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This paper describes experiences and results of experiments with several metallic dusts within the nanometer range. The nano dusts (aluminium, iron, zinc, titanium and copper) were tested in a modified experimental setup for the test apparatus 20 L-sphere (also known as 20-L Siwek Chamber), that enables the test samples to be kept under inert atmospheric conditions nearly until ignition. This setup was already introduced in earlier papers by the authors. It was designed to allow the determination of safety characteristics of nano powders under most critical circumstances (e.g. minimisation of the influence of oxidation before the test itself). Furthermore the influence of passivation on explosion behaviour is investigated and additional tests with deposited dust were carried out to describe the burning behaviour of all dusts. For a better characterisation all samples were tested with a simultaneous thermal analysis (STA). To minimise the influence of oxidation all samples were handled at inert conditions until shortly before ignition or start of the test respectively.
Dieser Beitrag beschreibt einen modifizierten Versuchsaufbau für die Prüfapparatur 20-L Kugel, der es ermöglicht, die zu untersuchenden Staubproben bis kurz vor deren Entzünden unter Ausschluss von Sauerstoff zu handhaben. Dieser modifizierte Aufbau wurde entwickelt, um die Bestimmung Sicherheitstechnischer Kenngrößen von möglichst unpassivierten Nanostäuben zu gewährleisten. Das Ziel dieser Modifikationen ist es, festzustellen, ob es bei der Standardapparatur und -prüfverfahren zu einer Unterschätzung der Explosionsheftigkeit und Zündempfindlichkeit durch Passivierung von Nanonstäuben vor der eigentlichen Untersuchung kommen könnte.
Zu diesem Zweck wurden zwei verschiedene Methoden (das sogenannte Inertisierungsverfahren und das modifizierte Verfahren mit Verteilerschale) verwendet. Beide Methoden sind in diesem Artikel beschrieben. Er umfasst experimentelle Ergebnisse von Mikrostäuben, welche zur Validierung verwendet worden und darüber hinaus erste Ergebnisse mit Eisen und Aluminium Nanostäuben, die bis kurz vor dem Entzünden unter inerten Bedingungen gehandhabt worden. Das getestete Nano Eisen reagiert pyrophor, sobald es mit Luft in Kontakt kam, während bei dem untersuchten Nano Aluminium solches Verhalten nicht generell beobachtet werden konnte. Die Versuche mit Nano Aluminium und dem Inertisierungsverfahren zeigten einen höheren Druckanstieg im Vergleich zum Standard-Prüfverfahren. Dies könnte auf einen unterschiedlichen Grad der Passivierung hindeuten. Um diese Beobachtung näher zu untersuchen, sind weitere Versuche mit einer größeren Anzahl an Stäuben notwendig.
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.
Staubexplosionsschutz - Einfluss des Staubungsverhaltens auf druckentlastete Staubexplosionen
(2013)
This paper describes experiences and results of experiments with several metallic dusts within the nanometer range. The nano dusts (aluminium, iron, zinc, titanium and copper) were tested in a modified experimental setup for the test apparatus 20 L-sphere (also known as 20-L Siwek Chamber), that enables the test samples to be kept under inert atmospheric conditions nearly until ignition. This setup was already introduced in earlier papers by the authors. It was designed to allow the determination of safety characteristics of nano powders under most critical circumstances (e.g. minimisation of the influence of oxidation before the test itself). Furthermore the influence of passivation on explosion behaviour is investigated and additional tests with deposited dust were carried out to describe the burning behaviour of all dusts. For a better characterisation all samples were tested with a simultaneous thermal analysis (STA). To minimise the influence of oxidation all samples were handled at inert conditions until shortly before ignition or start of the test respectively.
In practice, occurring explosive dust/air mixtures are usually not homogeneous and in many cases do not spread over the whole enclosure. For the safety measure explosion venting, a smaller venting area might be sufficient as calculated according to venting standards (EN 14491 'Dust Explosion Venting Protective Systems'). The tendency of bulk materials to form dust clouds is not taken into account so far. To optimize the design of explosion protection measures, a new safety characteristic the so-called 'dustiness' (see VDI 2263 part 9 'Determination of Dustiness of Bulk Materials'.) could be useful. Dustiness means the tendency of dust to form dust clouds. There are six dustiness groups (DG) from one to six (one means little tendency to stay airborne, six the opposite). The paper describes first results on the reasons for different dustiness and on dust explosion venting for several dusts of different dustiness. A 75 L vertical tube apparatus for vented dust explosion experiments was created. Pressure, pressure rises and flame speeds were measured to evaluate the course of the dust explosions. In addition the paper includes CFD simulations (ANSYS CFX) about the possibilities to model the dust/air mixtures with the Euler/Lagrange approach. In order to simulate the settling of dust clouds more realistic the particle surface area was adjusted and the particle size distribution was taken into account. Results were compared to experimentally determined terminal velocities.
This paper describes a modified experimental setup for the test apparatus 20-L-Sphere (also known as 20-L Siwek Chamber), that enables the test samples to be kept under inert atmospheric conditions nearly until ignition. This setup was designed to allow the determination of safety characteristics of nano powders under most critical circumstances (e.g. minimisation of the influence of oxidation before the test itself). The aim of this modification was to determine, whether or not the current setup and procedures underestimate the explosion violence and ignitability of nano powders. For this purpose, two different methods, the so called inerting method and the modified method (using a special nozzle called mushroom nozzle) are used. Both methods are described in the paper. The work includes experimental results of micrometer dusts to validate the modified method. Moreover first results of nanometer iron and aluminium dusts are presented, which were kept at inert conditions until shortly before the ignition. The tested nano iron was found to react pyrophoric, as soon as it gets in contact with air, while the tested nano aluminium did not generally show such behaviour. Tests with nano aluminium using the inerting method revealed a higher pressure rise in comparison to the standard test procedure. This could suggest a different extent of passivation. To investigate this effect more closely, further testes with more nano powders are required.
Modified setup of 20-L-sphere for the determination of safety characteristics of nano powders
(2013)
This paper describes a modified experimental setup for the test apparatus 20-L-Sphere (also known as 20-L Siwek Chamber), that enables the test samples to be kept under inert atmospheric conditions nearly until ignition. This setup was designed to allow the determination of safety characteristics of nanopowders under most critical circumstances (e.g. minimisation of the influence of oxidation before the test itself). The aim of this modification was to determine, whether or not the current setup and procedures underestimate the explosion violence and ignitability of nanopowders. The work includes experimental results of micrometer dusts to validate the modified setup. Moreover first results of nanometer iron and Aluminium dusts are presented, which were kept at inert conditions until shortly before the ignition. The tested nano iron was found to react pyrophoric, as soon as it gets in contact with air, while the tested nano Aluminium did not generally show such behaviour.
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.