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For the determination of safety characteristics of gases, vapors and dusts different types of ignition sources are used in international standards and guidelines. The paper presents test results of a comparative calorimetric and visual study between four different types of ignition sources. The ignition procedures were analyzed visually with a high-speed camera and electric recordings. In addition to that, the influence of the electrode-orientation, -distance as well as ignition energy on the reproducibility of the exploding wire igniter was tested.
The exploding wire is already in use for standardized determination of safety characteristics of gases, first tests on the suitability of the exploding wire igniter for dust testing have been carried out but are not standardized yet. Using the exploding wire, the ignition energy can be varied from 2 J to 10 000 J (2 x 5000 J) and thus it could be used for gases, vapors, dusts and hybrid mixtures. Moreover it can be used at high initial pressures and it is the only ignition source with an easily measurable ignition energy release. Furthermore, it does not introduce another chemical reaction into the system.
Finally, a proposal for a standard ignition source for explosion tests on hybrid mixtures is derived from the test results.
Im Beitrag werden die sicherheitstechnischen Eigenschaften von Wasserstoff diskutiert. Sowohl die Herstellung durch Wasserelektrolyse als auch die Einspeisung von Wasserstoff ins Erdgasnetz werden im Hinblick auf mögliche Gefahren durch die Veränderung von sicherheitstechnischen Kenngrößen unter Prozessbedingungen betrachtet.
Entwicklungen zu Bestimmungsverfahren für sicherheitstechnische Kenngrössen hybrider Gemische
(2020)
Zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen (STK) von hybriden Gemischen (Gemisch aus mindestens zwei brennbaren Phasen, wie z.B. Staub/Gas- oder Gas/Dampf-Gemisch) existieren bislang keine einheitlichen, genormten Prüfmethoden. Die Normen und Regelwerke zur Bestimmung der STK von einphasigen brennbaren Systemen (Staub, Gas, Dampf) unterscheiden sich teilweise erheblich. Beispielsweise sind in den jeweiligen Normen für Stäube, Gase und Dämpfe unterschiedliche Zündquellen und Zündenergien definiert. Des Weiteren unterscheiden sich die in den Normen definierten Prüfabläufe bei der Gemischherstellung. Bei der Entwicklung einer einheitlichen Norm für hybride Gemische muss der Einfluss dieser beiden Parameter ermittelt werden, um die Vergleichbarkeit mit den STK der einzelnen Komponenten Gas, Staub und Dampf gewährleisten zu können und bisherige Erkenntnisse zu hybriden Gemischen interpretieren und bewerten zu können.
The paper provides a summary of safety characteristics of hydrogen and hydrogen fuel gases. The inves-tigations focus on water electrolysis, the feeding of hydrogen into the natural gas grid and the use ofhydrogen for the fermentation process in biogas plants. The safety characteristics of hydrogen such as avery low minimum ignition energy, very large explosion range and high flame velocity with the resultingrapid pressure increase of hydrogen explosions are of particular importance for explosion protection andthey differ strongly from those of natural gas. Explosion ranges of hydrogen-methane-carbon dioxidemixtures have been measured for the use of hydrogen in biomethane production. The paper also showsand discusses explosion ranges of hydrogen and hydrogen-natural gas mixtures. Pressure and tempera-ture dependencies of the explosion limits of mixtures were investigated. Furthermore, pressure rise rates(KGvalues) were measured with regard to constructive explosion protection. The maximum experimen-tal safe gaps were determined for the classification of the mixtures and assignment to explosion groupsaccording to the European ATEX directives. It was found that admixture of 10% hydrogen to natural gashas only a minor influence on the safety characteristics of gas explosions.
