Filtern
Dokumenttyp
Sprache
- Deutsch (6)
Schlagworte
- Poolfeuer (6) (entfernen)
Organisationseinheit der BAM
Auswirkungen hoher thermischer Belastungen auf flüssige organische Peroxide in Metallbehältern
(2018)
Im Gegensatz zu thermisch instabilen Kunststoffverpackungen garantieren Metallbehälter auch bei hoher thermischer Belastung, beispielsweise durch ein Schadenfeuer, einen stetigen Wärmeeintrag. Ist ein flüssiges organisches Peroxid enthalten, wird durch die Wärme eine sich selbst-beschleunigende exotherme Zersetzung initiiert. Das mit der Entzündung der Zersetzungsgase entstehende Feuer brennt durch den kontinuierlichen äußeren Wärmeeintrag heftiger als dies bei Poolfeuern organischer Peroxide zu beobachten ist. Aufgrund des definierten Einschlusses einer Metallverpackung kann die Zersetzung explosionsartig ablaufen und zur Ausbildung ein- und mehrfacher Feuerbälle führen. Auswirkungsbetrachtungen eines mit flüssigem organischen Peroxid befüllten und von außen befeuerten 220 Liter Stahlfasses wurden anhand zahlreicher Versuche mit unterschiedlichen Aufheizmethoden durchgeführt und sowohl die ermittelten Abbrandraten als auch die gemessenen thermischen Strahlungsbelastungen mit denen eines Poolfeuers verglichen. Die Analyse des Gefahrenpotentials unterschiedlich großer Feuerbälle führte schließlich zur Entwicklung eines ersten semi-empirischen Modells zur Abschätzung des Durchmessers und der Abbranddauer von Feuerbällen organischer Peroxide. Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Berechnung notwendiger thermischer Sicherheitsabstände.
Die sichere Lagerung und der Transport von Flüssigwasserstoff (LH2) verlangen nach verlässlichen Abschätzungen möglicher Risiken durch Feuer oder Explosion. Aufgrund des breiten Explosionsbereichs (4 Vol.-% - 74 Vol.-%) reagiert Wasserstoff sehr schnell und produziert hohe Flammentemperaturen. Da Wasserstoffflammen ruß- bzw. farblos sind, ist Wärmestrahlung im Fernfeld kein Risikofaktor. Allerdings stellen die hohe lokale Wärmestrahlung und die nicht sichtbaren Flammen eine Gefahr für Menschen und Infrastruktur in der Nähe dar. Es ist daher notwendig die Gefahren von LH2-Feuern sorgfältig zu bewerten.
Einerseits sind experimentelle Untersuchungen verschiedener Szenarien teuer, andererseits können sie teilweise auch praktisch nicht durchführbar sein. Numerische Simulationen dieser Szenarien können ein Ausweg aus diesem Problem sein. In der vorliegenden Arbeit wird ein solcher Ansatz genutzt, um große Brandszenarien mit LH2 mittels CFD (Computational Fluid Dynamics) zu modellieren und so die notwendigen Sicherheitsabstände abzuschätzen. Der Fokus liegt dabei auf der Simulation von Jet- und Pool-Feuerszenarien mit einem kommerziellen CFD-Code (Ansys CFX). Die benötigten geometrischen Modelle werden für Jet- und Pool-Feuer erstellt und mit den nötigen Randbedingungen implementiert. Wichtige Submodelle für chemische Reaktionen (Einschritt- und detaillierte Modelle), Verbrennung (Eddy-Dissipation- und Flamelet-Modell) und Strahlung (Discrete-Transfer-Modell) werden genutzt. Die maximal simulierten Flammentemperaturen liegen bei ~2100 K für Jet-Feuer und ~2300 K für Pool-Feuer. Um Aussagen zu thermischen Sicherheitsabständen zu treffen, wurden die Spezifischen Ausstrahlungen (SEP) ermittelt und anschließend entsprechende Positionsfaktoren gewählt, um verlässliche Sicherheitsabstände zu berechnen. Je nach Bedarf können CFD-Modelle sowohl für qualitative als auch für quantitative Risikobewertungen von LH2-Großbränden genutzt werden.
