auslegung von sicherheitsventilen bei … 3, auslegung.pdf · prozess-folie 1 sicherheit automation...

Folie 1Prozess-Sicherheit

Automation & DrivesSolution Process IndustriesWorkshop der SGVC, Grenzach, 02.12.2004

Auslegung von Sicherheitsventilen bei Zweiphasenströmungen

13:30 Begrüssung und Einleitung (Dr. Nagel)

13:40 Gesetzliche Grundlagen zur Auslegung von Sicherheitsventilen

14:00 Ermittlung von Stoffwerten und reaktionsspezifischen Kenngrößen

14:30 Strömungsformen im Reaktor (Auslegung für Ein- oder Zweiphasenströmung)

15:00 Pause

15:15 Auslegung des Entlastungsquerschnitts mit der DIERS-Methode

15:45 Bauarten von Sicherheitsventilen und deren Spezifikation

16:15 Übung / Beispiel zur Auslegung eines Sicherheitsventils

16:45 Ende des Seminars

Dr.-Ing. Frank WestphalSiemens A&D SP Prozess-Sicherheit Telefon +49 (0) 69 305 5777Industriepark Höchst, Geb. C 487 Fax +49 (0) 69 305 25609 D-65926 Frankfurt email [email protected]


Automation & DrivesSolution Process Industries

Methoden zur Auslegung von Druckentlastungseinrichtungen

Druckaufbaudurch Explosion

(Staub oder Gas)

Druckaufbau durchDurchgehende Reaktion,

Fehlbeheizung

Ziel: Kompensation von Druckanstieggeschwindig-

keiten ~ 100 bar/s

Ziel: Kompensation von Druckanstieggeschwindig-

keiten ~ 1 bar/s

DynamischeSimulation

z.B. SAFIRE

Simulation mit CFD-Programmen

z.B. FLACS

EmpirischeModelle

z.B. von Bartknecht

Quasi-StationäreMethoden

z.B. VSSP, RMS



Berechnung des mindestens erforderlichen Entlastungsquerschnittseines Sicherheitventils oder einer Berstscheibe

idealGmA

⋅=

α

*

mit

m* abzuführender Massenstrom [kg/s]Gideal abführbare Massenstromdichte [kg/(m²s)]α Ausflußziffer [-]

A Entlastungsfläche [m²]



Abzuführender Dampfmassenstrom bei Druckaufbau durch Dampfdruck

vhqm

∆=*

q : zugeführte Wärmeleistung [W]∆hv : Verdampfungswärme [J/kg]

TAkq ∆⋅⋅=

adiabatp dt

dTcMq ⋅⋅=

abzuführender Dampfmassenstrom [kg/s]

externe Beheizung:

M : Masse im Behälter [kg] cp : spezifische Wärmekapazität [J/(kg K)]Stoffwerte beim Ansprechdruck, Gemischstoffwerte

exotherme Reaktion:

k : Wärmedurchgangskoeffizient [W/(m²K)]A : Wärmeübertragungsfläche [m²]∆T : Treibende Temperaturdifferenz [K]



Berechnung des mindestens erforderlichen Entlastungsquerschnitts

idealGmA

⋅=

α

*

mit





Berechnung der abführbaren Massenstromdichte Gideal: Ausflußfunktion

002 ρψ ⋅⋅⋅= pGidealψ

ρp0

0

: Ruhedruck im Behälter

: Dichte im Behälterbei Flüssigkeiten (AD-A2)

bei Gasen(AD-A2 unterkrit.Strömung)

ψ = −1 0p pa /

ψ κκ

κκκ

=−

⋅⎛⎝⎜

⎞⎠⎟ −

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎛

⎝

⎜⎜⎜

⎞

⎠

⎟⎟⎟

+

1 0

2

0

1

pp

pp

a a pa

κ: Gegendruck

: Isentropenexponent

bei Dampf/Flüssigkeitsgemischen (DIERS)

