Strömungsdynamik in Rohrleitungssystemen

Die in verfahrenstechnischen Anlagen vorliegenden unterschiedlichen Druckniveaus führen häufig zu dynamischen Strömungsvorgängen. Diese treten insbesondere bei Abweichungen vom bestimmungsgemäßen Betrieb auf. Deshalb müssen bei den für Sicherheitsbetrachtungen erforderlichen fluiddynamischen Berechnungen in der Regel hohe bis kritische Strömungsgeschwindigkeiten, Mehrphasenströmungen oder transiente Strömungszustände berücksichtigt werden, so dass spezielle Berechnungsprogramme und -methoden genutzt werden.

Computergestützte Berechnungsmethoden finden auch in der Prozesssicherheit immer größere Verbreitung. Auf der Basis zuverlässiger Berechnungen anstelle konservativer Abschätzungen ist der Aufwand für die Absicherung einer Chemie-Anlage häufig bedeutend geringer. Drei typische Beispiele aus unserem Leistungsangebot sind im folgenden dargestellt:

Beispiel 1:
Gewollte (Not)Entspannungsvorgänge

Unter gewollten Entspannungsvorgängen werden hier die normalen betrieblichen Vorgänge, wie die Entspannung über Regelventile, sowie die gezielte Notentlastung von Druckbehältern verstanden.

Bei Entspannungsvorgängen mit niedrigeren Druckänderungsgeschwindigkeiten (bis 1 bar/s) kommen sogenannte quasi-stationäre Methoden zum Einsatz.

Zur Auslegung von Notentlastungseinrichtungen wie Sicherheitsventile und Berstscheiben an druckführenden Apparaten werden die Strömungsvorgänge auch unter Berücksichtigung einer Mehrphasenströmung in dynamischen Rechnungen simuliert (z.B. gemäß der DIERS-Methodik).

Beispiel 2:
Ungewollte Entspannungsvorgänge durch Leckagen

Bei der Berechnung von ungewollten Entspannungsvorgängen werden Stofffreisetzungen aus druckführenden Anlagenteilen über Flanschleckagen, Risse in Rohrleitungen oder das ungewollte Auslaufen von Behältern betrachtet. Die strömungstechnischen Berechnungen dienen hier meist dazu, den Quellterm als Basis für Ausbreitungsrechnungen zu bestimmen. In der Literatur ist eine Vielzahl von detaillierten Berechnungsmethoden beschrieben. In Anbetracht der Ungewissheit über die wahrscheinliche Leckgröße genügt es jedoch häufig, den Freisetzungsmengenstrom konservativ abzuschätzen.

Detailliertere Berechnungen sind erforderlich, wenn der durch die Leckage verursachte zeitabhängige Druckabfall im Behälter berücksichtigt werden muss, um realistische Aussagen über den zeitlichen Verlauf des Freisetzungsmengenstroms zu erhalten, wie bei einem Riss einer Ethylen-Gaspipeline.

Beispiel 3:
Druckstöße

Reaktionskräfte aufgrund von Druckstößen treten insbesondere in Rohrleitungssystemen auf, wenn das strömende Fluid plötzlich abgebremst oder beschleunigt wird.

Solche Beschleunigungsvorgänge können in einer unter Druck mit Flüssigkeit gefüllten Rohrleitung auftreten, wenn eine eingeschlossene Luftblase beim Öffnen eines Entnahmeventils abströmt und die Flüssigkeitssäule auf das Ventil prallt.

Für die Berechnung dieser Druckstösse existiert eine analytische Lösung, der sog. Joukowsky-Druckstoß. Dabei ergibt sich in der Regel der Maximalwert des Druckstosses. Eine realistischere Berechnung ist heutzutage mit leistungsfähigen Rechenprogrammen, z.B. FLOWMASTER, möglich.

Grenzen der Berechnung von Druckstössen ergeben sich u.a. bei der Berücksichtigung von Mehrphasenströmungen. Auch die Kopplung der Fluid- und Strukturdynamik ist noch Gegenstand der aktuellen Forschung.

Leistungskatalog

• Auslegung von Sicherheitsventilen und Berstscheiben incl. Druckverlustberechnung in den Abblaseleitungen
• Strömungstechnische Optimierung von Rohrleitungsnetzen
• Maßnahmen zur Vermeidung außerordentlicher Belastungen durch Vorhersage der dynamischen Reaktionskräfte bei Pumpenausfall, Ventilschnellschluss, Kavitation etc.
• Ausbreitungsrechnungen bei Ansprechen eines Sicherheitsventils bzw. einer Berstscheibe incl. Berechnung der Freisetzungsmengenströme