Most fluorinated hydrocarbons that shall replace refrigerants with high GWP, like R134a, are flammable. For evaluating inertization measures for explosion protection, flammability of low-GWP refrigerants R1234yf, R32 and R1132a blended with carbon dioxide, nitrogen and argon were studied experimentally in a closed autoclave at atmospheric conditions. Furthermore, a calculation method was adapted to reduce the experimental costs for flammability studies on these gas mixtures. For igniting R1234yf in the closed autoclave a newly developed ignition system was used that allows generating electric arcs with high ignition energy. Gas mixtures containing the mildly flammable R1234yf and R32 could be inerted by adding much less inert gas than mixtures containing R1132a, which is more similar to unfluorinated hydrocarbons regarding the explosion regions. By using the adapted model of constant adiabatic flame temperature profiles estimating the explosion limits of fluorinated hydrocarbons was possible with similar accuracy as for unfluorinated hydrocarbons.
Keywords: Explosion Protection, Inertization, Flammability, HFOs, HFC., R1234yf, R32, R1132a
The safety characteristics of flammable gases and liquids are required when identifying potentially explosive mixtures and taking appropriate actions concerning explosion protection. Examples are given here of the safe handling and evaluation of hazards during the processing, storage, transport, and disposal of flammable liquids and gases. The CHEMSAFE database is presented as a reliable source of safety characteristic data, and its new open-access version is introduced. CHEMSAFE currently contains assessed properties for about 3000 liquids, gases and mixtures. The lack of a broad experimental foundation in the extensive field of non-atmospheric conditions shows the need for further investigation and standardization. This article summarizes experimental evidence and estimation methods for safety characteristic data under non-atmospheric conditions pointing out current limitations. Suggestions for pre-normative research on safety data under non-atmospheric conditions are given.
Sicherheitstechnische Kenngrößen des Explosionsschutzes für hybride Stoffgemische – Das Verbundvorhaben „NEX-HYS“ Im Rahmen des WIPANO-Programms (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen), gefördert vom BMWi, ist ein Verbundvorhaben zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen hybrider Gemische begonnen worden. Teilnehmer sind die OvGU Magdeburg (Koordination), die BAM, die PTB, die INBUREX GmbH und das DIN. Hybride Gemische, z.B. Staub-Brenngas-Luft-Gemische, spielen in der Prozesstechnik bei Trocknungs- und Transportprozessen eine wichtige Rolle. Für diese Gemische lassen sich die sicherheitstechnischen Kenngrößen nach den vorhandenen Normen nicht bestimmen. Aus bisherigen Forschungsarbeiten ist allerdings bekannt, dass hybride Gemische teilweise zündempfindlicher sind, erweiterte Explosionsbereiche aufweisen und die Auswirkungen von Explosionen heftiger ausfallen können als bei Brennstoffen, die nur in einem Aggregatzustand vorliegen.
Ziel des Verbundprojektes ist es, labortechnische Verfahren zur Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen (STK) für hybride Gemische bis zur Normungsreife zu entwickeln und mittelfristig eine europäische Normung für hybride Gemische im CEN TC305 zu initiieren. Folgende, technisch wichtige Kenngrößen sollen bearbeitet werden: Untere Explosionsgrenze, Sauerstoffgrenzkonzentration, maximaler Explosionsdruck, maximaler zeitlicher Druckanstieg und Mindestzündtemperatur.
Um eine schnelle allgemeine Verfügbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, ist im Rahmen des Vorhabens die Erstellung einer DIN SPEC (Vornorm) geplant.
Im Poster wird das Verbundvorhaben mit den einzelnen Arbeitspaketen dargestellt und diskutiert.
In diesem Verbundvorhaben werden standardisierte Messverfahren für hybride Gemische erarbeitet, die der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen des Explosionsschutzes dienen. Unter einem hybriden Gemisch wird dabei ein mehrphasiges System aus Brenngas oder brennbarem Dampf, sowie Luft und brennbarem Staub verstanden. Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgt in einem Abschlussbericht und als DIN-Spezifikation (DIN SPEC). Diese DIN SPEC versetzt Prüfinstitute und Industrie in die Lage, Explosionsgefahren beim Betrieb technischer Anlagen mit hybriden Gemischen einzuschätzen und damit Prozesse sowohl sicherer als auch effizienter zu steuern. Dieses Projekt wird im Rahmen des WIPANOProgramms (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) vom BMWi gefördert.
