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A new safety characteristic the 'dustiness' according to VDI 2263 part 9 (Verein Deutscher Ingenieure, 2008) is investigated. Dustiness means the tendency of a dust to form clouds. The paper deals with the influence of the dustiness on vented dust explosions. In order to look into the effects of the dustiness on dust cloud formation and explosion properties experiments and simulations in a vertical dust dispersion glass tube apparatus were carried out.
Preliminary explosion experiments showed that the dustiness has an influence on the reduced explosion pressure in a vented 75 L test apparatus. Dusts with comparable pmax and KSt values and different dustiness were tested. Dusts with higher dustiness produced higher overpressures, despite comparable safety characteristics. In order to verify the results for applications in the process industries further tests with different settings are planned as well as industrial scale experiments. Characteristics of the dust such as particle size, density, specific surface area and particle shape, which influence the dispersibility, have been determined experimentally.
The Euler/Lagrange and the Euler/Euler approaches are compared for simulating an exemplary dust/air mixture. Especially sedimentation and the ability of the approaches to simulate the tendency of dust to stay airborne were investigated. The Euler/Lagrange approach is better suited for simulating local dust concentrations, particle size distributions and particle forces. It could be used to point out regions of high dust concentrations in a vessel. With the Euler/Euler method it is possible to achieve fast solutions for one specified diameter, but the simulated dust/air mixtures are always more homogenous than in reality. ANSYS CFX version 13 was used in all simulations.
Determination of measurement uncertainties in adiabatic hot-storage experiments for reactive dusts
(2013)
The formal kinetics of self-ignition of solid bulk materials theoretically can be derived from just one single adiabatic hot-storage test. The question arises how uncertainties in the measurements can be quantified and how these uncertainties affect the results of the subsequent predictions. Adiabatic and isoperibolic hot-storage basket tests were performed for samples of lignite coal, black coal, cork dust, a polymer dust, and wax-coated silicid acid. In the adiabatic experiments, the starting temperature and the temperature control of the oven were varied systematically to study the uncertainty margin of adiabatic tests. The apparent activation energy and the pre-exponential factor of the lumped reaction were derived from the adiabatic tests including average values and standard deviations and compared to isoperibolic experiments performed according to the European standard EN 15188. It could be shown that with a precise temperature control of the adiabatic oven combined with an automated computation of the maximum rate of temperature rise the uncertainty of the apparent activation energy can be limited to less than 10%.
The Fractional Effective Dose model was used to predict the fire smoke toxicity numerically. In this context fire tests were carried out for three different building materials: polyurethane, flame retardant polyurethane and polyvinyl chloride. The fire tests were performed for flaming and smoldering combustion. The aim of the fire tests was to determine the light extinction, the smoke density and the combustion products at varying oxygen concentrations, different temperatures and different irradiance levels. The fire tests were performed in the German DIN-tube and also in the Cone Calorimeter. Stoichiometric coefficients at varying oxygen concentrations and temperatures were determined from measurements. With these stoichiometric coefficients reaction equations were defined and implemented in the Computational Fluid Dynamics (CFD) program, ANSYS CFX. The implemented reaction equations were used to account for different ventilation and temperature conditions in the simulation. The fire and smoke propagation was calculated numerically with CFD in the room corner test geometry. Equations to account for toxicity and light extinction were also implemented and were used to analyse the toxicity and the optical properties of fire smoke with CFD.
