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There is a lack of data on the self-ignition behaviour of tetrafluoroethylene (TFE) in industrial sized
equipment. In order to assess the tendency of TFE for
decomposition in large scale vessels, , a facility was
designed and constructed. Tests were
carried out in a cylindrical reactor with a volume of 100 L with initial
pressures of 5 and 10 bar(a). The effect of the reacto
r adjustment (vertical or horizontal) was taken into
account. The current work describes the test set
up and summarizes the experimental results achieved.
Furthermore, this paper reports on a numerical model for
the prediction of the self
-heating of TFE in closed
vessels, which was previously developed for small scale reactors and has been here validated for larger
dimensions with the experiments performed in the new facility.
COMSOL Multiphysics® was used as a tool for the better understanding of the evolution of flow patterns during the induced ignition of gases. A simplified model was developed for the scope, by coupling the weakly compressible Navier Stokes module and the convection and conduction module. The current paper presents the results of the performed simulations.
Die adiabate Kompression stellt insbesondere für zerfallsfähige Gase eine potentielle Zündquelle sowohl bei Herstellungsprozessen als auch beim Umgang in weiter-verarbeitenden Betrieben oder beim Endnutzer dar. Unter bestimmten Bedingungen kann hier eine explosionsartige Zerfallsreaktion auch in Abwesenheit eines Oxidators initiiert werden. Zur systematischen Untersuchung des Zündverhaltens von Zerfallsreaktionen wurde eine Rohrapparatur mit einem schnell öffnenden Kugelhahn aufgebaut, um praxisnahe Vorgänge darstellen zu können. Am Beispiel Tetrafluorethen (TFE) wurden umfangreiche Untersuchungen mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern und –längen durchgeführt. Neben der Kompression von homogenen Gasphasen wurden außerdem Kompressionsvorgänge von heterogenen Gasen durchgeführt. Dabei war das Gas im Niederdruckteil unterschiedlich zum Gas im Hochdruckteil. Für den Hochdruckteil wurde Stickstoff, Acetylen und TFE verwendet. Im Niederdruckteil kamen TFE, Stickstoff und Luft zum Einsatz. Zudem wurden das Kompressionsverhältnis sowie die Absolutdrücke im Hochdruck- und Kompressionsteil variiert. Für TFE wurde ein Druckbereich bis 30 bar absolut untersucht. Versuche mit Acetylen wurden zur apparativen Validierung durchgeführt. Es zeigte sich, dass in der verwendeten Apparatur reproduzierbare Zündvorgänge nur im Bereich sehr enger Anfangsparameter möglich sind. Die Kompression von Luft durch ein zerfallsfähiges Gas stellt dabei den sicherheitstechnisch kritischsten Fall dar.
Zur Einschätzung der Wirksamkeit einer heißen Oberfläche als Zündquelle für ein Gas oder ein Gasgemisch werden in der Praxis Zündtemperaturen experimentell bestimmt. Die Zündtemperatur gemäß dem europäischen Standardverfahren EN 14522 wird bei Atmosphärendruck bestimmt und ist vor allem dazu geeignet die Wirksamkeit einer heißen Oberfläche als Zündquelle bei einem unerwünschten Stoffaustritt aus einer geschlossenen Anlage einzuschätzen. Eine Aussage bzgl. der der Zündfähigkeit an heißen Oberflächen innerhalb einer geschlossenen Anlage, z. B. in größeren Behältern bei bestimmten Gemischzusammensetzungen und höheren Anfangsdrücken, kann anhand der Zündtemperatur gemäß EN 14522 nicht getroffen werden. Die Bestimmung nach dem europäischen Standard erfolgt in einem offenen System, bei atmosphärischem Druck und in Luft als Oxidationsmittel.