Im Vortrag werden die sicherheitstechnischen Kenngrößen des Explosionsschutzes von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen erläutert. Der Einfluss von Wasserstoffeinspeisung in Erdgasnetze wird dargestellt und diskutiert. Die Stoffdaten der Erdgas-Wasserstoff-Gemische sind im Rahmen eines von der BG-ETEM geförderten Vorhabens in der BAM gemessen worden. Basis dieser Messungen waren in Europa harmonisierte Normen.
Mit Hilfe von numerischen Methoden sind explosionsgefährdete Bereiche um Abblasvorrichtungen bei Erdgas-Wasserstoff-Gemischen im Vergleich zum reinen Erdgas betrachtet worden. Der Vortrag gibt weiterhin Hinweise auf Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen auf Gaswarngeräte.
Explosion and decomposition limits of flammable and chemically unstable gases were determined experimentally in a closed autoclave with an ignition energy higher than the standard 10 J a 20 J. The ignition source was a lightning arc caused by an exploding wire igniter as described in EN 1839 B. With a newly developed ignition system a graded ignition energy between 3 J and 1000 J was generated. Different types of gases were studied with this ignition system: methane as a typical fuel gas and reference gas for some standards for explosion limit determination, the refrigerant R32 (difluoromethane) as a mildly flammable gas with low burning velocity and high minimum ignition energy compared with methane as well as the chemical unstable gases acetylene, nitrous oxide and ethylene oxide, which can decompose explosively in the absence of air or other oxidizers. It was found that the influence of strong ignition sources on explosion and decomposition limits can be very different for different systems. In case of methane only the upper explosion limit was influenced significantly by the ignition energy, whereas the lower explosion limit was constant. In a standard test vessel with an inner volume of 14 dm3 it was difficult to quantify the upper explosion limit of methane exactly with the strong ignition source, because the explosion pressure did not increase abruptly near the explosion limit, but steadily over a large concentration range. Probably a larger explosion vessel is more appropriate in this case. In case of R32 however, it was the lower explosion limit that was influenced significantly by the ignition energy and not the upper explosion limit. A particularly strong dependency from the ignition energy was found for the decomposition limits of the chemically unstable gases in nitrogen. Here special regard is necessary in practical applications, if uncommonly strong ignition sources cannot be excluded.
Im Vortrag werden die für den Betrieb der Erdgasnetze relevanten Kenngrößen des Explosionsschutzes erläutert. Der Einfluss von Wasserstoffeinspeisung auf diese Kenngrößen wird dargestellt und diskutiert. Die Stoffdaten der Erdgas-Wasserstoff-Gemische sind im Rahmen eines von der BG-ETEM geförderten Vorhabens in der BAM gemessen worden. Basis dieser Messungen waren in Europa harmonisierte Normen.
Zudem sind mit Hilfe von numerischen Methoden berechnete explosionsgefährdete Bereiche von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen im Vergleich zum reinen Erdgas betrachtet worden. Der Vortrag gibt weiterhin Hinweise auf Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen auf Gaswarngeräte.
Die BAM ist nahezu über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg wissenschaftlich tätig. Von der sicheren und effizienten Wasserstofferzeugung (POWER-to-GAS), über die (Zwischen-)Speicherung von Wasserstoff in Druckgasspeichern bis hin zum Transport bspw. mittels Trailerfahrzeug zum Endverbraucher.
Komplettiert werden die Aktivitäten der BAM durch die sicherheitstechnische Beurteilung von wasserstoffhaltigen Gasgemischen, die Verträglichkeitsbewertung von Werkstoffen bis hin zur Detektion von Wasserstoffkonzentrationen über geeignete Sensorik, auch mittels ferngesteuerter Messdrohnen (sog. UAV-Drohnen).
Zudem untersucht die BAM proaktiv Schadensrisiken und Unfallszenarien für die Sicherheitsbetrachtung, um mögliche Schwachstellen aufzeigen und potenzielle Gefährdungen erkennen zu können.