Sicherheitstechnischen Kenngrößen stellen die Grundlage für die Bewertung von Explosionsrisiken in der chemischen Industrie dar, sowie für die Klassifizierung von gefährlichen Stoffen und Gütern. Sicherheitstechnische Kenngrößen sind, wie Stoff konstanten (z. B. Dichte, Siedepunkt) abhängig von Druck und Temperatur. Im Gegensatz zu Stoffkonstanten sind sicherheitstechnische Kenngrößen jedoch in unterschiedlichem Maße vom Bestimmungsverfahren abhängig. Einfluss können sowohl die Prüfapparatur (z. B. Zündgefäß, Zündquelle) als auch das Bestimmungsverfahren (vor allem das Kriterium) haben. Für die Anwendung im Explosionsschutz ist es erforderlich einheitliche und zuverlässige Werte für die Kenngrößen zu erhalten. Daher sind die Bestimmungsverfahren für Explosionskenngrößen in den meisten Fällen genormt. Sie sind in der Regel dem Geltungsbereich der europäischen Richtlinien 94/9/EG und 1999/92/EG zugeordnet. Wegen des Anwendungsbereiches der Richtlinien gelten bislang die meisten dieser genormten Bestimmungsverfahren (z. B. Explosionsgrenzen (EN 1839), Zündtemperatur (EN 14522)) nur für atmosphärische Bedingungen. Jedoch werden in der chemischen Industrie viele Prozesse mit anderen Oxidationsmitteln als Luft (z. B. reiner Sauerstoff, Distickstoffmonoxid) sowie bei höheren Drücken und Temperaturen durchgeführt.
Die Nanotechnologie gilt als die Wachstumsbranche der nächsten Jahrzehnte. Nicht zuletzt ist diese Entwicklung der veränderten Eigenschaften der Materialien im Nanometerbereich zuzuschreiben. Das andersgeartete Verhalten solcher Stoffe und die daraus ableitbare Unkenntnis über die Interaktion dieser Materialien mit ihrer Umgebung erfordert eine intensive Auseinandersetzung mit der Thematik zur Risikoabschätzung. Deshalb wurden und werden z.B. die gesundheitlichen Wirkungen von nanoskaligen Materialien auf den menschlichen Organismus bereits in zahlreichen Studien und Forschungsvorhaben untersucht.
Fundierte Erfahrungen und Erkenntnisse über Brand- und Explosionsgefahren bei der Herstellung und Handhabung von nanoskalig hergestellten brennbaren Materialien bzw. von Stoffen mit Partikelgrößen < µlpm liegen hingegen bisher kaum vor. Aufgrund von Erfahrungen mit Stäuben mit Partikelgrößen im Mikrometerbereich ist jedoch bekannt, dass Stoffe mit abnehmender Partikelgröße kritischer einzustufen sind, da beispielsweise ihre Explosionsheftigkeit und Zündempfmdlichkeit zunehmen.
Die Explosionseigenschaften brennbarer Stäube werden durch sicherheitstechnische Kenngrößen beschrieben. Die Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen von Nanostäuben - welche die Grundlage für eine Gefährdungsbeurteilung und das Auslegen von Schutzmaßnahmen für Anlagen bilden - erfolgte bislang nur in geringem Umfang. Diese Untersuchungen wurden zudem großteils in Analogie zu den genormten Verfahren für Mikrostäube durchgeführt. Es wurde dabei jedoch nicht überprüft, ob die für Mikrostäube etablierten Prüfverfahren für eine sichere Bewertung des Brenn- und Explosionsverhaltens geeignet sind. Darüber hinaus kann es durch aus den Prüfapparaturen freigesetzten Staub zu einer Gesundheitsgefährdung der Mitarbeiter kommen.
Da bisherige Untersuchungen zum Brand- und Explosionsverhalten von Nanostäuben den Oxidationsgrad der Proben nicht berücksichtigt haben, bestand die Vermutung, dass das Gefahrenpotential von Nanostäuben bislang unterschätzt werden könnte. Deshalb wurde ein modifizierter Prüfaufbau der Prüfapparatur 20-L Kugel entwickelt, um Nanostäube und deren Gefahrenpotential richtig einschätzen und der Kernfrage im Titel dieses Beitrages näher auf den Grund gehen zu können.