Adiabatic compression of gases can work as an ignition source and is still one of the main causes of accidents in chemical plants processing tetrafluoroethylene (Reza and Christiansen, 2007). The ignition of tetrafluoroethylene induced by adiabatic compression has been studied experimentally with a setup which allowed for the rapid opening of a high speed valve connecting two portions of a pipeline at different initial pressures. Due to the fast opening time and to the high pressure difference, a shock wave in the pipeline was generated. The propagation of the shock wave and its reflection at the end of the pipeline caused pressure and temperature increase. This led to some ignitions in the experiments performed. Nonetheless, in some test an ignition was not achieved, even if this was expected according to the theoretical temperatures predicted by the Rankine-Hugoniot equations. In order to understand the discrepancy between the experimental results and the theoretical predictions, shock wave simulations have been carried out with COMSOL Multiphysics. The 'High Mach Flow' interface was used, since it solves the heat and impulse equations for fast flows. Figure 1 and Figure 2 show, respectively, the velocity and temperature distribution over time for a simulation in a 0.2 m pipeline of 20 mm in diameter with the following settings:
- high pressure section: nitrogen initially at 20 bar;
- low pressure section: nitrogen initially at 1 bar;
- initial temperature of the system: 20 °C;
- adiabatic walls with slip condition for the flow;
- laminar flow.
As from Figure 1 and Figure 2 the shock wave generation and propagation has been properly computed and the physical properties of the shock wave reflected the prediction of the Rankine-Hugoniot equation. Nonetheless, divergence problem occurred when trying to add turbulence to the system and strange temperature and profiles after the shock wave reflection were achieved if the no slip condition at the walls was chosen. Despite these limitations, it was possible to perform a parametric study and to analyze the effect of the pipe diameter and length on the shock wave evolution. Here simulations with constant wall temperature were carried out, in order to account for the heat losses to the pipe surroundings. Figure 3 shows that the temperature of the reflected wave is maintained for a longer time, if the pipe diameter is larger, due to minor heat losses. On the other hand, Figure 4 shows that higher average temperatures are achieved and maintained for a longer time if the pipe length increases. These results suggest that in the experiments performed by Meyer (2009) the pipe geometry was probably not optimal for the achievement/conservation of high temperatures and might explain the difficulty in inducing ignitions by adiabatic compression.
In the industry there is a lack of data on the Minimum Ignition Temperature of decomposition of tetrafluoroethylene in industrial sized equipment. In order to determine the Minimum Ignition Temperature of Decomposition of tetrafluoroethylene in large scale vessels, a facility was designed and constructed. Tests were carried out in a cylindrical reactor with a volume of 100 dm³ with initial pressures of 5 and 10 bar(a). In agreement with previous experiments with small scale cylindrical vessels, the Minimum Ignition Temperature of Decomposition of tetrafluoroethylene was observed to decrease with the initial pressure. The current paper describes the test setup and summarizes the experimental results achieved. The effect of the reactor adjustment (vertical or horizontal) is discussed. Moreover, simplified equations from the Semenov thermal explosion theory are used to attempt extrapolations of previous and current data on the Minimum Ignition Temperature of Decomposition of tetrafluoroethylene to other initial pressures and vessel volumes.
Die adiabate Kompression stellt insbesondere für zerfallsfähige Gase eine potentielle Zündquelle sowohl bei Herstellungsprozessen als auch beim Umgang in weiterverarbeitenden Betrieben oder beim Endnutzer dar. So kam es in der Vergangenheit etwa in TFE-verarbeitenden Anlagen wiederholt zu Störfällen durch Adiabate Kompressionsvorgänge des Monomers. Unter dem Begriff „zerfallsfähige Gase“ oder auch „chemisch-instabile Gase“ versteht man Gase, bei denen es auch in Abwesenheit eines Oxidators nach einer Zündung zu einem explosionsartigem Reaktionsverlauf kommen kann, wie es etwa beim Tetrafluorethylen (TFE) der Fall ist.
Die Zerfallsreaktion von TFE ist in Gleichung dargestellt. Sobald eine Zündquelle die Zerfallsreaktion initiiert, kann diese bei bestimmten Anfangsbedingungen von Druck und Temperatur explosionsartig verlaufen. Die schnelle Reaktionsrate zusammen mit der hohen Exothermie der Reaktion kann zur Bildung von heftigen Explosionen führen, wie sie sonst nur bei Brenngas/Oxidator-Gernischen üblich sind.
In order to prevent incidents in the
industrial production of Teflon® from
Tetrafluoroethylene (TFE), the safety related
aspects of the self-heating process of TFE must
be taken into account. Simulations of this self
heating process were performed with COMSOL
Reaction Engineering Lab® and COMSOL®
COMSOL Multiphysics®. A complex reaction
net was employed, resulting in a model allows
for a good agreement with experimentally
achieved results.