(Labor)-Daten, Auslegung des passenden Sicherheitsventils

Transcrição

Lunch & Learn 17.10.2013
Auslegungsfälle, benötigte (Labor)-Daten, Auslegung des passenden Sicherheitsventils
Frei verwendbar / © Siemens AG 2013. Alle Rechte vorbehalten.
Th. Paesch
siemens.com/answers
Wozu wird ein Sicherheitsventil eigentlich benötigt?
SV: Warum?
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungen
SV-Installation
SV-Zubehör
Fotos: www.fireworld.at sowie http://de.wikipedia.org
Dokumentation
Resümee
Seite 2
Absicherungsobjekte und Notwendigkeitsermittlung
SV: Warum?
Absicherung von …
• Transportbehältern
Szenarien /
Auslegungsfälle
• Lagerbehältern (meist Behälter mit geringem zulässigen Überdruck)
Daten zur
Ventilauslegung
• Dampfkesseln
Chemische
Reaktion
• Reaktionsbehältern
Definition
Sicherheitsventil
• Rohrleitungen
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Woher weiß man, dass ein Sicherheitsventil benötigt wird?
• Vorgabe des Apparate- bzw. Geräteherstellers
Einsatzbereiche
Berechnungen
SV-Installation
• Aus Sicherheitsgesprächen
SV-Zubehör
• Aus detaillierten Gefährdungsanalysen (z.B. HAZOP)
Dokumentation
Resümee
Seite 3
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 von
Überdruck-Szenarien,
siehe z.B.:
SV: Warum?
• ISO 4126-10 - Safety devices for
protection against excessive
overpressure – Part 10:
Chemische
Reaktion
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Definition
Sicherheitsventil
„Sizing of safety valves for gas/liquid
two-phase flow“
Aussehen und
Aufbau
(Annex A: Identification of sizing scenarios)
Einsatzbereiche
Grundfunktion
Berechnungen
Jedes der Ereignisse kann einzeln und
getrennt von den anderen vorkommen.
Sie können aber auch gleichzeitig
stattfinden.
SV-Installation
• API Standard 521 / ISO 23251
(Abschnitt 4 liefert einen detaillierten
Leitfaden für Überdruckgründe)
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
Seite 4
Notwendige Daten zur Sicherheitsventil-Auslegung (eine Auswahl)
Prozessdaten
• Temperatur / Druck
• Zusammensetzung
• Heizmedium
• Füllgrad
• Fahrweise
Kühlmittel
Gas
Stoffdaten
• Dampfdrücke
• Dichten
• Viskositäten
• Gemischstoffwerte
• Reaktionskenndaten
Apparatedaten
• Volumen
• Max. Behälterdruck
• Heizflächen
• Werkstoff
• Förderleistung Pumpe
Dampf
Sicherheitsventil-Daten
• Hersteller
• Durchmesser
• Ansprechdruck
• Sitzdurchmesser
• Ausflussbeiwerte
• Sonderausrüstungen
Isometrie Zu- & Abblaseleitung
• Durchmesser / Länge
• Höhenunterschiede
• Anzahl Bögen / T-Stücken
• Armaturen wie Wechselventile
• Rückhaltesystem
• Gegendruck
SV: Warum?
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungen
SV-Installation
SV-Zubehör
Flüssigkeit
Je nach Auslegungsfall werden unterschiedliche bzw. unterschiedlich viele
und manchmal auch noch andere als
die hier aufgeführten Daten benötigt!
Dokumentation
Resümee
Seite 5
Siemens EC Labor Frankfurt
SV: Warum?
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
13 Abzüge
7 begehbare Abzugskabinen
10 Sicherheitswerkbänke mit HEPA-Filter
4 Autoklavenkammern
13 Laboranten,
12 Versuchsleiter
Destillationsbereich für 4 Kolonnen bis 8m
Begehbarer Abzug 5x2m für Miniplantbetrieb
Modular betriebene Bereiche für Trocknung,
Destillation/Stoffdaten, Kristallisation,
Reaktionstechnik und Membrantechnik
