Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2552
Main Title: Absicherung von Destillationskolonnen im nichtbestimmungsgemäßen Betrieb
Translated Title: Protection of distillation columns in the field of unintended operation
Author(s): Staak, Daniel
Advisor(s): Wozny, Günter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Sicherheitstechnische Betrachtungen und die Gestaltung und Auslegung sicherheitstechnischer Maßnahmen bei Destillationskolonnen werden heutzutage meist basierend auf Erfahrungswerten, Daumenregeln oder heuristischen Methoden vorgenommen. Die vorliegende Arbeit stellt eine neue und innovative Herangehensweise vor, um die Entwicklung angemessener und nachhaltiger Sicherheitskonzepte zu verbessern. Systematische experimentelle Untersuchungen wurden zunächst durchgeführt, zur Entwicklung eines grundlegenden Prozessverständnisses. Um Zugriff auf relevante Prozessparameter zu haben, wurden spezielle Messverfahren entwickelt und angewendet. Basierend auf den experimentellen Untersuchungen wurde ein dynamisches Simulationsmodell entwickelt. Das Modell ist so gestaltet, dass es das dynamische Verhalten der beschriebenen Destillationskolonne nach verschiedenen Betriebsfehlern (z.B. Kondensatorfehlfunktion) wiedergibt. Das Abbilden einer Vielzahl verschiedener möglicher Anlagenzustände ist daher erforderlich. Hinsichtlich der geplanten Anwendung ist ein flexibles Modelldesign und eine schnelle Anpassung an verschiedene Destillationskolonnen-typen daher erforderlich. Eine vernünftige Abwägung zwischen Genauigkeit auf der einen Seite und erforderlicher Rechenzeit auf der anderen Seite wurde daher vorgenommen. Die erfolgreiche Validierung des Simulationsmodells mit experimentellen Daten, welche an einer speziell ausgerüsteten Pilotanlage gewonnen wurden, bestätigt, dass die getroffenen Modellannahmen gerechtfertigt sind. Der gewählte Modellansatz basiert auf der Annahme eines stufenweisen thermodynamischen Gleichgewichts. Die Hydrodynamik bezüglich des Flüssigkeitsstroms über das Wehr, sowie den eintretenden Dampfstrom wird durch Standardkorrelationen beschrieben. Das Modell wurde durch eigene entwickelte und experimentell validierte Korrelationen zur Beschreibung von Regen und Entrainment erweitert. Regen und Entrainment beeinflussen im nichtbestimmungsgemäßen Betrieb nachhaltig die Anlagendynamik und können daher nicht vernachlässigt werden. Die Beschreibung von Druckentlastungen über Sicherheitsventile oder Berstscheiben ist ebenfalls möglich. Die gewählte Implementierung berücksichtigt einphasige und zweiphasige Druckentlastungen. Auch die Öffnungs- und Schließdynamik der Druckentlastungs-einrichtung wird beschrieben. Die Unterbindung der Energiezufuhr durch ein Abschalten des Verdampfers ist eine häufig verwendete sicherheitstechnische Maßnahme. Experimente sowie Simulation zeigen jedoch, dass ein weiterer Druckanstieg trotzdem möglich ist. Eine Berechnung des Druckanstiegspotentials ist daher erforderlich. Weiterhin wird aufgezeigt, dass die gängigen Short-Cut-Methoden und Heuristiken zu einer starken Überdimensionierung der Entlastungseinrichtung führen. Basierend auf den durchgeführten Experimenten und Simulationsergebnissen wurde ein technischer Leitfaden erstellt. Der Leitfaden ermöglicht eine schnelle, effiziente und sichere Auslegung sicherheitstechnischer Maßnahmen für Destillationskolonnen.
Distillation column safety assessment and the design and layout of safety measures are nowadays mostly done by experience, rules of thump and heuristical methods. The present work presents a new and innovative approach to improve the development of adequate and efficient safety concepts. Systematic experimental investigations under various operating conditions were conducted to develop a better understanding of the dynamic behavior. To have access to relevant operating parameters special designed measurement techniques were developed and employed. Based on the experimental investigation and the gained expertise a dynamic simulation model is developed. The model is designed to display the dynamic of the column after an operation failure like a condenser malfunction or a break down of a plant component. Therefore, the reproduction of a wide range of different column states is requested. Due to the planned application, a flexible design is needed to allow a fast adaption to different types of columns. A reasonable trade-off between accuracy on one side and computing time and model complexity on the other side is accomplished. The successful validation with own dynamic data from experimental investigations on a pilot plant scale column confirms the chosen model assumptions. The presented modeling approach consists of the assumption of a dynamic equilibrium stage model including hydrodynamic correlations. The standard hydrodynamic correlations concerning liquid weir overflow and vapor flow caused by the stage pressure drop were extended by own developed correlation describing liquid entrainment and weeping. Entrainment and weeping are relevant phenomena in the field of the desired application and have a massive impact on the column dynamic and are therefore not any more negligible. The description of pressure relief events via safety valve or bursting disk is possible with the simulation model. The implementation considers one-phase and two-phase relief flows. Also the dynamic of the opening and closing cycle of the pressure relief device can be described. The power cut off by shutting the reboiler down is a frequently used safety method. The experiments and the simulations show that a further pressure increase is not necessarily prevented. A calculation of the increase potential is necessary. It is also proved that the commonly employed short-cut methods and heuristics used to design pressure relief devices lead to a massive over sizing of the relief device. Based on the conducted experiments and simulation studies a technical guideline for the design of safety concepts is developed and presented in this work. The guideline allows a quick, efficient and safe design of safety measures for distillation columns by using the developed simulation model and following universally valid statements acquired within this work.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-27285
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2849
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2552
Exam Date: 18-Jun-2010
Issue Date: 8-Sep-2010
Date Available: 8-Sep-2010
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Destillationskolonne
Druckentlastung
Dynamische Simulation
Nichtbestimmungsgemäßer Betrieb
Distillation Column
Dynamic simulation
Not normal operation
Pressure releief
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