Projekte

Projekte in der Industrie – aktuelle Forschung umgesetzt in die Praxis.

Die hier vorgestellten Projekte sind Beispiele für das Knowhow des CSE-Engineering. Alle Projekte wurden in den letzten Jahren von einzelnen Mitarbeitern der CSE-Engineering bearbeitet.


Projekte Abblaseleitung Mehrzweckanlage
CHEMISCHE | PETROCHEMISCHE INDUSTRIE
Auslegung von Abblaseleitungen für Mehrzweckanlagen bei der Durchströmung mit verdampfenden Gas/Flüssigkeitsgemischen
Abblaseleitung | Notentlastungsleitung | Zweiphasenströmung

Mehrzweckanlagen werden häufig mit mechanischen Sicherheitseinrichtungen wie Sicherheitsventilen oder Berstscheiben abgesichert. Durch häufige Produktwechsel muss regelmäßig überprüft werden, ob die Sicherheitseinrichtung ausreichend groß bemessen ist, um die Herstellung eines neuen Produktes in einem vorhandenen Reaktor zuzulassen. Die Auslegung einer Sicherheitseinrichtung kann im Einzelfall jedoch sehr aufwendig sein.

Im Rahmen eines Projektes wurden für ca. 60 typische Lösungsmittel die erforderlichen Entlastungsflächen der Sicherheitseinrichtung abhängig vom Reaktorinhalt und der Art der Beheizung (externe Wärmezufuhr über ein Wärmeträgermedium, Brand, exotherme chemische Reaktion) berechnet. Die Rechnungen sind mit der HNE-DS Methode unter Berücksichtigung des Siedeverzuges der Flüssigkeit durchgeführt worden. Für Mehrzweckanlagen mit einer vorhandenen Sicherheitseinrichtung wurden Empfehlungen abgeleitet wie mit Produktwechseln zu verfahren ist.

Literatur: Schmidt, J. und Stoessel, F. (2011), Sicherheits- und Rückhalteeinrichtungen für Mehrzweckanlagen. Teil 1 – Sicherheitskonzept und Schutzeinrichtungen. Chemie Ingenieur Technik, 83: 1173–1187


Projekte Sicherheitsventil Gasströmung Flüssigkeitsströmung
CHEMISCHE INDUSTRIE
Auslegung eines Sicherheitsventils auf einem Chemiereaktor für Gas-/Flüssigkeitsströmung
Sicherheitsventil | Notentlastungsleitung | Zweiphasenströmung

Bei der Notentlastung von Chemiereaktoren wallt die Flüssigkeit im Behälter oft stark auf. Ursache dafür ist der Druckabfall beim Öffnen der Sicherheitsteinrichtung. Ein Gemisch aus Gas und Flüssigkeit strömt durch die Sicherheitsventil-Abblaseleitung in das Auffangsystem. Die Größe des Sicherheitsventils wir bestimmt durch das Worst Case Szenario – in diesem Fall ein Kühlungsausfall mit einer anschließenden exothermen chemischen Reaktion. Damit wird der abzuführende Massenstromes bestimmt und das erforderliche Sicherheitsventil.

Bei dem zweiphasigen Ausströmen durch das Sicherheitsventil wurde der Massenstrom mit dem HNE-CSE Modell bestimmt. Dieses Modell ist eine Weiterentwicklung des bewährten HNE-DS Modells, das häufig in der Industrie für Auslegungsrechnungen verwendet wird.

Literatur: J. Schmidt, S. Claramunt: Sizing of rupture disks for two-phase gas/liquid flow according to HNE-CSE-model, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 41 (2016) S. 419 bis 432


Projekte Wärmeübertrager Rohrreißer
CHEMISCHE | PETROCHEMISCHE INDUSTRIE
Absicherung eines Wärmeübertragers für das Szenario „Rohrreißer“
Wärmeübertrager | Sicherheitsventil | Rohrreisser

In Wärmeübertragern sind häufig Leckagen nicht auszuschließen. Die Leckagen können je nach Anwendungsfall nach Außen auftreten, oder im Inneren des Wärmeübertragers stellt sich eine Leckage ein. Wenn eine Leckage nicht sicher und zeitnah detektiert werden kann, sollte der Abriss eines Rohres in Betracht gezogen werden.

