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Fire and explosion hazards associated with storage and transportation of flammable materials have been a matter of great interest in the recent times. There are numerous studies on pool fires, BLEVEs and fireballs of hydrocarbon fuels, whereas BLEVEs and fireballs of organic peroxides (OP) are not investigated in detail yet. Fireball is a scenario that can occur when an OP filled drum is subjected to a surrounding fire. This presentation tries to extend the first investigations of OP BLEVEs presented on IGUS EOS Meeting 2015 in Ottawa. The following aspects are shown: Experimental investigation of a fired drum filled with 200 L DTBP; analyses of flame characteristics, e.g. temperatures, mass burning rates, SEP, thermal radiation properties and an overall comparison with DTBP pool fires; presentation of recommended safety distances.
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 therefore
increased thermal radiation compared to OP pool fires. The resulting greater safety
distances for a DTBP fireball event are discussed.
Für organische Peroxide (OP) ergeben sich im Falle eines Brandes im Vergleich zu herkömmlichen entzündbaren/brennbaren Stoffen höhere
Massenabbrandraten, größere Flammenhöhen und erhöhte Strahlungsbelastungen für Objekte und Personen in der Umgebung. Eine besondere Gefahr kann von OP in Stahlgefäßen ausgehen, sofern sie für die Lagerung oder Beförderung zugelassen sind. Brandversuche an 200-Liter-Stahlfässern zeigen z. B. eine explosionsartige Ausbildung von Feuerbällen hochkonzentrierter flüssiger OP nach einem zuvor schon heftigen Abbrandverhalten. In diesem Beitrag wird auf den Brand verschiedener OP in Stahlfässern eingegangen und die Schadenswirkung auf die Umgebung bewertet. Die zu beobachtenden Phänomene Pool- und Jetfeuer, Boil-Over sowie Feuerball werden mittels der Versuchsergebnisse beschrieben. Messtechnisch erfasst
und gegenübergestellt werden die Massenabbrandraten, diverse Flammeneigenschaften sowie die thermische Strahlungsbelastung auf die Umgebung. Durch eine Vielzahl von Versuchen zeigen sich Feuerbälle unterschiedlicher Größe, die durch bekannte semi-empirische Korrelationen für flüssige Kohlenwasserstoffe nicht beschrieben werden können.
Für organische Peroxide (OP) ergeben sich im Falle eines Brandes im Vergleich zu herkömmlichen entzündbaren/brennbaren Stoffen höhere Massenabbrandraten, größere Flammenhöhen und erhöhte Strahlungsbelastungen für Objekte und Personen in der Umgebung. Eine besondere Gefahr kann von OP in Stahlgefäßen ausgehen, sofern sie für die Lagerung oder Beförderung zugelassen sind. Brandversuche an 200-Liter-Stahlfässern zeigen z. B. eine explosionsartige Ausbildung von Feuerbällen hochkonzentrierter flüssiger OP nach einem zuvor schon heftigen Abbrandverhalten. In diesem Beitrag wird auf den Brand verschiedener OP in Stahlfässern eingegangen und die Schadenswirkung auf die Umgebung bewertet. Die zu beobachtenden Phänomene Pool- und Jetfeuer, Boil-Over sowie Feuerball werden mittels der Versuchsergebnisse beschrieben. Messtechnisch erfasst und gegenübergestellt werden die Massenabbrandraten, diverse Flammeneigenschaften sowie die thermische Strahlungsbelastung auf die Umgebung. Durch eine Vielzahl von Versuchen zeigen sich Feuerbälle unterschiedlicher Größe, die durch bekannte semi-empirische Korrelationen für flüssige Kohlenwasserstoffe nicht beschrieben werden können.
Summary of recent research activities at BAM concerning large scale fireballs of organic peroxides (OP). For the tests performed in Nanjing, China, the experimental setup and data aquisition is briefly shown and results are discussed compared with semi-empirical models. A new model is proposed for assessing OP fireballs. Thermal safety distances are calculated and compared for the three large tests.
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.
Auf Basis experimenteller Ergebnisse wird anhand von zwei Verfahren die Reaktionsführung für die Verbrennung von OP Feuerbällen in Ansys CFX variiert und diskutiert. Im Fokus stehen die Berechnung der Feuerballcharakteristiken Durchmesser, Branddauer, Höhe und thermische Strahlungsbelastung. Beide Reaktionsführungen sind nicht in der Lage die kompletten experimentell beobachtenden Eigenschaften wiederzugeben. Durch die Kombination beider Verfahren lässt sich das Gefahrenpotenzial der Feuerbälle allerdings abschätzen.
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.