Analytik (GC, HPLC, UV-VIS)
Sicherheitstechnik / DSC / Staub
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungen
SV-Installation
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
sehr breites Laborspektrum zur Ermittlung von physikalisch-chemischen Stoffdaten
Seite 6
Spezialauslegungsfall „Durchgehende chemische Reaktion“ (1)
SV: Warum?
Reaktionskenndaten meistens nicht bekannt:
Szenarien /
Auslegungsfälle
Bestimmung der Reaktionskenndaten im Labor
der Siemens Prozess-Sicherheit
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Verwendete Apparatur für „worst case“-Szenarien:
Definition
Sicherheitsventil
VSP2-Kalorimeter
Aussehen und
Aufbau
Ermittlung von:
Grundfunktion
Tmax, pmax
Einsatzbereiche
Berechnungen
Temperatur- & Druckanstiegsgeschwindigkeiten
(Wärme- & Gasproduktionsraten)
SV-Installation
SV-Zubehör
dampfdruckbestimmter oder
gasproduzierender Reaktionstyp
Dokumentation
Resümee
Quelle: Fauske & Associates, LLC
Seite 7
Spezialauslegungsfall „Durchgehende chemische Reaktion“ (2)
Wichtiger Parameter des Reaktionsgemischs:
SV: Warum?
Schaumbildungsneigung
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungen
SV-Installation
SV-Zubehör
Schäumen und zweiphasige Entlastung führen immer zu größeren notwendigen Entlastungsdurchmessern, weil der Entlastungsdurchmesser durch den Flüssigkeitsanteil versperrt wird.
Alternativ kann z.B. eine Füllgradsbegrenzung für den Reaktionsbehälter genutzt werden.
Dokumentation
Resümee
Seite 8
Definition „Sicherheitsventil“
Sicherheitsventile schützen druckbeaufschlagte Räume oder Druckbehälter (z. B. Dampfkessel, Druckbehälter, Rohrleitungen, Transportbehälter) vor einem unzulässigen Druckanstieg, der zu einer Schädigung des angeschlossenen Druckgerätes führen kann. Sicherheitsventile leiten bei Überschreiten des Ansprechdruckes Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten in
die Atmosphäre oder in Sammelrohrleitungen ab. (Quelle 1)
SV: Warum?
Sicherheitsventil: Ein Ventil, das automatisch ohne Unterstützung durch eine andere Energie
als die des Mediums eine Menge des Mediums ausfließen lässt, so dass die Überschreitung
eines vorbestimmten Druckes verhindert wird, und das so ausgelegt ist, dass es schließt
und weiteres Ausfließen des Mediums verhindert, wenn wieder normale Arbeitsdruckbedingungen hergestellt sind. (Quelle 2)
Definition
Sicherheitsventil
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungen
SV-Installation
Hauptzweck eines Sicherheitsventils: Der Schutz von Leben, Eigentum und der Umwelt.
Ein Sicherheitsventil ist kein Regelventil oder Druckminderer und darf als solches nicht
falsch angewendet werden. Es sollte nur einem Zweck dienen: Schutz vor Überdruck. (Quelle 3)
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
Quellen: 1: Wikipedia, 2: DIN EN ISO 4126-1, Sicherheitseinrichtungen gegen unzulässigen Überdruck – Teil 1 Sicherheitsventile, 3: Homepage Fa. Leser
Seite 9
Aussehen von verschiedenen Sicherheitsventilen
Ventile mit Flanschanschluss
Ventile mit Tri-Clamp- bzw. Gewindeanschluss
SV: Warum?
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungen
SV-Installation
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
Vollhub-Ventil
PTFE-Auskleidung
Seite 10
Clean Service
Bild-Quellen: Leser, Richter, Riegler, Wikipedia