Bei dem hier betrachteten Wärmeübertrager beträgt der Betriebsdruck auf der Mantelseite 16 bar. Der Betriebsdruck in der Rohren liegt bei einem Druck von 30 bar. Bei einem Rohrreißer strömt Medium aus dem Mantelraum in die Rohre und damit in das Niederdrucksystem. Der einströmende Volumenstrom bestimmt den mindestens abzuführenden Massenstrom durch das Sicherheitsventil. Das Ventil wird transient durchströmt. Der Gasanteil ändert sich kontinuierlich. Die Auslegung des Sicherheitsventils muss für alle Gasgehalte durchgeführt werden.
Literatur: VDI-Wärmeatlas Kapitel L2.3: Auslegung von Schutzeinrichtungen für wärmeübertragende Apparate, Springer Verlag Berlin


Projekte Wärmeübertrager Roßrreißer Druckstoß
CHEMISCHE | PETROCHEMISCHE INDUSTRIE
Abschätzung des Druckstoßes in einem Wärmeübertrager für das Szenario „Rohrreißer“
Wärmeübertrager | Druckstoß | Rohrreisser

In Wärmeübertragern sind häufig Leckagen nicht auszuschließen. Besonders kritisch sind Leckagen bei einem vollständigen Rohrabriss zu sehen, da durch die schlagartige Änderung des Drucks ein Druckstoß entstehen kann. Dieser kann den Wärmeübertrager nachhaltig schädigen.

Im Rahmen eines Projektes wurde der auftretende Druckstoß in den Vorkopf eines Wärmeübertragers abgeschätzt. Da die Niederdruckseite im betrachteten Fall auf der Rohrseite lag, wird bei dem Szenario „Rohrreißer“ Medium aus der Mantelseite schlagartig in die Rohrseite eingetragen. Die dadurch entstehende Druckwelle pflanzt sich durch das Rohr bis zum Ende des Wärmeübertragers fort und breitet sich anschließend halbkugelförmig aus, bis sie auf die Wand trifft. Aus diesem Grund sollten Wärmeübertrager so ausgelegt sein, dass die Druckstoßfestigkeit des Behälters auch beim Abriss eines Rohres nicht überschritten werden kann.


Projekte Ferngasleitung Druckverlauf Temperaturverlauf
GASINDUSTRIE | NETZBETREIBER
Simulation des Druck- und Temperaturverlaufs in einer 500 km langen Ferngasleitung und Beurteilung von Leitungsvarianten
Kompressorstationen | Ferngasleitung | Druckverlauf

Die Bewertung verschiedenere Leitungsführungen einer Erdgas-Hochdruckleitung erfolgt über den Vergleich des Temperatur- und Druckverlaufes in der Leitung für verschiedene Lastfälle (Massenströme, Sommer-/ Winterbetrieb). Dabei werden sehr genaue Zustandsgleichungen für unterschiedliche Lastfälle angewendet und die realen Eigenschaften des Fluids berücksichtigt. Die Berechnungen wurden für eine 500 km lange Leitung durchgeführt. Alle Ströme zu den Verbrauchern, die dem Hauptstrom entnommen wurden, sind bei der Rechnung berücksichtigt worden.

Verschiedene Optionenn für Standorte von Verdichtern wurden optimiert, um die Leitungsführung so zu wählen, dass möglichst wenige Verdichterstationen benötigt werden, bei gleichzeitig ausgewogener Balance zwischen den Betriebskosten für die Gaskompression und den Investitionskosten für die Stationen. Verdichterstationen bedeuten immer einen Eingriff in die Natur und sind mit hohen Investitionskosten verbunden. Durch den optimierten Einsatz möglichst weniger Verdichterstationen bei gleichzeitig hohem Druck in den Leitungen können die CO2-Emissionen für die Verdichtung signifikant reduziert werden.


Projekte Abscheider Produktionsstraße
CHEMISCHE INDUSTRIE
Auslegung eines Abscheiders zur Abtrennung von Flüssigkeiten bei der Notentlastung von Produktionsstraßen
Abscheider | Auffangbehälter | gleichzeitige Entlastung

In Chemiereaktoren wallt das Gemisch oft stark auf und führt zu einer Zweiphasenströmung aus Gasen und Flüssigkeiten. Flüssigkeiten müssen in der Regel abgeschieden werden. Die effektivste Lösung dafür ist ein Zyklonabscheider mit nachgeschaltetem oder intgrierten Auffangbehälter.

Im Rahmen eines Projekte wurde ein Abscheider ausgelegt für die Abtrennung von Flüssigkeiten aus mehreren Reaktoren, deren Sicherheitsteinrichtungen nicht gleichzeitig ansprechen. Damit der Abscheider funktionieren kann mussten die Strömungsbedingungen am Eintritt auf die verschiedenen Notentlastungs-Szenarien geprüft und optimiert werden. Rückwirkungen bei einer Notentlastung auf die übrigen Sicherheitseinrichtungen waren auszuschließen.


