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]
Folie 2Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
Strömungsformen im Reaktor
- Zweiphasenströmung
- Aufwallmodelle
- Gas/Dampfgehalt abhängig von• Blasenentstehung• Viskosität• Schaumfähigkeit• Geometrie• Füllgrad
Folie 3Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
Idealisierte thermohydraulische Zustände bei der Druckentlastung
Druckaufbau imgeschl. Behälter
GasentspannungSiedeverzug
Aufwallen desReaktorinhalts
Absenkung desFlüssigkeitsspiegels
zweiphasigesAbströmen
Ende derEntspannung
Folie 4Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
Auslegung für Einphasenströmung nicht konservativ
Beispiel: Polymerisationsreaktor
Fluidzustand Erforderlicher Ventilsitz-Durchmesser
Gas/Dampf 57 mmFlüssigkeit 54 mmZweiphasenströmung 107 mm
Folie 5Prozess-Sicherheit
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Zweiphasenströmung:
Mit zunehmendem Flüssigkeitsgehalt nimmt der Dampfmassenstrom be-zogen auf den Gesamtmassenstrom ab
d.h. „Kühlleistung“ durch Verdampfung nimmt ab
Folie 6Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process IndustriesAufwallen bei äußerer Wärmezufuhr (Feuer, Heizmantel)
2ph-Strömung bei:
- hohen Füllgraden(> 95%)
- schäumenden Medien
Folie 7Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process IndustriesAufwallen bei innerer Wärmeproduktion (chem. Reaktion)
2ph-Strömung schon bei niedrigeren Füllgraden
abhängig von:
- Schaumbildungsneigung
- Viskosität
- Gas-/Dampfproduktionsrate(Leerrohrgeschwindigkeit)
Folie 8Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process IndustriesSchaumbildungsneigung
Wasser Iso-Propanol ReaktionsgemischPolymerisation
Folie 9Prozess-Sicherheit
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Kühler
Kühlwasser
Rückfluss-mengen
messeinheit
Rücklaufleitung
Wärme-trägeröl
Schäumend ?
• Aussage anhand physikal.oder chemischer Stoffwertebislang nicht möglich
• Betriebserfahrung
• oftmals spezielle Experimenteerforderlich
– Blasensäule– RSST– VSP
Folie 10Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process IndustriesSchaumhöhenmessung in der Blasensäule
Folie 11Prozess-Sicherheit
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
Folie 12Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process IndustriesIdealisierte Darstellung der Modelle für den Aufwallvorgang
Folie 13Prozess-Sicherheit
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)
Folie 14Prozess-Sicherheit
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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
Folie 15Prozess-Sicherheit
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Grenzfüllgrade für reine Dampfströmung in Abhängigkeit von der bezogenen Dampfleerrohrgeschwindigkeit
Folie 16Prozess-Sicherheit
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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