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Prediction of burning rate of an accidentally released flammable fuel by means of CFD simulation
(2009)
The classification of solid oxidizers according to the regulations on the transport of dangerous goods (based on the UN Recommendations/Model Regulations and accepted by all international organisations for the transport of dangerous goods as ADR, IMO, IATA) and in future also according to the GHS (Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals) is performed on the basis of the results of the UN test O.1 (UN test O.1 ―Test for oxidizing solids‖ described in chapter 34.4.1 in the Recommendations on the Transport of Dangerous Goods – Manual of Tests and Criteria, see [1]). This test was introduced into the UN Manual of Tests and Criteria in 1995 as a replacement for a similar test from 1986. Even if the UN O.1 test as described in the current 5th revised edition of UN Manual of Tests and Criteria gives some improvements compared to the old test, which had had many deficiencies, there are still some problems left with this test in terms of e.g. repeatability or reproducibility of test results, how to handle compacted or multilayer formulations like tablets, toxicity and partly significantly varying particle size distribution within defined fractions of 150 μm to 300 μm of the reference oxidizer potassium bromate (KBrO3). For this reason the IGUS EOS working group installed an ad-hoc working group in 2002 assigned with the task to propose solutions for the existing problems. The appropriateness of such proposed solutions has to be proved by the method of interlaboratory (round robin) tests before they are presented for the adoption to the UN Committee of Experts on the TDG and on the GHS with a proposal of a completely revised test procedure.
Computational fluid dynamics (CFD) simulation is used to predict transient and time-averaged glame temperatures and species concentrations of an n-hexane pool flame. Employing a combination of an assumed probability density function approach with laminar flamelets using detailed kinetic data and large-eddy simulation with Smagorinsky submodel is shown to be a promising way in modeling pool and tank fires. The measured species concentration and flame temperature profiles from gas chromatography, thermocouple measurements and holographic interferometry are used to validate the submodels for CFD simulation of pool flames.
Ziel des F&E-Vorhabens des GSBL (BAM Vh 2520) war die Erarbeitung von Datensätzen auf der Grundlage bereits bestehender Staubdaten (für Datenbasis siehe Abschnitt 4) und die Übergabe der erarbeiteten Datensätze in elektronischer Form an den GSBL bis spätestens 31.05.2011. Der entsprechende Forschungs- und Entwicklungsvertrag trat am 01.08.2009 in Kraft.
Für die Erarbeitung der Datensätze mussten neuartige Konzepte entwickelt werden (siehe Abschnitt 3.5; Abschnitt 3.3 gibt eine Einführung in das Staub-Fachgebiet und behandelt die Besonderheit von Stäuben). Aufgrund von Schwierigkeiten bei der Auswertung und bei der Zusammenstellung der Daten, die erst im Verlaufe des Projekts erkannt wurden, hat es beträchtliche Verzögerungen bei der Erstellung der Datensätze gegeben. Dies führte zu der Feststellung, dass eine Laufzeitverlängerung des Projekts notwendig war. Im Mai 2011 wurde daher ein entsprechender Antrag beim Auftraggeber gestellt. Der Antrag auf kostenneutrale Laufzeitverlängerung führte schließlich zu einer Änderung des ursprünglichen Forschungs- und Entwicklungsvertrags. Der Änderungsvertrag sah eine Verlängerung des Projekts bis zum 30.04.2012 vor.
Um die Datensätze im GSBL abbilden zu können, war es auch erforderlich, eine adäquate Datenstruktur zu entwerfen und diese im GSBL zu implementieren. Die Bekanntgabe der zur Abbildung der Datensätze notwendigen Struktur erfolgte am 11.01.2011 per E-Mail (EXCELDatei gsbldbdir3_23_0029)2. Veränderungen bzw. Präzisierungen dieser Datenstruktur wurden dem GSBL am 19.01.2011 und am 28.01.2011 mitgeteilt, ebenfalls per E-Mail3. Am 19.10.2011 erfolgte eine weitere Änderung, die die sogenannte Nachschlagetabelle betrifft: Der Textinhalt der Tabelle T_STAUBM lautet nun "Auswertung vorhandener Datenkollektive durch Experten-Team." (ursprünglicher Wortlaut: "Auswertung vorhandener Datenkollektive durch Experten"). Die Änderung geht auf einen Wunsch des GSBL-Begleitkreises zurück, der am 07.10.2011 auf der in der BAM stattgefundenen Besprechung vorgebracht wurde.
Die Beurteilung des Gefahrenpotentials brennbarer Stäube erfolgt üblicherweise mit Hilfe so genannter sicherheitstechnischer Kenngrößen (STK). Häufig werden hierfür in Datenbanken bereitgestellte Werte in der Vergangenheit untersuchter Stäube herangezogen. Insbesondere aufgrund stofflicher Unterschiede der untersuchten Stäube sind erhebliche Streuungen der ermittelten STK in Datenbanken enthaltener namentlich identischer Stäube festzustellen. Die Verwendung der Daten von Einzelstäuben kann daher zu unsicheren Einschätzungen hinsichtlich des Brand- und Explosionsschutzes führen. Vorgestellt wird ein Konzept, Stäube zu praxisrelevanten Gruppen zusammenzufassen und bewertete Bandbreiten sicherheitstechnischer Kenngrößen anzugeben. Die im Rahmen eines vom Sächsischen Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, Dresden, geförderten Vorhabens generierten Staubgruppen und zugehörigen Bandbreiten der STK stehen in der Datenbank GSBLpublic für die freie Nutzung zur Verfügung.
