Direkte Simulation einer Betriebsstörung mit VSP2 (Vent Sizing Package 2)
Das VSP wurde 1985 durch DIERS für die Charakterisierung von „runaway“ Reaktionen eingeführt. Die Vorteile des VSP bestehen in der leichten Testzelle und dem daraus resultierenden kleinen Phi Faktor (geringe thermische Trägheit), dem adiabatischen Druckverfolgung und dem heat-wait-search. Der adiabatische Betrieb erlaubt es die Temperatur- und Druckdaten direkt auf große Behälter anzuwenden.
Im adiabatischen Reaktionskalorimeter VSP2 können Versuche für Worst-Case-Szenarien. wie z.B. ein Kühlungsausfall, nachgestellt werden. Dabei wird ein Durchgehen einer exothermen Reaktion unter adiabaten Bedingungen zugelassen, um den maximalen Temperatur- und Druckanstieg sowie die dazugehörigen Temperatur-. Druckanstiegs- und Gasproduktionsraten zu ermitteln.
- Bekannte Fälle für „runaway“ Reaktionen sind:
- Überheizen
- Fehldosierungen
- Unbekannte Exothermien oder Zersetzungsreaktionen
- Verunreinigungen
- Fehlerhafte Durchmischung
- Fehlerhafte Batch-Temperaturen oder Druckkontrolle
Das Wissen über die Temperatur- und die Gasproduktionsraten in einem solchen Fehlerszenario können für das Absichern eines Prozesses eingesetzt, zum Entwickeln von Notfallmaßnahmen oder der Auslegung einer Druckentlastung genutzt werden.
Weitere Anwendungsfälle außerhalb der Auslegung von Druckentlastungseinrichtungen:
- Bestimmung einer geeigneten Temperatur oder eines geeigneten Druckes für eine Sicherheitsabschaltung.
- Die Bestimmung geeigneter Stopper für katalytische oder radikalische Reaktionen.
- Optimierung eines Prozesses durch Variation der eingesetzten Mengen.
Der Aufbau der Messapparatur besteht aus einem Druckbehälter mit einem Volumen von ca. 4 L. In diesen wird als Messzelle ein Edelstahlbehälter mit einer Wandstärke von 0,2 mm und einem durch Auslitern bestimmten freien Innenvolumen (zur Berücksichtigung von Einbauten und Rührer) von 110 ml eingesetzt. Dieser Edelstahlbehälter ist gegen die Umgebung thermisch isoliert. Das System wird mittels eines elektrischen Heizers am Boden der Messzelle auf die Lagertemperatur gebracht. Anschließend wird die direkte Umgebung des Systems mit einem weiteren elektrischen Heizer, der den Behälter umschließt, auf die Innentemperatur der Messzelle angeglichen. Im Falle einer exothermen Zersetzungsreaktion wird durch die Mantelheizung die Temperatur der Messzelle der Probentemperatur kontinuierlich angepasst. Durch die Isolierung, sowie der geringen Temperaturdifferenz zwischen Messzelle und Umgebung sind annähernd adiabate Bedingungen gegeben. Das Messsystem kann sowohl offen als auch geschlossen zur Umgebung betrieben werden. Bei geschlossener Fahrweise wird der Druck im Druckbehälter durch Zu- bzw. Ablassen von Stickstoff dem Innendruck der Messzelle angepasst. Durch Aufrechterhalten einer geringen Druckdifferenz zwischen Messzelle und Druckbehälter wird die dünnwandige Messzelle vor Deformationen geschützt. Es werden die Temperatur- und Druckverläufe in der Testzelle und im Druckbehälter während der Reaktion erfasst und aufgezeichnet.
Quellen:
1. Process Safety News Fall 2011.
2. Askonas, Burelbach, Leung, Fauske and Associates, 2000, THE VERSATILE VSP2: A TOOL FOR ADIABATIC THERMAL ANALYSIS AND VENT SIZING APPLICATIONS, North American Thermal Analysis Society, 28th Annual Conference.
3. Fauske.com.