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Organisationseinheit der BAM
"Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry" is the benchmark reference in chemistry and chemical and life science engineering, covering inorganic and organic chemicals, advanced materials, pharmaceuticals, polymers and plastics, metals and alloys, biotechnology and biotechnological products, food chemistry, process engineering and unit operations, analytical methods, environmental protection, and much more.
The present article is part of the topic collection "Environmental Protection and Industrial Safety". It covers plant and process safety, focusing on hazardous materials and process conditions.
The explosive properties of mixtures of aqueous hydrogen peroxide (H2O2) and different alcohols (ROH) like 2-propanol (2-PropOH), 2-methyl-2-propanol (TBA), 2-methyl-2-butanol (TAA) and 2-methyl-2-pentanol (THA) were investigated. Among others, the potential hazard of such mixtures may be characterized by their ability to react by different mechanisms of an explosion in the condensed phase, e.g. the thermal explosion or the detonation. Accordingly, the mixtures were experimentally investigated either by heating them up under confinement in different autoclaves or by exposing them to a shock wave impact applying the steel tube test. The results are discussed and compared to literature data.
Die thermische Zersetzung von AIBN wurde in einem Projekt mit mehreren Teilnehmern untersucht. Hierbei wurde die selbstbeschleunigende Zersetzungstemperatur SADT) sowohl experimentell als auf Grundlage von Simulationsrechnungen bestimmt. Die Besonderheit bei dem Feststoff AIBN ist, dass die Zersetzung sowohl in der festen, als auch in der flüssigen Phase nach dem Schmelzen stattfindet, was bei den durchgeführten Simulationsrechnungen berücksichtigt werden musste. Die berechneten SADT Werte stimmen mit den experimentell bestimmten sehr gut überein.
Organic peroxides are capable to form fireballs with explosive violence. Only fireball models for liquid hydrocarbon fuels are available for the assessment of the thermal radiation properties. Because the development of such fireballs usually differ from those of organic peroxides the properties need to be characterized by modified equations. In this study liquid organic peroxide fireballs from 16 kg to 155 kg substance masses are characterized and compared to selected existing correlations. Flame characteristics and irradiances are measured with infrared cameras and heat flux sensors. All fireballs are consequences of simulated worst case scenarios where filled steel drums are engulfed by fire with varying heat impact. The differences of the given semi-empirical equations and the presented experimental work are explained. A new model is proposed for organic peroxide fireballs by modifying the constants of the known equations. The thermal radiation impact and safety distances are calculated and compared.
The thermal radiation impact of organic peroxide fireballs is experimentally assessed using an infrared camera. Fireballs are generated while liquid peroxide filled steel drums are subjected to gas burner fire at different heating rates. Three large burning clouds are observed with varying flame characteristics. Thermal radiation properties are assessed by infrared images with the presented methods. Despite of the two-dimensional temperature fields, the flames are treated and characterized as three-dimensional objects. Fireball diameters and heights are calculated based on a representing radiating sphere with the same cloud volume. By the use of the solid flame model and assumptions for emissivity and transmissivity, heat fluxes and thermal radiation doses against distance are predicted. Thermal safety distances are presented based on the maximum irradiance and the allowed exposure time. The validation of the maximum and time-dependent radiation fields is achieved through heat flux sensors in varying distances to the fireball. The results prove the use of an infrared camera and a volume based size calculation to fully assess the thermal radiation hazards of fireballs.
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.
Spiel mit dem Feuerball
(2018)
In der Regel verbrennen organische Peroxide (OP) aufgrund ihrer Eigenschaften noch viel heftiger als Flüssigkohlenwasserstoffe. Ein anderes Verhalten wird auch bei der Entstehung und dem Abbrand von Feuerbällen beobachtet. Anhand von Großversuchen an 220-Liter-Stahlfässen wird das Verhalten von OP-Feuerbällen am Beispiel von Di-tert-butyl Peroxid (DTBP) untersucht. Bei der Simulation unterschiedlicher Worst-Case-Szenarien, d.h. unterschiedlicher Außenfeuer, entstehen aufgrund der Selbstzersetzungsprozesse des Peroxids unterschiedlich große, sich explosionsartig ausbildende Feuerbälle. Durch die Charakterisierung u.a. mittels Wärmebildtechnik konnten neue semi-empirische Ansätze für Berechnung der Wärmestrahlung von DTBP-Feuerbällen entwickelt werden. Diese helfen angemessene Schutz- und Sicherheitsabstände im Vorfeld für Produktions- und Verarbeitungsbetriebe zu bestimmen.
Das Abbrandverhalten und die thermische Strahlung von Poolfeuern organischer Peroxide (OP) wurden bereits in der Vergangenheit ausführlich untersucht. Dabei ergaben sich zum Teil erhebliche Unterschiede hinsichtlich der Abbrandraten, Temperaturen, Strahlungsintensitäten und Flammenlängen im Vergleich zu flüssigen Kohlenwasserstoffen. Das größere Gefahrenpotenzial von OP führt zu strikteren Sicherheitsbestimmungen für Lagerung und Transport. Da das Gefahrenpotenzial maßgeblich von den tatsächlich auftretenden Szenarien abhängt, ist eine Bewertung solcher Ereignisse unumgänglich um nachhaltig die Gesundheit von Mensch und Umgebung zu sichern. Ein Metallfass, gefüllt mit 200 Litern DTBP (Di-tertiär-butylperoxid), wurde auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM einem Außenfeuer ausgesetzt. Durch den starken Wärmeeintrag erhöht sich die Massenabbrandrate des Peroxids um ein Vielfaches und das Fass entleert sich schließlich unter Ausbildung mehrerer Feuerbälle. Die Flammengröße, Flammentemperatur und damit die thermische Strahlung überschreiten die der gewöhnlichen OP-Poolfeuer. Die resultierenden höheren Sicherheitsabstände sind abschließend berechnet.
Single and multiple fireballs of di-tert-butyl peroxide are numerically investigated using ANSYS CFX. Calculations contain varying inlet conditions, scale-adaptive shear stress turbulence modeling and one-step combustion reaction on a three-dimensional hexahedral mesh. Time-resolved flame temperatures, sizes and thermal radiation are compared to experimental results. There, fireballs were generated by fire engulfment of steel drums containing 200 l substance. After a vigorous burning, the remaining peroxide forms single and multiple fireballs involving 10 % to 20 % of the initial amount. The comparison of all simulations and two selected experiments show the special numerical treatment required for organic peroxides. Finally, the numerical predictions of irradiance in 30 m distance to the fire show a good agreement for both experiments. This proves the use of CFD as an appropriate method for thermal hazard assessment and the prediction of safety distances for organic peroxide fireballs.