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Flammable gases and vapors
(2013)
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.
According to international standards several safety characteristics of dusts are determined in the 20-Lsphere (also known as SIWEK Chamber). Dust cloud ignition is carried out using pyrotechnical igniters.
Due to various disadvantages of such igniters the need for alternative ignition sources arises again and again. An alternative ignition source could be the so called 'exploding wire' or 'fuse wire'. The paper presents test results of a comparative study between both ignition sources for the determination of the safety characteristics Maximum Explosion Pressure and Maximum Explosion Pressure Rise of five selected dusts in the 20-L-sphere. In addition to that the ignition mechanisms of both ignition sources were analysed by high speed camera recordings and the ignition energy was determined with electric and calorimetric recordings.
The Ignition Temperature (IT) of stoichiometric tetrafluoroethylene–air mixtures on hot walls was determined in a 3-dm³-reactor. Tests at elevated pressure conditions were performed, namely at 5, 15 and 25 bar(a), showing a decrease of the IT with the initial pressure. Furthermore, the measured ignition temperatures of stoichiometric tetrafluoroethylene–air mixtures were lower than the ignition temperatures required for the decomposition pure tetrafluoroethylene (Minimum Ignition Temperature of Decomposition, MITD) reported in previous works.
Equations from the Semenov thermal explosion theory on spontaneous ignition were used to identify approximate combustion kinetics of tetrafluoroethylene from the experimental results. The determined kinetics was used for the prediction of the IT of stoichiometric tetrafluoroethylene-air by simplified calculation methods. A very good agreement with the experimental results was observed.
There is a lack of data on the self-ignition behaviour of tetrafluoroethylene (TFE) in industrial sized
equipment. In order to assess the tendency of TFE for
decomposition in large scale vessels, , a facility was
designed and constructed. Tests were
carried out in a cylindrical reactor with a volume of 100 L with initial
pressures of 5 and 10 bar(a). The effect of the reacto
r adjustment (vertical or horizontal) was taken into
account. The current work describes the test set
up and summarizes the experimental results achieved.
Furthermore, this paper reports on a numerical model for
the prediction of the self
-heating of TFE in closed
vessels, which was previously developed for small scale reactors and has been here validated for larger
dimensions with the experiments performed in the new facility.
According to international Standards several safety characteristics of dusts are determined in the 20-L-sphere (also known as SIWEK-Chamber). Dust cloud ignition is carried out using pyrotechnical igniters. Due to various disadvantages of pyrotechnical igniters the need for alternative ignition sources arises again and again. An alternative ignition source could be the socalled “exploding wire” or “fuse wire". The paper presents test results of a comparative study between both ignition sources for the determination of the safety characteristics Maximum Explosion Pressure and Maximum Rate of Explosion Pressure Rise of selected dusts in the 20-Lsphere.
In addition to that the flame/arc propagation of both ignition sources was analysed by high speed and IR camera recordings. Tests in a windowed autoclave were performed to get information on the influence of turbulence generated due to dispersion of the dust on the shape of the generated flame and its propagation. Turbulence measurements in the windowed autoclave as well as in the 20-L-sphere with a LDA System allowed investigation if the igniter led to turbulence increase at the moment of ignition in comparison to tests without ignition.
According to international standards several safety characteristics of dusts are determined in the 20-L sphere (also known as SIWEK-Chamber). Dust cloud ignition is carried out using pyrotechnical igniters. Due to various disadvantages of pyrotechnical igniters the need for alternative ignition sources arises again and again. An alternative ignition source could be the so-called 'exploding wire' or 'fuse wire'. The paper presents test results of a comparative study between both ignition sources for the determination of the safety characteristics Maximum Explosion Pressure and Maximum Rate of Explosion Pressure Rise of selected dusts in the 20-L sphere. In addition the propagation of flame and electrical arc was analysed by high speed camera recordings. Tests in a windowed autoclave were performed to get information on the influence of turbulence during ignition on the shape of the generated flame (electrical arc) and its propagation. Turbulence measurements with a LDA system in the windowed autoclave as well as in the 20-L sphere allowed investigation if the ignition sources led to an additional turbulence increase at the moment of ignition in comparison to tests without ignition.
Es werden die Untersuchungsergebnisse für ein geeignetes Zündkriterium zur Bestimmung von Explosionsgrenzen bei nichtatmosphärischen Bedingungen vorgestellt. Dazu wurden für Anfangsdrücke bis 20 bar Zündversuche an den Explosionsgrenzen von CHL/Luft-, CaHg/Luft-, H2/Luft- und NHs/Luft-Gemischen in einem Autoklav mit Sichtscheibe durchgeführt. In der Auswertung wurden visuelle Zündkriterien und ein Druckschwellenkriterium miteinander verglichen. Weiterhin wurden Untersuchungen zum erforderlichen Mindesvolumen des Explosionsgefäßes in Abhängigkeit des Anfangsdrucks durchgeführt. Dazu wurden jeweils Zündversuche mit demselben Gemisch aus CH4 und Luft bei Anfangsdrücken bis 50 bar in Volumina zwischen 0,2 dm3 und 6,0 dm3 durchgeführt.
