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Simulation der Druckentlastung chemischer Reaktoren

 

Dr.-Ing. Andreas Brodhagen

 

Jeder unter Überdruck stehende Reaktor ist mit einer Sicherheitsarmatur, beispielsweise einer Berstscheibe, ausgestattet. Hierdurch wird eine kontrollierte Druckentlastung - z.B. bei durchgehender chemischer Reaktion - ermöglicht. In einem Blow-Down-System, das im Bild in schematischer Form dargestellt ist, werden die aus dem Reaktor ausströmenden Gase, Dämpfe und Flüssigkeiten aufgefangen. Die umgesetzten Stoffmengen sind in vielen Fällen sehr groß, so daß in chemischen Reaktoren oftmals ein hohes Maß an potentieller Energie gespeichert ist. Das Blow-Down-System ist in Folge der grossen Werte von Druck und Temperatur während der Druckentlastung sehr starken thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Durch die erheblichen zeitlichen Schwankungen des austretenden Massenstroms wirken starke Impulskräfte.

 

 

Ziel der theoretischen Untersuchung ist das Berechnen der zeitabhängigen Werte von Druck, Temperatur und der Massenströme von gasförmiger und flüssiger Phase. Aus diesen Größen können die auftretenden Kräfte berechnet werden.

 

Abb: Druckentlastungssystem für chemische Reaktoren

 

 

Es werden die Strömung von Gemischen aus mehreren Komponenten und der damit verbundene Stoffaustausch zwischen den Phasen sowie eine im strömenden Gemisch ablaufende chemische Reaktion berücksichtigt. Von diesen Vorgängen ist bekannt, daß sie einen starken Einfluß auf die Strömung in den Teilsystemen haben. Schwerpunkt ist das Identifizieren wesentlicher Teilvorgänge sowie des Einflusses, den das Berücksichtigen bzw. Vernachlässigen dieser Teilvorgänge auf die Genauigkeit der Berechnung hat.

 

 

Die Bilanzgleichungen für die Teilsysteme werden modular, d.h. getrennt voneinander numerisch gelöst. Das Koppeln der Gleichungssysteme erfolgt über die Werte von Druck und Temperatur sowie der Massenströme und der Zusammensetzung der strömenden Gase und Flüssigkeiten an den Schnittstellen zwischen den Teilsystemen. Diese Vorgehensweise wird als modulare Simulation bezeichnet. Die zahlreichen Rückwirkungen zwischen den Teilsystemen werden mit Hilfe des Funktionenraum-Iterationsverfahrens berücksichtigt. Die modulare Simulation bietet Vorteile gegenüber der üblichen simultanen Vorgehensweise: Der Grad der Detaillierung - örtliche und zeitliche Auflösung, vereinfachende Annahmen bei der Modellbildung - wird an das jeweilige Teilproblem angepaßt. Teilmodelle können mit geringem Aufwand ausgetauscht werden. Das Einbinden kommerzieller Software, beispielsweise eines Finite-Elemente Systems für das Lösen mehrdimensional formulierter Bilanzgleichungen, stellt keine Schwierigkeit dar. Das numerische Verfahren für das Lösen der erhaltenen Gleichungen wird für jedes Teilsystem geeignet gewählt und so die Konvergenz gegenüber der simultanen Vorgehensweise verbessert.