Aufbau eines Sicherheitsventils
Kernelemente eines Sicherheitsventils:
Druckschraube zur Einstellung der Federkraft:
SV: Warum?
Szenarien /
Auslegungsfälle
Einstellung des Ansprechdrucks
Daten zur
Ventilauslegung
Hub bzw. Hubbegrenzung (optional):
Chemische
Reaktion
Verringerung der Ausflussziffer „ “
Definition
Sicherheitsventil
Sitz:
Aussehen und
Aufbau
Engster Querschnitt (Durchmesser „do“)
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Eintritt:
Berechnungen
Verbindung zum abzusichernden Objekt
SV-Installation
SV-Zubehör
Austritt:
Dokumentation
Verbindung zur Abblaseleitung / Umgebung
Resümee
Bild-Quelle: www.sicherheitsventile.net/aufbau-eines-ventils.html
Seite 11
Grundfunktionen eines federbelasteten Sicherheitsventils
Das Diagramm zeigt eine typische
Funktionskurve eines federbelasteten
Sicherheitsventils.
Es ist wichtig zu verstehen, dass der
SV: Warum?
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Betriebsdruck der zu schützenden
Chemische
Reaktion
Ausrüstung unter dem Schließdruck
Definition
Sicherheitsventil
des Ventils liegen muss. Die meisten
Aussehen und
Aufbau
Hersteller sowie die Regelwerke
Grundfunktion
empfehlen einen Unterschied von
Einsatzbereiche
3-5% zwischen Schließ- und Betriebs-
Berechnungen
druck, um ein sauberes Schließen des
SV-Installation
Ventils zu gewährleisten und wieder
eine gute Sitzdichtheit zu erhalten.
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
Quelle: www.leser.com
Seite 12
Einsatzbereich nach Öffnungscharakteristik
SV: Warum?
Vollhub-Sicherheitsventil
Normal-Sicherheitsventil
Große Mengenströme ( w(D/G) 0,7 - 0,8)
Ideal für Dämpfe und Gase
Vorteil: kleine Nennweite
Nachteil: tatsächlicher > abzuführender Mengenstrom
Mittlere Abblaseleistung ( w(D/G) 0,4 - 0,6)
Größerer Proportionalbereich als Vollhub-SV
Nachteil: tatsächlicher > abzuführender Mengenstrom
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungen
Proportional-Sicherheitsventil
Kleine Mengenströme ( w(D/G) 0,1 - 0,15)
Haupteinsatzgebiet: thermische Ausdehnung
Vorteile: stabiles Öffnungsverhalten und
tatsächlicher = abzuführender Mengenstrom
Nachteil: kleine Ausflussziffer
SV-Installation
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
Seite 13
Berechnungen zur Ventilauslegung – (1)
SV: Warum?
Tools und Programme zur Bestimmung von:
Abzuführender Massenstrom (Was muss abgeführt werden?):
u.a. Heizen (z.B. Verdampfungsmenge), Flowmaster (Gas-/Flüssigkeitseintrag)
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Abführbarer Massenstrom (Was kann das Sicherheitsventil abführen?):
u.a. Valvestar (Leser: Sicherheitsventilleistung), Flowmaster
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Druckverlustberechnungen in den Sicherheitsventil-Anschlussleitungen:
u.a. Gasflo, Flowmaster, Aspen Flare System Analyzer (Druckverlust bei 2-ph-Strömung)
Berechnungen
Beispiel
SV-Installation
SV-Zubehör
[ Tool / Programm - “Herkunft“: In-house-Tool bzw. kommerziell erworbenes Programm ]
Dokumentation
Resümee
Seite 14
Berechnungen zur Ventilauslegung – (2)
SV: Warum?
Wichtigste Auslegungskriterien für die Druckverlustberechnungen:
Szenarien /
Auslegungsfälle
3%-Kriterium für die Zuleitung zum Sicherheitsventil (aus Normen, z.B. ISO-4126-9 / API-520)
Daten zur
