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Ethylenoxid ist vor allem aufgrund seiner hohen Reaktivität ein wichtiges organisches Zwischenprodukt der chemischen Industrie und in vielen Fällen bisher unersetzbar. Da es auch in Abwesenheit jeglicher Reaktionspartner explosionsartig zerfallen kann, ist der Umgang mit ethylenoxidhaltigen Gemischen jedoch nur mit besonderen sicherheitstechnischen Maßnahmen möglich. Für die sicherheitstechnische Beurteilung der Lagerung, des Transports sowie der Verarbeitung von ethylenoxidhaltigen Gasgemischen und die Ableitung angemessener sicherheitstechnischer Maßnahmen ist die Kenntnis der sicherheitstechnischen Eigenschaften von ethylenoxidhaltigen Gasgemischen unbedingt erforderlich. In der Vergangenheit wurden sicherheitstechnische Kenngrößen von Ethylenoxid immer wieder vereinzelt nur für bestimmte Prozessbedingungen und zum Teil mit unterschiedlichen Methoden durchgeführt. Insbesondere beschränken sich die bisher veröffentlichten Untersuchungen fast ausschließlich auf atmosphärische und nur leicht erhöhte Drücke, obwohl höhere Ausgangsdrücke für industrielle Prozesse mit Ethylenoxid durchaus relevant sind. Die Anwendbarkeit vorhandener Berechnungsmodelle, durch die der experimentelle Aufwand bei der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen erheblich reduziert werden könnte, wurde bei chemisch instabilen Gasen, wie Ethylenoxid bisher kaum untersucht. Für eine umfangreichere Validierung der Berechnungsmethoden ist die in der Literatur verfügbare Datenbasis an sicherheitstechnischen Kenngrößen von Ethylenoxid nicht ausreichend. In dieser Arbeit werden sicherheitstechnische Kenngrößen ethylenoxidhaltiger Gasgemische systematisch in Abhängigkeit verschiedener Einflussgrößen, mit einheitlichen Bestimmungsmethoden und auch bei höheren Betriebsbedingungen untersucht und Methoden für die Berechnung der in dieser Arbeit ermittelten Kenngrößen entwickelt bzw. weiterentwickelt. Durch die Bestimmung der Explosionsbereiche ternärer Gemische aus Ethylenoxid, einem Inertgas und Luft und der Stabilitätsgrenzkonzentrationen binärer Gemische aus Ethylenoxid und einem Inertgas wird zunächst ausführlich untersucht, in welchen Stoffmengenverhältnissen ethylenoxidhaltige Gemische überhaupt explosionsfähig sind. Die Kenntnis dieser Kenngrößen ist zur Ableitung sogenannter primärer Explosionsschutzmaßnahmen zur Vermeidung explosionsfähiger Gemische, z.B. durch Inertisierung, erforderlich. Insbesondere werden die Einflüsse von Ausgangstemperatur und Ausgangsdruck auf die Explosionsgrenzen systematisch untersucht. Dabei werden vor allem auch die praxisrelevanten höheren Betriebsdrücke berücksichtigt. Gerade für Explosionsgrenzen im Bereich der Zerfallsreaktion kann ein enormer Einfluss des Drucks festgestellt werden. Für die Berechnung der Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid wird das halbempirische Modell der konstanten Flammentemperaturen weiterentwickelt. Die Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid werden unter der modifizierten Annahme, dass das Profil der berechneten Flammentemperaturen entlang der Explosionsgrenzkurve für verschiedene Systeme unabhängig von Ausgangsdruck, Ausgangstemperatur und Art des Inertgases konstant ist, rechnerisch bestimmt. Dazu wird ein spezielles Rechenprogramm entwickelt, dass die Berechnung der Explosionsgrenzen für ein beliebiges Gemisch aus Brenngas, Inertgas und Luft bei beliebiger Ausgangstemperatur und beliebigem Ausgangsdruck ermöglicht, wenn der gesamte Explosionsbereich für ein einzelnes System aus Brenngas, Inertgas und Luft bekannt ist. Die Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid können mit diesem Rechenprogramm mit einer durchschnittlichen Abweichung von weniger als 2 Mol-% berechnet werden. Durch die Bestimmung von Zündtemperaturen für den Zerfall von Ethylenoxid und von definierten Gemischen aus Ethylenoxid und einem Inertgas wird schließlich untersucht, bei welchen Temperaturen ein explosionsartiger Zerfall von Ethylenoxid durch eine heiße Oberfläche in einem geschlossenen System initiiert werden kann. Die