Die "Empfehlungen für die Beförderung gefährlicher Güter, Handbuch über Prüfungen und Kriterien" ergänzen die "Empfehlungen für die Beförderung gefährlicher Güter, Modellvorschriften" und das "Global harmonisierte System zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien (GHS)". Sie enthalten Kriterien, Prüfmethoden und –verfahren, die angewendet werden sowohl für die Einstufung gefährlicher Güter nach den Vorschriften der Teile 2 und 3 der Modellvorschriften als auch für Chemikalien, von denen nach dem GHS physikalische Gefahren ausgehen.
Massenabbrandraten organischer Peroxide unter besonderer Berücksichtigung der thermischen Stabilität
(2013)
Die Flüssigkeitstemperatur Temperatur in der flüssigen Phase unmittelbar im Grenzbereich zur Gasphase während eines Abbrandes organischer Peroxide überschreitet die Onset-Temperatur der beginnenden exothermen Zersetzungsreaktion des Peroxids, so dass diese zu berücksichtigen ist. Für die Peroxide Di-tert-butyl-Peroxid (DTBP) und tert-butyl-peroxybenzoat (TBPB) muss daher bei der Berechnung des Wärmerückstromes ein zusätzlicher Term für die Zersetzung in der Flüssigkeit additiv ergänzt werden. Der Umsatz der Zersetzungsreaktion wird unter den Bedingungen eines CSTR modelliert und erfolgt auf Basis einer Reaktionskinetik 1. Ordnung. Es kann gezeigt werden, dass der Wärmestrom in einem DTBP-Poolfeuer ≈ 40 % und einem TBPB-Poolfeuer ≈ 100 % des Wärmerückstromes durch Wärmestrahlung entspricht. Durch Q-Punkt-d können die vergleichsweise hohen Massenabbrandraten und die relative Unabhängigkeit der Massenabbrandraten vom Pooldurchmesser erklärt werden. Über eine Energiebilanz wird ein Modell basierend auf physikalischen Parametern entwickelt, das die Massenabbrandraten großer Poolfeuer, in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, vorhersagt.
Amuay refinery disaster (2012) is another recent example of Vapor Cloud Explosion (VCE) and fire accidents preceded by Buncefield (2005), Puerto-Rico (2009) and Jaipur (2009), respectively [9]. The incident has left many safety issues behind which must be repeatedly addressed. Unfortunately, the lessons taught by previous similar events are just not understood carefully. It reveals that the proper safety measures for such facilities were either underestimated or were not accounted seriously. Consequently, the resulting overpressures from explosion and the subsequent thermal radiation from tank fires have once again proved to be disastrous to both mankind and infrastructure. This article highlights the aftermaths of Amuay incident and addresses the challenges put forward by it. Furthermore, a comparative study is performed between such incidents to analyze the similarities and how they could have been avoided.
"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.
One of the fundamental principles of the UN-GHS (Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals) is that all hazards of a chemical should be assigned and communicated. There is no general prioritization of hazards in the sense that certain hazard classes are not applicable if another one has been assigned. In contrast to health and environmental hazards, there are physical or chemical factors which preclude certain combinations of physical hazard classes. So far, there is no common understanding as to which combinations are relevant and which not. For example, should a pyrophoric liquid be classified as flammable liquid in addition, or is this redundant and unnecessary? In the course of the implementation of the GHS by countries or sectors and the actual application by industry all over the world, such questions become more and more important. For many of the combinations an unambiguous decision based on theGHS alone is not possible, thus confirming that the question which physical hazard classes might be assigned simultaneously to a chemical is not trivial. As one more milestone on the path to a globally harmonized system for the classification of hazardous chemicals, this should be discussed and ultimately solved on a global basis. It is the hope that this presentaion might serve as an impetus for such discussions.
In present chapter, the potential usage of peroxy-fuels (usually known as organic peroxides) either in technically pure or in a blended form in engine combustion processes are explored. Although as additives (in small quantities <5% to conventional fuels, e.g., diesel, gasoline) peroxy-fuels are well known for many years their commercial applications as a main or primary fuel are not investigated in detail as such except a few. Their thermal instability and energy density demand great care during processing, which restricts their commercial exploitation. However, once the issues with safety are resolved they can be much more advantageously employed than conventional fuels. Some of these advantages are significant amount of fuel saving, reduction in amount of inducted air, or even the complete absence of air, i.e., anaerobic combustion, smaller volume of combustion (chamber), oxygenated fuel quality, and low emissions. An idea to develop the components of an engine operating solely on peroxy-fuels is also introduced. The engine concept is based on single and multiple injectors in a cylinder with special material coating to ensure a temperature-controlled processing.
Transposition of regulations of the (German) employer’s liability insurance association (BGV’n) into Federal responsibility.
Fundamentals are regulated in the German Hazardous Substances Ordinance (GefStoffV). Prospectively, some definitions and more details are specified in a Technical Rule (TRGS 741 „Organic Peroxides“). A second project outline was discussed in 2014; because of some formal objections concerning the process and, particularly, the membership in a project group, no progress et al. since 2014.
Nevertheless, the BGV B4 is still valid. Because of some new findings and new test results a revision and Supplementation of the table of assignments of OP to risk (storage) groups was required.
Summary of recent research activities at BAM concerning large scale fireballs of organic peroxides (OP). Videos of the tests performed in Nanjing, China, are presented. A new model for OP fireball diameter, duration, height and SEP is proposed based on all experiments. In addition, small scale test results using DTBP and heptane are presented. Finally, CFD simulation is used to predict the fireball parameters: diameter, duration and height.
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.
