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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

Strömungsformen im Reaktor

- Zweiphasenströmung

- Aufwallmodelle

- Gas/Dampfgehalt abhängig von• Blasenentstehung• Viskosität• Schaumfähigkeit• Geometrie• Füllgrad



Idealisierte thermohydraulische Zustände bei der Druckentlastung

Druckaufbau imgeschl. Behälter

GasentspannungSiedeverzug

Aufwallen desReaktorinhalts

Absenkung desFlüssigkeitsspiegels

zweiphasigesAbströmen

Ende derEntspannung



Auslegung für Einphasenströmung nicht konservativ

Beispiel: Polymerisationsreaktor

Fluidzustand Erforderlicher Ventilsitz-Durchmesser

Gas/Dampf 57 mmFlüssigkeit 54 mmZweiphasenströmung 107 mm



Zweiphasenströmung:

Mit zunehmendem Flüssigkeitsgehalt nimmt der Dampfmassenstrom be-zogen auf den Gesamtmassenstrom ab

d.h. „Kühlleistung“ durch Verdampfung nimmt ab


Automation & DrivesSolution Process IndustriesAufwallen bei äußerer Wärmezufuhr (Feuer, Heizmantel)

2ph-Strömung bei:

- hohen Füllgraden(> 95%)

- schäumenden Medien


Automation & DrivesSolution Process IndustriesAufwallen bei innerer Wärmeproduktion (chem. Reaktion)

2ph-Strömung schon bei niedrigeren Füllgraden

abhängig von:

- Schaumbildungsneigung

- Viskosität

- Gas-/Dampfproduktionsrate(Leerrohrgeschwindigkeit)


Automation & DrivesSolution Process IndustriesSchaumbildungsneigung

Wasser Iso-Propanol ReaktionsgemischPolymerisation



Kühler

Kühlwasser

Rückfluss-mengen

messeinheit

Rücklaufleitung

Wärme-trägeröl

Schäumend ?

• Aussage anhand physikal.oder chemischer Stoffwertebislang nicht möglich

• Betriebserfahrung

• oftmals spezielle Experimenteerforderlich

– Blasensäule– RSST– VSP


Automation & DrivesSolution Process IndustriesSchaumhöhenmessung in der Blasensäule


Automation & DrivesSolution Process IndustriesEinfluß der Viskosität auf das Aufwallverhalten

• höhere Viskosität behindert dasAufsteigen der Dampfblasen⇒ größerer Flüssigkeitsmitriß

• zur Zeit noch Gegenstand derForschung (z.B. EU-ProjekteINNOVATOR und HIVES)

• Faustformel für η > 100 mPas:2-phasig bei Füllgraden > 20%

Massenaustrag Wasser / Luviskol-Gemisch


Automation & DrivesSolution Process IndustriesIdealisierte Darstellung der Modelle für den Aufwallvorgang


Automation & DrivesSolution Process IndustriesStrömungsmassengasgehalt

Energiebilanz

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−+∆⋅⋅−+=⋅⋅

•••

fg

fDVERWp vv

vxhAGQQ

dtdTcM

••

gD xxG ,,

EA

WQ•

RQ•

Einfachstes Modell zur Berechnung des Dampfgehalts:

Homogene Gas/Flüssigkeitsverteilung

Mittleres spez. Volumen Strömungsmassengasgehalt

MVv beh

=00,0,

0,0

fg

f

vvvvx−−

=•

Führt zu höchsten Flüssigkeitsanteilen und damit niedrigsten Gasgehalten (geringste Kühlwirkung)



Kenngrößen für die Phasenseparationsmodellenach DIERS (churn-turbulent, bubbly flow)

Gasleerrohrgeschwindigkeit im Behälter Blasenaufstiegsgeschwindigkeit

u M

Dg

g R

0

02

4

=⋅ ⋅

.

ρπ

u Kg f g

finf inf

.

.

( ( ))= ⋅

⋅ ⋅ −σ ρ ρ

ρ0 0

0 25

00 5

1.18) :Bubbly 1.53; :Turbulent-(Churn Konstante : Km/s²) (9,81 enskonstantGravitatio : g

[N/m] nspannungOberfläche : [kg/m³] tsdichteFlüssigkei :

[kg/m³] ichteGas/Dampfd : [m]rchmesser Behälterdu : D

[kg/s] mMassenstror Abführbare :

inf

f0

g0

R

.

σρ

ρ

M



Grenzfüllgrade für reine Dampfströmung in Abhängigkeit von der bezogenen Dampfleerrohrgeschwindigkeit


Automation & DrivesSolution Process IndustriesEntscheidungshilfen: Ein- / Zweiphasenströmung?

(dampfraumseitige Druckentlastung stehender, zylindrischer Behälter)

• Schaumbildende Systeme ⇒ nahezu immer 2ph-Strömung⇒ homogenes Aufwallen / vereinfachtes Schaummodell

• Hochviskose Systeme (> 100 mPas) ⇒ 2ph-Strömung bei Füllgraden > 20%⇒ Bubbly Flow

• Nichtschäumende, niedrig viskose Systeme mit gleichmäßigerBlasenentstehung in Flüssigkeit, z.B. chemische Reaktion ⇒ 2ph-Strömung bei Füllgraden > 70%⇒ Churn - Turbulent

• Nichtschäumende, niedrig viskose Systeme mit ungleichmäßigerBlasenentstehung, z.B. Beheizung über Wand ⇒ 2ph-Strömung nur bei Füllgraden > 95 %⇒ i. d. R. reine Dampfströmung, ansonsten Churn - Turbulent

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