Promotion in Economic Safety | Experimental Safety

Smart Overpressure Protection Device

Entwicklung und Konstruktion einer sich an den Prozess adaptiv anpassenden intelligenten Überdruckschutzarmatur für die chemische, petrochemische und pharmazeutische Industrie.

Mechanische Schutzeinrichtungen, wie Sicherheitsventile und Berstscheiben sind seit Jahrzenten betriebsbewährt. Trotzdem sind sie anfällig gegenüber gewisse Betriebsbedingungen. Flattern (hochfrequentes Öffnen und Schließen), Verkleben, Verkrusten und Undichtigkeiten sind nur einige typische Folgen, die es gilt hier zu nennen. Round-Robin-Berechnungen der Industrie zeigten zudem, dass viele mechanische Schutzeinrichtungen viel zu groß ausgelegt werden (ca. 400%), weil sie auch im Worst-Case Szenario – schlimmste denkbare Störung – noch immer sicher öffnen müssen. Das kann die Produktivität verfahrenstechnischer Anlagen schmälern und damit die Wirtschaftlichkeit der Prozesse negativ beeinträchtigen. Zusätzlich werden dadurch nachgeschaltete Rückhaltesysteme überlastet und die Umwelt negativ beeinträchtigt.

Motivation

Unter druckstehende Behälter wie Reaktoren, Kolonnen und Lagertanks werden üblicherweise mit Berstscheiben oder Sicherheitsventile gegenüber nicht zulässige Drücke abgesichert. Die Ursachen für einen Druckanstieg können vielfältig sein, so kann eine Fehlfunktion einer Pumpe oder Kompressor den Behälterdruck unkontrolliert ansteigen lassen. Auch ein externes Feuer kann zu einem Druckanstieg, aufgrund der Erhitzung des Fluids im Behälterinnern, führen. Für chemische Reaktoren besteht immer die Gefahr des Runaways – Durchgehreaktion, aufgrund des Kontrollverlusts der Reaktion – und einem damit verbundenen Druckanstieg im Reaktor.

Statistische Untersuchungen verschiedener Störfalldatenbanken haben gezeigt, dass im Falle von chemischen Reaktoren die meisten Störfälle, die zu einem Runaway geführt haben, auf Fehldossierung, unzureichende Reaktionskenntnis oder Kühlvorrichtungsausfall zurückzuführen sind. Eine Betrachtung der verschiedenen chemischen Reaktionen zeigt außerdem auf, dass die größte Gefahr von Polymerisations- und Nitrierungsreaktionen ausgeht. Dies lässt sich auf die große Exothermie zurückführen. Genaue Zahlen zu Todesopfern, Verletzten oder Unfallskosten können nur grob abgeschätzt werden, da sich Unternehmen davor scheuen solche Zahlen zu veröffentlichen. Schätzungen zu Folge liegen die direkten durchschnittlichen Kosten eines Störfalls bei ca. $20 Millionen Dollar. Darin sind noch keine Börsenwertverluste oder eine verschlechterte Auftragslage aufgrund von Imageschäden miteingerechnet. Folglich müssen Betreiber verfahrenstechnischer Anlagen nicht nur aus ethischer Sicht und aus Verantwortung gegenüber der Öffentlichkeit für Sicherheit sorgen, sondern auch unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit.

Die Gefahren von unzulässigen Drücken sind vielfältig. Verfahrensingenieure müssen alle denkbaren Störfälle in Betracht ziehen.

Um eine sichere Druckentlastung zu ermöglichen, ist eine genaue Auslegung für Sicherheitsventile oder Berstscheiben nötig. Dies setzt eine hohe Expertise über Prozess und Anlage voraus. Große Chemiekonzerne besitzen hierzu große Sicherheitsabteilungen mit der nötigen Fachkompetenz. Mit geeigneten Software-Lösungen und kalorimetrischen Messungen können sie den hochdynamischen Prozess der Druckentlastung simulieren und beruhend auf den daraus erhaltenen Ergebnissen geeignete Maßnahmen treffen. Dies ist aber sehr teuer und zeitintensiv. Aus diesem Grund existieren verschiedene Ansätze, um eine für Ingenieure praktikabler Auslegung von Berstscheiben und Sicherheitsventilen zu ermöglichen. Beispielsweise ist in der ISO 4126-10 ein allgemeines Vorgehen zur Auslegung von Sicherheitsventilen beschrieben. Die Modellgleichungen beruhen hier auf vereinfachte Massen- und Energiebilanzen sowie vereinfachten Strömungsbedingungen. Eine genaue Kenntnis der Modellannahmen und deren Grenzen ist aber eine wichtige Vorrausetzung für die richtige Anwendung der Norm. Auch hier benötigen Ingenieure eine tiefgehende sicherheitstechnische Kompetenz. So muss zuverlässig der Worst-Case definiert, das Aufwallverhalten im Behälter bestimmt, der Fluidzustand – Ein- oder Zweiphasenströmung – bewertet, der Energieeintrag abgeschätzt und die Funktion der mechanischen Schutzeinrichtung gewährleistet werden.