Many industrial processes include a gas explosion hazard. If safety measures are not adequate to prevent a potentially explosive atmosphere or to avoid effective ignition sources in enclosures, at least the effects of an explosion can be limited e.g. by gas explosion venting systems.
For the design of gas explosion venting systems for confinements only little guidance is given when considering the constructional boundary conditions or process conditions. For this reason conservative assumptions are prevalent in practice and in many cases the protective systems become significantly oversized. From safety perspective such safety margins in venting areas can lead to a critical acceleration of the pressure rise. Moreover, a gas explosion venting at turbulent conditions caused by over sizing or by obstacles rather leads to an under-sized system. The present investigation was focused especially on the influence of certain obstacles as well as the influence of elevated initial pressures on explosion venting
behaviour of quiescent hydrogen, methane or ethylene in air.
This work investigates the ignition of tetrafluoroethylene induced by the adiabatic compression that can arise by activating a high speed valve separating two portions of a pipeline with a high pressure difference. In the tests performed the high pressure zone contained tetrafluoroethylene at pressures between 15 and 30 bar. For the low pressure zone, experiments with nitrogen, air and tetrafluoroethylene were carried out. The pressure range in the low pressure zone was comprised between 0.05 and 1 bar. The pipe diameters analyzed were 15 and 20 mm. For the analyzed geometries, special conditions were required in order to reach reproducible ignitions, namely air at temperatures of at least 105 °C had to be present in the compression pipe. Furthermore, a minimum length of the compression pipe had to be used. The current work describes the experimental setup employed for the tests and discusses the achieved results. Numerical simulations were performed in order to clarify unexpected findings.
Sicherheitstechnischen Kenngrößen stellen die Grundlage für die Bewertung von Explosionsrisiken in der chemischen Industrie dar, sowie für die Klassifizierung von gefährlichen Stoffen und Gütern. Sicherheitstechnische Kenngrößen sind, wie Stoff konstanten (z. B. Dichte, Siedepunkt) abhängig von Druck und Temperatur. Im Gegensatz zu Stoffkonstanten sind sicherheitstechnische Kenngrößen jedoch in unterschiedlichem Maße vom Bestimmungsverfahren abhängig. Einfluss können sowohl die Prüfapparatur (z. B. Zündgefäß, Zündquelle) als auch das Bestimmungsverfahren (vor allem das Kriterium) haben. Für die Anwendung im Explosionsschutz ist es erforderlich einheitliche und zuverlässige Werte für die Kenngrößen zu erhalten. Daher sind die Bestimmungsverfahren für Explosionskenngrößen in den meisten Fällen genormt. Sie sind in der Regel dem Geltungsbereich der europäischen Richtlinien 94/9/EG und 1999/92/EG zugeordnet. Wegen des Anwendungsbereiches der Richtlinien gelten bislang die meisten dieser genormten Bestimmungsverfahren (z. B. Explosionsgrenzen (EN 1839), Zündtemperatur (EN 14522)) nur für atmosphärische Bedingungen. Jedoch werden in der chemischen Industrie viele Prozesse mit anderen Oxidationsmitteln als Luft (z. B. reiner Sauerstoff, Distickstoffmonoxid) sowie bei höheren Drücken und Temperaturen durchgeführt.
Die Zahl der Biogasanlagen in Deutschland hat mit dem Ausbau regenerativer Energie stark zugenommen. In den Anlagen wird durch Zersetzung von organischem Material entzündbares Biogas gewonnen, das in seiner Zusammensetzung stark schwankt. Hauptbestandteile von Biogas sind Methan und Kohlendioxid aber auch je nach Prozessstufe Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff und Verunreinigungen, die teilweise toxisch sein können. Zudem beginnt man in größeren Anlagen Biogas zu Biomethan aufzuarbeiten, um dann direkt ins Erdgasnetz einspeisen zu können. In der Entwicklung befinden sich zurzeit auch gekoppelte Biogas- und Elektrolyseanlagen. Mit Hilfe der Elektrolyse von Wasser können Überschüsse an elektrischer Energie aus Wind- und Solaranlagen zu Wasserstoff verarbeitet werden (Power-to-Gas-Technologie). Um zuverlässige Daten für den Explosionsschutz beim Umgang mit den in den Anlagen vorhandenen Gasgemischen zur Verfügung zu stellen, hat die BAM in den letzten Jahren Explosionsbereiche von Gemischen aus Methan, Wasserstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, Luft und Sauerstoff in Anlehnung an die Norm EN 839 gemessen und als Eckdaten zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe dieser Daten lässt sich die Explosionsfähigkeit der Gasgemische in Biogasanlagen zuverlässig abschätzen. Auf dieser Grundlage können entsprechende Explosionsschutzmaßnahmen vorgenommen werden.