Abhängigkeit vom Druck, vom Behältervolumen und vom Stoffmengenanteil an EO werden bei den Untersuchungen berücksichtigt. Anders als die nach standardisierten Verfahren bestimmte Zündtemperatur von Gasen, die in offenen Systemen und ausschließlich für Gemische mit Luft ermittelt wird, kann durch die Bestimmung der bisher nicht standardisierten Zündtemperatur für den Zerfall festgestellt werden, bei welcher Oberflächentemperatur es innerhalb eines geschlossenen Systems bei höheren Drücken und in Abwesenheit von Luft zu einem explosionsartigen Zerfall von chemisch instabilen Gasen kommen kann. Es zeigt sich, dass die Zündtemperatur des Zerfalls von Ethylenoxid bei höheren Drücken auch niedriger sein kann als die nach den Standardverfahren für offene Systeme bestimmte Zündtemperatur von Ethylenoxid. Außerdem zeigt sich, dass der Einfluss von Inertgasen auf die Zündtemperatur für den Zerfall von Ethylenoxid stark von der Art des Inertgases abhängig ist. Die Zündtemperaturen für den Zerfall von Ethylenoxid werden mit verschiedenen Modellen mit unterschiedlichem Grad an Vereinfachungen berechnet. Dabei wird rechnerisch die Wandtemperatur bestimmt, bei der es zu einem thermischen Durchgehen der Reaktion („Runaway“) kommt. Es zeigt sich, dass hinsichtlich der Genauigkeit und des Rechenaufwands eine transiente 0-dimensionale numerische Simulation besonders gut für die rechnerische Bestimmung der Zündtemperatur für den Zerfall von Ethylenoxid in Abhängigkeit des Drucks und des Behältervolumens geeignet ist. Temperaturgradienten innerhalb des Behälters werden bei diesem Modell vernachlässigt und die Wärmeabfuhr wird ausschließlich durch die Temperaturdifferenz zwischen Wand und Reaktionsmasse, die Wärmeaustauschfläche und den inneren Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt, der nach einem empirischen Ansatz für den Wärmeübergang an senkrechten Platten bei natürlicher Konvektion berechnet wird. Die Berücksichtigung von lokalen Abhängigkeiten innerhalb des Behälters durch ein 2-dimensionales Modell bringt trotz höheren Rechenaufwands keine weiteren ersichtlichen Vorteile.
Chemically unstable gases - flammability of ethylene oxide mixtures in sterilization processes
(2008)
For the assessment of explosion hazards by industrial
sterilization processes with ethylene oxide (EO), the flammability
regions of 3-component systems EO/nitrogen/air, EO/carbon
dioxide/air and EO/water vapor/air were determined. The tests were
performed at temperatures of 20 °C and 100 °C and at pressures of
40 kPa and 100 kPa in accordance with the standard test method EN
1839-B.
The observed flammability regions are similar in shape and
typical for mixtures with ethylene oxide. According to the molecular
heat capacities the regions get larger with nitrogen and smaller with
carbon dioxide. They become larger with increasing pressure and
increasing temperature.
Using experimental data a semi-empirical model was created
that allows the calculation of flammability limits of process gases in
sterilization processes. Such process gases can consist of EO,
nitrogen, carbon dioxide, water vapor and air.
The model is based on the assumption that the adiabatic flame
temperatures along the boundary curves of a flammability region
have a certain temperature profile that is nearly independent of the
type of the inert gas. The adiabatic flame temperatures were
calculated by using the Gaseq Code.
Using a temperature profile calculated from only one
experimental system EO/inert gas/air it is possible to predict the
flammability limits of systems with other inert gases or of process
gases containing several inert gases.
Für die sicherheitstechnische Beurteilung von Sterilisationsprozessen wurden die Explosionsgrenzen von Gasgemischen aus Ethylenoxid, Inertgas und Luft experimentell bestimmt. Die Messungen sind mit Stickstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf bei 20 und 100 °C sowie bei 0,4 und 1,0 bar durchgeführt worden. Mit Hilfe der Daten wurde ein halbempirisches Modell entwickelt, mit dem die Explosionsfähigkeit von Prozessgasgemischen berechnet werden kann.
