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Lunch & Learn 17.10.2013Auslegungsfälle, benötigte (Labor)-Daten, Auslegung des passenden Sicherheitsventils Th. Paesch

Frei verwendbar / © Siemens AG 2013. Alle Rechte vorbehalten.Seite 2 Lunch & Learn 17.10.2013

Resümee

Dokumentation

SV-Zubehör

SV-Installation

Berechnungen

Einsatzbereiche

Grundfunktion

Aussehen und Aufbau

Definition Sicherheitsventil

Chemische Reaktion

Daten zur Ventilauslegung

Szenarien / Auslegungsfälle

SV: Warum?

Wozu wird ein Sicherheitsventil eigentlich benötigt?

Fotos: www.fireworld.at sowie http://de.wikipedia.org


Resümee

Dokumentation

SV-Zubehör

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Berechnungen

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Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Chemische Reaktion



SV: Warum?

Absicherungsobjekte und Notwendigkeitsermittlung

Absicherung von …• Transportbehältern• Lagerbehältern (meist Behälter mit geringem zulässigen Überdruck)• Dampfkesseln• Reaktionsbehältern• Rohrleitungen

Woher weiß man, dass ein Sicherheitsventil benötigt wird?• Vorgabe des Apparate- bzw. Geräteherstellers• Aus Sicherheitsgesprächen• Aus detaillierten Gefährdungsanalysen (z.B. HAZOP)


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Chemische Reaktion



SV: Warum?

Ursachen für Überdruck-Szenarien (Auslegungsfälle)

Wichtige Beispiele

• Blockierte bzw. geschlossene Ableitung • Thermische Expansion (Gas / Flüssigkeit)• Chemische Reaktion / Durchgehreaktion• Rohrbruch bei Wärmetauschern• Externes Feuer, auch „Brandfall” genannt • Störung des Kühlungssystems / Kühlungsausfall• Störung der Zudosierung (Regelventilversagen)• Regelungsversagen (zwei Pumpen statt einer)• …

Identifikation vonÜberdruck-Szenarien,siehe z.B.:

• ISO 4126-10 - Safety devices for protection against excessive overpressure – Part 10:„Sizing of safety valves for gas/liquid two-phase flow“(Annex A: Identification of sizing scenarios)

• API Standard 521 / ISO 23251(Abschnitt 4 liefert einen detaillierten Leitfaden für Überdruckgründe)

Jedes der Ereignisse kann einzeln und getrennt von den anderen vorkommen. Sie können aber auch gleichzeitig stattfinden.


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Grundfunktion

Aussehen und Aufbau


Chemische Reaktion



SV: Warum?

Notwendige Daten zur Sicherheitsventil-Auslegung (eine Auswahl)

Prozessdaten• Temperatur / Druck• Zusammensetzung• Heizmedium• Füllgrad• Fahrweise

Stoffdaten• Dampfdrücke • Dichten• Viskositäten• Gemischstoffwerte• Reaktionskenndaten

Apparatedaten• Volumen• Max. Behälterdruck• Heizflächen• Werkstoff• Förderleistung Pumpe

Sicherheitsventil-Daten• Hersteller• Durchmesser• Ansprechdruck• Sitzdurchmesser• Ausflussbeiwerte• Sonderausrüstungen

Isometrie Zu- & Abblaseleitung• Durchmesser / Länge• Höhenunterschiede• Anzahl Bögen / T-Stücken• Armaturen wie Wechselventile• Rückhaltesystem• Gegendruck

Je nach Auslegungsfall werden unter-schiedliche bzw. unterschiedlich viele und manchmal auch noch andere als die hier aufgeführten Daten benötigt!

Kühlmittel

Gas

Dampf

Flüssigkeit


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Aussehen und Aufbau


Chemische Reaktion



SV: Warum?

Siemens EC Labor Frankfurt

13 Abzüge7 begehbare Abzugskabinen10 Sicherheitswerkbänke mit HEPA-Filter4 Autoklavenkammern13 Laboranten, 12 Versuchsleiter

Destillationsbereich für 4 Kolonnen bis 8m Begehbarer Abzug 5x2m für MiniplantbetriebModular betriebene Bereiche für Trocknung, Destillation/Stoffdaten, Kristallisation,Reaktionstechnik und Membrantechnik Analytik (GC, HPLC, UV-VIS)Sicherheitstechnik / DSC / Staub

sehr breites Laborspektrum zur Ermittlung von physikalisch-chemischen Stoffdaten


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Chemische Reaktion



SV: Warum?