The burning behaviour and thermal radiation of pool fires of organic peroxides (OP) have been studied by several authors in the past. It was shown that mass burning rates, flame temperatures and thus the Surface Emissive Power (SEP) of OP exceed to that of hydrocarbons considerably. These facts lead to further investigations of even dangerous worst case scenarios i.e. related to storage and transportation. A metal drum containing 200 l of DTBP (Di-tert-butyl peroxide) is investigated under a surrounding wood fire. Due to a higher heat flux to the substance, the mass burning rate reaches multiples of an equivalent pool fire and results in several fireballs. The analyses of thermographic camera images and radiometer measurements show higher flame lengths, higher temperatures and thereforeincreased thermal radiation compared to OP pool fires. The resulting greater safety distances for a DTBP fireball event are discussed.
2015 Tianjin Explosions
(2016)
In 2015 a series of explosions occurred at a container storage station at the Port of Tianjin, China, on Wednesday, 12 August 2015, that killed over one hundred people and injured hundreds of firemen and others. The first two explosions happened within 30 seconds of each other at the facility. The second explosion was larger and involved the detonation of about 800 tons of ammonium nitrate. The cause of the explosions was not known at first, but an investigation of the Chinese authorities concluded in February 2016 that an overheated container of dry nitrocellulose was the cause of the initial explosion. Colleagues of the Nanjing University of Science and Technology and BAM worked together to analyze the reasons and the process of that incident based on knowledge about the properties of the involved substances, particularly ammonium nitrate and nitrocellulose, and potential mechanism of initiation and propagation.
Die "Empfehlungen für die Beförderung gefährlicher Güter, Handbuch über Prüfungen und Kriterien" ergänzen die "Empfehlungen für die Beförderung gefährlicher Güter, Modellvorschriften" und das "Global harmonisierte System zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien (GHS)". Sie enthalten Kriterien, Prüfmethoden und –verfahren, die angewendet werden sowohl für die Einstufung gefährlicher Güter nach den Vorschriften der Teile 2 und 3 der Modellvorschriften als auch für Chemikalien, von denen nach dem GHS physikalische Gefahren ausgehen.
Dampening of energetic properties and the effects of blending proportions of isododecane on the diffusive burning behaviour of peroxy-fuels are experimentally studied. Blended peorxy-fuels are obtained by adding isododecane in the proportions of 25 wt.%, 50 wt.% and 75 wt.%, respectively, in technical pure peroxy-fuels. The fuels were burned in form of pool fires with diameters 0.02 m ≤ d ≤ 1 m. The mass burning rates and relative flame lengths are found to be weakened with increasing diluent proportions. By measuring the mass burning rates and visible flame lengths of pool fires of different samples of fuel blends an optimum blending criterion is developed. Furthermore, it is shown that the dilution proportions and flame characteristics can be correlated by empirical equations.
Thermal decomposition of AIBN Part A: Decomposition in real scale packages and SADT determination
(2015)
In this paper the thermal decomposition of 2,2′-azobisisobutyronitrile (AIBN) was investigated in real scale packages of different sizes and in 500 mL Dewar vessels. Packages containing 5 kg, 20 kg and 50 kg of AIBN have been investigated according to the UN test H.1 method and the 500 mL Dewar experiments were performed according to the UN test H.4 method. The self-accelerating decomposition temperature (SADT) was determined for the different masses and for the 500 mL Dewar vessel. Additionally, DSC curves have been recorded in closed crucibles. All these experimental data are the basis of a series of forthcoming papers dealing with the simulation of the SADT for different masses using reliable kinetic data.
Im Vortrag wird über Untersuchungen zur thermischen Stabilität (Bestimmung der SADT = Self-Accelerating Decomposition Temperature) von 2,2‘-Azobisisobutyronitril (AIBN) in realen Packstücken unterschiedlicher Größe sowie in Dewar-Gefäßen berichtet. Die Packstücke mit 5 kg, 20 kg bzw. 50 kg AIBN wurden nach der UN-Methode H.4 untersucht, die Versuche mit den Dewar-Gefäßen nach UN-Methode H.4. Zusätzlich wurden experimentelle Daten mittels DSC (Differential Scanning Calorimetry) unter Verwendung druckfester Gefäße bestimmt. Die experimentellen Daten wurden für weitergehende Untersuchungen/Simulationen unter Verwendung realer kinetischer Modelle bereitgestellt. Letztendlich konnte nachgewiesen werden, dass mittels Simulation die SADT von AIBN in Abhängigkeit von der Packstückgröße sehr genau, d. h. in guter Übereinstimmung mit den Packstückversuchen, bestimmt werden kann.
Amuay accident 2012 is one of similar accidents happened in Buncefield (2005), Jaipur and Puerto Rico (2009), respectively. Since experimental reproduction of such accidents is not always possible numerical simulations help a lot to understand the scenarios on qualitative basis. In this work the accident is reproduced with a CFD model which takes into account the heaviness of the gas (LPG), wind and gravity driven spread. The leak was reported to be located near a number of spherical tanks. The ignition source was presumably the running vehicles on a nearby street. A part of the refinery containing the locations of leakage and ignition was considered as computational domain. The road is located at the eastern boarder. The area contains different tanks, whose height was estimated due to a lack of available data. The diameter was extrapolated from the available image data. Further, a grid of walls is located between a number of tanks. The total domain has a size of 750 m x 400 m x 50 m. An unstructured mesh was created using tetrahedral elements with prism layers at the ground to improve mesh quality in the boundary layer. The mesh has a total number of 775 686 cells.