Zur Einschätzung der Wirksamkeit einer heißen Oberfläche als Zündquelle für ein Gas oder ein Gasgemisch werden in der Praxis Zündtemperaturen experimentell bestimmt. Die Zündtemperatur gemäß dem europäischen Standardverfahren EN 14522 wird bei Atmosphärendruck bestimmt und ist vor allem dazu geeignet die Wirksamkeit einer heißen Oberfläche als Zündquelle bei einem unerwünschten Stoffaustritt aus einer geschlossenen Anlage einzuschätzen. Eine Aussage bzgl. der der Zündfähigkeit an heißen Oberflächen innerhalb einer geschlossenen Anlage, z. B. in größeren Behältern bei bestimmten Gemischzusammensetzungen und höheren Anfangsdrücken, kann anhand der Zündtemperatur gemäß EN 14522 nicht getroffen werden. Die Bestimmung nach dem europäischen Standard erfolgt in einem offenen System, bei atmosphärischem Druck und in Luft als Oxidationsmittel.
Es wurde ein Verfahren zur Berechnung von Explosionsgrenzen ethylenoxidhaltiger Gasphasen in Sterilisatoren entwickelt. Mit Hilfe der Software GasEq® und des neu entwickelten Makros SterEx für MS-Excel® lassen sich die Explosionsgrenzen für Gemische aus Ethylenoxid, Luft und Inertgasen bei Temperaturen zwischen 20°C und 100°C sowie 0,4 bar und 1,0 bar berechnen. Somit ist es schnell möglich, sichere Betriebsbedingungen für Sterilisationsprozesse mit Ethylenoxid festzulegen. Das halbempirische Modell basiert auf der Annahme konstanter Flammentemperaturprofile an den Explosionsgrenzen in Abhängigkeit der EO-Konzentration für verschiedene Gemische. Durch systematische Zündversuche wurden Explosionsgrenzen für Gemische aus Ethylenoxid, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf und Luft zur Bestimmung von Modellparametern und zur Validierung des Verfahrens bestimmt. Um die Prozessbedingungen in Sterilisatoren möglichst genau zu simulieren, wurden die Versuche in einem geschlossenen Autoklav in Anlehnung an DIN EN 1839-B durchgeführt. Berechnungen der Explosionsgrenzen von Prozessgasgemischen mit SterEx ergeben eine gute Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Werten.
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A calculation method for flammability limits of gas phases with ethylene oxide in sterilisers was developed. Using the Software GasEq® and the newly developed Makro SterEx for MS-Excel®, flammability limits of mixtures with ethylene oxide, air and inert gases at temperatures between 20°C and 100°C and pressures between 0.4 bar and 1.0 bar can be calculated. This method can be used to easily determine safe operating conditions. The used semi-empirical model is based upon the assumption of constant flame temperature profiles at the flammability limits subject to the EO-concentration for different mixtures. To collect model parameters and to validate the model, several experiments with mixtures of ethylene oxide, nitrogen, carbon dioxide, water vapour and air were carried out to determine flammability limits. To simulate the structural conditions of sterilisers, the experiments were conducted in accordance to DIN EN 1839-B in a closed autoclave with temperatures and pressures relevant for sterilisation processes. The calculation of flammability limits of process gas mixtures with SterEx provides good agreement with flammability limits that were determined in experiments.
Die zeitlichen Druckanstiege dp/dt von binären Methan/Sauerstoffgemischen wurden im Explosionsbereich bei Anfangsdrücken von 1 bar und 5 bar experimentell untersucht und das normierte europäische Bestimmungsverfahren für zeitliche Druckanstiege DIN EN 15967 [1] auf Anwendbarkeit bei erhöhtem Anfangsdruck und reinem Sauerstoff als Oxidator geprüft.