Spezialauslegungsfall „Durchgehende chemische Reaktion“ (1)

Reaktionskenndaten meistens nicht bekannt:Bestimmung der Reaktionskenndaten im Labor der Siemens Prozess-Sicherheit

Verwendete Apparatur für „worst case“-Szenarien:VSP2-Kalorimeter

Ermittlung von:Tmax, pmax

Temperatur- & Druckanstiegsgeschwindigkeiten (Wärme- & Gasproduktionsraten)

dampfdruckbestimmter oder gasproduzierender Reaktionstyp

Quelle: Fauske & Associates, LLC


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Chemische Reaktion



SV: Warum?

Spezialauslegungsfall „Durchgehende chemische Reaktion“ (2)

Wichtiger Parameter des Reaktionsgemischs: Schaumbildungsneigung

Schäumen und zweiphasige Entlastung führen immer zu größeren notwendigen Entlastungs-durchmessern, weil der Entlastungsdurchmesser durch den Flüssigkeitsanteil versperrt wird. Alternativ kann z.B. eine Füllgradsbegrenzung für den Reaktionsbehälter genutzt werden.


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Chemische Reaktion



SV: Warum?

Definition „Sicherheitsventil“

Sicherheitsventile schützen druckbeaufschlagte Räume oder Druckbehälter (z. B. Dampf-kessel, Druckbehälter, Rohrleitungen, Transportbehälter) vor einem unzulässigen Druck-anstieg, der zu einer Schädigung des angeschlossenen Druckgerätes führen kann. Sicher-heitsventile leiten bei Überschreiten des Ansprechdruckes Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten indie Atmosphäre oder in Sammelrohrleitungen ab. (Quelle 1)

Sicherheitsventil: Ein Ventil, das automatisch ohne Unterstützung durch eine andere Energieals die des Mediums eine Menge des Mediums ausfließen lässt, so dass die Überschreitungeines vorbestimmten Druckes verhindert wird, und das so ausgelegt ist, dass es schließtund weiteres Ausfließen des Mediums verhindert, wenn wieder normale Arbeitsdruck-bedingungen hergestellt sind. (Quelle 2)

Hauptzweck eines Sicherheitsventils: Der Schutz von Leben, Eigentum und der Umwelt.Ein Sicherheitsventil ist kein Regelventil oder Druckminderer und darf als solches nichtfalsch angewendet werden. Es sollte nur einem Zweck dienen: Schutz vor Überdruck. (Quelle 3)

Quellen: 1: Wikipedia, 2: DIN EN ISO 4126-1, Sicherheitseinrichtungen gegen unzulässigen Überdruck – Teil 1 Sicherheitsventile, 3: Homepage Fa. Leser


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SV: Warum?

Aussehen von verschiedenen Sicherheitsventilen

Ventile mit Flanschanschluss

Vollhub-Ventil

Ventile mit Tri-Clamp- bzw. Gewindeanschluss

PTFE-Auskleidung Clean ServiceBild-Quellen: Leser, Richter, Riegler, Wikipedia


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Chemische Reaktion



SV: Warum?

Aufbau eines Sicherheitsventils

Kernelemente eines Sicherheitsventils:

Druckschraube zur Einstellung der Federkraft:Einstellung des Ansprechdrucks

Hub bzw. Hubbegrenzung (optional):Verringerung der Ausflussziffer „ “

Sitz:Engster Querschnitt (Durchmesser „do“)

Eintritt:Verbindung zum abzusichernden Objekt

Austritt:Verbindung zur Abblaseleitung / Umgebung

Bild-Quelle: www.sicherheitsventile.net/aufbau-eines-ventils.html


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Chemische Reaktion



SV: Warum?

Grundfunktionen eines federbelasteten Sicherheitsventils

Das Diagramm zeigt eine typische Funktionskurve eines federbelasteten Sicherheitsventils.

Es ist wichtig zu verstehen, dass derBetriebsdruck der zu schützendenAusrüstung unter dem Schließdruckdes Ventils liegen muss. Die meistenHersteller sowie die Regelwerkeempfehlen einen Unterschied von3-5% zwischen Schließ- und Betriebs-druck, um ein sauberes Schließen desVentils zu gewährleisten und wiedereine gute Sitzdichtheit zu erhalten.

Quelle: www.leser.com


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Chemische Reaktion



SV: Warum?