Ausgehend von der in der TRAS 410 beschriebenen Notwendigkeit zur Veranlassung besonderer Maßnahmen beim Umgang mit deflagrations- und/oder detonationsfähigen Stoffen werden die Explosionsmechanismen für Stoffe in kondensiertem Zustand beschrieben. Reaktive organische Stoffe sind u. a. anhand ihrer Struktur insbesondere bei Vorhandensein bestimmter funktioneller Gruppen identifizierbar. Durch eine Reihe von international eingeführten Prüfmethoden lassen sich solche Stoffe z. B. hinsichtlich ihrer mehr oder weniger ausgeprägten explosiven Eigenschaften charakterisieren. Anhand konkreter Beispiele werden die Prüfergebnisse erläutert und die Stoffe aufgrund ihrer Eigenschaften klassifiziert. Maßnahmen zur Vermeidung kritischer Zustände bei der Herstellung und Lagerung sowie beim Transport gefährlicher Stoffe werden auch am Beispiel von Unfällen erläutert.
Am 12. August 2015 kam es in einem Containerlager im Hafen von Tianjin (China) zu einer Serie von Explosionen wobei über 100 Menschen getötet und hunderte Feuerwehrleute und andere verletzt wurden. Die ersten beiden Explosionen ereigneten sich innerhalb von 30 Sekunden. Die zweite Explosion war wesentlich heftiger und beruhte u. a. auf der detonativen Umsetzung von ca. 800 Tonnen Ammoniumnitrat. Zunächst war die Ursache der Explosionen nicht bekannt. Nach einem Untersuchungsbericht der chinesischen Behörden (Februar 2016) war die Ursache eine Überhitzung eines Containers mit Nitrocellulose-Produkten.
Zusammen mit Kollegen von der Nanjing University of Science and Technology arbeiteten Kollegen der Abteilung 2 an der Analyse der Gründe für die Explosionen und deren Verlauf basierend auf den Kenntnissen und Erfahrungen bezüglich der Eigenschaften der involvierten Stoffe, insbesondere Ammoniumnitrat und Nitrocellulose, sowie der potentiellen Mechanismen für die Auslösung und Weiterleitung.
Two-phase CFD (Computational Fluid Dynamics) model for characterising the spill-over/dispersion of peroxy-fuels is presented. The model is independent of type and burning rate of the spilled/dispersed fuel and considers only overflow Reynolds number (Re) to characterise the spill/dispersion behaviour. Additional simulations are performed for LNG (Liquified Natural Gas) dispersion and it is found that the model can be used for different fuels within a defined range of Re. Different scenarios with Re = 100 to 3 × 105 are investigated covering a wide range of mass flow rates, opening sizes and viscosities. Depending on Lower Flammability Limits (LFL) of the fuels spill/dispersion (vapour cloud) diameters (DCFD) and heights (hCFD) are predicted. A generalised correlation between DCFD and Re is established to predict the dispersion occurring at varying scales. The model is validated by: (1) conducting an extensive grid independent study; (2) comparing the results with the existing analytical methods and (3) comparing against the standard field test data on LNG dispersions.
We read the paper by Guo et al. [1] with interest. The authors have investigated the thermal decomposition kinetics and thermal hazards of 2,2′-azobis(isobutyronitrile), AIBN, by differential scanning calorimetry (DSC) and used the Advanced Kinetics and Technology Solutions (AKTS) software to predict the thermal stability of AIBN in ton and kg scale. The main conclusion of interest is that the self-accelerating decomposition temperature (SADT) of a 50-kg standard package is 63 °C.
Experiments according to a test specified in the UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods, Manual of Tests and Criteria, and numerical simulations by means of a finite element method are employed to determine the self-accelerating decomposition temperature of acrylic acid in a railroad tank car. The results demonstrate that the transport of acrylic acid in big tank cars is safe as long as some basic conditions are taken into account.
Mechanical drop test scenarios for Type B (U) packages according to the IAEA regulations have to be carried out onto the so-called “unyielding target” (usually with cask impact limiters) and onto the puncture bar respectively. They are predefined and do not require any further investigation of scenarios that really could happen on transportation routes. Cask accident scenarios in the framework of approval procedures for interim storage sites are derived from a detailed analysis of the handling procedures necessary from arrival of cask at the site to its storing position.
In that case, casks are usually handled without impact limiters. Dependent on possible drop heights, drop positions and floor properties, conservative cask accident scenarios are derived for further safety proofs. According to the mechanical assessment concept of the considered approval procedure numerical calculations have to be provided by the applicant to demonstrate mechanical cask safety. Stresses and strains in the cask body as well as in the lid System have to be identified and assessed. Using the example of a 3-mvertical-drop of a transport and storage cask for spent fuel elements onto the floor construction made of damping concrete covered by screed, BAM developed a finite element model. The finite element code ABAQUS/Explicit™ was used. Results of experimental investigations are not available. Therefore parameter studies are necessary to identify the sensitivity of the finite element model to significant Parameters and to verify the finite element models according to the requirements of the Guidelines for the Numerical Safety Analyses for the Approval of Transport and Storage Casks for Radioactive Materials (BAM GGR-008). The paper describes the modeling of the material behavior and attachment of bottom side cask components. Questions concerning the modeling of a crack length limiting reinforcement in the screed layer are discussed. The influence of the mesh density of the screed layer and its strength is considered as well. Finally, the developed finite element model can be used for a numerical safety assessment. It can help to understand the complex mechanisms of the interaction between the cask components and floor construction.
Industrial fire and explosion hazards are most often also associated with the dispersion of toxic substances.
