2.2 Prozesssimulation
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The European Committee for Standardization (CEN) set up the Technical Committee 352 (CEN/TC 352) in 2006 to develop and maintain up to date standards in the field of nanotechnologies. Part of the work group (WG 3) dedicated to Health, Safety and Environment, the CEN/TC 352/WG 3/PG 3 led by INERIS was constituted to develop a Technical Specification (TS) for the determination of explosivity and flammability properties of manufactured nano-objects in powder form (2013 - 2018).
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.
Self-Accelerating Decomposition Temperature (SADT) is a safety characteristic for the transport of self-reactive substances and organic peroxides. Its determination is time-consuming and in dependence on the test method also material-consuming. As shown previously, DSC measurements, which can be carried out fast and with a few milligram of material, supply a good correlation with SADT for technical pure, liquid organic peroxides. The approach is now applied for solid organic peroxides. Besides, the parameters, which are involved in the correlation, are discussed and their effect on the result is weighted qualitatively. In addition it was shown, that the method is inapplicable in an easy manner for diluted organic peroxides and pure self-reactive substances.
In continuation of a preceding test series involving sole LPG vehicle tanks, three passenger cars equipped with identical toroidal steel LPG tanks were set on fire. The tanks were installed in the space normally reserved for the spare tyre, in the car boot. No safety device was installed on the tank, in order to force critical failure of the cylinder. Two of the cars were equipped with a tank filled with liquefied propane to a level of 20% (5.3 kg), the third one was filled completely (25.5 kg). The partially filled tanks failed critically within a time period of more than 20 min after the initiation of the fire. The fully-filled tank did not rupture; the propane was released continuously through a small leak that appeared during the fire. Comprehensive equipment was used to procure measurement data, enabling an analysis of potential consequences and hazards to humans and infrastructure within the vehicle surroundings. The inner status of the tank (pressure, temperature of the liquid phase and the steel casing), the development of the fire (temperature inside and around the vehicle) and the pressure induced in the near-field in case of tank rupture were recorded. The results were analysed in detail and compared against the data gained in tests involving sole, but identical LPG tanks.
In case of a vehicle fire, an installed LPG (liquefied petroleum gas) tank with a malfunctioning safety device poses severe hazards. To investigate the consequences in case of tank failure, we conducted 16 tests with toroidal shaped LPG vehicle tanks. Three tanks were used for a Hydraulic Burst Test under standard conditions. Another three tanks were equipped with a statutory safety device and were subjected to a gasoline pool fire. The safety device prevented tank failure, as intended. To generate a statistically valid dataset on tank failure, ten tanks without safety devices were exposed to a gasoline pool fire. Five tanks were filled to a level of 20 %; the re-maining five were filled to a level of 100 %. In order to gain information on the heating process, three tem-perature readings at the tank surface, and three nearby flame temperatures were recorded. At distances of l = (7; 9; 11) m to the tank, the overpressure of the shock wave induced by the tank failure and the unsteady tem-peratures were measured. All ten tanks failed within a time of t < 5 min in a BLEVE (boiling liquid expanding vapor explosion). Seven of these resulted directly in a catastrophic failure. The other three resulted in partial failure followed by catastrophic failure. A near field overpressure at a distance of l = 7 m of up to p = 0.27 bar was measured. All ten tests showed massive fragmentation of the tank mantle. In total, 50 fragments were found. These 50 fragments make-up 88.6 % of the original tank mass. Each fragment was georeferenced and weighed. Fragment throwing distances of l > 250 m occurred. For the tanks with a fill level of 20 %, the average number of fragments was twice as high as it was for the tanks that were filled completely.
Für die Klassifizierung sowie die sichere Handhabung und Nutzung von Chemikalien und anderen Stoffen wurden spezielle standardisierte Testmethoden entwickelt, die weltweit zum Einsatz kommen. Die Ableitung von Sicherheitsmaßnahmen durch Experten erfordert, dass aus diesen Untersuchungen verlässliche Daten gewonnen werden. Ringversuche sind ein wesentliches Element bei der Methodenentwicklung (-validierung) und für die Qualitätssicherung von Laboratorien.
Die Testmethode DIN EN 15188:2007 dient der Bestimmung des Selbstentzündungsverhaltens von Schüttgütern und Stäuben. Experimentelle Grundlage für die Beschreibung des Selbstentzündungsverhaltens eines bestimmten Materials ist die Bestimmung der Selbstentzündungstemperaturen (TSE) von Proben verschiedener Größen mit Hilfe isoperiboler Warmlagerungsversuche. Die so ermittelten Versuchsdaten ergeben die Abhängigkeit der Selbstentzündungstemperaturen vom Lagervolumen. Zweck einer schrittweise aufgebauten Serie von Ringversuchen und internen Labortests war die Identifizierung von Schwächen der bestehenden Methode bzw. von in der Laborpraxis auftretenden Mängeln bei der Anwendung der Methode, die Validierung der modifizierten und verbesserten Methode sowie die Bestimmung einer allgemeingültigen (Mess-)Unsicherheit dieser modifizierten Methode.