Im Vortrag wird eine Übersicht über die Behandlung der Gase im internationalen sicherheitstechnischen Regelwerk gegeben. Insbesondere werden neue Regelungen im GHS im Jahr 2017, z. B. die neue Klassifizierung im Hinblick auf die Entzündbarkeit vorgestellt. Darüber hinaus wird die bei UN-GHS vorgeschlagene Implementierung der "Chemikalien unter Druck" gezeigt.
For evaluation of explosion scenarios in closed systems involving the mildly flammable refrigerants R1234yf, R1234ze and R32 dependent on the ignition energy, ignitions were carried out in a closed autoclave. A newly developed ignition system was used, which allows generating electric arcs with defined energies in a range between 3 J and 1000 J. The lower explosion limit of R32 decreases with increasing ignition energy. R32-explosions can be more severe than explosions involving highly flammable substances.
However, in case of R1234yf and R1234ze, the ignition energy had to be increased to more than 100 J and more than 500 J to detect explosions in the closed system at all, although flame Propagation phenomena can already be observed if these substances are ignited with much weaker ignition sources in open glass tubes. The explosions were very mild with these substances.
The safety characteristics of flammable gases and liquids are required when identifying potentially explosive mixtures and taking appropriate actions concerning explosion protection. Examples are given in this review of the safe handling and evaluation of hazards during the processing, storage, transport, and disposal of flammable liquids and gases. The CHEMSAFE database is presented as a reliable source of safety characteristic data, and ist new open-access version is introduced. CHEMSAFE currently contains assessed properties for about 3000 flammable liquids, gases and mixtures. The lack of a broad experimental foundation in the extensive field of non-atmospheric conditions shows the need for further investigation and standardization. This review summarizes experimental evidence and estimation methods for safety characteristic data under non-atmospheric conditions pointing out current limitations. Suggestions for pre-normative research on safety data under nonatmospheric conditions are given.
Bei neueren Verfahren zur Biogasgewinnung wird zusätzlich Wasserstoff in den Fermenter eingespeist, um den Methananteil im Biogas zu erhöhen. Dieses Verfahren bewirkt neben der CO2-Vermeidung eine Erhöhung des Brennwerts und der Qualität des Biogases. Zudem kann dafür, ähnlich wie bei der Einspeisung von Wasserstoff in das Erdgasnetz, Elektrolysewasserstoff aus Überschüssen von Wind- und Solarstrom verwendet werden (Power-to-Gas). Im Poster werden die sicherheitstechnischen Kenngrößen für den Explosionsschutz bei Prozessgasen dargestellt und diskutiert.
Im Poster werden die wichtigsten sicherheitstechnischen Kenngrößen von Gasen für den Explosionsschutz dargestellt. Es wird gezeigt, wie mit Hilfe von Dreistoff-Diagrammen (Explosionsdiagrammen) die Explosionsgrenzen, die Entzündbarkeit und die Sauerstoffgrenzkonzentration von Gemischen aus Brenn- und Inertgasen bestimmt werden. Weiterhin wird eine Zuordnung der Kenngrößen zu den gebräuchlichen Schutzmaßnahmen vorgenommen.
Der Beitrag behandelt die sicherheitstechnischen Kenngrößen (STK) für Gase und Gasgemische. Es wird gezeigt, wie STK für den Explosionsschutz experimentell ermittelt und bewertet werden. Insbesondere wird auf die Abhängigkeiten der STK von Druck, Temperatur und Art des Inertgases eingegangen. Anhand von sogenannten Explosionsdiagrammen werden Gasgemische bewertet und Berechnungsverfahren für Explosionsgrenzen, Entzündbarkeit und Oxidationspotential vorgestellt.
Der Beitrag gibt eine Einführung in den Explossionsschutz. Neben den Schnittstellen zu benachbarten Gebieten wie Anlagensicherheit und Arbeitsschutz werden die Arten möglicher Explosionen in der Prozessindustrie und die Prinzipien des Explosionsschutzes erläutert. Einige Störfälle der letzten Jahre werden diskutiert.
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.
