Parametry czynnika roboczego i ich znaczenie w doborze zbiornika chemoodpornego

Projektując i dobierając zbiornik bezciśnieniowy na chemikalia szczególną uwagę zwracamy na parametry czynnika roboczego, czyli medium z jakim będzie pracował zbiornik magazynowy lub procesowy.

Ważną rolę odgrywają takie dane, jak:

• nazwa handlowa, wzór chemiczny oraz skład procentowy,
• stężenie oraz gęstość substancji czy też mieszaniny,
• temperatura medium.

Poniżej omówiliśmy najważniejsze zagadnienia na które wpływ mają parametry substancji chemicznej lub ich mieszaniny, tj.:

• rodzaj tworzywa, z jakiego zostanie wyprodukowany zbiornik,
• grubość materiału poszczególnych partii zbiornika,
• technologia produkcji,
• podległość pod dozór UDT,
• dodatkowe wyposażenie zbiornika (izolacja).

Parametry medium wpływają na dobór tworzywa w zależności od jego odporności chemicznej

Odporność chemiczna materiału ma bezpośrednie przełożenie m.in. na długookresową wytrzymałość zbiornika, ryzyko ewentualnej degradacji tworzywa czy utleniania. Weryfikacja odporności tworzywa na daną substancję dokonywana jest w oparciu o tabele odporności chemicznej, z których można korzystać dzięki dedykowanym aplikacjom oraz poradnikom dostawców materiałów pierwotnych lub półproduktów z tworzyw sztucznych.

Przykład odporności chemicznej tworzyw na wybrane substancje

Nazwa związku	Stężenie	Odporność materiału
		PE80/ PE100	PP-H	PVC-NI	PVDF
Chlorek żelaza (III)	45%	●	●	●	●
Ług sodowy	60%	●	●	●	○
Koagulanty glinowe	–	●
Koagulanty żelazowe	–	●
Kwas azotowy	65%	/	–	○	●
Kwas fosforowy (VI)	85%	●	●	●	●
Kwas mrówkowy	85%	●	●	●	●
Kwas siarkowy	80%	●	●	●	●
Kwas siarkowy	98%	/	/	●	●
Kwas solny	37%	●	●	●	●
Mleko wapienne	–	●	●	●	●
PAX-18	–	●
PAX-20	–	●
PIX-113	–	●
Polielektrolit	–	●	●	●	●
Podchloryn sodu	13%	○	○	●	○
Roztwór NaCl	nasycony	●	●	●	●
Węglan sodu	–	●	●	●	○
Woda	–	●	●	●	●
Woda DEMI	–	●	●	●	●

LEGENDA:
●    odporny
/     warunkowo odporny
○    odporny, możliwość wystąpienia spękań naprężeniowych
–     nieodporny
brak znacznika oznacza, że materiał nie był testowany na odporność w stosunku do przywołanego medium
    

Odporność chemiczna tworzyw PE i PP na grupy związków i mieszanin związków chemicznych

Temperatura i gęstość substancji warunkują grubość materiału poszczególnych partii zbiornika

Gdy mamy już wybrane tworzywo odporne na daną substancję, przechodzimy do obliczeń statyki konstrukcji. W tym przypadku parametry medium warunkują grubość zastosowanego materiału cylindra, ścianek oraz dna projektowanego zbiornika (wraz ze wzrostem temperatury znacznie zmienia się elastyczność materiału, w związku z czym dla zachowania odpowiedniej statyki konstrukcji stosuje się większe grubości ścianek).

W pewnych warunkach bywa to nieracjonalne ekonomicznie, dlatego jeśli to możliwe, to dla podwyższonych temperatur preferujemy wybór znacznie sztywniejszego tworzywa, jakim jest np. PP-H (moduł elastyczności/sprężystości E dla PP-H AlphaPlus mierzony według DIN EN ISO 527 wynosi aż 1700 MPa w porównaniu do PE 100, dla którego jest to wartość 1100 MPa) lub stosowanie konstrukcji kompozytowych (poliestrowych/winyloestrowych wraz z zbrojeniem włóknem szklanym) z warstwą wykańczającą chemoodporną, ewentualnie systemu hybrydowego: kaszerowanego linera z tworzywa + konstrukcji z kompozytu.

Dodatkowo warto wspomnieć o tym, że gęstość substancji wpływa na siły powstające zwłaszcza w dolnych partiach zbiornika.

Dane o medium determinują technologię produkcji zbiornika chemoodpornego

W wielu procesach technologicznych wykorzystywane są substancje o znacznym stężeniu i gęstości oraz wysokiej temperaturze pracy. Gdy dojdą do tego ograniczenia przestrzeni, to przy doborze zbiornika może okazać się, że sama geometria nie pozwoli zachować jego odpowiedniej pojemności.

Z powodu sztywności oraz wysokiej wartości modułu elastyczności poszczególnych rodzajów tworzyw dąży się do ograniczenia powstawania szkodliwych naprężeń wewnątrzmateriałowych w wyniku zwijania arkuszy. Tym samym, poza wpływem parametrów medium na dobór odpowiedniego tworzywa, obliczenia wykonywane w oparciu o normę DVS mogą być decydujące jeśli chodzi o wybór technologii, w jakiej zostanie wykonany zbiornik (tj. technologia AmargTank ClassicWeld^® w której wykorzystuje się gotowe arkusze tworzywa lub technologia nawojowa AmargTank SafeSeamLess^®) – szczegóły znajdziesz na poniższych stronach.

