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Ethylenoxid ist vor allem aufgrund seiner hohen Reaktivität ein wichtiges organisches Zwischenprodukt der chemischen Industrie und in vielen Fällen bisher unersetzbar. Da es auch in Abwesenheit jeglicher Reaktionspartner explosionsartig zerfallen kann, ist der Umgang mit ethylenoxidhaltigen Gemischen jedoch nur mit besonderen sicherheitstechnischen Maßnahmen möglich. Für die sicherheitstechnische Beurteilung der Lagerung, des Transports sowie der Verarbeitung von ethylenoxidhaltigen Gasgemischen und die Ableitung angemessener sicherheitstechnischer Maßnahmen ist die Kenntnis der sicherheitstechnischen Eigenschaften von ethylenoxidhaltigen Gasgemischen unbedingt erforderlich. In der Vergangenheit wurden sicherheitstechnische Kenngrößen von Ethylenoxid immer wieder vereinzelt nur für bestimmte Prozessbedingungen und zum Teil mit unterschiedlichen Methoden durchgeführt. Insbesondere beschränken sich die bisher veröffentlichten Untersuchungen fast ausschließlich auf atmosphärische und nur leicht erhöhte Drücke, obwohl höhere Ausgangsdrücke für industrielle Prozesse mit Ethylenoxid durchaus relevant sind. Die Anwendbarkeit vorhandener Berechnungsmodelle, durch die der experimentelle Aufwand bei der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen erheblich reduziert werden könnte, wurde bei chemisch instabilen Gasen, wie Ethylenoxid bisher kaum untersucht. Für eine umfangreichere Validierung der Berechnungsmethoden ist die in der Literatur verfügbare Datenbasis an sicherheitstechnischen Kenngrößen von Ethylenoxid nicht ausreichend. In dieser Arbeit werden sicherheitstechnische Kenngrößen ethylenoxidhaltiger Gasgemische systematisch in Abhängigkeit verschiedener Einflussgrößen, mit einheitlichen Bestimmungsmethoden und auch bei höheren Betriebsbedingungen untersucht und Methoden für die Berechnung der in dieser Arbeit ermittelten Kenngrößen entwickelt bzw. weiterentwickelt. Durch die Bestimmung der Explosionsbereiche ternärer Gemische aus Ethylenoxid, einem Inertgas und Luft und der Stabilitätsgrenzkonzentrationen binärer Gemische aus Ethylenoxid und einem Inertgas wird zunächst ausführlich untersucht, in welchen Stoffmengenverhältnissen ethylenoxidhaltige Gemische überhaupt explosionsfähig sind. Die Kenntnis dieser Kenngrößen ist zur Ableitung sogenannter primärer Explosionsschutzmaßnahmen zur Vermeidung explosionsfähiger Gemische, z.B. durch Inertisierung, erforderlich. Insbesondere werden die Einflüsse von Ausgangstemperatur und Ausgangsdruck auf die Explosionsgrenzen systematisch untersucht. Dabei werden vor allem auch die praxisrelevanten höheren Betriebsdrücke berücksichtigt. Gerade für Explosionsgrenzen im Bereich der Zerfallsreaktion kann ein enormer Einfluss des Drucks festgestellt werden. Für die Berechnung der Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid wird das halbempirische Modell der konstanten Flammentemperaturen weiterentwickelt. Die Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid werden unter der modifizierten Annahme, dass das Profil der berechneten Flammentemperaturen entlang der Explosionsgrenzkurve für verschiedene Systeme unabhängig von Ausgangsdruck, Ausgangstemperatur und Art des Inertgases konstant ist, rechnerisch bestimmt. Dazu wird ein spezielles Rechenprogramm entwickelt, dass die Berechnung der Explosionsgrenzen für ein beliebiges Gemisch aus Brenngas, Inertgas und Luft bei beliebiger Ausgangstemperatur und beliebigem Ausgangsdruck ermöglicht, wenn der gesamte Explosionsbereich für ein einzelnes System aus Brenngas, Inertgas und Luft bekannt ist. Die Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid können mit diesem Rechenprogramm mit einer durchschnittlichen Abweichung von weniger als 2 Mol-% berechnet werden. Durch die Bestimmung von Zündtemperaturen für den Zerfall von Ethylenoxid und von definierten Gemischen aus Ethylenoxid und einem Inertgas wird schließlich untersucht, bei welchen Temperaturen ein explosionsartiger Zerfall von Ethylenoxid durch eine heiße Oberfläche in einem geschlossenen System initiiert werden kann. Die Abhängigkeit vom Druck, vom Behältervolumen und vom Stoffmengenanteil an EO werden bei den Untersuchungen berücksichtigt. Anders als die nach standardisierten Verfahren bestimmte Zündtemperatur von Gasen, die in offenen Systemen und ausschließlich für Gemische mit Luft ermittelt wird, kann durch die Bestimmung der bisher nicht standardisierten Zündtemperatur für den Zerfall festgestellt werden, bei welcher Oberflächentemperatur es innerhalb eines geschlossenen Systems bei höheren Drücken und in Abwesenheit von Luft zu einem explosionsartigen Zerfall von chemisch instabilen Gasen kommen kann. Es zeigt sich, dass die Zündtemperatur des Zerfalls von Ethylenoxid bei höheren Drücken auch niedriger sein kann als die nach den Standardverfahren für offene Systeme bestimmte Zündtemperatur von Ethylenoxid. Außerdem zeigt sich, dass der Einfluss von Inertgasen auf die Zündtemperatur für den Zerfall von Ethylenoxid stark von der Art des Inertgases abhängig ist. Die Zündtemperaturen für den Zerfall von Ethylenoxid