us WsI charakteristische Relativgeschwin-

utm [m/s] stationare Sinkgeschwindigkeit

ZJ [m/s] kinematische Viskositat 6 [kg Saldkg HZO] Salzkonzentration P [kg/m31 Dichte

digkeit (Slip velocity)

t' [-I Porositat

Indices

a. o Beginn. Ende des Vorgangs L Flussigkeit, Losung js Suspendierungszustand P Partikel R Ruhrer s Feststoff; bei Schwarrnsinkgeschwindigkeit

Literatur

[ 11 Mullin, J. W : Crystallization, Butterworth-Heinemann, Lon- don 1993.

[2] Kind, M . ; Mersmann, A.: Fixed single crystals, European Federation of Chemical Engineering 1990, 68f.

[3 ] Offermann, H . : Fluidized single crystals, Measurement of crystal growth rates. European Federation of Chemical Engineering 1990, l l l f .

[4] Garside, J . ; Mersmann, A. ; Nyvlt, J.: Measurement of crystal growth rates, European Federation of Chemical Engineering, 1990.

[S ] Mullin, J. W ; Garside, J.: Trans. Inst. Chem. Eng. 45 (1967) S. 291/295.

[h] Garside, .I.; Al-Dibouni, M . R.: Ind. Eng. Chem. Process Des. Dee 26 (1977) S. 206/214.

[7] Mullin, J. W ; Treleaven, C. R.: Inst. Chem. Eng., Symp. Ser. (1962) S . 203/210.

[8] Langer, H.: Dissertation, RWTH Aachen 1985. [Y] Harriot, I?: AIChE J. 8 (1962) S. 93/102.

[lo] hienow, A . W ; Bujac, I? D.; Mullin, J. W : J. Crystal Growth

(111 Myerson. A . S.: Handbook of Industrial Crystallization, 13/14 (1972) S. 488/492.

Butterworth-Heinemann, London 1992, S. 46/49.

Sven Hafkesbrink, Hans-Georg Schecker und Klaus Hermann*

Viele der in der chemischen Industrie angewandten Reaktionen sind exotherm und gelten aufgrund ihrer Reaktionskinetik als gefghrlich. Uberdosierungen von Edukten, Kuhlungs- oder Ruh- rerausfall konnen zu unvorhergesehenen heftigen Reaktionen im Reaktor fuhren, bei denen vie1 Energie oder groBe Mengen von toxischen, atzenden, brennbaren oder auch explosiven Stoffen freigesctzt werden konnen. Reaktoren, in denen gefahrliche

Reaktionen ablaufen, sind daher durch geeignete Schutzmahah- men zu sichern, um Storfalle unwahrscheinlich zu machen oder deren Auswirkungen auf ein ertragliches Ma6 zu verringern.

Die SchutzmaBnahmen lassen sich in primare und sekundare Mahahmen unterscheiden: Primarmahahmen bewirken die Minimierung oder Vermeidung des Gefahrenpotentials, das von einer gefahrlichen Reaktion ausgeht, wahrend die SekundarmaB- nahmen lediglich die Auswirkungen einer durchgehenden Reak- tion begrenzen helfen. Primarmahahmen sind jedoch in vielen Fallen nicht anwendbar oder besitzen ein untragbar hohes Restri- siko. SekundarmaBnahmen sind daher fur gefahrliche Reaktionen trotz Primarmahahmen unverzichtbar.

Systeme fur die Durchfuhrung von sekundaren MaBnahmen lassen sich in Notkuhlungs-, Reaktionsstopper- und Notentla- stungseinrichtungen einteilen. Hierzu sind weiterhin die MSR- Schutzeinrichtungen zu zahlen. Die Notentlastungssysteme erfor- dern in der Regel zusatzliche Auffang- und Entsorgungssysteme, um auch die Umwelt und den unmittelbaren Nahbereich um den Reaktor vor freigesetzten Stoffen zu schutzen.

Da bei einer Notentspannung eines Reaktors in den meisten Fallen mit einem zweiphasigen Ausstromen zu rechnen ist, muB ein Auffangsystem in der Lage sein, die fliissige Phase getrennt abzuscheiden und abzukuhlen. Weiterhin mu13 eine Einrichtung zur Kondensation der dampfformigen Bestandteile sowie fur eine gefahrlose Ableitung der gasformigen Produkte vorhanden sein. Dieses System sollte unabhangig von betrieblichen Energien jederzeit verfiigbar sein. Die verschiedenen Funktionen konnen dann in einer geeigneten Apparatur vereint werden (Abb. 1).

Zur Kondensation der dampfformigen Anteile sind wegen des besseren Warmeaustausches Verfahren, bei denen Kuhlmedium und Dampf in direktem Kontakt miteinander stehen (Direktkon- densation), generell besser geeignet als Verfahren mit indirektem Kontakt. Die ublichen Einsatzbeschrankungen fur die Direktkon- densation, z. B. die Vermischung von Kuhlmedium und Konden- sat, wirken sich bei einem Verfahren mit sicherheitstechnischer Zielsetzung nicht nachteilig aus.

