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- 2.2 Prozesssimulation (1)
- 2.3 Einstufung von Gefahrstoffen und -gütern (1)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (1)
- 3.0 Abteilungsleitung und andere (1)
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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 den letzten Jahren sind im technischen Regelwerk für Industriegase erhebliche Veränderungen vorgenommen worden. So sind mit der Integration der Druckbehälterverordnung in die Betriebssicherheitsverordnung u. a. auch die Technischen Regeln Druckgase (TRG) und die Technischen Regeln Acetylen (TRAC) zum 31.12.2012 außer Kraft gesetzt worden. Weiterhin sind physikalischen Gefahren der Gase, die vorher in der Einstufungsrichtlinie 67/548/EWG geregelt waren, in das UN-GHS1 bzw. in die europäische CLP-Verordnung2 aufgenommen worden. Hier wurde erstmals eine neue Gefahrenklasse 2.5 "Gase unter Druck" geschaffen, die die intrinsische Gefährdung durch Energiefreisetzung aus Gas bei Bersten der Behälter oder unbeabsichtigter Entspannung abbildet.
Unter diesen Gesichtspunkten war es erforderlich, sowohl auf internationaler als auch auf nationaler Ebene das technische Regelwerk für Gase zu ergänzen und die Schutzziele der weggefallenen nationalen Regeln in Form von neuen technischen Regen zur Gefahrstoffverordnung (TRGS) und zur Betriebssicherheitsverordnung (TRBS) zu erhalten und fortzuschreiben. Im Folgenden werden aktuelle Entwicklungen im technischen Regelwerk für Gase vorgestellt. In Kapitel 1 dieses Artikels wird auf die neue Einstufung und Kennzeichnung von chemisch instabilen Gasen gemäß UN-GHS und CLP-Verordnung eingegangen. Kapitel 2 stellt die neuen technischen Regeln für Gase zur Gefahrstoffverordnung und zur Betriebssicherheitsverordnung vor, mit besonderem Fokus auf die neue TRGS 407 "Tätigkeiten mit Gasen - Gefährdungsbeurteilung" und gibt einen kurzen Ausblick auf weitere technische Regeln, die zurzeit erarbeitet werden bzw. geplant sind.
Im Vortrag wird eine Übersicht über die Behandlung der Gase im internationalen sicherheitstechnischen Regelwerk gegeben. Insbesondere werden neue Regelungen im GHS im Jahr 2017, z. B. die neue Klassifizierung im Hinblick auf die Entzündbarkeit vorgestellt. Darüber hinaus wird die bei UN-GHS vorgeschlagene Implementierung der "Chemikalien unter Druck" gezeigt.
The effects of a gas explosion in enclosures like vessels can be limited e.g. by gas explosion venting systems. The major design step of this constructive explosion protection method is to determine the required vent area, which depends significantly on whether turbulent combustion exists. However, current standards like NFPA 68 or EN 14994 are applicable only to limited boundary conditions and as far as possible only to laminar flame propagation. Difficulties arise in the assessment or predictability of gas explosion hazard when turbulence occurs. In this research especially venting at elevated initial pressure has been shown to accelerated flame propagations and therefore, to a considerably higher reduced pressure. Therefore, it is essential to provide a broader data base of turbulent combustion and explosion behavior to verify the existing rules or to determine their safety-relevant parameters. For a better safety assessment or design of protective systems the turbulent combustion and accelerated gas explosion behaviour of quiescent methane and hydrogen in air were investigated at initial pressures up to 8 bar using vessels up to 100 litres. In particular a systematic study was performed to investigate the influence of turbulence on the overpressure development during accelerated gas explosion. Moreover, the present study consider the position of the spark igniters, the burning velocity and the maximum pressure rise for different concentration of fuel as well as the size of orifice and/or vent area. A choice of experimental tests showed under the investigated conditions that not only turbulence inducing obstacles but also over sized vent areas could lead to an increased pressure development and therefore to an inacceptable safety state.
There is a lack of data on the self-ignition behaviour of tetrafluoroethylene in industrial sized equipment. Therefore, a facility was designed and constructed for the determination of the Minimum Ignition Temperature of Decomposition of tetrafluoroethylene in a cylindrical reactor with a volume of 100 dm3. Tests with initial pressures of 5 and 10 bar(a) were performed. The Minimum Ignition Temperature of Decomposition of tetrafluoroethylene was observed to decrease with the initial pressure, in agreement with previous experiments with small scale cylindrical vessels. This paper describes the test set-up und gives an overview of the achieved experimental results. In particular the effect of the reactor orientation (vertical or horizontal) is discussed. Furthermore, 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 vessel volumes or initial pressures. Moreover, the experimental data are plotted together against the heated volume to heated surface ratio, which should provide a better extrapolation to other vessel dimensions by taking into account that the efficiency of the dispersion of the heat generated by the reaction is different for two reactors with the same volume but different diameter. Finally, simplified methods for predicting the Minimum Ignition Temperature of Decomposition of tetrafluoroethylene presented previously by the authors are validated for large scale reactors with the experimental data collected within the current work.
Zur Bemessung von Druckentlastungseinrichtungen bei Gasexplosionen in Umschließungen existieren derzeitig nur wenige wissenschaftlich fundierte Auslegungskriterien, die die konstruktiven Randbedingungen oder Prozessbedingungen der explosionsgefährdeten Anlagenteile ausreichend berücksichtigen. Aus diesem Grund werden in der Praxis häufig stark konservative Annahmen getroffen, die zu erheblichen Überdimensionierungen der Druckentlastungseinrichtungen führen können.
Aus sicherheitstechnischer Perspektive können gerade diese vermeintlichen Sicherheitsmargen zu einer erheblichen Beschleunigung des transienten Druckverlaufs und damit eher zu einer Unterdimensionierung führen oder sogar den Übergang von Deflagrationen zu Detonationen begünstigen.
Sowohl Messungen als auch erste Simulationen mit Hilfe von CFD-Modellen begründen die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen mit
explosionsgefährdeten Gasanlagen.
Da insbesondere bei turbulenten Verbrennungsvorgängen in den Normen Verbesserungspotential herrscht, wird bei der BAM zukünftig verstärkt dieses Thema in Forschungsarbeiten berücksichtigt.