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Organisationseinheit der BAM
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.
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.
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.
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.
To simulate a full fire engulfment during transportation or storage a closed removable head steel drum filled with 200 l Di-tert-butyl peroxide (DTBP) is subjected to a wood fire. Due to the enormous heat flux and the exothermic self-decomposition large flames arise and finally multiple fireballs occur. The fireballs consume up to 20 % of the total mass (20 % equals to 31 kg). They are characterized by high surface emissive power and large flames associated with high thermal radiation causing spontaneous ignition of objects in the surrounding. The measured sizes of the DTBP fireballs are smaller compared to the results of the general equations for hydrocarbon fireballs. Because these equations are recommended by the Health and Safety Executive (UK) to be applicable for organic peroxides explicit comparisons of DTBP with LPG, diesel and gasoline concerning the characteristics of fireballs are carried out. Also the burning time is compared and confirms a faster combustion of the peroxide. Moreover, the development of size and emissive power for DTBP and diesel fireballs are compared in a normalized graph. The results provide the assumption that new empirical models are required to be developed for hazard assessment of organic peroxide fireballs.
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.
Fireballs of liquid organic peroxides differ from those of liquid hydrocarbon fuels. Modified equations for predicting the fireball diameter, height, surface emissive power and the duration in dependence of the fuel mass are presented for di-tert-butyl peroxide. They base on 13 steel drum tests with fuel masses from 10 kg to 168 kg. Moreover, computational fluid dynamics simulations are performed using the laminar flamelet approach and a statistically turbulence treatment. Fireballs involving peroxide from 10 kg to 80 kg were simulated and their properties compared to the experimentally developed models. The deviations of each property are partially compensating each other leading to an adequate prediction of thermal safety distances for both, a time-independent and a time-averaged treatment. Simulations prove to be a good tool for predicting thermal radiation hazards of fireball scenarios.