Die Messergebnisse zeigen eine Zunahme der zeitlichen Druckanstiege bei einem Annähern der Gemischzusammensetzung an das stöchiometrische Verhältnis der vollständigen Verbrennungsreaktion (CH4:O2 1:2). Eine zuverlässige Bestimmung der zeitlichen Druckanstiege ist ab einer bestimmten Zusammensetzung nicht mehr möglich, da starke Oszillationen der Drucksignale auftreten. Um trotz der Oszillationen Auswertungen zu ermöglichen wird erstmals zur Glättung der Signale ein physikalisches Modell für Gasexplosionen im geschlossenen Gefäß verwendet. Damit ist es möglich, noch stark oszillierende Signale auszuwerten. Trotzdem gelingt es nicht, den gesamten Explosionsbereich mit der üblichen Messtechnik zu untersuchen. Für die Druckmessung wurden sowohl piezoresistive als auch piezoelektrische Druckmessensoren eingesetzt. Die Messergebnisse der beiden Sensoren stimmen sehr gut überein. Die verwendeten piezoresistive Druckmesssensoren können jedoch ab einer bestimmten Gemischzusammensetzung durch die sehr schnellen Druckstöße (dp/dt > 30000 bar/s) zerstört werden. Für solche Fälle wären die robusteren piezoelektrischen Sensoren besser geeignet. Bei einem Anfangsdruck von 5 bar liegen die Konzentrationsbereiche, in denen keine Auswertung mehr möglich ist bei 16 Mol-% bis 53 Mol-% Methananteil. Bei einem Anfangsdruck von 1 bar fällt dieser Konzentrationsbereich kleiner aus (von 24 Mol-% bis 42 Mol-% Methananteil).
Die Messergebnisse zeigen jedoch, dass die ausschließlich für Atmosphärendruck geltende Norm DIN EN 15967 auch für höhere Anfangsdrücke und reinen Sauerstoff als Oxidator prinzipiell anwendbar ist.
Im Vortrag werden aktuelle Entwicklungen bei verschiedenen Elektrolysetechnologien kurz vorgestellt. Dann werden für Elektrolyseanlagen spezifische Gefährdungen diskutiert, v.a. die im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Gase Wasserstoff und Sauerstoff stehen. Dabei wird auch Bezug auf die Normung- und Regelsetzung genommen und Sicherheitskonzepte werden beispielhaft kurz vorgestellt. Abschließend wird auf Unfallereignisse im Zusammenhang mit der Elektrolyse eingegangen.
Im Projekt HySpark wird die Wirksamkeit mechanischer Schlagvorgänge beim Aufprall von unterschiedlichen Werkstoffen als Zündquelle für wasserstoffhaltige Atmosphären experimentell untersucht. Zum Einen wird die Zündwirksamkeit bei Wasserstoff/Luft-Gemischen in Abhängigkeit der Werkstoffpaarung untersucht. Dabei konnte v.a. festgestellt werden, dass bei Schlagvorgängen von Nicht-Eisen-Metallen mit verschiedenen Stahlsorten die wirksame Zündung vermieden werden kann. Jedoch können bei Schlagvorgängen mit Estrichbeton hohe Zündwahrscheinlichkeiten beobachtet werden. Zum anderen wird der Einfluss von Wasserstoffbeimischungen im Erdgasnetz auf die Zündwirksamkeit von mechanischen Schlägen untersucht. Bei Anteilen bis 25% Wasserstoff konnte bei den Versuchen kein Erhöhung der Zündwahrscheinlichkeit festgestellt werden.
There is no applicable existing standard for the determination of safety characteristics for hybrid mixtures. While developing a new standard in a joint research project in Germany first results from parameter studies led to a standard procedure that can be adopted by laboratories that are already testing dusts in the so called 20L-sphere with as little additional effort as necessary. In fact, one of the main objectives of this research project was to keep modifications and adjustments from the generally accepted dust testing procedures as easy and minimal as possible so as to limit potential deviations from one laboratory to another.
In this first round robin test on hybrid mixtures ever, with methane as gas component and a specific corn starch as dust sample, the practicality of the whole procedure, the scattering of the results and the deviation between the testing apparatuses is investigated. This paper summarizes the experimental procedure adopted and objectives of the first round-robin phase involving three of the four original German companies, plus volunteering laboratories from Australia, Belgium, Czech Republic, France, Poland and P.R. China. The results will have an impact on the new standard and may lead to robust data for later simulation purposes.
In this lecture the safety related properties og hydrogen compared to other fuel gases and the explosion protection measures of avoiding flammable mixtures, avoiding ignition sources and mitigating the consequences of explosions when handling hydrogen and hydrogen mixtures are presented.