[ ]ψ ω ω ω

ψ ω

= + ⋅ − ⋅

=

0 428 0 0959 0 00926

0 467

2

0 39

, , ln , (ln ) /

, / ,

ωω

><

44

)()(

000,0,00 0,0,

0,0,)1(fg

fg

hhvv

pff pTc −−⋅⋅⋅⋅⋅−+= ρεεω

FD

D

VVV+

=0ε



Modelle zur Berechnung der kritischen Massenstromdichte bei Zweiphasenströmung

Thermodynamisches UngleichgewichtThermodynamisches Gleichgewicht

Fluiddynam. Ungleichgewicht

Fluiddynam.Gleichgewicht

Fluiddynam. Gleichgewicht

Fluiddynam. Ungleichgewicht

Homogenes Gleichgewichts-modellz.B. ω-Modell nach DIERS Siedeverzugs-

modellez.B. Henry-Fauske

Schlupfmodellez. B. Moody

Siedeverzug Keine Ver-dampfung

Vollständige Ungleich-gewichts-modellez.B. 2-Fluid-Modelle

Frozen-FlowModell



FD

D

MMMx

+=0

Stagnationsmassen-dampfgehalt

Mit verschiedenen Modellen berechnete Massenstromdichten für die Strömung von verdampfendem Kältemittel R12 durch eine Blende in Abhängigkeit vom Dampfgehalt vor der Ausströmöffnung



Wiedergabegenauigkeit von gemessenen Massenstromdichten mit dem HEM und dem Henry-Fauske-Modell nach Lenzing, Friedel



Berechnung der Massenstromdichte mit dem homogenen Gleichgewichtsmodell

Benötigte Stoffwerte für Flüssigkeit und Dampf/Gas

Dampfdrücke (p)Enthalpien (h)Spezifische Volumina (v)Entropien (s)

in Abhängigkeit von Druck bzw. Temperatur, da Zustand „c“ im kritischen Querschnitt zunächst unbekannt

cphcph vhhG ,2,20 /)(2 −⋅=

cfcgcph hxhxh ,*

,*

,2 )1( ⋅−+⋅=

cfcgcph vxvxv ,*

,*

,2 )1( ⋅−+⋅=

)()()(

,,

,0,0,0,*

cgcf

cfffg

ssssss

x−

−+−=

0/ =cdpdG Iterative Lösung über Variation von pcfür gegebenes p0, x0



Berechnung der Massenstromdichte mit dem DIERS-ω-Modell von J.C. Leung

Iterative Lösung über Variation von pc für gegebenes p0, ε0

ω/00

0⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅=

pp

vpG c

01221)2(0

2

0

22

0

22

0

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅⋅+⋅⋅+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅⋅−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛pp

pp

pp

pp cccc ωωωω

)()(

000,0,00 0,0,

0,0,)1(fg

fg

hhvv

pff pTc −−⋅⋅⋅⋅⋅−+= ρεεω

FD

D

VVV+

=0ε

VolumetrischerDampfgehalt

Benötigte Stoffwerte für Flüssigkeit und Dampf/Gas : Dampfdruck (p)Spezifische Volumina (v)Verdampfungsenthalpie (h)

nur für den Ruhestand „0“ im Behälter Spezif. Wärmekapazität (cpf)



Bedeutung des ω-Parameters von J.C. Leung

)()(

)1(0,0,

0,0,000,0,00

fg

fgpff hh

vvpTc

−

−⋅⋅⋅⋅⋅−+= ρεεω

Für verdampfende Stoffsysteme (flashing systems)

Für nicht-verdampfende Stoffsysteme (non-flashing systems)

0εω =

110

0

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅=

c

c

pp

vv ω

Herleitung aus Zustandsgleichung für Änderung vom Ruhezustand im Behälter bis auf kritischen Strömungsquerschnitt

Mit dem ω-Parameter wird die anfängliche Kompressibilität des Gemischs im Behälter und die Zunahme infolge des Phasenübergangs beschrieben




idealGmA⋅

=α

*

mit




Automation & DrivesSolution Process IndustriesAusflußziffer α von Sicherheitsventilen

Gideal = Massenstromdichte in idealer, reibungsfreier Düse

Reale Strömung durch Sicherheitsventil mit Druckverlusten durchStrömungseinschnürung, Umlenkungen etc.

Meßwerte vom SicherheitsventilherstellerGase/Dämpfe α

αg

fFlüssigkeiten

Empirische Beziehung von Lenzing/Friedel (gilt nur in Verbindung mit homogenen Modell für Massenstromdichte)

Zweiphasenströmung α ε α ε α2 1ph f g= − ⋅ + ⋅( )ε : volumetrischer Gasgehalt


Automation & DrivesSolution Process IndustriesAusflußziffer α von Sicherheitsventilen

Aktuelle Diskussion in der Fachliteratur in den USA

Ron Darby: On two-phase frozen and flashing flows in safety relief valves. Recommended calculation method and the proper use of the discharge coefficientJ. Loss Prevention in the Process Industries 17 (2004), S. 255-159