This publication systematically discusses all combinations of the UN-GHS physical hazard classes and assesses them with regard to the relevance of possible simultaneous assignment to a chemical. 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 publication might serve as an impetus for such discussions.
In der Präsentation werden die aktuellen Änderungen im Globally Harmonized System (GHS) zur Klassifizierung der Gase bezüglich ihrer physikalisch-chemischen Gefahren gezeigt. Die Anbindung an europäisches und nationales Recht wird erläutert. Bei den Gasen und Gasgemischen wird insbesondere auf die neuen Klassifizierungsverfahren für pyrophore Eigenschaften und auf die neue Unterteilung der entzündbaren Gase eingegangen.
The presentation will discuss the difference between EU and US standards for the determination of explosion (flammability) limits and limiting oxygen concentration. Small differences observed in measured values can be traced back to the different test apparatuses and criteria. The discrepancies can be much greater in the case of limiting oxygen concentration because of the high amount of inert gases and the corresponding low laminar burning velocities. The paper describes some examples and the influence of the chosen criteria on the results. The European and US standards use the criteria of flame propagation in open test vessels and of pressure rise in closed ones. The examples discussed show that flame propagation is still possible at very small pressure rise values, as observed much below the pressure rise criterion of usual standards. However, flame propagation in a process plant can cause an accident or explosion and must be avoided. Therefore, the flame propagation criterion is recommended to be used in chemical safety engineering. The European safety database CHEMSAFE contains expertevaluated safety data for cases where the determination method and criteria are known. Flammability characteristics based on the pressure rise criterion may suffice in certain cases, e.g. for explosion protection in closed vessels without any connecting pipes.
Im Vortrag wird die Klassifizierung von Gasen und Gasgemischen nach CLP-Verordnung bei Anwendung der neuen Fassung der ISO/DIS 10156:2016 gezeigt. Dabei werden sowohl experimentelle Bestimmungsverfahren als auch Berechnungsverfahren für die Entzündbarkeit von Gasgemischen erläutert. Die physikalisch-chemischen Grundlagen der Berechnungsverfahren werden diskutiert.
Ausgehend von der Verschiebung wesentlicher rechtlicher Grundlagen zum Explosionsschutz von der Betriebssicherheitsverordnung in die Gefahrstoffverordnung nennt der Beitrag die Maßnahmen des Explosionsschutzes bei Einsätzen der Feuerwehr. Für die häufigen Einsatztypen wird das Explosionsschutzkonzept unter Berücksichtigung der Beladung des aktuellen Gerätewagen Gefahrgutes beschrieben. Es kann als Vorlage für eine individuell für die Feuerwehr zu erstellende Gefährdungsbeurteilung (Explosionsschutzdokument) nach Paragraf 9 Absatz 4 Gefahrstoffverordnung dienen.
In einem von der BG ETEM geförderten Vorhaben wurden sicherheitstechnische Kenngrößen für den Explosionsschutz von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen nach den aktuellen europäischen Normen gemessen. Dabei können für Stoffmengenanteile bis zu 10% Wasserstoff folgende Aussagen getroffen werden: Die unteren Explosionsgrenzen und Sauerstoffgrenzkonzentrationen verändern sich nur wenig. Der Einfluss auf Explosionsdrücke und KG-Werte ist ebenfalls vernachlässigbar. Die Modellgase mit Wasserstoffanteilen von bis zu 10 Mol-% erfüllen weiterhin sicher die Voraussetzung für die Ex-Gruppe IIA. Höhere Wasserstoffanteile (> 30%) können einige Kenngrößen relevant beeinflussen (z. B. OEG, LOC, MESG, KG).
In einem Vorhaben wurden sicherheitstechnische Kenngrößen für den Explosionsschutz von Erdgas-Wasserstoff-Gemischen nach den aktuellen europäischen Normen gemessen. Dabei können für Stoffmengenanteile bis zu 10% Wasserstoff folgende Aussagen getroffen werden:
Die unteren Explosionsgrenzen und Sauerstoffgrenzkonzentrationen verändern sich nur wenig.