Chemikalien werden im Prüflabor auf ihre gefährlichen Eigenschaften getestet, um die Risiken bei deren Handhabung richtig abschätzen zu können. Dazu sind Prüfmethoden entwickelt und veröffentlicht worden, die heute weltweit Anwendung finden. Auf die Validität der jeweiligen Prüfmethode und richtige Durchführung der Prüfung und Bewertung im Laboratorium müssen sich Hersteller, Importeure, Händler, Arbeitgeber oder Verbraucher verlassen können.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM), Berlin hat eine langjährige Erfahrung sowohl bei der Ermittlung und Bewertung der physikalischen Gefahren von Chemikalien als auch bei der Einstufung und Kennzeichnung nach dem Chemikalienrecht (z.B. gemäß REACH-VO, CLP-VO, Gefahrgutvorschriften u.a.).
Es werden drei Poster präsentiert, welche einerseits kritisch die im Rahmen der chemikalienrechtlichen Verfahren von den Registranten vorgelegten Prüfergebnisse / Prüfberichte bewerten und andererseits die Zuverlässigkeit von verschiedenen Prüfmethoden einschätzen bzw. den Aufwand am Beispiel der Validierung einer konkreten Prüfmethode durch Ringversuche demonstrieren.
REACH-Registrierungsdossiers z.B. werden mit der Softwareanwendung IUCLID (International Uniform Chemical Information Database) erstellt. Für die Behörden ist die Bewertung der Zuverlässigkeit mit den Informationen zu den Studien im IUCLID-Dossiers oftmals schwer nachvollziehbar.
Bei der Bewertung der Verlässlichkeit der im Labor gewonnenen Prüfergebnisse spielen Ringversuche eine entscheidende Rolle. In den letzten 10 Jahren wurden von der BAM und der PTB Ringversuche zu verschiedenen Prüfmethoden durchgeführt. In allen Ringversuchen wurden deutliche Unterschiede zwischen den Ergebnissen der teilnehmenden Laboratorien festgestellt. Die Abweichungen der Prüfergebnisse wurden jedoch nicht nur durch Laborfehler, sondern auch durch Mängel der Prüfmethoden verursacht. Deshalb ist es wichtig zu wissen, wie gut die Prüfmethode ist, mit der ein Gefahrgut oder Gefahrstoff klassifiziert wird oder mit denen sicherheitstechnische Kenndaten bestimmt werden.
Ringversuche werden bei der Methodenentwicklung und -validierung eingesetzt und können zur Ermittlung der Messunsicherheit genutzt werden. Validierungsberichte zu Prüfmethoden sorgen für Transparenz, sind für die Regulierung im Chemikalienrecht erforderlich und dienen auch dazu auf globaler Ebene gleiche Wettbewerbsbedingungen zu schaffen.
Die BAM und die PTB unterstützen deshalb den weiteren Ausbau des Ringversuchsprogramms des im Jahr 2007 gegründeten Kompetenzzentrums zur Qualitätssicherung für Prüfungen von Gefahrgütern und Gefahrstoffen auf physikalische Gefahren (Centre for quality assurance for testing of dangerous goods and hazardous substances, CEQAT-DGHS, www.ceqat-dghs.bam.de). Dieses betreibt die BAM gemeinsam mit der PTB und der QuoData Gesellschaft für Qualitätsmanagement und Statistik mbH, Dresden.
Mit nicht-konformen oder schlecht dokumentierten Prüfergebnissen können weder Behörden noch Unternehmen etwas anfangen. Belastbare und eindeutige Informationen aus den Registrierungsdossiers sind entscheidend, damit industrielle und gewerbliche Verwender der Stoffe das Gefahrenpotenzial einschätzen und ggf. Maßnahmen zum Schutz von Menschen und Umwelt treffen können.
Darüber hinaus benötigen die Behörden verlässliche Daten aus den Registrierungen, um ihrer Verantwortung bei der Identifizierung regulierungsbedürftiger Stoffe nachkommen zu können.
Biozidprodukte unterliegen einer Zulassungspflicht, bevor sie verkauft oder angewendet werden dürfen. Zulassungsanträgen für Biozidproduktfamilien sowie für in-situ-Systeme müssen als IUCLID-Dossiers eingereicht werden. Hierfür müssen bestimmte Informationsanforderungen zur Bewertung der Gefahren vorgelegt werden. Wenn jedoch keine experimentellen Daten ermittelt wurden, muss eine valide Begründung für den Datenverzicht vorgelegt werden. Für die physikalischen Gefahren wird das „waiving of testing“ vorgestellt, insbesondere wird die Vorgehensweise in IUCLID erläutert.
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.
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.
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.
The Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (UN-GHS) is being implemented in more and more countries all over the world; the EU has done so with the CLP-Regulation (EU-CLP). Compared to the undeniably important questions on health and environmental hazards, the classification of physical hazards of chemicals often has not been in the focus, although their implementation can be challenging and there are traps and pitfalls to be avoided. The following overview of the classification systematics for physical hazards aims at a principle understanding without detailing all criteria or test methods. Similarities and differences between the classification systems of the UN-GHS and EU-CLP, the transport of dangerous goods and the former EU system are reviewed with regard to the physical hazard classes. Available physical hazard classifications for the transport of dangerous goods and according to the former EU system can be used as available information when classifying according to the GHS. However, the interfaces of these classification systems and their limitations have to be understood well when concluding on GHS/CLP classifications. This applies not only to industry when applying CLP but especially to legislators when adapting legislation that in one way or another refers to the classification of chemicals.