Unterkritische Zweiphasenströmung : α2ph = α FlüssigkeitKritische Zweiphasenströmung: α2ph = α Gas

J.C. Leung: A theory on the discharge coefficient for safety relief valveJ. Loss Prevention in the Process Industries 17 (2004), S. 301-313

αFlüssigkeit < α2ph < αGas für nicht-verdampfende Strömung (Luft/Wasser)und αGas < α2ph < 1 für verdampfende Strömung (Wasser-Wasserdampf)

Das vorgeschlagene Modell basiert auf DIERS-ω-Methode und komplizierten in Diagrammform dargestellten Ausflussziffern, die aus dem Braggs-Modell (1960 !!) für Blendenströmung abgeleitet sind.




idealGmA⋅

=α

*

mit





Annahmen, Vereinfachungen und Gültigkeitsgrenzen derDIERS-Methode



SAFIRE: Programm zur dynamischen Simulation von Druckentlastungsszenarien nach DIERS-Methodik

S ystemA nalysisF orI ntegratedR eliefE valuation

BerechnungenInput Output

• Massen/Energie-Bilanzen• Gleichgewichtsmodelle

(VLE / VLLE)• Reaktionskinetik-Modelle• 1-/2-Phasen-Strömung• Aufwallmodelle

Behälter-Charakteristika

Chemisches System

Reaktions-Charakteristika

Entlastungs-Einrichtung

Typ, Geometrie, Beheizung...

Komponenten, Massen ..

Kinetik,Reakt.-Gleichng,hr

BS, SV, Zu-/Abblaseleitung,Rückhaltesystem/Quencher

Druck

Temperatur

AbgeführterMengenstrom

Dampf/Flüssig Verhältnis

MassenStoffanteile

= f (Zeit)


Automation & DrivesSolution Process IndustriesDurchgehende Veresterung im Technikumsreaktor

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 5 10 15 20 25Zeit [s]

Dru

ck [b

ar] Essigsäureanhydrid-Methanol

Veresterung:Reaktorvolumen : 105 LAuffangbehältervolumen : 2300 LEntlastungsquerschnitt : 27 mmAnsprechdruck : 7,5 barEntlastungsfüllgrad : 66%

ReaktorMessung

ReaktorRechnung

AuffangbehälterRechnung

AuffangbehälterMessung

Gemessener und mit SAFIRE berechneter Druckverlauf im Reaktor und im Auffangbehälterbei Druckentlastung einer durchgehenden Essigsäureanhydrid-Methanol Veresterung



Folie 24


Automation & DrivesSolution Process IndustriesAuslegung von Sicherheitsventilen

Schritt 3: Festlegung Strömungsform

Schritt 5: Prüfung Abblaseleitung

Schritt 6: Prüfung gefahrlose Ableitung

Schritt 2: Daten-, Informationsbeschaffung

Schritt 7: Dokumentation

Schritt 1: Festlegung Auslegungsfälle

Schritt 4: Auslegung Entlastungsquerschnitt


Automation & DrivesSolution Process IndustriesDruckverluste in Sicherheitsventil-Abblaseleitung

AbströmleitungHerstellerangabe: Gegendruck < 15% vom Ansprechdruck

sonst Verringerung Abblaseleistung und Ventilflatternd.h - So kurz und gerade wie möglich

- Nennweite i.d. Regel 1-2 DN größer als SV-Austritt- Komplexe Berechnung erforderlich (Flowmaster, HTFS-Pipe)

- bei mehrfachen kritischen Strömungsquerschnitten - Mehrphasenströmung- Leitung mit Querschnittsänderungen

- Gegendruck von Auffangsystemen beachten- Evtl. SV mit Ausgleichsfaltenbalg einsetzen (bis 40%)

ZuströmleitungAD-A2: Druckverlust < 3% vom Ansprechdruck

sonst Gefahr Ventilflatternvorerst auch für Zweiphasenströmung

d.h. - So kurz und gerade wie möglich- Wechselventile zwei DN größer als DN Zuleitung- Druckverlust Schutzberstscheibe beachten



Äquivalenter Widerstandsbeiwertfür eine gerade Rohrleitung mit konstantem Durchmesser

ζ = Σ (λ· l/d + ζi)

mit λ = 0.02 (bzw. f = 0.005)

auslegung von sicherheitsventilen bei … 3, auslegung.pdf · prozess-folie 1 sicherheit automation...

Documents