Der Einfluss auf Explosionsdrücke und KG-Werte ist ebenfalls vernachlässigbar.
Die Erdgase mit Wasserstoffanteilen von bis zu 10 Mol-% erfüllen weiterhin sicher die Voraussetzung für die Ex-Gruppe IIA.
Höhere Wasserstoffanteile (> 30%) können einige Kenngrößen relevant beeinflussen (z. B. OEG, LOC, MESG, KG).
Berechnungen zeigen nur geringen Einfluss von 10 % H2 auf die Gasausbreitung.
Gaswarngeräte müssen in der Regel neu kalibriert werden.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist wer-den. Im Rahmen dieser Arbeit sind die Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen zum Erdgas im Hin-blick auf den Explosionsschutz untersucht und die sicherheitstechnischen Kenngrößen für Erdgas-Wasserstoff-Gemische bestimmt worden. Von besonderem Interesse waren diejenigen Kenngrößen, die für reines Methan (Erdgas) und Wasserstoff deutliche Unterschiede aufweisen. Anders als bei vielen Literaturquellen, sollten im Rahmen dieser Arbeit die im Bereich der ATEX geltenden, harmo-nisierten Normen zur Bestimmung der Kenngrößen angewendet werden.
Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der un-tersuchten Kenngrößen relevant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die ma-ximalen Explosionsdrücke und die maximalen zeitlichen Druckanstiege bei Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst. Vergleichende Berechnungen zur Festlegung von explosionsgefährdeten Be-reichen (Ex-Zonen) auf Basis von Gasausbreitungsberechnungen ergaben ebenfalls nur geringfüge Unterschiede zum reinen Erdgas. Der Einsatz von Gaswarngeräten, die für Erdgas kalibriert wurden, ist für Erdgas-Wasserstoff-Gemische grundsätzlich möglich, erfordert aber eine gesonderte Sicher-heitsbewertung und ggf. eine Nachjustierung.
Im Vortrag wird auf das aktuelle Regelwerk zur Herstellung von Gasgemischen, die sowohl entzündbare, inerte als auch oxidierende Komponenten enthalten können, eingegangen. Es werden Berechnungsmethoden zur Entzündbarkeit vorgestellt. Sicherheits- und Explosionsschutzmaßnahmen werden diskutiert diskutiert.
Safety characteristics for explosion protection of natural gas/hydrogen mixtures relevant in connection with the Power2Gas technology were studied in this work. Lower explosion limits (LEL) and upper explosion limits (UEL), limiting oxygen concentrations (LOC), maximum experimental safety gaps (MESG), maximum explosion pressures (pmax) and maximum rates of pressure rise (dp/dt)max were determined experimentally in dependence of the hydrogen fraction. Adding hydrogen did mainly effect the UEL, LOC, MESG and (dp/dt)max. The mixtures become more "critical" concerning the explosion hazards with increasing hydrogen fraction. However, the dependency of the safety characteristics from the hydrogen fraction is mainly not linear. Adding up to 10% hydrogen to natural gas had nearly no effect on the safety characteristics. More significant effects on the safety characteristics were observed at hydrogen fractions of more than 25%. For example the explosion group changes from IIA to IIB. Considering the huge explosion region and very high (dp/dt)max of hydrogen compared to natural gas, even adding 50% hydrogen to natural gas has a rather small effect on these characteristics. Furthermore pmax of hydrogen/natural-gas mixtures can be calculated with good accuracy assuming ideal adiabatic conditions. EL and LOC of natural gas/hydrogen mixtures in ternary systems with inert gas and air were calculated in dependence of the type of inert gas with the so called “model of constant adiabatic flame temperature profiles”.
Bei der Power-to-Gas-Technologie wird überschüssiger Strom aus erneuerbaren Energien durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff umgewandelt. Dieser Wasserstoff kann als „chemischer Energiespeicher“ dienen und rückverstromt werden oder aber in das Erdgasnetz eingespeist werden. Die Präsentation befasst sich mit den Auswirkungen von Wasserstoffzusätzen zum Erdgas im Hinblick auf den Explosionsschutz.