Projekte Erdgas Hochdruckleitung Absicherung
GASINDUSTRIE | NETZBETREIBER
Vergleich der Vorgehensweise zur Absicherung von Erdgas-Hochdruckleitungen in Deutschland und der Schweiz
Sicherheitskonzept | Ferngasleitung | Probabilistik, Deterministik

In Deutschland sind Gefahren für Mensch und Umwelt von technichen Anlagen nach einem deterministischen Sicherheitsansatz zu vermeiden. Gegen Gefahren, die vernünftigerweise nicht auszuschließend sind, müssen geeignete sicherheitstechnische Maßnahmen ergriffen werden. In Nachbarländern wie der Schweiz, den Niederlanden und England ist die Bewertung von Risiken mit einem probabilistischen Ansatz vorgeschrieben.

Innerhalb eines Projektes wurden die Ansätze für die Absicherung von technischen Anlagen in Deutschland und in der Schweiz detailliert miteinander verglichen. Der Schweizer Rahmenbericht für Erdgas-Hochdruckleitungen wurde als Basis für die Vergleiche angewandt. Der Einfluss des Leitungsdurchmessers und des zulässigen Drucks der Leitung auf die möglichen Auswirkungen bei einem Worst Case Szenario wurden betrachtet.

Literatur: J. Schmidt: Sicherheit von Erdgas-Hochdruckleitungen im internationalen Vergleich am Beispiel von Deutschland und der Schweiz. IRO Oldenburger Rohrleitungsforum, Oldenburg, 7./8.


Projekte Erdgas Hochdruckleitung Kondensatanteil
GASINDUSTRIE | NETZBETREIBER
Messungen von Kondensatanteilen, Partikelanzahl und –verteilung in Erdgas-Hochdruckleitungen
Ferngasleitung | Kondensatanteil | Strömungsuntersuchung

In Deutschland werden Erdgas-Leitungsnetze typischerweise bei Drücken zwischen 95 und 50 bar betrieben. Die Leitungsdurchmesser betragen zwischen 500 und 1400 mm. An den Gas-Einspeisestationen des Leitungsnetzes befinden sich Gastrocknungsanlagen, in denen durch Absorption von Wasser mit Diethylen- oder Triethylenglykol die Feuchtigkeit im Erdgas reduziert wird (Taupunkterniedrigung).

Bei der Trocknung des Erdgases wird eine sehr geringe Menge an Glykol im Gas gelöst und strömt mit in die Pipeline. Infolge der nachfolgenden Temperatur- und Druckabsenkung in den Leitungen kondensiert das Glykol und scheidet sich an den Rohrwänden ab. An einer Gastrocknungsanlage wurde die Masse an Glykol im Erdgas nach der Trocknung gemessen. Dabei ist sowohl der gelöste Anteil als auch der in Form von Partikeln (Aerosolen) mitgerissene Anteil des Glykols bestimmt worden. Für die Messungen wurde ein entsprechender Versuchsstand zur isokinetischen Absaugung von Erdgas und zur Messung der Partikelgrößenverteilung mit einem Xenon-Durchlicht-Messverfahren entwickelt. Bei der Modellierung der Kondensation wurden die Betriebsart der Leitung (Sommer-/Winterbetrieb) und die Effekte einer Rekondensation bereits vorhandener Glykole betrachtet.

Literatur: D. Jerinić, J. Schmidt, M. Piontek: Berechnung der Kondensation von schwerflüchtigen Komponenten in Ferngasleitungen. GWF Gas Erdgas 01/2009


Projekte Ferngasleitung Ökoeffizienzanalyse
GASINDUSTRIE
Ökoeffizienzanalyse einer mehr als 1000 km langen Ferngasleitung
Ökoeffizienz | Ressourcenbewertung | Energieeinsatz

Beim Bau einer Erdgasleitungen werden zum Teil erheblich Ressourcen z.B. für den Stahl und die Ummantelung der Leitung eingesetzt. Während des späteren Betriebs entsteht durch die Verdichter CO2 als Abgas in der Umgebung. Je nach Leitungsführung ergibt sich für das Gesamtprojekt eine mehr oder weniger gute Bilanz für die Ökoeffizienz der Leitung.

In einem Konsortium von Gutachtern wurde die Ökoeffizienzanalyse eines Neubauprojektes bewertet. Die Verteilung von Verdichterstationen entlang der Leitung und die Auswahl von Leitungsdurchmessern und Betriebsdrücken standen im Vordergrund der Untersuchungen der CSE-Engineering.


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