These substances can be gases, liquids, solids or in form of aerosols. The critical toxic exposure limits to People and enviroment from such substances are regulated by the concerned authorities of the countries. In order to comply with the defined regulation estimation of such critical limits must be carried out by different semi-empirical and phenomenological models/methods for risk assessment.
Many of such methods provide a qualitative estimation of time and space dependent extrimities of toxicity. The overwhelm development of computational capacity has made it possible to perform Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation by solving the three-dimensional transport equations for mass momentum and species in lower and upper atmosphere, respectively. CFD simulation not only provides a detailed 3D distribution of toxic particulates/gases in the neighbourhood of the plant but also helps to study the worst-case sceanrios. In the past several small- and large-scale accidents occured in oil and gas plants in different parts of the world including the recent one in Rheinland refinery near Cologne in Germany. This work deals with this accident and provides a methodology to predict the critical exposure limits of smoke emitted by a toluene tank fire by means of CFD simulation.
Many substances react with water in such a way that flammable gases are formed. For transport issues this reaction may possess a considerable hazard especially if the cargo is wetted by rain or by water from other sources. In the UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods these kinds of problems are addressed. The UN test N.5 'Test method for substances which in contact with water emit flammable gases' corresponds to this hazard. Classification according to the test method is done by measurement of the gas evolution rate of the flammable gas by any suitable procedure. At BAM a gravimetric approach is used to measure the gas evolution rate. In this paper we present the evaluation of the apparatus by means of an absolute calibration routine utilizing a reaction where a known amount of gas is produced as well as the evaluation of important parameters influencing the gas evolution rate using different substances. It can be shown that the apparatus is capable of measuring absolute gas volumes as low as 6 mL with an acceptable error of about 17% as determined from the reaction of Mg with demineralized water.
Organic peroxides are energetic substances liable to decompose due to exothermic reactions when exposed to uncontrolled temperature, contamination, confinement and quantity. Their safe storage and transportation are the prime concern and chemical industries and regulating authorities. Their accidental release may and most often lead to shape of a pool. In present study, safety distances from such large pool fires (diameter d = 3.4 m) of organic peroxides are numerically predicted by solving the reactive, 3-D time dependent Navier-Stokes equations with reliable assumptions. The present model is validated against the data on buoyant turbulent diffusion flames. The safety distances predicted by simulation assume three regions in a fully developed fire i.e. hot spot, luminous zone and a flame surface. The time averaged data of temperatures of these regions lead to better estimation of irradiances against the measured data. A developed sphere analogy method (for a special class of organic peroxides) for maximum surface emissive power prediction is also verified.
Safe transport of cyanamide
(2009)
For many years cyanamide (CAS no. 420-04-2) was not commercially available due to its unstable nature. Since about 1965 the former "Süddeutsche Kalkstickstoffwerke AG" (current name: AlzChem Trostberg GmbH) developed a special stabilizing system. It was to be investigated to which Class (e.g. "Corrosive Substances", Class 8) or Division (e.g. "Self-reactive Substances", Division 4.1) of the International Regulations for the Transport of Dangerous Goods cyanamide (pure or as a 50% solution in water) should be assigned and based on this which maximum quantities are allowed to transport e.g. in tanks. Cyanamide is used for the synthesis of pharmaceutical and agrochemical actives, biocides, dyestuffs and fine chemicals.
During the last years cyanamide was tested at BAM and AQura. The results and an appraisal are presented in this paper. Thus, cyanamide should be classified according to the UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods in Class 8, UN number 2922 (50% solution in water) and UN number 2923 (pure substance) respectively, packaging group III, danger labels 8 + 6.1. Cyanamide, 50% solution in water, can be transported in portable tanks under specific conditions.
Die "Empfehlungen für die Beförderung gefährlicher Güter, Handbuch über Prüfungen und Kriterien" ergänzen die "Empfehlungen für die Beförderung gefährlicher Güter, Modellvorschriften" und das "Global harmonisierte System zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien (GHS)". Sie enthalten Kriterien, Prüfmethoden und –verfahren, die angewendet werden sowohl für die Einstufung gefährlicher Güter nach den Vorschriften der Teile 2 und 3 der Modellvorschriften als auch für Chemikalien, von denen nach dem GHS physikalische Gefahren ausgehen.
Die Bedeutung von Flüssigerdgas (LNG, liquefied natural gas) ist durch die Erschließung entfernt liegender Resourcen und den damit verbundenen Transportwegen sowie durch die verbesserte Prozesstechnik bei der Verflüssigung (z.B. Mixed Fluid Cascade (MFC®) Verflüssigungsprozess) weltweit gestiegen. In den letzten Jahren sind zahlreiche neue Großanlagen wie die in Kollsnes, Hammerfest (beide Norwegen 2003, 2007), Kwinana (Australien 2008) und Shan Shan (China,
2004) mit Kapazitäten von bis 4.7 Mt/a entstanden. Das Gefährdungspotential von flüssigem Erdgas besteht neben dem niedrigen Siedepunkt Tb = −161 °C im Zündbereich zwischen 4.4 - 17 Vol.% sowie im großen Expansionsverhältnis. Bei einer störungsbedingten Freisetzung von LNG kann es somit zu Poolfeuer kommen, wodurch mit großem Schaden an benachbarten verfahrenstechnischen Anlagen und vor allem an Personen zu rechnen ist.