Von besonderem Interesse waren diejenigen Kenngrößen, die für reines Methan (Erdgas) und Wasserstoff deutliche Unterschiede aufweisen. Anders als bei vielen Literaturquellen, sollten im Rahmen dieser Untersuchungen ausschließlich die im Bereich der ATEX geltenden, harmonisierten Normen zur Bestimmung der Kenngrößen angewendet werden.
Die Untersuchungen ergaben, dass bei einem Zusatz von bis zu 10 Mol-% Wasserstoff keine der untersuchten Kenngrößen relevant beeinflusst wird. Die Gemische haben nur geringfügig erweiterte Explosionsbereiche und bleiben, wie die reinen Erdgase, in der Explosionsgruppe IIA. Auch die maximalen Explosionsdrücke und die zeitlichen Druckanstiege bei Gasexplosionen werden nur wenig beeinflusst.
Da die Zusammensetzung der Prozessgase bei Wasserstoffeinspeisung in das Netz schwanken kann, ist auf Basis experimenteller Daten ein Modell entwickelt worden, mit dem Explosionsgrenzen von reinem Brenngas und von Brenngas-Inertgas-Gemischen berechnet werden können.
Vergleichende Berechnungen zur Festlegung von explosionsgefährdeten Bereichen (Ex-Zonen) auf Basis von Gasausbreitungsberechnungen ergaben ebenfalls nur geringfüge Unterschiede zum reinen Erdgas.
Der Einsatz von Gaswarngeräten, die für Erdgas kalibriert wurden, ist für Erdgas-Wasserstoff-Gemische grundsätzlich möglich, erfordert aber eine gesonderte Sicherheitsbewertung und ggf. eine Nachjustierung.
The presentation will discuss the difference between EU and US standards for the determination of explosion (flammability) limits and limiting oxygen concentration. Small differences observed in measured values can be traced back to the different test apparatuses and criteria. The discrepancies can be much greater in the case of limiting oxygen concentration because of the high amount of inert gases and the corresponding low laminar burning velocities. The paper describes some examples and the influence of the chosen criteria on the results. The European and US standards use the criteria of flame propagation in open test vessels and of pressure rise in closed ones. The examples discussed show that flame propagation is still possible at very small pressure rise values, as observed much below the pressure rise criterion of usual standards. However, flame propagation in a process plant can cause an accident or explosion and must be avoided. Therefore, the flame propagation criterion is recommended to be used in chemical safety engineering. The European safety database CHEMSAFE contains expert-evaluated safety data for cases where the determination method and criteria are known. Flammability characteristics based on the pressure rise criterion may suffice in certain cases, e.g. for explosion protection in closed vessels without any connecting pipes.
Zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie kann Wasserstoff verwendet werden. Durch Elektrolyse wird mit Hilfe der elektrischen Energie aus Wasser Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff kann dann direkt eingesetzt oder aber in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Hier steht er als Energieträger zur Verfügung.
Die BAM hat für den Explosionsschutz solcher Erdgas-Wasserstoff-Gemische die sicherheitstechnischen Eigenschaften bestimmt. Es zeigte sich, dass bis zu einen Anteil von 10% Wasserstoff im Erdgas sich die sicherheitstechnischen Kenngrößen nur wenig ändern. So verbleibt das Gemisch in der Explosionsgruppe IIa. Die Explosionsgrenzen, der KG-Wert und der max. Explosionsdruck ändern sich nur wenig. Zudem zeigen Berechnungen der explosionsgefährdeten Bereiche bei der Simulation von Leckagen, dass diese Gemische ähnliche Ausbreitungseigenschaften besitzen wie das reine Erdgas.
Zur Speicherung überschüssiger erneuerbarer Energie kann Wasserstoff verwendet werden. Durch Elektrolyse wird mit Hilfe der elektrischen Energie aus Wasser Wasserstoff erzeugt. Dieser Wasserstoff kann dann direkt eingesetzt oder aber in das bestehende Erdgasnetz eingespeist werden. Hier steht er als Energieträger zur Verfügung.