werden mit verschiedenen Modellen mit unterschiedlichem Grad an Vereinfachungen berechnet. Dabei wird rechnerisch die Wandtemperatur bestimmt, bei der es zu einem thermischen Durchgehen der Reaktion („Runaway“) kommt. Es zeigt sich, dass hinsichtlich der Genauigkeit und des Rechenaufwands eine transiente 0-dimensionale numerische Simulation besonders gut für die rechnerische Bestimmung der Zündtemperatur für den Zerfall von Ethylenoxid in Abhängigkeit des Drucks und des Behältervolumens geeignet ist. Temperaturgradienten innerhalb des Behälters werden bei diesem Modell vernachlässigt und die Wärmeabfuhr wird ausschließlich durch die Temperaturdifferenz zwischen Wand und Reaktionsmasse, die Wärmeaustauschfläche und den inneren Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt, der nach einem empirischen Ansatz für den Wärmeübergang an senkrechten Platten bei natürlicher Konvektion berechnet wird. Die Berücksichtigung von lokalen Abhängigkeiten innerhalb des Behälters durch ein 2-dimensionales Modell bringt trotz höheren Rechenaufwands keine weiteren ersichtlichen Vorteile.
The vibrations of soil and foundations are demonstrated for different types of loading. Train-induced ground vibrations are studied in a measurement campaign where a test train has run with regularly varied speeds. The measured train-induced soil vibration at 2 to 100 m distance from the track is compared with the wave propagation due to hammer excitation and with the theoretical wave field. The strong influence of the soil and the train speed on the amplitudes and frequencies of the vibration has been analysed for passages of the locomotive and the carriages. - The generation of ground vibration by strong explosions has been studied on a large testing area with sandy soil. The propagating waves were measured in a regular grid of measuring points in 10 to 1000 m. Therefore, the dominance of certain waves at certain distances and the changes of compressional waves and Rayleigh waves could clearly be observed. The results are compared with impulse hammer measurements in the range of 5 to 50 m. - A drop test facility has been built on the testing area of the Federal Institute of Materials Research and Testing (BAM). Heavy masses (containers) of up to 200 t can be dropped from 10 m height on a big reinforced concrete foundation. The foundation was instrumented by accelerometers, strain gauges and pressure cells to give information about the loading condition and by geophones to measure the vibration of the surrounding soil and building. Both excitation processes, the release of the mass and the impact, produce high vibration amplitudes. On a smaller drop foundation, the influence of the drop height and the target stiffness has been studied more systematically.
Determination of deflagration venting requirements in chemical/process plants is usually carried out using well established standards employing an empirically based formula. However, this formula is shown to have severe shortcomings, especially in the range of low KG-values, where either negative or inconceivably large venting areas can be predicted. Due to these shortcomings a method has been developed using the efflux function for gases as a basis to predict the mass flow through a vent opening in a vessel during an internal explosion. The simulated rise in pressure due to the internal explosion is quantitatively determined from the KG-value, with the mass flow through the vent opening in the vessel resulting from the pressure difference between the vessel and its surroundings. This enables the maximum overpressure as a function of the pressure relief surface area to be predicted. The method takes into account the temperature of the efflux gases and turbulence enhancement brought about by the venting process. In the following paper explosion pressure relief experiments are described and the results from these experiments are compared to predictions from the efflux method. It is shown that by adjusting the assumed turbulence which evolves during the venting process, the reduced explosion pressure can be reasonably well reproduced.
Exposure of pressure vessels to fire can result in catastrophic explosion and escalation of accidents. The safe transportation of cargo in pressure vessels therefore requires knowledge of what will happen to the cargo in the event of a vehicle derailment or rollover resulting in fire exposure. The chapter presents an overview of selected testing and modelling work undertaken to understand the thermohydraulic processes within a vessel that drive pressurization during fire. A series of experiments highlighting the importance of adequate design and selection of protection systems are summarized. It is concluded that pressure relief alone is typically insufficient to prevent vessel rupture, but the combination of relief and thermal coatings can be effective.
Die Mikroverfahrenstechnik (typische innere Abmessungen der Apparaturen < 1000 pin) erfährt zunehmend Interesse für industrielle Anwendungen. Grund hierfür sind verschiedene Vorteile gegenüber konventionellen chemischen.