Ventilauslegung
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.
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Grenz-Kriterium für die Abblaseleitung vom Sicherheitsventil (Herstellerangabe / 10% API 520)
Aussehen und
Aufbau
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.
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungen
Beispiel
Nachfolgendes Beispiel:
Prüfung und regelkonforme Auslegung von isometrisch vorhandenen Zu- und Abblaseleitungen
bei vorgegebenem Szenario und entsprechend ausreichend dimensioniertem Sicherheitsventil.
(Durchführung der Berechnungen mit dem Strömungssimulationsprogramm Flowmaster)
SV-Installation
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
Seite 15
Auslegung eines Sicherheitsventils - (1)
SV: Warum?
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungen
Beispiel
SV-Installation
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
Seite 16
SV: Warum?
= Stellen mit Machzahl 1
Szenarien /
Auslegungsfälle
Das Sicherheitsventil gibt
den Massenstrom vor.
Daraus ergeben sich die
Druckverlustwerte.
.
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungsergebnis mit Flowmaster:
Massenstrom:
19.700 kg/h
Zuleitungsdruckverlust:
7 % > 3 % *)
Gegendruckverlust:
35 % > 15 % **)
*) Grenzwert gemäß DIN EN ISO 4126-9
**) Grenzwert gemäß Sicherheitsventilhersteller
Berechnungen
Beispiel
SV-Installation
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
Seite 17
SV: Warum?
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
20 m
DN100
(DN80)
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
0,5 m
DN65
(DN50)
Berechnungsergebnis mit Flowmaster:
Massenstrom:
19.700 kg/h
Zuleitungsdruckverlust:
2,9 % < 3 % *)
Gegendruckverlust:
13 % < 15 % **)
*) Grenzwert gemäß DIN EN ISO 4126-9
**) Grenzwert gemäß Sicherheitsventilhersteller
Einsatzbereiche
Berechnungen
Beispiel
SV-Installation
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
Seite 18
Beachtenswertes zur Sicherheitsventil-Installation – (1)
SV: Warum?
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)
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Berechnungen
SV-Installation
SV-Zubehör
Abkühlung (Joule-Thomson-Effekt) bei der Entspannung berücksichtigen
wichtig für u.a.: Materialauswahl, Funktion („Vereisung“ des Ventils)
Dokumentation
Resümee
Seite 19
Beachtenswertes zur Sicherheitsventil-Installation – (2)
SV: Warum?
Entwässerungsmöglichkeit oder Regenschutz für
zur Umgebung offene Austrittsleitungen vorsehen
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Bei Bedarf Schallschutzmaßnahmen an der Austrittsstelle vorsehen
(Schallemission durch hohe Austrittsgeschwindigkeiten)
Chemische
Reaktion
Halterungen für das Sicherheitsventil, aber auch für die Leitungen, speziell
bei größeren Ventilen, auf entstehende Reaktionskräfte hin auslegen
Definition
Sicherheitsventil
Bild-Quelle:
www.weathercap.com
Zugänglichkeit für Prüfungen bzw. Austausch bei der Montage berücksichtigen.
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Prüfung und Wartung: Geschultes Personal einsetzen bzw. beauftragen
Einsatzbereiche
Prüfungsintervall: Medieneinfluss auf die Funktion berücksichtigen
SV-Installation
(Nach jedem Ansprechen ist das Ventil einer Prüfung zu unterziehen!)
SV-Zubehör
Berechnungen