Przykład wpływu parametrów medium chemicznego na sposób wykonania zbiornika w oparciu o obliczenia statyki według normy DVS

• Branża: przedsiębiorstwo chemiczne
• Medium: mieszanina związków ze znaczną ilością kwasu fosforowego o stężeniu 45%
• Temperatura robocza: 80°C (krótkotrwała 85°C)

• Minimalna grubość ścianki zbiornika w oparciu o obliczenia statyki według normy DVS: 40 mm (wskazania i wytyczne w zakresie możliwości wykonania cylindrów z płyt płaskich zawarte są w opracowaniu DVS)

• Możliwa minimalna średnica wykonania cylindra po uwzględnieniu dopuszczalnego wskaźnika wydłużenia struktur krawędziowych ɛ, która pozwoliłaby uniknąć przekroczenia maksymalnych dopuszczalnych sił i naprężeń wewnątrzmateriałowych: 8000 mm
  

Założenia projektu wskazywały na średnicę kilkukrotnie mniejszą, aniżeli wychodzącą z obliczeń. Jeśli chodzi o wykonanie z gotowych arkuszy tworzywa, to maszyna zgrzewająca oraz zwijająca płytę w cylinder umożliwia pracę z arkuszem o grubości nawet 30–50 mm, natomiast skutkiem mogłoby być powstanie nadmiernych naprężeń w przekroju ścianki. To z kolei w perspektywie eksploatacji zbiornika mogłoby prowadzić do pęknięć do kolejnych warstw materiału, całkowitego uszkodzenia ścianek zbiornika, nieszczelnością, a nawet trwałą awarią. Z tego powodu odrzucono wykonanie metodą AmargTank ClassicWeld^®.

Najbardziej racjonalnym rozwiązaniem było wykonanie cylindra technologią beznaprężeniowej ekstruzji wstęgi termoplastycznego tworzywa, czyli metodą nawojową. Daje ona możliwość zastosowania dużych grubości ścianki zbiornika (nawet do 100–140 mm litej ścianki termoplastu) – nawet przy małej średnicy rzędu D = 100–200 cm oraz dużej wysokości (H = 6–10 m). Tym samym technologia nawojowa gwarantuje wykonanie niezwykle wytrzymałego zbiornika z tworzywa o dużej sztywności, przystosowanego do warunków pracy w podwyższonych temperaturach i przy medium o wysokiej gęstości.

Na zdjęciach poniżej widoczne zbiorniki wykonane metodą nawojową.

Rodzaj substancji a zbiorniki magazynowe podlegające pod dozór Urzędu Dozoru Technicznego

W przypadku bezciśnieniowych zbiorników magazynowych kwalifikacja substancji jako bardzo toksycznej, toksycznej, szkodliwej lub żrącej oraz pojemność, w jakiej będzie przechowywana, ma znaczenie jeśli chodzi o tzw. procedurę dozorową (tzn. wpływa na ocenę, czy taki zbiornik będzie podlegał pod dozór Urzędu Dozoru Technicznego). Takie inwestycje wiążą się z odpowiednią ścieżką postępowania, m.in. uzgodnieniem dokumentacji techniczno-projektowej w UDT jeszcze przed rozpoczęciem produkcji.

Więcej szczegółów nt. zbiorników magazynowych dozorowych znajdziesz w na stronie „Zbiorniki magazynowe dozorowe UDT”.

Dodatkowe wymagania pod kątem wyposażenia zbiornika w zależności od specyfiki medium i jego wrażliwości na zmiany temperatury

Warto w tym miejscu wspomnieć również o wrażliwości substancji na zmiany temperatury, która ma znaczenie w przypadku posadowienia zbiorników na zewnątrz obiektów i zastosowania dodatkowego wyposażenia. Dla przykładu możemy wskazać ług sodowy NaOH o stężeniu powyżej 50%, który przy spadku temperatury poniżej 20°C ma tendencję do krystalizacji. Jest to zjawisko niekorzystne i może prowadzić do zmiany przepływów w rurociągach i ich zatykania się.

W przypadku takich zbiorników warto zastosować systemy izolacji termicznej. Zazwyczaj wyposażamy je w redundantny system utrzymywania stałej temperatury czynnika roboczego oparty na dwóch niezależnych chemoodpornych grzałkach elektrycznych, które są montowane we wnętrzu zbiornika (grzałki mają stały kontakt z medium). Dodatkowo należy pamiętać o izolacji rurociągów przesyłowych z zastosowaniem wełny mineralnej i system kabli grzejnych. Zadaniem wspomnianych układów jest podtrzymanie zadanej temperatury. Systemy redundantne zapewniają ochronę w sytuacjach, gdy jeden z nich ulegnie niespodziewanej awarii. Wtedy drugi zapewnia nieprzerwaną pracę układu i ogranicza przestoje produkcyjne.

Standardowo zbiorniki zabezpieczane są przed przemarzaniem, natomiast jako inny przykład możemy wskazać magazynowanie płynu do odladzania clariant. Taki zbiornik izoluje się cieplnie w celu ochrony przed nagrzewaniem się czynnika roboczego, który wraz ze wzrostem temperatury traci swoje parametry i właściwości użytkowe.