A large number of azodicarboxylates and their derivatives are produced and used in the chemical industries. The versatile applications of these azodicarboxylates in research institutes and in the chemical industries for chemical synthesis arouse additional hazards. The intent of this paper is to obtain first knowledge about the structure–response relationship regarding the explosive properties and the thermal hazards of different versatile used azodicarboxylates. The substances are examined with the differential scanning calorimetry (DSC). Furthermore, different laboratory test methods, based on the UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods, are applied to determine the explosive properties of the mentioned substances. On the basis of the obtained results, the known influence of the nitrogen content within the molecule regarding their thermal behaviour could be confirmed. The measured heat of decomposition appeared to be proportional to the nitrogen content within the group of the aliphatic and the aromatic azodicarboxylates. To emphasize this dependency, further investigations should be done. The long term objective of this research is to develop structure–response relationships of the explosive properties and the thermal hazards originating from azodicarboxylates.
We present our results on the comparison of two methods for the SADT determination. Both methods, UN test H.1 and UN test H.4 are recommended by the international transport regulations from the UN. But during the last years the applicability of the UN test H.4 has been questioned for solid substances. Therefore, three organic peroxides and one self-reactive substance have been investigated in 5 kg and 20 kg packages as well as in the UN test H.4 in a 500 mL Dewar vessel. The SADT values determined with the different methods match. The UN test H.4 seems to be well suited for solid organic peroxides and self-reactive substances of at least 20 kg or 60 L.
We present our results on the comparsion of two methods for the SADT determination. Both methods, UN test H.1 and UN test H.4 are recommended by the international transport regulations from the UN. But during the last years the applicability of the UN test H.4 has been questioned for solid substances. Therefore, three organic peroxidesand one self-reactive substance have been investigated in 5 kg and 20 kg packages as well as in the UN test H.4 in a 500 mL dewar vessel. The SADT values determined with the different methods match. The UN test H.4 seems to be well suited also for solid substances at least for 20 kg or 60 L.
A large number of Azodicarboxylates and their derivatives are produced and used in the chemical industries. The versatile applications of these Azodicarboxylates in research institutes and in the chemical industries for chemical synthesis arouse additional hazards. The aim of this paper is to obtain a predication about the structure-response relationship regarding the explosive properties and the thermal hazards of different versatile used Azodicarboxylates. The substances were examined with the Differential Scanning Calorimetry (DSC). Furthermore, different laboratory test methods, based on the UN Recommendations on the Transport of Dangerous Goods, were applied to determine the explosive properties of the mentioned substances.
The industrial fire accidents e.g. Buncefield (2005) and Jaipur (2009) have come up with several issues concerning safe storage and transportation of flammable liquids. The pre and post fire consequences are therefore important to be analyzed prior to the handling of flammable fuels. Pool or/and tank fire is the most often seen scenario after the leak/spill of liquid fuel. An overview of the typical scenarios from large hydrocarbon and organic peroxide pool fires and their respective safety distances for the people and the infrastructure are the important subjects of this paper.
Azodicarbonamid (ADCA) ist ein bekanntermaßen deflagrationsfähiger Stoff, der in der Kunststoffindustrie als Treib- und Blähmittel eingesetzt wird. In diesem Beitrag wird die Deflagration von ADCA unter verschiedenen Bedingungen betrachtet. Es werden Ergebnisse von Experimenten in offenen und geschlossenen Systemen präsentiert. In geschlossenen Systemen wurde die Zusammensetzung der umgebenden Atmosphäre von Luft mit Umgebungsdruck über Luft mit Unter- und Überdruck hin zu Stickstoff mit Umgebungsdruck variiert. Um das Deflagrationsrisiko zu reduzieren wird eine Verarbeitung von ADCA im Vakuum vorgeschlagen.
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.
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.
Am 12. August 2015 kam es in einem Containerlager im Hafen von Tianjin (China) zu einer Serie von Explosionen wobei 173 Menschen getötet und 797 verletzt wurden (Feuerwehrleute und andere Personen). Die ersten beiden Explosionen ereigneten sich innerhalb von 30 Sekunden. Die zweite Explosion war wesentlich heftiger und beruhte u. a. auf der detonativen Umsetzung von ca. 800 Tonnen Ammoniumnitrat. Nach einem Untersuchungsbericht der chinesischen Behörden (Februar 2016) war die Ursache eine Überhitzung eines Containers mit Nitrocellulose-Produkten.
Zusammen mit Kollegen von der Nanjing University of Science and Technology arbeiteten Kollegen der Abteilung 2 an der Analyse der Gründe für die Explosionen und deren Verlauf basierend auf den Kenntnissen und Erfahrungen bezüglich der Eigenschaften der involvierten Stoffe, insbesondere Ammoniumnitrat und Nitrocellulose, sowie der potentiellen Mechanismen für die Auslösung und Weiterleitung.
Beschrieben werden die in Deutschland gültigen Vorschriften für den Umgang, insbesondere die Lagerung, von Ammoniumnitrat und Nitrocellulose-Produkten.
Heat transfer to bodies engulfed in di-tert-butyl peroxide pool fires - Numerical simulations
(2016)
The thermal response of bodies engulfed in di-tert-butyl peroxide (DTBP) pool fires is studied numerically. High heat release rates, high velocities and high emissive powers portray the combustion of DTBP. This makes exceptionally hazard for bodies engulfed in DTBP fire accidents. The concept of adiabatic surface temperature (AST) is applied for DTBP pool fires to circumvent the difficulty of defining the fire exposure boundary condition at the solid surface. Adiabatic surface temperatures (AST) are computed for pool diameters 1.13 m and 3.4 m using the fire dynamics simulator. The thermal response of cask in a 1.13 m DTBP pool fire is studied to verify the concept of AST. It is found that a cask encounters twofold the heat fluxes in DTBP fires than in diesel pool fires. More than 30% of the net heat flux to the cask is a direct result of the convective heat exchange between the fire and the cask. This implies that the regular safety guidelines formulated for hydrocarbon pool fires are not adequate for the safety of the bodies engulfed in DTBP pool fires.