Einsatzbereich nach Öffnungscharakteristik

Vollhub-Sicherheitsventil Große Mengenströme ( w(D/G) 0,7 - 0,8)Ideal für Dämpfe und GaseVorteil: kleine NennweiteNachteil: tatsächlicher > abzuführender Mengenstrom

Normal-Sicherheitsventil Mittlere Abblaseleistung ( w(D/G) 0,4 - 0,6)Größerer Proportionalbereich als Vollhub-SVNachteil: tatsächlicher > abzuführender Mengenstrom

Proportional-Sicherheitsventil Kleine Mengenströme ( w(D/G) 0,1 - 0,15)Haupteinsatzgebiet: thermische AusdehnungVorteile: stabiles Öffnungsverhalten undtatsächlicher = abzuführender MengenstromNachteil: kleine Ausflussziffer


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Beispiel

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SV: Warum?

Berechnungen zur Ventilauslegung – (1)

Tools und Programme zur Bestimmung von:

Abzuführender Massenstrom (Was muss abgeführt werden?):u.a. Heizen (z.B. Verdampfungsmenge), Flowmaster (Gas-/Flüssigkeitseintrag)

Abführbarer Massenstrom (Was kann das Sicherheitsventil abführen?):u.a. Valvestar (Leser: Sicherheitsventilleistung), Flowmaster

Druckverlustberechnungen in den Sicherheitsventil-Anschlussleitungen:u.a. Gasflo, Flowmaster, Aspen Flare System Analyzer (Druckverlust bei 2-ph-Strömung)

[ Tool / Programm - “Herkunft“: In-house-Tool bzw. kommerziell erworbenes Programm ]


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Beispiel

Berechnungen

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SV: Warum?

Berechnungen zur Ventilauslegung – (2)

Wichtigste Auslegungskriterien für die Druckverlustberechnungen:

3%-Kriterium für die Zuleitung zum Sicherheitsventil (aus Normen, z.B. ISO-4126-9 / API-520)

In der Zuleitung vom abzusichernden Behälter bis zum Eintritt ins Sicherheitsventil darf ein maximaler Druckverlust von 3% in Bezug auf den eingestellten Überdruck auftreten.Höhere Druckverluste bewirken Funktionsstörungen des Ventils und mögliche Beschädigungen.

Grenz-Kriterium für die Abblaseleitung vom Sicherheitsventil (Herstellerangabe / 10% API 520)

In der Abblaseleitung vom Sicherheitsventilaustritt bis zur Austrittsstelle (z.B. Umgebung) darf ein Druckverlust von maximal x% in Bezug auf den eingestellten Überdruck auftreten. (z.B. Leser: 15%)Höhere Druckverluste bewirken Funktionsstörungen des Ventils und mögliche Beschädigungen.

Nachfolgendes Beispiel:Prüfung und regelkonforme Auslegung von isometrisch vorhandenen Zu- und Abblaseleitungenbei vorgegebenem Szenario und entsprechend ausreichend dimensioniertem Sicherheitsventil.(Durchführung der Berechnungen mit dem Strömungssimulationsprogramm Flowmaster)


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Beispiel

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Chemische Reaktion



SV: Warum?

Auslegung eines Sicherheitsventils - (1)


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Beispiel

Berechnungen

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Chemische Reaktion



SV: Warum?


= Stellen mit Machzahl 1

Das Sicherheitsventil gibt den Massenstrom vor. Daraus ergeben sich die Druckverlustwerte..

Berechnungsergebnis mit Flowmaster:Massenstrom: 19.700 kg/hZuleitungsdruckverlust: 7 % > 3 % *)Gegendruckverlust: 35 % > 15 % **)*) Grenzwert gemäß DIN EN ISO 4126-9

**) Grenzwert gemäß Sicherheitsventilhersteller


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Beispiel

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SV: Warum?


0,5 mDN65(DN50)

20 mDN100(DN80)

Berechnungsergebnis mit Flowmaster:Massenstrom: 19.700 kg/hZuleitungsdruckverlust: 2,9 % < 3 % *)Gegendruckverlust: 13 % < 15 % **)*) Grenzwert gemäß DIN EN ISO 4126-9

**) Grenzwert gemäß Sicherheitsventilhersteller


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SV: Warum?

