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Zweiphasenströmung durch Sicherheitsventile – was ist zu tun?

Bei der schnellen Entlastung eines unter Druck stehenden Behälters über eine dampfraumseitig angeordnete Ent­span­nungsleitung, eine Berstscheibe oder ein Sicherheitsventil kann es durch das Aufwallen der siedenden Flüs­sig­keit zu einer Zwei­pha­senströmung aus Dampf und mit­geris­se­ner Flüssigkeit kommen. Auch ein in der Flüssigkeit gelöstes Gas kann sich durch die Druck­ent­lastung entlösen und ein vollständiges Aufwallen verursachen – wie beim Öffnen einer Sekt­flasche, wenn sich beim Öffnen schlagartig Kohlendioxid-Blasen bilden und die Flüssigkeit aus der Flasche drücken.

Die durch das Aufwallen eventuell entstehende Zweiphasenströmung führt zu den folgenden Herausforderungen:

1. Die mitgerissene Flüssigkeit wird evtl. in die Umgebung freigesetzt, was insbesondere bei brennbaren oder to­xischen Stoffen kritisch sein kann. Um die Freisetzung von Flüssigkeit in die Umgebung zu vermeiden, sollten grundsätzlich bei brennbaren oder to­xi­schen Stoffen Flüssigkeitsabscheider, z. B. Zyklonabscheider, eingesetzt wer­den.
2. Durch die Flüssigkeit vergrößern sich die Druckverluste im Abblaseleitungssystem. Unter Umständen kann sich die Flüssigkeit auch aufstauen und die entstehende Pfropfenströmung Druckstösse verursachen. Die Druck­verluste in der Abblase­leitung bei Zweiphasenströmung müssen bei der Auslegung berücksichtigt werden.
3. Die Flüssigkeit versperrt einen Teil der Entlastungsöffnung und verringert so den Gasmengenstrom, über den der größte Teil an Energie in Form von Verdampfungswärme aus dem Behälter ausgetragen wird. Zur Kompensation des gleichen Druck­anstiegs im Behälter sind dann größere Entlastungsquerschnitte erforderlich als bei der reinen Gasströmung. Zur Auslegung von Sicherheitsventilen für Zweiphasenströmungen gibt es seit Oktober 2010 die Norm ISO 4126 Teil 10, in der insbesondere auch die Bedingungen in der chemischen Industrie berücksichtigt wer­den.

In der ISO 4126-10 wird erstmals auch der gesamte Ablauf der Auslegung beschrieben. Die einzelnen Schritte sind in Abbildung 1 dargestellt. Ein wesentlicher Schritt besteht in der Festlegung, ob unter den gegebenen Bedingungen überhaupt eine Zweiphasenströmung auftreten kann oder doch mit ei­ner reinen Gasströmung ge­rechnet werden kann. Diese Entscheidung hängt im Wesentlichen von der Schaum­bildungsneigung und Viskosität des Stoffsystems, von der Dampfproduktions­ge­schwin­dig­keit und vor allem dem Füllgrad des Behälters ab.

Bei schäumenden und höher viskosen (> 100 mPa·s) Systemen muss schon bei niedrigen Füllgraden mit einer Zweiphasenströmung gerechnet werden. Bei den anderen Stoffsystemen lässt aus der Abbildung 2 ein Grenzfüllgrad ablesen, bei dessen Überschreiten mit einer Zwei­pha­senströmung zu rechnen ist. Die Ent­scheidung, ob der Füllgrad des Behälters so hoch ist, dass bei der Druck­entlastung eine Zweiphasen­strö­mung auftritt, kann nunmehr schnell getroffen werden.

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