Die besonderen Anforderungen an die Direktkondensation innerhalb eines Notentspannungssystems werden durchverfahren, wie die Dispergierung der GasDampf-Phase in einer Tauchvorlage [l] oder die Direktkondensation mittels Strahlkondensatoren [2], erfullt .

Strahlkondensatoren, die bislang zur Forderung oder Erwar- mung von Flussigkeiten eingesetzt werden, gehoren zu der Gruppe der Treibmittelpumpen. Sie saugen unter Ausnutzung der kineti- schen Energie der einstromenden Gasphase (Treibmedium) selbst- tatig Kuhlmittel an und bewirken durch eine hochturbulente Vermischung von Kiihlmedium und Gasphase die Kondensation des Dampfes. Die charakteristische Eigenschaft dieser Apparate ist ein sehr intensiver Warme-, Stoff- und Impulsaustausch zwi-

I

Reaklot Flussigkeilsabscheider mil AUHanQvOlIJm€!n

Ablull

Direklkondensalion

* Dip1.-Ing. S Hafkesbrink, Prof. Dr. H.-G. Schecker, Wilhelm- Jost-lnstitut. Ostingstr. 13, 59063 Hamm, und Dr.-Ing.. Abb. 1. Mogliches Auffangsystem zum Zuruckhalten von K . Hermann, Inburex GmbH, 59065 Hamm.

Chem.-Ing.-Tech. 66 (1994) Nr. 6, S. 871-873

notentspannten Medien.

0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69469 Weinheim, 1994 87 1 oOo9-286X194/0606-0871 $5.00 + .25/0

schen Gas- und Flussigphase, wodurch sich die bereitzustellende Kuhlmittelmenge auf das thermodynamisch erforderliche Min- destmaB reduzieren laat.

Fur die Auslegung dieses Verfahrens bei groRtechnischen Notentspannungsvorgangen werden detaillierte Kenntnisse uber die Wirksamkeit der Direktkondensation mittels Strahlkondensa- toren in verschiedenen Situationen benotigt. Ziel der vorgestellten Arbeit ist es, durch experimentelle Untersuchungen an einer Technikumsanlage inverbindung mit einer theoretischen Beschrei- bung des Ansaug- und Kondensationsvorgangs entsprechende Dimensionierungsunterlagen zu ermitteln und eine Grundlage fur den grofitechnischen Einsatz von Strahlkondensatoren in einem Notentspannungssystem zu schaffen.

1 Experimentelles

Die Technikumsanlage besteht aus einem Dampferzeuger (250 I), der den zu entspannenden Druckbehalter simuliert und

Tabelle 1 . Variation der Versuchsparameter.

Bezeichnung Bereich

Stoffsysteme

Treibdriicke Kuhlmittelmassenstrom Abluftvolumenstrom Kiihlmitteltemperatur Stickstoffanteile Gegendruck bei der Konden-

Treibdusendurchmesser des

Mischdusendurchmesser des

Einbauposition des Strahl-

sation

Strahlapparates

Strahlapparates

apparates

MethanollStickstofflWasser Frigen R113/Stickstoff/Wasser 0,143 bar 0,5-10 m3/h 0-20 m3h 15-80°C 0-100 Yo 0-4 bar

4 mm, 7,5 mm, 10 mm, 7 3 mm Laval-Duse 17 mm, 25 mm

innenliegend, auBenliegend

mittels eines SchnellschluRventils geoffnet werden kann. Durch eine mantelbeheizte Rohrleitung wird der Dampf einem Strahlap- parat zugefiihrt. Es ist moglich, dem Dampf eine definierte Menge nichtkondensierbarer Anteile zuzumischen. Strahlapparate kon- nen im Auffangbehalter (lo00 1) eingebaut oder am Behalter auBenliegend angebaut betrieben werden (s. Abb. 2). Wahrend eines Versuches werden die MeBdaten (Fullstande, Durchflusse, Drucke und Temperaturen) mittels eines Computers erfaBt und abgespeichert .

Die Funktionsweise eines Strahlapparates ist denkbar einfach. Das notentspannte Medium stromt durch die Treibduse in den Strahlapparat ein und reiBt das Kuhlmedium durch seine Ein- stromenergie mit in die Mischduse. Hier findet dann unter intensivem Warme- und Impulsaustausch die Kondensation statt. Die untersuchten Parameter sind Tab. 1 zu entnehmen.

2 Ergebnisse

Grundvoraussetzung fur eine wirksame Kondensation des notentspannten Dampf/Gas-Gemisches ist das selbstandige Ansaugen von Kuhlmedium in einem zur Kondensation ausrei- chenden MaB. Das selbstandige Ansaugen setzt ein, sobald der Treibdruck (Druck an der Treibduse des Strahlapparates) den Gegendruck (Druck hinter der Mischduse des Strahlapparates) geringfiigig (ca. 100 bis 200 mbar) uberschreitet. Mit steigendem Treibdruck erhoht sich auch der Kuhlmittelstrom. Dieser Strom betragt dann ein Vielfaches (ca. 50- bis 70-fache) des zu konden- sierenden Dampfmassenstroms, so daR in der Mischduse optimale Bedingungen fur eine rasche und vollstandige Kondensation vorliegen [2] (s. Abb. 3).