Highly energetic silicon tetraazide 1 is synthesized safely in high yield and high purity. The compound is prepared as a solution in benzene which allows it to be handled safely. Stable Lewis base adducts of Si(N3)4 (e.g. 2) are also prepared by treatment of either Si(N3)4 or the disodium salt of hexaazidosilicate (3) with Lewis bases (2,2-bipyridine or 1,10-phenanthroline). Unlike Si(N3)4 the Lewis base adduct 2 is thermally stable and does not decompose below 265 °C. The decomposition is very energetic (ΔHd = -2.4 kJg-1) which means 2 and related Lewis base adducts could replace environmentally harmful Pb(N3)4 used as primary explosive.
Fire and explosion hazards associated with storage and transportation of flammable materials have been a matter of great interest in the recent times. BLEVE is a scenario that occurs when a closed fuel container is subjected to heat for a longer duration. Such events are disastrous to human beings and assets both. In the past there have been numerous studies on BLEVEs and fireballs of hydrocarbon fuels, e.g. kerosene, gasoline, LPG, LNG and others. Though, the fireballs of peroxy-fuels are not looked into detail as such. This article tries to overcome this lack of knowledge. Both, experimental investigation and CFD simulations are performed to measure and predict the fireball characteristics of a peroxy-fuel. Due to thermal decomposition in the liquid phase and active oxygen content a peroxy-fuel fireball burns at a very fast rate and emit higher thermal radiation whereas exhibits smaller diameter and elevation compared to hydrocarbons. That eventually leads to consideration of larger safety distances from them which are also verified by CFD results.
Die sichere Lagerung und der Transport von Flüssigwasserstoff (LH2) verlangen nach verlässlichen Abschätzungen möglicher Risiken durch Feuer oder Explosion. Aufgrund des breiten Explosionsbereichs (4 Vol.-% - 74 Vol.-%) reagiert Wasserstoff sehr schnell und produziert hohe Flammentemperaturen. Da Wasserstoffflammen ruß- bzw. farblos sind, ist Wärmestrahlung im Fernfeld kein Risikofaktor. Allerdings stellen die hohe lokale Wärmestrahlung und die nicht sichtbaren Flammen eine Gefahr für Menschen und Infrastruktur in der Nähe dar. Es ist daher notwendig die Gefahren von LH2-Feuern sorgfältig zu bewerten.
Einerseits sind experimentelle Untersuchungen verschiedener Szenarien teuer, andererseits können sie teilweise auch praktisch nicht durchführbar sein. Numerische Simulationen dieser Szenarien können ein Ausweg aus diesem Problem sein. In der vorliegenden Arbeit wird ein solcher Ansatz genutzt, um große Brandszenarien mit LH2 mittels CFD (Computational Fluid Dynamics) zu modellieren und so die notwendigen Sicherheitsabstände abzuschätzen. Der Fokus liegt dabei auf der Simulation von Jet- und Pool-Feuerszenarien mit einem kommerziellen CFD-Code (Ansys CFX). Die benötigten geometrischen Modelle werden für Jet- und Pool-Feuer erstellt und mit den nötigen Randbedingungen implementiert. Wichtige Submodelle für chemische Reaktionen (Einschritt- und detaillierte Modelle), Verbrennung (Eddy-Dissipation- und Flamelet-Modell) und Strahlung (Discrete-Transfer-Modell) werden genutzt. Die maximal simulierten Flammentemperaturen liegen bei ~2100 K für Jet-Feuer und ~2300 K für Pool-Feuer. Um Aussagen zu thermischen Sicherheitsabständen zu treffen, wurden die Spezifischen Ausstrahlungen (SEP) ermittelt und anschließend entsprechende Positionsfaktoren gewählt, um verlässliche Sicherheitsabstände zu berechnen. Je nach Bedarf können CFD-Modelle sowohl für qualitative als auch für quantitative Risikobewertungen von LH2-Großbränden genutzt werden.
Während die Gefahr von Explosionen dort besteht, wo Stäube aufgewirbelt vorliegen, bergen abgelagerte Stäube das Risiko von Bränden. Die Beurteilung daraus entstehender Gefahren und das Auslegen von vorbeugenden und konstruktiven Schutzmaßnahmen erfolgt über sicherheitstechnische Kenngrößen (STK). Diese lagen bislang in Datenbanken nur in Einzelwerten vor und wurden nun zu Gruppen zusammengefasst. Das Besondere daran: Erstmals werden nun bewertete Bandbreiten angegeben, in denen sich die STK der Stäube bewegen.
Scenarios of underground gas pipeline failure, crater formation, dispersion of gas, explosion and subsequent fires are investigated with semi-empirical and with CFD (Computational Fluid Dynamics) modelling. In order to strengthen the accident based learning approaches present investigations are performed in the context of recent GAIL (Gas Authority of India Limited) natural gas pipeline incident occurred in India. The foreseeability of damages to lives of people and assets due to explosion overpressure and thermal radiation are assessed. The released gas is considered as slightly dense-than-air i.e. 1.5 times. Depending on the LFL (Lower Flammability Limit) of gas the dispersion diameter and heights are predicted which followed the visual evidences appropriately. The model was furthermore tested with an even denser medium and was found to be worked well there too. The estimated explosion overpressures with the standard methods and also with CFD reproduced the scenario nicely. The effects of congestion VBR (Volume Blockage Ratio) in form of vegetation on stable atmospheric boundary layer flow is analysed and its contribution towards turbulence and hazard enhancement is studied.
