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Tetrafluorethen wird von der Polymerindustrie seit Jahrzenten als monomeres Ausgangsmaterial sowohl für die Herstellung von Polymeren (PTFE) als auch für Kopolymere (PCTFE) eingesetzt. Aufgrund seiner Eigenschaft als chemisch instabiles Gas kann TFE auch ohne Luftsauerstoff oder einen anderen Oxydator explosionsartig zerfallen. Nach der Initiierung des Zerfalls kann dieser unter bestimmten Bedingungen aufgrund des exothermen Reaktionsverhaltens sich selbstständig in Apparaten und Rohrleitungen ausbreiten. Dies geht aufgrund der freigesetzten Reaktionsenthalpie mit einem schlagartigen Anstieg von Druck und Temperatur einher, was zu erheblichen Belastungen der Materialien bis hin zum Versagen und Bruch und möglichen Folgeschäden einschließlich Personenschäden führen kann und in der Vergangenheit bereits mehrfach geführt hat.
Besonders nach Wartungsarbeiten besteht die Gefahr, dass Teilabschnitte im Rohrleitungssystem mit TFE, Stickstoff oder Luft gefüllt sind mit Drücken in einem Bereich zwischen technischem Vakuum und atmosphärischem Druck wohingegen angrenzende Rohrabschnitte oder Behälter immer noch TFE bei Betriebsdrücken bis 32 bar enthalten können. Dabei sind die Abschnitte in der Praxis häufig durch Kugelhähne voneinander getrennt, die aufgrund ihrer Öffnungscharakteristik bereits bei geringen Betätigungswinkeln eine große Querschnittsfreigabe für die Strömung im Rohr ermöglichen. Dadurch können schlagartige Kompressionsvorgänge des Gases im Niederdruckbereich ermöglicht werden, die allein aufgrund der thermodynamischen Zustandsänderung zu einer erheblichen Temperaturerhöhung führen und im schlimmsten Fall zur Initiierung der Zerfallsreaktion führen können.
Es wird erstmalig ein Versuchsaufbau im Industriemaßstab, der einer explosionsartigen Zerfallsreaktion von TFE standhalten kann. Zahlreiche Sicherheitskonzepte einschließlich diverser Berstscheibenkonfigurationen als auch zeitgesteuerte Schnellschlussventile wurden eingehend untersucht und bewertet, um die optimale Versuchskonfiguration für bestmögliche Reproduzierbarkeit festzulegen. Es fand eine systematische Untersuchung der schlagartigen Kompression der Systeme Luft/Luft, TFE/Luft, TFE/TFE und TFE/N2 statt. In der Hochdrucksektion wurden Drücke bis 30 bar realisiert und im Niederdrucksektor konnten Anfangsdrücke im Bereich weniger Millibar bis hin zu Atmosphärendruck eingestellt werden. Als Hauptergebnis wurde ein „Hazard diagram" erstellt, mit dessen Hilfe die Zündwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit vom Hochdruck und Niederdruck abgeschätzt werden kann. Gefährliche Bedingungen in Rohrleitungen können dadurch auf einfachem Weg identifiziert werden. Als Referenzsystem zur Beurteilung der maximal erreichbaren nicht reaktiven Kompressionstemperaturen wurde Luft/Luft verwendet. Die damit ermittelten Daten dienten zur Bewertung von zusätzlichen exothermen Effekten, wie sie etwa bei Vorreaktion des TFE im Falle einer Dimerisierung auftreten können.
Entgegen der ursprünglichen Annahme konnten die Systeme TFE/Stickstoff und TFE/TFE im verwendeten Aufbau nicht durch Kompressionsvorgänge gezündet werden.
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.
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.
The Minimum Ignition Temperature of Decomposition (MITD) of tetrafluoroethylene in a partially heated pipe was analyzed for different initial pressures (5, 10 and 15 bara). The pipe used had an internal length of 1 m, an internal diameter of 30 mm with a volume of about 0.7 dm³ and was vertically oriented. Pressure at the pipe top and temperature at four different locations along the pipe axis were measured. Tetrafluoroethylene was found to decompose at lower temperatures for increasing initial pressures, in agreement with previous tests with reactors with fully heated walls. A complete passive quenching in the non-heated part of the pipe was observed only for an initial pressure of 5 bara, while for higher initial pressures, the decomposition propagated completely along the test pipe. Moreover, the test results on the MITD were compared with data from previous experiments in fully heated 0.2 and 3 dm³ cylindrical reactors and showed a decrease of the MITD with the heated volume through heated surface ratio of the vessel. Furthermore, the prediction of the MITD of tetrafluoroethylene by simplified calculation methods was attempted, showing a good agreement with the experimental results.
There is a lack of data on the self-ignition behaviour of tetrafluoroethylene in industrial sized equipment. Therefore, a facility was designed and constructed for the determination of the Minimum Ignition Temperature of Decomposition of tetrafluoroethylene in a cylindrical reactor with a volume of 100 dm3. Tests with initial pressures of 5 and 10 bar(a) were performed. The Minimum Ignition Temperature of Decomposition of tetrafluoroethylene was observed to decrease with the initial pressure, in agreement with previous experiments with small scale cylindrical vessels. This paper describes the test set-up und gives an overview of the achieved experimental results. In particular the effect of the reactor orientation (vertical or horizontal) is discussed. Furthermore, simplified equations from the Semenov thermal explosion theory are used to attempt extrapolations of previous and current data on the Minimum Ignition Temperature of Decomposition of tetrafluoroethylene to other vessel volumes or initial pressures. Moreover, the experimental data are plotted together against the heated volume to heated surface ratio, which should provide a better extrapolation to other vessel dimensions by taking into account that the efficiency of the dispersion of the heat generated by the reaction is different for two reactors with the same volume but different diameter. Finally, simplified methods for predicting the Minimum Ignition Temperature of Decomposition of tetrafluoroethylene presented previously by the authors are validated for large scale reactors with the experimental data collected within the current work.
Beim begehrten Kunststoff Teflon führt kein Weg an einem komplexen Herstellungsprozess vorbei, der aufgrund der besonderen Eigenschaften des Ausgangsstoffes spezieller sicherheitstechnischer Anforderungen bedarf.
Comsol Multiphysics unterstützte Wissenschaftler in der Auslegung der Produktionsanlagen bei der Identifizierung von Gefahrenquellen.