případech se, na základě zkušenosti konstruktéra, a vzhledem k výše uvedeným rizikům, používají větší tloušťky plechu než je stanoveno výpočtem.
Úspora nerezového materiálu je možná, když nosné konstrukce střechy navrhneme z uhlíkové oceli. Střechy všech nerezových zásobníků vybudovaných v Trmicích a Hustopečích mají toto provedení – nosná konstrukce střechy je z uhlíkové oceli a je situována nad opláštění střechy, které je z nerezových plechů.

POVRCHOVÁ ÚPRAVA NEREZAVĚJÍCÍCH ZÁSOBNÍKŮ
Pro zajištění maximálně hladkého vnitřního povrchu v rámci technologických možností, se provádí vyčištění a posléze zabroušení a přeleštění celé vnitřní plochy nádrže, v souladu s požadavky na dodržení kvality skladovaného media a probíhajícími procesy.
Provede se také vyčištění vnějšího povrchu zásobníků. Čištění se provádí pomocí nerezavějících drátových kartáčů, které odstraňují strusku, zbytky po svařování a ostatní nečistoty. Po zpracování oceli je nezbytně nutné, aby byly odstraněny všechny volné částečky kovu a ostatní zbytky po obrábění a montáži, protože jsou potencionálním ohniskem vzniku koroze.

Zásobníky byly projektovány a vyrobeny podle normy EN 14 015.

Povrchní plochy musí být hladké, světlé a čisté s tím, že vnitřní povrch nádrží musí splňovat požadavek na drsnost RA 1,6, což vyžaduje dodatečné broušení a leštění vnitřních svárů. Dále pásmo kolem všech svarů je ošetřeno mořením.
Povrchová úprava zásobníků vyžaduje značné úsilí. To platí zvlášť pro zásobníky, ve kterých se skladují produkty vyžadující vysokou čistotu vnitřního prostředí.
Jsou přípustné různé kombinace při čištění a různé stupně leštění povrchu zásobníků. V souvislosti s tím existují softwarové programy, které na základě požadované kvality povrchu, jíž je třeba docílit, vypočítají odpovídající postup a náklady.

ZÁVĚR
Přestože společnost OKZ Holding disponuje dlouholetými zkušenostmi v projektování a výstavbě ocelových zásobníků, včetně nerezového provedení, specifické požadavky na kvalitu vnitřního povrchu nádrží za účelem dosažení vyššího stupně čistoty si vyžádaly úpravu stávajících výrobních postupů. Například bylo třeba konstrukčně a později i technologicky vyřešit kombinaci nerezavějící a uhlíkové oceli použité na nosné konstrukci střech a následné provedení povrchové úpravy.
Úspěšné vyřešení těchto problémů obohatilo naši společnost o důležité zkušenosti a přispělo k vybudování dobře fungujících zásobníků. Technické provedení a jeho kvalitu ocenili jak tuzemští zákazníci, tak také zástupci zahraničního licenzora.

Autor

• Ing. Dinčeva Tonja