Massenabbrandraten organischer Peroxide unter besonderer Berücksichtigung der thermischen Stabilität
(2013)
Die Flüssigkeitstemperatur Temperatur in der flüssigen Phase unmittelbar im Grenzbereich zur Gasphase während eines Abbrandes organischer Peroxide überschreitet die Onset-Temperatur der beginnenden exothermen Zersetzungsreaktion des Peroxids, so dass diese zu berücksichtigen ist. Für die Peroxide Di-tert-butyl-Peroxid (DTBP) und tert-butyl-peroxybenzoat (TBPB) muss daher bei der Berechnung des Wärmerückstromes ein zusätzlicher Term für die Zersetzung in der Flüssigkeit additiv ergänzt werden. Der Umsatz der Zersetzungsreaktion wird unter den Bedingungen eines CSTR modelliert und erfolgt auf Basis einer Reaktionskinetik 1. Ordnung. Es kann gezeigt werden, dass der Wärmestrom in einem DTBP-Poolfeuer ≈ 40 % und einem TBPB-Poolfeuer ≈ 100 % des Wärmerückstromes durch Wärmestrahlung entspricht. Durch Q-Punkt-d können die vergleichsweise hohen Massenabbrandraten und die relative Unabhängigkeit der Massenabbrandraten vom Pooldurchmesser erklärt werden. Über eine Energiebilanz wird ein Modell basierend auf physikalischen Parametern entwickelt, das die Massenabbrandraten großer Poolfeuer, in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, vorhersagt.
Die Bedeutung von Flüssigerdgas (LNG, liquefied natural gas) ist durch die Erschließung entfernt liegender Resourcen und den damit verbundenen Transportwegen sowie durch die verbesserte Prozesstechnik bei der Verflüssigung (z.B. Mixed Fluid Cascade (MFC®) Verflüssigungsprozess) weltweit gestiegen. In den letzten Jahren sind zahlreiche neue Großanlagen wie die in Kollsnes, Hammerfest (beide Norwegen 2003, 2007), Kwinana (Australien 2008) und Shan Shan (China,
2004) mit Kapazitäten von bis 4.7 Mt/a entstanden. Das Gefährdungspotential von flüssigem Erdgas besteht neben dem niedrigen Siedepunkt Tb = −161 °C im Zündbereich zwischen 4.4 - 17 Vol.% sowie im großen Expansionsverhältnis. Bei einer störungsbedingten Freisetzung von LNG kann es somit zu Poolfeuer kommen, wodurch mit großem Schaden an benachbarten verfahrenstechnischen Anlagen und vor allem an Personen zu rechnen ist.
Es wurden Massenabbrandraten, Flammentemperaturen, spezifische Ausstrahlungen (Surface emissive power, SEP), Bestrahlungsstärken und Flammenlängen von DTBP- und Kerosin-Poolfeuern in Labor- und Feldversuchen (0.003 m < d < 3.15 m) gemessen und CFDSimulationen von DTBP- Poolfeuern bei d = 1.12 m und d = 3.15 m durchgeführt. Der Einfluss von Aktivierungs-, Verbrennungs- und Zersetzungsenergie sowie der Zersetzungsprodukte auf das Abbrandverhalten von DTBP wurde experimentell untersucht. Die mit der DDK gemessene Zersetzungsenergie von DTBP liegt im Bereich von – 189 kJ/mol bis – 210 kJ/mol, womit sie etwa 20 % bis 40 % höher ist als die mit dem DDK gemessene Aktivierungsenergie der Zersetzungsreaktion. Die in einem Verbrennungskalorimeter gemessene mittlere Verbrennungsenthalpie von DTBP beträgt = � c _H 36 000 kJ/kg. Die mit Hilfe der FTIR gefundenen Zersetzungsprodukte von DTBP in der Gasphase sind vor allem Aceton und Ethan. Die gemessenen Massenabbrandraten von DTBP-Poolfeuern (0.20 kg/(m² s) ≤ ′′ ≤ DTBP m& 0.30 kg/(m² s)) zeigen eine nur geringe Abhängigkeit vom Pooldurchmesser