Herausforderung

Aus dem obigen Sachverhalt kann zusammenfassend folgende Herausforderung abgeleitet werden:

1. Mechanische Schutzeinrichtungen werden oftmals zu groß dimensioniert. Dadurch leidet die Produktivität und Wirtschaftlichkeit der Prozesse – Prozesslimitierung durch Sicherheitstechnik.
2. Die Auslegung mechanischer Schutzeinrichtung benötigt eine große Fachkompetenz, ist teuer und zeitintensiv. Gerade für kleine Betriebe ist dies ein Nachteil.
3. Wirtschaftliche Schäden durch Störfälle im Zusammenhang mit Überdruck können enorm sein.
4. Es existieren keine Druckentlastungssysteme, die sich automatisch an die aktuellen Prozessbedingungen der jeweiligen Verfahren anpassen.

Ziele und Mehrwert von SmOP

Smart Overpressure Protection Devices (SmOP) sind intelligente, sich an den Prozess anpassende Druckentlastungsarmaturen. Sie stellen die Zukunft der Druckentlastung dar. Mit ihrer Hilfe kann eine hohe Prozesssicherheit bei gleichzeitiger Verbesserung der Wirtschaftlichkeit gewährleistet werden. Sie sollen die Nachteile klassischer mechanischer Schutzeinrichtungen beseitigen. Ein SmOP arbeitet dynamisch im Vergleich zu der statischen funktionsweise von mechanischen Schutzeinrichtungen, d.h. es existiert nicht nur ein Ansprechdruck und Entlastungsquerschnitt. Sie sind an die aktuellen Prozessbedingungen adaptiv regelbar. Dadurch können höhere Drücke und Temperaturen zugelassen werden, was z.B. die Reaktionsgeschwindigkeit oder Selektivität verbessert. Dies steigert die Produktivität und Wirtschaftlichkeit.

Ökonomische Vorteile durch zeitliche Adaption:

Mechanische Schutzeinrichtungen werden für den Worst-Case ausgelegt. Am Beispiel von chemischen Reaktoren ist dies der Zeitpunkt an der die Akkumulation der reaktiven Komponente im Reaktionsgemisch am höchsten ist. Eine Kühlpanne zu diesem Zeitpunkt führt zu einer quasi-adiabaten Abreaktion unter enormer Hitzeentwicklung und einem schnellen Druck- und Temperaturanstieg (Durchgehreaktion). Das Bersten oder eine Explosion können die Folge sein. Vor und nach dem Zeitpunkt der höchsten Akkumulation ist aus physikalischer Sicht der Worst-Case nicht erreichbar – geringeres thermisches Potential – dadurch können höhere Temperaturen und Ansprechdrücke zugelassen werden. Hieraus kann z.B. eine schnellere Dossierung der reaktiven Komponente abgeleitet werden. Dies führt zu einer deutlichen Zeitersparnis.

Ökonomische Vorteile durch rezeptabhängige Adaption:

Sogenannte Mehrzweckanlagen zeichnen sich durch ihre hohe Flexibilität aus. In einer Anlage können verschiedene Produkte hergestellt werden. In der pharmazeutischen und Feinchemikalienindustrie sind solche Anlagen häufig im Einsatz. Eine Herausforderung stellt ihre Absicherung dar. Aufgrund der vielen verschiedenen Rezepten gilt es immer zu prüfen, ob ein geplantes Rezept in der Anlage aus sicherheitstechnischer Sicht gefahren werden kann. Die Frage ob ein Sicherheitsventil bzw. eine Berstscheibe noch ausreichend dimensioniert ist, muss an dieser Stelle geklärt werden. Ein SmOP kann sich adaptiv auf das Rezept einstellen. Dadurch können Lösemittel ggf. ausgetauscht oder neue Rezepte leicht übernommen werden. Dadurch wird die Flexibilität der Anlage verbessert, was oft mit einer Kostensenkung einhergeht.

Sicherheitstechnik soll in Zukunft nicht limitieren, sondern neue wirtschaftliche Möglichkeiten für produzierende Unternehmen bieten.

Sicherheits- und umwelttechnische Vorteile durch Adaption:

Durch den variablen Entlastungsquerschnitt kann ein konstanter Massestrom während der Druckentlastung realisiert werden. Typische End-of-Pipe-Technologien, wie Abscheider und Rückhaltesysteme können dadurch effizienter genutzt werden indem sie die optimalen Eingangsbedingungen erhalten. Die Folge ist eine verminderte Emission von Fluiden. Zusätzlich können Grenzwerte wie ERPG 2 und 3 besser eingehalten werden. Es wird nur so viel entlasten, wie gesetzlich vorgegeben ist. Auch kann eine schnelle Adaption an neue verminderte Grenzwerte erfolgen, ohne die Notwendigkeit eines Tausches der Sicherheitsarmatur.

Gesetzliche Grenzwerte ändern sich! Die Industrie muss frühzeitig handeln, um die neuen Auflagen zu erfüllen. Ein SmOP ist eine elegante Lösung.

