View
223
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
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 frank.westphal@siemens.com
Folie 2Prozess-Sicherheit
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
Folie 4Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
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]
Folie 5Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
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]
Folie 7Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
Berechnung des mindestens erforderlichen Entlastungsquerschnitts
idealGmA
⋅=
α
*
mit
m* abzuführender Massenstrom [kg/s]Gideal abführbare Massenstromdichte [kg/(m²s)]α Ausflußziffer [-]
A Entlastungsfläche [m²]
Folie 8Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
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
Folie 9Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
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
Folie 10Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
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
Folie 12Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
Wiedergabegenauigkeit von gemessenen Massenstromdichten mit dem HEM und dem Henry-Fauske-Modell nach Lenzing, Friedel
Folie 13Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
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
Folie 14Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
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)
Folie 15Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
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
Folie 17Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
Berechnung des mindestens erforderlichen Entlastungsquerschnitts
idealGmA⋅
=α
*
mit
m* abzuführender Massenstrom [kg/s]Gideal abführbare Massenstromdichte [kg/(m²s)]α Ausflußziffer [-]
A Entlastungsfläche [m²]
Folie 18Prozess-Sicherheit
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
Folie 19Prozess-Sicherheit
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.
Folie 20Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
Berechnung des mindestens erforderlichen Entlastungsquerschnitts
idealGmA⋅
=α
*
mit
m* abzuführender Massenstrom [kg/s]Gideal abführbare Massenstromdichte [kg/(m²s)]α Ausflußziffer [-]
A Entlastungsfläche [m²]
Folie 21Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
Annahmen, Vereinfachungen und Gültigkeitsgrenzen derDIERS-Methode
Folie 22Prozess-Sicherheit
Automation & DrivesSolution Process Industries
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)
Folie 23Prozess-Sicherheit
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 25Prozess-Sicherheit
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
Folie 26Prozess-Sicherheit
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
Recommended