Beachtenswertes zur Sicherheitsventil-Installation – (1)

Zuleitung zum Sicherheitsventil möglichst kurz ausführen

Ableitung vom Sicherheitsventil möglichst kurz ausführen, am besten nach unten(vor allem bei Flüssigkeitsaustrag / 2-ph-Austrag)

Ableitung an einen „sicheren Ort“ führen:• Gefährdung durch den Austritt von z.B. heißen oder erstickenden Medien (z.B. N2) beachten• Gefährdung durch den Austritt von giftigen oder umweltgefährdenden Medien vermeiden

(Bei Bedarf Rückhaltesystem (Abscheider/Wäscher) zwischen Ventil und Umgebungsaustritt vorsehen.)-> Stichwort: Ausbreitungsrechnung

Verdampfen bei der Entspannung (Ansprech- auf Umgebungsdruck) von Flüssigkeiten beachten(z.B. bei druckverflüssigten Gasen, unterkühlten Flüssigkeiten und 2-Phasen-Strömungen)

Abkühlung (Joule-Thomson-Effekt) bei der Entspannung berücksichtigenwichtig für u.a.: Materialauswahl, Funktion („Vereisung“ des Ventils)


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Beachtenswertes zur Sicherheitsventil-Installation – (2)

Entwässerungsmöglichkeit oder Regenschutz fürzur Umgebung offene Austrittsleitungen vorsehen

Bei Bedarf Schallschutzmaßnahmen an der Austrittsstelle vorsehen(Schallemission durch hohe Austrittsgeschwindigkeiten)

Halterungen für das Sicherheitsventil, aber auch für die Leitungen, speziellbei größeren Ventilen, auf entstehende Reaktionskräfte hin auslegen

Zugänglichkeit für Prüfungen bzw. Austausch bei der Montage berücksichtigen.

Prüfung und Wartung: Geschultes Personal einsetzen bzw. beauftragen

Prüfungsintervall: Medieneinfluss auf die Funktion berücksichtigen(Nach jedem Ansprechen ist das Ventil einer Prüfung zu unterziehen!)

Einflussfaktoren für den maximalen Einsatzdruck eines Ventils:Medientemperatur, Werkstoffauswahl, Flanschdruckstufe (Bei Bedarf mit dem Ventilhersteller klären.)

Bild-Quelle:www.weathercap.com


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SV: Warum?

Beachtenswertes zum Sicherheitsventil-Zubehör

Zubehör, das den Einsatzbereich eines Sicherheitsventils erweitert:

Edelstahlfaltenbalg: Wirkt gegendruckkompensierend bis 35% (z.B. Leser) statt nur 15%

Hubbegrenzung: Verringerung des Ventilhubs und daraus folgend Reduzierung der Ausflussziffer

Heizmantel: Vorteil bzw. Notwendigkeit bei z.B. viskosen oder zum Verkleben neigenden Medien

Schwingungsdämpfer / O-Ring-Dämpfer:Einsatz bei extrem ungünstigen Systemparametern (z.B. 2-ph-Strömung, SV auf Rohrleitung)

Sicherheitsventil mit vorgeschalteter Berstscheibe:- bei höchsten Dichtheitsanforderungen- bei umweltschädigenden, giftigen, teuren und zum Verkleben neigenden Medien- zur Kostenreduzierung bei Werkstoffanforderungen an das Sicherheitsventil

Wechselventil („Change-over-Valve“, z.B. Leser):Prüfung auch bei kontinuierlicher Betriebsweise möglich

Bild-Quelle: Leser


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Grundfunktion

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Chemische Reaktion



SV: Warum?

Dokumentation der Auslegungsergebnisse

Dokumentationsdatenblätter

Inhalt:- Auslegungsgrundlagen -> Deckblatt- Auslegungsergebnisse -> Anlagen

Ziel:- Dokumentationsablage für den Betrieb- Prüfbarkeit durch Sachverständigen / TÜV

Adobe Acrobat Document

Unsere Datenbank beinhaltet aktuellca. 9.000 Datenblätter von über 65 Firmen!


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Aussehen und Aufbau


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SV: Warum?

Resümee

Viele unterschiedliche Auslegungsfälle sind möglich – Welches ist der richtige?

Gab es Änderungen in der Prozessführung oder Optimierungen?• Verwendete Stoffe (Zusammensetzung)• Füllstand• Durchsatz• Umbauten• …

Ist Ihre Anlage (noch) sicher? – Sprechen Sie uns an, wir haben alles in einem Haus.Sicherheitstechnische BeratungenLaboruntersuchungenAuslegung von SicherheitseinrichtungenEngineering


Thomas PaeschI IA AS PA EC PS

Industriepark Höchst65926 Frankfurt am Main

Telefon: +49 (69) 797-84700Fax: +49 (69) 797-84988

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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