In Zukunft ist auch eine Online-Druckentlastung möglich, d.h. die aktuellen Wetterdaten, wie Wind, Luftdruck und Umgebungstemperatur werden genutzt um eine Ausbreitung der entlasteten Fluiden vorauszuberechnen. Abhängig davon entlastet der SmOP so, dass die Grenzwerte eingehalten werden.

Für interessierte Projektpartner

Für interessierte Projektpartner besteht die Möglichkeit in das Projekt SmOP einzusteigen. Hierzu sucht das CSE potentielle Partner sowohl auf der Anwenderseite der chemischen oder pharmazeutischen Industrie sowie auch auf der Anbieterseite wie Armaturenhersteller von Sicherheitsventilen oder Berstscheiben. Natürlich sind auch Behörden und Stiftungen eingeladen an SmOP teilzunehmen. Bitte wenden sie sich an die Institutsleitung oder den zuständigen Projektbearbeiter.

Potential für studentischen Arbeiten

SmOP bietet ein interdisziplinäres Spektrum an studentischen Arbeiten. Aufgrund der Komplexität des Projektes sind Studenten verschiedenster Fachrichtungen aufgerufen an diesem Projekt mitzuwirken.

Literaturrecherche und statistische Erhebungen:

Ein Teil des Projekts beschäftigt sich mit der Untersuchung chemischer Prozesse. Prozessdaten sollen gesammelt und strukturiert werden. Typische Risiken für spezifische Prozesse sollen ausgearbeitet werden. Gleichzeitig soll ein aktueller Überblick über Störfälle und ihre Auswirkung dargestellt werden.

Neue Messtechniken in der Prozess- und Anlagensicherheit:

Ein weiterer Teil des Projekts umfasst die Bewertung neuer Messtechniken, mit deren Hilfe die Prozesssicherheit verbessert werden kann. Als Beispiel ist die Online-Messung von Stoffdaten zu nennen oder das bestimmen von Stoffkonzentrationen in komplexen Mischungen. Als interessante Messtechniken sind hier IR- und NMR-Techniken zu nennen, aber auch online Kapillarrheometer stellen eine interessante Messtechnik zur schnellen Charakterisierung von Fluideigenschaften dar. Des Weiteren wird im Pharmabereich die multivariate Datenanalyse (Principle Component Analyses, Partial Least Square usw.) eingesetzt, um aus großen hochdimensionalen Daten Information über die Produktqualität zu gewinnen. Es ist zu klären, ob dies in der Sicherheitstechnik einsetzbar ist. Im Zusammenhang mit dem Projekt SmOP müssen die verschiedenen Messtechniken auf ihre Anwendung in der Sicherheitstechnik geprüft werden, wie SIL-Stufe, Messbereich und Genauigkeit.

Modellierung von Reaktoren und Durchgehreaktionen:

Für die Entwicklung einer Regelung eines SmOPs bedarf es verschiedener Reaktormodelle, z.B. Polymerreaktoren im Semi-Batch-Betrieb. Im Rahmen des Projekts muss ein Prozessmodell erstellt und validiert werden. Ausgehend vom Normalbetrieb des Modells, müssen verschiedene Versagensszenarien modelliert werden, wie Kühlpanne und zugehöriger Durchgehreaktion. Das Modell bildet die Simulationsgrundlage zur Entwicklung der Steuerung und Regelung des SmOPs.

Steuern und Regeln eines SmOPs:

Ausgehend vom Modellreaktor muss eine Regelung für den SmOP konzipiert werden. Ansprechdruck und Entlastungsquerschnitt stellen die Stellgrößen dar, während verschiedene Prozessdaten – Temperaturen, Drücke, Massenströme usw. – die Eingangsgrößen bilden. Die Herausforderung liegt hierbei auf der Verarbeitung der großen Datenmengen und dem hochdynamischen Verhalten von Reaktor, Durchgehreaktion und Entlastungsvorgang. Das Regelkonzept wird im Nachhinein in eine Sicherheitsgerichtete speicherprogrammierbaren Steuerung (SSPS) implementiert. Sie ist hochverfügbar und robust. Aufgrund der großen Datenmenge des Prozesses und der begrenzten Rechenkapazität werden auch Regelkonzepte untersucht, die auf maschinellen Lernen beruhen, wie z.B. künstliche neuronale Netze. Diese können im Vorfeld mit Daten aus Simulation und Experimenten trainiert werden und einfach in eine SSPS implementiert werden.

Konstruktion eines SmOP:

Ein wichtiger Bestandteil des Projekts besteht aus der Entwicklung und Konstruktion eines Prototyps für einen SmOP. Dazu müssen verschiedene Mechanismen zur Druckentlastung untersucht werden. Im Idealfall sollen die Nachteile von Sicherheitsventil und Berstscheiben – Flattern, Verkrusten, nicht Wiederverschließbarkeit – beseitigt und ihre jeweiligen Vorteile vereint werden. Mechanismen zum Öffnen und Schließen müssen bewertet und neue Konzepte entwickelt werden.

Projekt-Daten SmOP

Promotion im Rahmen der CSE-Schwerpunkte Economic Safety | Experimental Safety
Beginn Januar 2017 / Projektzeitraum 4 Jahre

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