Wissenschaftliche Forschungsarbeit 074/74 - Synopse TECHNIK

Festigkeitsberechnung von Kolonnen mittels EDV* Dieter Wustenberg * *

Aus der Sicht der Festigkeitsberechnung unterscheiden sich Kolonnen von allgemeinen Apparaten durch ihre besonderen Dimensionen und Aufstellungsbedingungen. Wesentlich fur eine richtige Dimensionierung ist die Kenntnis der tatsach- lichen Belastungen , die Formulierung der der Konstruktion und Belastung entsprechenden Berechnungsansatze und die Interpretation der Ergebnisse im Hinblick auf schwer erfao- bare Randbedingungen.

Beansprachung der Kolonnen

Aufgrund ihrer Aufstellung, Funktion und Konstruktion werden Kolonnen statisch, dynamisch und cliemisch bean - sprueht.

Statische Beanspruchung ergeben sich 11. a. durch das Ge- wicht der Kolonne und ihrer Ein- und Anbauten, das Ge- wicht der Flussigkeit in der Kolonne und au5ere Einzel- kriifte, z. B. aus Rohranschlussen. Dynamische Beanspru- chung entstehen u. a. durch Windbelastung, Eigenschwin- gungen und instationiire Betriebswrhaltnisse, z. B. Druck- schwanlrungen und Wiirmedehnungen, insbesondere beim Anlaufen und Abschalten der Kolonne. AuBergewohnliche Belastungen wie Probedruck, vollgelaufene Kolonne, Erd- beben usw. sind ebenfalls als Beanspruchung zu beruck- sichtigen. Hinzu kommen chemische Beanspruchiingen durch Korrosionswirkung des Betriebsmediums und der Um- gebungsbedingungen.

Berechnung der Kolonnen

Bei der verfahrenstcchnischen Auslegung der Kolonnen werden die Betriebsbedingungen, wie Driick und Tempera- tur, nnd die Hauptabmessungen, wie Kolonnendurchmesser uud -hohe, die Anzahl der Boden und die Lage der Stutzen festgelegt. Fur die anschlieoende Festigkeitsberechnung ist die Kenntnis der erwahnten Belastungen erforderlich. Sie werden enbprechend ihrem Auftretcn zu einzelnen Be- lastnngsfallen zusammengefaBt. Die Berechnungsansatze stutzen sich im mesentlichen auf die AD-Merkblatter und den ASME Boiler and Pressure Vessel Code. AuBerdem nerden fur spezielle Berechnungen Methoden aus der Fach- literatur hinzugezogen.

Bei der Neuauslegung von Kolonnen beginnt die Dimensio - nierung mit der Berechnung der Wanddicke fur den oberen Boden und Schulj, wobei gewisse Mindestwanddicken vor- gegeben werden. Unter Zugrundelegung der zulassigen Festigkeitswerte werden die einzelnen SchuBlangen berech- net. Erreicht die ,vorhandene Beanspruchung den zulassigen Festigkeitswert, wird die Wanddicke um einen vorgegebenen Wort crhoht und die nachste Schuljliinge bestimmt. Durch einen IterationsprozeB wird die Auslegung im Hinblick auf eine weitgehende Materialausnutzung durchgefuhrt. Bei der

* Vortrag auf dem Dechema-Symposium ,,Reohnergestiitztes Konstruieren im Chemie-Apparatebau", 6./7. Dezember 1973 in Frankfurt/M.

+ * Dr.-Ing. D. Wiistenberg, Fried. Krupp GmbH, Krupp Chemie- anlagenbau, 43 Essen, Limbecker Platz.

Nachrechnung werden die geometrischen Verhaltnisse und Belastungen vorgegeben und die vorhandenen den zulassigen Spannungen gegenubergestellt.

Fur die Pestigkeitsbeurteilung werden die sicli aus den Einzelbelastungen ergebenden Beanspruchungen eines Be- lastungsfalles uberlagert und die Vergleichsspannung nach der GE-Hypothese ermittelt. Dieser Wert wird mit dem zu- liissigen Festigkeitswert verglichen.

Durchfiihrung der Berechnung mittels ED V

Die Berechnung der Kolonne mit Hilfe einer EDV-Anlage dient dem Zweck, zeitraubende Berechnungsvorgange wie z. B. den der Iteration, und die Durchrechnung verschiede- ner Varianten schnell und zuverlassig durchzufuliren. Mit dem derzeit vorhandenen Programm konnen folgende Be- rechnungsparameter berucksichtigt werden :

a) Berechnungsart : Kolonnenauslegung (Wanddicke und SchuBkngen sind unbelrannt) ; Kolonnennachrechnung (Ab- messungen sind bekannt, gesucht ist die Beanspruchung), b ) Belastungsfiille : Wind und Betrieb (Belastung durch Innendruck, Gewichte, Restrohrleitungskrafte und Wind) ; Vakuum (Belastung durch Vakuum, Gewichte, Restrohr- leitungskrafte und Wind) ; vollgelaufene Kolorine und Probe- druck (Belastung durch Probedruck, Gewichte der vollge- laufenen Kolonne und Restrohrleitungskriifte) ; Erdbeben (Belastung durch Innendruck, Gewichte, Restrohrleitungs- krafte und Erdbeben). c) Berechnungsergebnisse : Wand- dicke ; SchuBlange; Gewicht ; Verstarkung an Ausschnitten ; Zarge ; Ankerschrauben ; Durchbicgung, Auslerikurig ; Eigen- schwingung ; Werte fur die Festigkeitsbeurteilung. - Son- derfalle, wie die Berechnung von Schornsteinen oder die Belastung der Kolonne durch besondere Einzelkrafte oder Momente, sind in dem Programm berucksichtipt..

Beurteilung der Rechenergebnisse

Das Programm ist so gestaltet, da13 es dem Ingenieur eine ubersichtliche und. einfache Kontrolle und Weiterverarbei- tung der Ergebnisse ermoglicht . Fur die Zuverlassigkeit der Berechnungswerte ist jedoch die Richtiglieit der Annahmen und der nicht oder nur schwer erfaabaren Belastungs- und Beanspruchungsverhaltnisse sowie die kritische Wahl der Sicherheitszuschlage von entscheidender Bedeutung.

Vorteile der Festigkeitsberechnung von Kolonnen mittels ED V

Das vorhandene Programm ermoglicht eine schnelle und zuverlassige Auslegung bei einem Minimum an erforderliehen Eingabewerten ; eine schnelle und zuverlassige Nachrechnung von Kolonnen, insbesondere bei Variation cler Belastungs- verhaltnisse ; eine Kombination der verschiedensten Be- lastungsarten, wobei auch spezielle Einzelkrafte und -mo- mente berucksichtigt werden konnen ; eine Berucksichtigung unterschiedlicher Berechnungsbeiwerte, wie sie sich aus den verschiedenen in- urid ausliindischeri Normen ergeben.

Eingegangen am 7. Marz 1974

Sckliisselworte: Kolonnen, Destillation, Festiglreitsberechnung, Computer.

Das vollstandige Manuskript dieser Arbeit umfaRt 24 Seiten mit 10 Abbildungen und 10 Literaturzitaten. Es ist als Photokopie oder Mikrofiche M S 074174 erhaltlich. Bestellkarten fiinden Sie in diesem Heft.

Chemie-lng.-Techn. 46. lahrg. 1974 / Nr. TO 437

Seite 438: Anzeige