Bei Anwesenheit nichtkondensierbarer Gase kommt es zu einer erheblichen Verringerung des Kuhlwasserstroms (Abb. 4). Bereits bei einem Inertgasanteil von 6 bis 7 % wird der Kiihlwasserstrom um mehr als die Halfte reduziert. Eine weitere Steigerung des Inertgasgehaltes hat dagegen nur noch einen geringen EinfluB auf den Kuhlwasserstrom. Die angesaugte Kuhlmittelmenge reicht aber trotz dieses Effektes immer noch aus, um ein Kondensieren des Dampfes ohne Probleme zu gewahrleisten.

Abb. 2. Skizze der Versuchsanlage.

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Druckdifferenz [bar]

Abb. 3. Angesaugter Wasserstrom uber dem Treibdruck des Strahlkondensators (Dampfstrahl-Flussigkeitserhitzer Typ 38.1, GroOe 1 [3]).

E m -0 99.85 - E 0 Y

0- 0 20 40 60 80 100

Inertgasgehalt [Ma.-%]

Abb. 4. Angesaugter Wasserstrom uber dem Stickstoffanteil (Dampfstrahl-Flussigkeitserhitzer Typ 38.1, GroOe 1 [3]).

Zur Beschreibung der Kondensationswirksamkeit wird der Kondensationsgrad herangezogen, der folgendermaBen definiert wird:

Der Kondensationsgrad nimmt mit steigender Kuhlmitteltempera- tur. also kleinerer treibender Temperaturdifferenz (Unterkuh- lung). ab. Ein deutliches Absinken des Kondensationsgrades findet allerdings erst bei Unterkuhlung kleiner 10 K statt (Abb. 5).

Wird dem Dampf eine nicht kondensierbare Komponente (Inertgas) zugemischt (Abb. 6), ist keine merkliche Verschlechte- rung der Kondensationswirksamkeit des innen- und auRenliegen- den Strahlapparats festzustellen. Der Kondensationsgrad stimmt ebenfalls mit dern theoretisch moglichen uberein. Die geringe Abnahme ist durch die Definition des Kondensationsgrades gege- ben. da sich die Abluftmenge erhoht und somit ein mit Dampf gesattigter Inertgasstrom bildet, d. h. der Kondensationsgrad nimmt mch bei konstantem Dampfpartialdruck ab, wenn sich der Abluftstrom erhoht.

Ein Vergleich von innenliegendem und externem Fliissigkeitser- hitzer Leigt hinsichtlich des Kondensationsverhaltens keinen Unterschied dieser prinzipiell gleichen Apparate (Abb. 6).

Zusammenfassend laBt sich feststellen, daB fur den technischen Einsatz aus Kostengrunden moglichst viele innenliegende Strahl- kondensatoren zum Einsatz kommen sollten und nur aus Platz-

100.00

99.95

99.90

I 0 expenmentell I meoretisch

0 10 2 0 3 0 4 0 5 0

Unterkuhlung [1<1 Abb. 5. Kondensationsgrad uber der Unterkuhlung (Dampf- strahl-Flussigkeitserhitzer Typ 38.1, GroOe 1 druck 4 bar).

-0 99.9 - E g 99.8- 0)

0

m ln 99.7- C m a

- 0-

[3], Entlastungs-

99.5 0 5 10 15 20 2 5 3 0 35

Stickstoffanteil ["/I Abb. 6. Kondensationsgrad uber dem Stickstoffanteil (Dampf- strahl-Flussigkeitserhitzer Typ 38.1, GroOe 1 [3], Entlastungs- druck 4 bar).

grunden auf auaenliegende Strahlkondensatoren zuriickgegriffen werden sollte. Die hier wiedergegebenen Untersuchungen zeigen ganz eindeutig, daR sich ein derartiges Kondensationssystem innerhalb einer Blow-down-Einrichtung uber einen weiten Bereich von Druck, Unterkuhlung und Inertgasanteil eignet.

Zukunftige Untersuchungen werden sich mit der Positionierung von mehreren Strahlkondensatoren innerhalb eines Auffangbehal- ters beschaftigen. Weiterhin werden andere Stoffsysteme unter- sucht, um eine groBere Datenbasis zur technischen Auslegung zur Verfugung zu haben und unter Umstanden mehrere Reaktoren an ein solches Auffangsystem anschlieaen zu konnen.

Eingegangen am 29. November 1993 [K 16721

Literatur

[1] Beher, K. : Dissertation, Universitat Dortmund 1990. [2] Hermann, K. : Dissertation, Universitat Dortmund 1992. [3] GEA Wiegand GmbH: Katalog Strahlpumpen und Gaswa-

scher, Ettlingen 1986.

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