Reaktoren wie ein erhöhter Wärme- und Stofftransport und größere spezifische Phasengrenzen. Hierdurch können im Zuge einer Prozessintensivierung höhere Raum-Zeil-Ausbeuten und Selektivitäten und darüber hinaus eine sicherere Prozessführung erreicht werden. Dies trifft vor allem dann zu, wenn als Oxidationsmittel reiner Sauerstoff, Distickstoffmonoxid (Lachgas) oder ähnliche Substanzen mit hohem Oxidationspotential eingesetzt werden. Vielfach wird angenommen, dass Mikroreaktoren inhärent sicher gegenüber Deflagrations- und Detonationsvorgängen sind. Durchmesser der Reaktionskanäle von 0,5 nun und kleiner lassen Flammendurchschläge zumindest bei Stoffen der Explosionsgruppen I1A und TIB für Gemische mit Luft als Oxidationsmittel und Umgebungsbedingungen (ca. 20 °C, ca. 1.013 mbar) als ausgeschlossen erscheinen. Für die in der Mikroverfahrenstechnik bevorzugten Reaktionsbedingungen wie erhöhter Druck, erhöhte Temperatur und vor allem Oxidationsmittel mit erhöhtem
Oxidalionspotential gilt dies jedoch nicht.
More than 400 iron hydrogen storage containers (also called bottles or cylinders exploded on the air strip Berlin-Tempelhof on May 25, 1894, leaving immense destruction. The Royal Prussian Materials Testing Institute was requested to investigate the material properties and to furnish an expertise, how an increased safety of such cylinders might be achieved for the future under protection of the interests of the air ship service, as for instance by improvement of delivery specifications or respective material inspections.
The studies conducted personally by the director Prof. Adolf Martens and his deputy Prof. M. Rudeloff represent one of the first comprehensive failure case investigations in history and initiated BAMs long tradition in failure analysis. Martens and his colleague elaborated quite detailed specimen plans and investigated original failure parts with a special emphasis on conspicuous fracture appearance, but also made comparison experiments with hardened as well as annealed samples. Experienced investigators might identify some first routines how to conduct failure analyses and the importance of Adolf Martens as a pioneer in this field becomes evident.
Martens publications about the original expertise Martens, 1896 [1] and [2] include detailed descriptions about the experimental procedures and specimen preparation. Also, quite modern materials testing technologies and machines have been utilized, as for instance light microscopy as well as the tensile testing machines developed by Werder and Pohlmeyer. As special features developed by Martens, precision strain measurements have been applied during respective tensile tests and the so-called micro-photographic apparatus has been adopted to produce photos of the investigated microstructures. Additionally, the publications contain at that time very valuable advices regarding appropriate materials selection for gas storage cylinders.
The present contribution provides a nearly complete and as exact as possible translation of the original report Martens, 1896 [1] written in Old German language. Only little changes have been made in the text for a better understanding.
The explosion of hydrogen gas storage cylinders on May 25, 1894, represents one of the most spectacular failure cases during the late industrialization period in Germany. With respect to modern applications to hydrogen storage as energy carrier, it has several times been referred to as precedent failure case for the whole industrial sector. The detailed investigation reports by Martens have thus gained interest in the last years, but also, because the publications in 1896 about his expertise already provided in September 1894 document one of the first and most comprehensive investigations which can be regarded as a nucleus for modern failure analysis.
After summarizing the newspaper reports in the introduction, the present contribution provides a review of Martens' reports targeted at the development of failure analyses and materials testing procedures as well as potential failure origins.
Basierend auf Methan aus regenerativen Quellen, stellt LNG einen alternativen Kraftstoff für den schweren Fernverkehr da. Gegenüber seinen positiven Eigenschaften birgt der Kraftstoff aber auch Risiken, durch seine sehr niedrige Temperatur und seine Brennbarkeit, für die Personen- und Bauwerkssicherheit. Für die Erforschung der Risiken eignen sich CFD-Modelle, deren Erforschung unter anderem Ziel des TF-SiVi Projekts der BAM war.
Einen Einblick in die angewendete Methodik zur Erforschung von Unfallszenarien mit LNG gibt der Vortrag.
Preventing the explosion of acetylene cylinders involved in fire with help of numerical modeling
(2012)
The current paper describes a mathematical model, which was developed to simulate the heat transfer in acetylene cylinders during exposure to a fire. The cases of a direct engulfment of the cylinder in the flames and of exposure to a distant fire were considered. Furthermore, the model was also applied to the prediction of the heat transfer during the cooling with water of heated acetylene cylinders, in order to assess the effectiveness of this procedure as a measure to prevent the burst of the cylinder. To provide data for the definition and validation of the model a total of 13 bonfire tests with 8.9-, 10- and 50-dm³-cylinders were performed, where pressure and temperature measurements in the samples were performed. During 5 experiments the fire was extinguished before the expected cylinder burst and a cooling with water was applied. In the paper a short description of the experimental set-up and of the test results is given. Finally, a comparison with the model predictions is provided, showing reasonable agreement.