The Joint European Summer School JESS 2021 addresses these issues by offering high quality graduate level courses on selected topics of vehicle technology, innovation & business development, safe handling of hydrogen, and modelling. The course content is tailored to the needs of a diverse audience: newcomers to the field, experienced students, and young professionals working at the forefront of fuel cell and hydrogen applications.
Hinsichtlich ihrer sicherheitstechnischen Kenngrößen (STK) unterscheiden sich Wasserstoff und Erdgas zum Teil stark. Im Vortrag werden verschiedene STK von Erdgas/Wasserstoff-Gemischen im Abhängigkeit des Wasserstoffanteils vorgestellt und die Auswirkung der Beimischung von Wasserstoff zum Erdgas auf die Wirksamkeit von Explosionsschutzmaßnahmen erläutert.
Influence of pre-ignition pressure rise on safety characteristics of dusts and hybrid mixtures
(2021)
For the determination of the safety characteristics of dusts it is necessary to disperse the dust in the oxidating atmosphere (usually air). In the standard procedures for dusts this is realized by a partially evacuated explosion vessel (20L-sphere) in which the dust gets injected from a dust chamber pressurized with air. Shortly after that injection (60 ms) the dust cloud gets ignited under turbulent conditions, that are otherwise seen as almost ambient with 20 ◦C and about 1 bar (abs). While there has been a lot of research about the influence of the ignition delay time and the level of turbulence in the recent years little attention was paid to the pre–ignition pressure rise and the allowed variations in the standards. In the following work we showed that the allowed ranges for the pressures in the different dust standards influence the safety characteristics of dust alone severely.
Even though hybrid mixtures are an emerging risk problem in an interconnected industry there is no standard for the determination of their safety characteristics. In this work it is shown that especially for the preparation of hybrid mixtures of flammable dust and gas the pressures after injection of the dust and the mixing procedure have a large influence on the composition of the tested mixtures and therefore on the safety characteristics.
Considering both effects, wrong concentration of gas and wrong initial pressure, the discrepancy of safety characteristics from different facilities will be too big to applicable. The methods to overcome these weaknesses are also presented.
For the determination of safety characteristics of gases, vapors and dusts different types of ignition sources are used in international standards and guidelines. The paper presents test results of a comparative calorimetric and visual study between four different types of ignition sources. The ignition procedures were analyzed visually with a high-speed camera and electric recordings. In addition to that, the influence of the electrode-orientation, -distance as well as ignition energy on the reproducibility of the exploding wire igniter was tested.
The exploding wire is already in use for standardized determination of safety characteristics of gases, first tests on the suitability of the exploding wire igniter for dust testing have been carried out but are not standardized yet. Using the exploding wire, the ignition energy can be varied from 2 J to 10 000 J (2 x 5000 J) and thus it could be used for gases, vapors, dusts and hybrid mixtures. Moreover it can be used at high initial pressures and it is the only ignition source with an easily measurable ignition energy release. Furthermore, it does not introduce another chemical reaction into the system.
Finally, a proposal for a standard ignition source for explosion tests on hybrid mixtures is derived from the test results.
In this study, experimental determination and modelling investigations for the explosion regions of 1,3-dioxolane/inert gas/N2O and 1,3-dioxolane/inert gas/air mixtures were carried out and compared. The experimental measurements were carried out at 338 K and atmospheric pressure according to EN1839 method T using the inert gases N2, CO2, He and Ar. The results showed that the ratio of the lower explosion limit in N2O (LELN2O) to the lower explosion limit in air (LELair) is 0.52 and the ratio of the maximum oxygen content in air (MOCair) to the limiting oxidizer fraction in nitrous oxide (LOFN2O) is 0.36 ± 0.02 independent of the inert gas. When comparing the inert gas amount at the apex based on the pure oxidizing component, which is O2 in case of air, N2O-containing mixtures need less inert gas to reach the limiting oxidizer quantity whereas the efficiency of inert gases is in the same order. The coefficients of nitrogen equivalency however were found to differ to some extent. The explosion regions of 1,3-dioxolane/inert gas/oxidizer mixtures were modelled using the calculated adiabatic flame temperature profile (CAFTP) method as well as corrected adiabatic flame temperatures. The results indicate good agreement with experimental data for CO2, N2 and Ar- containing mixtures. The noticeable deviations that occur when He is the inert gas are due to the lacking transport data of that mixture.