Die Zahl der Biogasanlagen in Deutschland hat mit dem Ausbau regenerativer Energie stark zugenommen. In den Anlagen wird durch Zersetzung von organischem Material entzündbares Biogas gewonnen, das in seiner Zusammensetzung stark schwankt. Hauptbestandteile von Biogas sind Methan und Kohlendioxid, aber auch je nach Prozessstufe Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff und Verunreinigungen, die teilweise toxisch sein können. Zudem beginnt man in größeren Anlagen Biogas zu Biomethan aufzuarbeiten, um es dann direkt ins Erdgasnetz einspeisen zu können. In der Entwicklung befinden sich zurzeit auch gekoppelte Biogasund Elektrolyseanlagen. Mithilfe der Elektrolyse von Wasser können Überschüsse an elektrischer Energie aus Wind- und Solaranlagen zu Wasserstoff verarbeitet werden (Power-to-Gas-Technologie). Um zuverlässige Daten für den Explosionsschutz beim Umgang mit den in den Anlagen vorhandenen Gasgemischen zur Verfügung zu stellen, hat die BAM in den letzten Jahren Explosionsbereiche von Gemischen aus Methan, Wasserstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, Luft und Sauerstoff in Anlehnung an die Norm EN 1839 gemessen und als Eckdaten zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe dieser Daten lässt sich die Explosionsfähigkeit der Gasgemische in Biogasanlagen zuverlässig abschätzen. Auf dieser Grundlage können entsprechende Explosionsschutzmaßnahmen vorgenommen werden.
In den letzten Jahren sind im technischen Regelwerk für Industriegase erhebliche Veränderungen vorgenommen worden. So sind mit der Integration der Druckbehälterverordnung in die Betriebssicherheitsverordnung u. a. auch die Technischen Regeln Druckgase (TRG) und die Technischen Regeln Acetylen (TRAC) zum 31.12.2012 außer Kraft gesetzt worden. Weiterhin sind physikalischen Gefahren der Gase, die vorher in der Einstufungsrichtlinie 67/548/EWG geregelt waren, in das UN-GHS1 bzw. in die europäische CLP-Verordnung2 aufgenommen worden. Hier wurde erstmals eine neue Gefahrenklasse 2.5 "Gase unter Druck" geschaffen, die die intrinsische Gefährdung durch Energiefreisetzung aus Gas bei Bersten der Behälter oder unbeabsichtigter Entspannung abbildet.
Unter diesen Gesichtspunkten war es erforderlich, sowohl auf internationaler als auch auf nationaler Ebene das technische Regelwerk für Gase zu ergänzen und die Schutzziele der weggefallenen nationalen Regeln in Form von neuen technischen Regen zur Gefahrstoffverordnung (TRGS) und zur Betriebssicherheitsverordnung (TRBS) zu erhalten und fortzuschreiben. Im Folgenden werden aktuelle Entwicklungen im technischen Regelwerk für Gase vorgestellt. In Kapitel 1 dieses Artikels wird auf die neue Einstufung und Kennzeichnung von chemisch instabilen Gasen gemäß UN-GHS und CLP-Verordnung eingegangen. Kapitel 2 stellt die neuen technischen Regeln für Gase zur Gefahrstoffverordnung und zur Betriebssicherheitsverordnung vor, mit besonderem Fokus auf die neue TRGS 407 "Tätigkeiten mit Gasen - Gefährdungsbeurteilung" und gibt einen kurzen Ausblick auf weitere technische Regeln, die zurzeit erarbeitet werden bzw. geplant sind.
The present paper aims to re-examine the validity of the linear correlation found between AFTLOC, the adiabatic flame temperature at the apex of the flammability range of fuel-air-inert mixtures (where LOC, the Limiting Oxygen Concentration, is measured) and AFTLFL, the adiabatic flame temperature at the lower flammability limit of fuel-air mixtures (LFL). New sets of experimental measurements of LFL and LOC referring to fuel-air mixtures diluted with N2, CO2 and H2O(vap) from trusted literature sources form a comprehensive database for such evaluation. Both the slope and intercept of correlations AFTLOC = a + b*AFTLFL are dependent on the nature of inert gas and on initial temperature. Based on the linear correlation between AFTLOC and AFTLFL, a procedure for calculation of LOC and MIC (Minimum Inert Concentration) of fuel-air-inert mixtures is presented, using measured or calculated LFL of fuel-air mixtures and their corresponding AFT. The method predicts with reasonable accuracy LOC and MIC of fuel-air-inert mixtures (relative deviations ranging between -14 and +17% when calculated and measured LOC and MIC for fuelair-nitrogen and fuel-air-carbon dioxide at ambient initial conditions are examined).
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.