Insbesondere metallische Nanostäube wurden bei den ersten Tests zur Bestimmung des Brand- und Explosionsverhaltens untersucht. Bei entsprechenden Stäuben ist zu erwarten, dass sich eine mögliche Oberflächenoxidation bzw. Passivierung besonders stark auf das Explosionsverhalten auswirken könnte. Darüber hinaus ist bekannt, dass metallische Stäube pyrophor reagieren oder sich aufgrund der hohen Scherkräfte bereites beim Eindüsen in die Versuchsapparatur entzünden können. Dies kommt gelegentlich bei Metallstäuben mit Medianwerten von wenigen Mikrometern vor. Da bei nanoskaligen Stäuben theoretisch wesentlich größere Oberflächen auftreten, ist davon auszugehen, dass sich dieses Verhalten bei solchen Stäuben verstärken könnte. Dies wurde von Wu et al. in für nanoskalige Eisen und Titanpartikel nachgewiesen.
Staubexplosionsschutz - Einfluss des Staubungsverhaltens auf druckentlastete Staubexplosionen
(2013)
Approaches towards a generic methodology for storage of hazardous energy carriers and waste products
(2013)
Energy carriers – either conventional or 'new' ones – have to be provided in large amounts to meet the requirements of permanent availability and reliable supply of electricity. Depending on their state of aggregation, energy carriers are either stored in large masses (if solid or liquid) or at elevated pressures (if gaseous). Both impose the hazard of large-scale fire, in the latter case additionally the danger of explosion or unintended release. Very similar hazards occur for wastes. Solid wastes are present in large masses and only a small part is recycled. Most of the solid wastes are used in energy conversion. The main gaseous waste is CO2. During capturing also the hazard of unintended release exists. In this article, existing approaches for safe storage and fire prevention are discussed and a generic methodology is outlined. This methodology consists of the following steps:
gaining knowledge about the behaviour of the material stored (reactivity, thermal stability, etc.),
assessing the environmental conditions for the storage site (neighbourhood, safety distances, etc.),
assessment of prospective consequences of an incident and
development of individual loss prevention conceptions.
All steps require both experimental testing and theoretical considerations about accident scenarios as integral parts of the methodology.
Die Brandlastberechnung für Industriebauten erfolgt in Deutschland entsprechend der DIN 18230-1. Brandlasten bestehen in den meisten Fällen aus verschiedenen brennbaren Feststoffen und Flüssigkeiten, die in Abhängigkeit ihrer Lagerungsart, ihren stofflichen Eigenschaften und den Ventilationsbedingungen unterschiedliche Wärmeleistungen zur Folge haben. Als Eingangsgröße zur Brandlastberechnung berücksichtigt der sogenannte Abbrandfaktor m (m-Faktor) das individuelle Abbrandverhalten von Feststoffen und
Flüssigkeiten. Sein Wert ergibt sich aus dem Vergleich der zeitlichen Temperaturentwicklung beim Abbrand einer Probe mit der Referenzprobe. Bei der Referenzprobe handelt es sich um sägerauhes Fichtenholz, dem ein m-Faktor von m = 1,0 zugeordnet wurde. Die Bestimmung des m-Faktors erfolgte bis vor einigen Jahren entsprechend der DIN 18230-2 in dem m-Faktor-Ofen. Bis zu der Verschrottung des letzten in Deutschland existierenden m-Faktor-Ofens wurden mehr als 100 m-Faktoren von verschiedenen Stoffen ermittelt. Zurzeit ist es nicht möglich zur Brandlastermittlung m-Faktoren experimentell zu bestimmen.
Da infolge industrieller Entwicklungen zunehmend neue Stoffe auf den Markt kommen, deren Abbrandverhalten zu bestimmen.
Im Rahmen der schutzzielorientierten Brandschutzbemessung müssen, neben dem Nachweis der Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen, Nachweise zur Einhaltung von in Abhängigkeit des Sicherheitsniveaus festgelegter Grenzwerte für die zulässige Wärmestrahlung, die Temperatur der oberen und unteren Rauchschicht, die toxische Konzentration von Rauchgasen und die Mindestsichtweite zum Schutz von Personen im Bauwerk erbracht werden.