It is found that the major source of fatalities was higher thermal radiation emitted by pool fires of methane. The estimated thermal safety distances clearly demonstrate the ignorance/under estimation of likelihood and consequence of such hazardous events. For such incidents CFD demonstrated a strong capability to assess the pre or/and post events foreseeabilities within a reasonable amount of time and with an acceptable level of accuracy meeting the industrial needs for risk analysis.
CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations have been carried out to investigate the behavior of turbulent, subsonic jet fires of the peroxy-fuel Di-tert-butyl peroxide (DTBP) using the SAS-SST turbulence model, the discrete transfer radiation model, the eddy dissipation combustion model and the Magnussen soot model. Safety relevant parameters, such as flame length, temperature and thermal radiation are predicted to give recommendations on safety distances.
Am 12. August 2015 kam es in einem Containerlager im Hafen von Tianjin (China) zu einer Serie von Explosionen wobei 173 Menschen getötet und 797 verletzt wurden (Feuerwehrleute und andere Personen). Die ersten beiden Explosionen ereigneten sich innerhalb von 30 Sekunden. Die zweite Explosion war wesentlich heftiger und beruhte u. a. auf der detonativen Umsetzung von ca. 800 Tonnen Ammoniumnitrat. Nach einem Untersuchungsbericht der chinesischen Behörden (Februar 2016) war die Ursache eine Überhitzung eines Containers mit Nitrocellulose-Produkten. Zusammen mit Kollegen von der Nanjing University of Science and Technology arbeiteten Kollegen der Abteilung 2 an der Analyse der Gründe für die Explosionen und deren Verlauf basierend auf den Kenntnissen und Erfahrungen bezüglich der Eigenschaften der involvierten Stoffe, insbesondere Ammoniumnitrat und Nitrocellulose, sowie der potentiellen Mechanismen für die Auslösung und Weiterleitung. Beschrieben werden die in Umgang, insbesondere die Lagerung, von Ammoniumnitrat und Nitrocellulose-Produkten.
BAM Abteilung „Chemische Sicherheitstechnik“, das Global harmonisierte System zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien (UN GHS: United Nations Globally Harmonized System of Classification, Labelling and Packaging of Chemicals), die Verordnung über die Einstufung, Kennzeichnung und Verpackung von Stoffen und Gemischen (CLP steht für die Abkürzung der englischen Begriffe classification, labelling and packaging), die Verordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe. (REACH: Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals).
Am 12. August 2015 kam es in einem Containerlager im Hafen von Tianjin (China) zu einer Serie von Explosionen wobei 173 Menschen getötet und 797 verletzt wurden (Feuerwehrleute und andere Personen). Die ersten beiden Explosionen ereigneten sich innerhalb von 30 Sekunden. Die zweite Explosion war wesentlich heftiger und beruhte u. a. auf der detonativen Umsetzung von ca. 800 Tonnen Ammoniumnitrat. Nach einem Untersuchungsbericht der chinesischen Behörden (Februar 2016) war die Ursache eine Überhitzung eines Containers mit Nitrocellulose-Produkten. Zusammen mit Kollegen von der Nanjing University of Science and Technology arbeiteten Kollegen der Abteilung 2 an der Analyse der Gründe für die Explosionen und deren Verlauf basierend auf den Kenntnissen und Erfahrungen bezüglich der Eigenschaften der involvierten Stoffe, insbesondere Ammoniumnitrat und Nitrocellulose, sowie der potentiellen Mechanismen für die Auslösung und Weiterleitung. Beschrieben werden die in Umgang, insbesondere die Lagerung, von Ammoniumnitrat und Nitrocellulose-Produkten.
Am 12. August 2015 kam es in einem Containerlager im Hafen von Tianjin (China) zu einer Serie von Explosionen wobei 173 Menschen getötet und 797 verletzt wurden (Feuerwehrleute und andere Personen). Die ersten beiden Explosionen ereigneten sich innerhalb von 30 Sekunden. Die zweite Explosion war wesentlich heftiger und beruhte u. a. auf der detonativen Umsetzung von ca. 800 Tonnen Ammoniumnitrat. Nach einem Untersuchungsbericht der chinesischen Behörden (Februar 2016) war die Ursache eine Überhitzung eines Containers mit Nitrocellulose-Produkten. Zusammen mit Kollegen von der Nanjing University of Science and Technology arbeiteten Kollegen der Abteilung 2 an der Analyse der Gründe für die Explosionen und deren Verlauf basierend auf den Kenntnissen und Erfahrungen bezüglich der Eigenschaften der involvierten Stoffe, insbesondere Ammoniumnitrat und Nitrocellulose, sowie der potentiellen Mechanismen für die Auslösung und Weiterleitung. Beschrieben werden die in Umgang, insbesondere die Lagerung, von Ammoniumnitrat und Nitrocellulose-Produkten.
The explosion and fire incidents with buried gas pipelines are increasing globally e.g. San Bruno (USA, 2010), East Godavari (India, 2014) and Ludwigshafen (Germany, 2014) are only a few to quote. There are a number of parameters involved behind the occurrence of these incidents such as human mistake, intended efforts leading to major or minor leak, explosion due to depressurization, crater formation, spill of gaseous fuel in the nearby regions and pool/jet/crater fires. In continuation to [3] these parameters are investigated for Ludwigshafen incident in the present work. The semi-empirical and advanced CFD (Computational Fluid Dynamics) based models are utilized to assess the damages caused by the explosion overpressures. Recommendations are also provided on minimum safety distance to be considered for such pipelines to avoid/foresee/mitigate similar hazards in future.