Dokumentation
Einflussfaktoren für den maximalen Einsatzdruck eines Ventils:
Medientemperatur, Werkstoffauswahl, Flanschdruckstufe (Bei Bedarf mit dem Ventilhersteller klären.)
Resümee
Seite 20
Beachtenswertes zum Sicherheitsventil-Zubehör
SV: Warum?
Zubehör, das den Einsatzbereich eines Sicherheitsventils erweitert:
Szenarien /
Auslegungsfälle
Edelstahlfaltenbalg: Wirkt gegendruckkompensierend bis 35% (z.B. Leser) statt nur 15%
Daten zur
Ventilauslegung
Hubbegrenzung: Verringerung des Ventilhubs und daraus folgend Reduzierung der Ausflussziffer
Chemische
Reaktion
Heizmantel: Vorteil bzw. Notwendigkeit bei z.B. viskosen oder zum Verkleben neigenden Medien
Definition
Sicherheitsventil
Schwingungsdämpfer / O-Ring-Dämpfer:
Einsatz bei extrem ungünstigen Systemparametern (z.B. 2-ph-Strömung, SV auf Rohrleitung)
Aussehen und
Aufbau
Sicherheitsventil mit vorgeschalteter Berstscheibe:
- bei höchsten Dichtheitsanforderungen
- bei umweltschädigenden, giftigen, teuren und zum Verkleben neigenden Medien
- zur Kostenreduzierung bei Werkstoffanforderungen an das Sicherheitsventil
Einsatzbereiche
Grundfunktion
Berechnungen
SV-Installation
SV-Zubehör
Dokumentation
Wechselventil („Change-over-Valve“, z.B. Leser):
Prüfung auch bei kontinuierlicher Betriebsweise möglich
Seite 21
Resümee
Bild-Quelle: Leser
Dokumentation der Auslegungsergebnisse
SV: Warum?
Dokumentationsdatenblätter
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Inhalt:
- Auslegungsgrundlagen
->
Deckblatt
Chemische
Reaktion
- Auslegungsergebnisse
->
Anlagen
Definition
Sicherheitsventil
Ziel:
Aussehen und
Aufbau
- Dokumentationsablage für den Betrieb
Grundfunktion
- Prüfbarkeit durch Sachverständigen / TÜV
Einsatzbereiche
Berechnungen
SV-Installation
Adobe Acrobat
Document
SV-Zubehör
Dokumentation
Unsere Datenbank beinhaltet aktuell
ca. 9.000 Datenblätter von über 65 Firmen!
Resümee
Seite 22
Resümee
SV: Warum?
Viele unterschiedliche Auslegungsfälle sind möglich – Welches ist der richtige?
Gab es Änderungen in der Prozessführung oder Optimierungen?
• Verwendete Stoffe (Zusammensetzung)
• Füllstand
• Durchsatz
• Umbauten
• …
Szenarien /
Auslegungsfälle
Daten zur
Ventilauslegung
Chemische
Reaktion
Definition
Sicherheitsventil
Aussehen und
Aufbau
Grundfunktion
Einsatzbereiche
Ist Ihre Anlage (noch) sicher? – Sprechen Sie uns an, wir haben alles in einem Haus.
Sicherheitstechnische Beratungen
Laboruntersuchungen
Auslegung von Sicherheitseinrichtungen
Engineering
Berechnungen
SV-Installation
SV-Zubehör
Dokumentation
Resümee
Seite 23
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Thomas Paesch
I IA AS PA EC PS
Industriepark Höchst
65926 Frankfurt am Main
Telefon: +49 (69) 797-84700
Fax: +49 (69) 797-84988
E-Mail:
[email protected]
siemens.com/answers
Seite 24

(Labor)-Daten, Auslegung des passenden Sicherheitsventils

Transcrição

Documentos relacionados

Bedienungsanleitung

Pensionsversicherungsanstalt Wien

Businesslunch - Grand Hotel National

Funktionen von to do

Artikeldatenblatt - Mesch-Shop

Formen, Füllen, Siegeln im Takt

MONTAGEANLEITUNG SOLBOX.CDR

Kunsthalle Bonn “ANGKOR” Göttliches Erbe Kambodschas

Fräsen und Bohren mit ShopMill

Siemens Executive Edition TC 60201

Literaturliste 2013

Sanitärtechnik Heizungs- und Klimatechnik Technische