d, sind aber abhängig vom d fünf bis zwanzig mal größer als die von Kohlenwasserstoff-Poolfeuern. Die mit dem IR- Thermographie-System gemessenen Temperaturen der DTBP-Poolfeuer (1480 K bis 1580 K) sind im gesamten untersuchten Bereich ca. 300 K bis 600 K höher als die der Kerosin-Poolfeuer und stimmen mit den sehr heißen LNG-Poolfeuern bei 8 m ≤ d ≤ 15 m gut überein. Die mit dem IR-Thermographie-System über die gesamte Brenndauer gemessenen mittleren spezifischen Ausstrahlungen der DTBP-Poolfeuer betragen SEP = 130 kW/m² bei d = 1.12 m und SEP = 250 kW/m² bei d = 3.15 m und liegen somit um den Faktor drei bis zehn höher als bei Kohlenwasserstoff-Poolfeuern. Die mit (Ellipsoidal-) Radiometern gemessene mittlere Bestrahlungsstärke der DTBPPoolfeuer beträgt E (_y = 0.50 m, d =1.12 m) = 113 kW/m² und ist somit im Vergleich zu den n-Pentan-, Superbenzin- und Diesel-Poolfeuern um den Faktor zwei bis zehn größer. Die unter Verwendung der Thomas- Gleichung abgeschätzten Flammenlängen von DTBPPoolfeuern bei d < 0.50 m zeigen eine gute Übereinstimmung mit den mit S-VHSVideokameras gemessenen mittleren Flammenlängen (11d ≤ H ≤ 17d). Im Bereich von 0.05 m ≤ d ≤ 1.15 m sind die mittleren Flammenlängen H größer als im Experiment, sie stimmt dagegen bei d = 3.15 m gut überein und beträgt H (d = 3.15 m) ≈ 6d. Es wurden CFD-Simulationen von DTBP-Poolfeuern bei d = 1.12 m und d = 3.15 m unter Verwendung des kommerziellen ANSYS CFX Software Packet durchgeführt. Die dreidimensionalen Berechnungsgeometrien wurden mit Hexa-Gittern vernetzt, wobei die Anzahl der Zellen pro Volumen im Bereich von 100 000 bis 400 000 betrug. Die Zeitschritte für die CFD-Simulationen waren abhängig von der Feinheit des Gitters und dem Pooldurchmesser Δt = 10─ 2 s bis Δt = 10─ 5 s. Für die Modellierung der DTBP-Poolflammen wurde ein Datensatz für den Brennstoff DTBP im Preprocessor des ANSYS CFX-Programms implementiert. Es wurde die vollständige Verbrennung von DTBP berücksichtigt. Die Geschwindigkeitsgleichung der Irreversalreaktion ist etwa 1. Ordnung bezogen auf DTBP und Sauerstoff. Für die Temperaturabhängigkeit wurde der Arrhenius-Ansatz verwendet. Als Submodelle wurden das k-ε Turbulenzmodell, das Large Eddy Simulation Turbulenzmodell, das Detached Eddy Simulation Turbulenzmodell, das Scale Adaptive Simulation Turbulenzmodell, das Eddy Dissipation Verbrennungsmodell, das Rosseland Strahlungsmodell, das P1 Strahlungsmodell, das Monte Carlo Strahlungsmodell, das Discrete Transfer Strahlungsmodell und das Magnussen Rußmodell verwendet. Die simulierten maximalen Temperaturen der DTBP-Poolfeuer ergaben sich zu 1 410 K (d = 1.12 m) bzw. 1 520 K (d = 3.15 m), die gut mit den experimentell gemessenen Temperaturen übereinstimmen. Die simulierten mittleren spezifischen Ausstrahlungen für DTBP-Poolfeuer liegen bei SEP (d = 1.12 m) = 110 kW/m² und SEP (d = 3.15 m) = 180 kW/m². Die simulierten Flammenlängen der DTBP-Poolfeuer (5d ≤ H ≤ 6d) zeigen eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Flammenlängen. Die simulierten maximalen Strömungsgeschwindigkeiten in der Flammenmitte liegen z. B. für d = 3.15 m im Bereich von 25 m/s bis 30 m/s. Die simulierten Massenanteile an Ruß betragen 3.2∗ 10– 6 (d = 3.15 m) und 2.55∗ 10– 6 (d = 1.12 m).