Die BAM hat für den Explosionsschutz solcher Erdgas-Wasserstoff-Gemische die sicherheitstechnischen Eigenschaften bestimmt. Es zeigte sich, dass bis zu einen Anteil von 10% Wasserstoff im Erdgas sich die sicherheitstechnischen Kenngrößen nur wenig ändern. So verbleibt das Gemisch in der Explosionsgruppe IIa. Die Explosionsgrenzen, der KG-Wert und der max. Explosionsdruck ändern sich nur wenig. Zudem zeigen Berechnungen der explosionsgefährdeten Bereiche bei der Simulation von Leckagen, dass diese Gemische ähnliche Ausbreitungseigenschaften besitzen wie das reine Erdgas.
Nach Außerkraftsetzung der Druckbehälterverordnung und der Acetylenverordnung ist zum 01.01.2013 auch eine Reihe wichtiger sicherheitstechnischer Regeln für Gase ausgelaufen. Dazu gehören die Technischen Regeln Druckgase (TRG), die Technischen Regeln Druckbehälter (TRB), die Technischen Regeln Rohrleitungen (TRR) und die Technischen Regeln Acetylen (TRAC). Sie enthielten Beschaffenheitsanforderungen für Druckgeräte und Informationen zu den Gefährdungen beim Umgang mit den Gasen. Ein Teil der in diesen Regeln enthaltenen sicherheitstechnischen Anforderungen sind inzwischen europäisch in den Richtlinien zu ortsbeweglichen (TPED) und ortsfesten Druckgeräten (PED) oder aber in den Verordnungen zum Gefahrguttransport (RID/ADR etc.) bzw. zur Einstufung, Klassifizierung und Kennzeichnung (CLP-Verordnung) geregelt. Die verbliebenen sicherheitstechnischen „Lücken“ des alten Regelwerks wurden nun in drei neuen Technischen Regeln zur Gefahrstoffverordnung bzw. zur Betriebssicherheitsverordnung behandelt. Unter Federführung der BAM sind die TRGS 407, die TRGS 745/TRBS 3145 sowie die TRGS 746/TRBS 3146 von einer Projektgruppe „Gase“ beim BMAS erarbeitet worden. Im Vortrag wird das aktuelle, neu strukturierte sicherheitstechnische Regelwerk für Gase (international, europäisch und national) dargestellt. Insbesondere werden dabei im nationalen Teil die Inhalte der drei neuen Technischen Regeln besprochen.
Die drei technischen Regeln zu Gasen sind ergänzt und grundlegend überarbeitet worden. Die Neufassungen der TRGS 407 "Tätigkeiten mit Gasen - Gefährdungsbeurteilung" und der TRBS 3145/TRGS 745 "Ortsbewegliche Druckgasbehälter - Füllen, Bereithalten, innerbetriebliche Beförderung, Entleeren" sind bereits im Gemeinsamen Ministerialblatt veröffentlicht und können auf der Internetseite der BAuA heruntergeladen werden. Die Neufassung der TRBS 3146/TRGS 746 "Ortsfeste Druckanlagen für Gase" wurde im Ausschuss für Gefahrstoffe und im Ausschuss für Betriebssicherheit verabschiedet und ihre Veröffentlichung wird in den nächsten Wochen erwartet. Aufgabe der neuen technischen Regeln für Gase war es, die Lücken, die durch das Außerkrafttreten des umfangreichen bisherigen Regelwerks für Gase (insbesondere TRG, TRB und TRAC) entstanden waren, mit einem neuen, schlankeren und an der Gefährdung orientierten Regelwerk zu schließen. Die 2013 und 2014 veröffentlichten ersten Fassungen der drei technischen Regeln waren allerdings noch zu vervollständigen. Die bisher noch nicht eingearbeiteten Regelungen zu Acetylen, zu Füllanlagen für ortsfeste Druckanlagen für Gase sowie einige spezifische Regelungen zu Flüssiggas sind nun in die technischen Regeln zu Gasen integriert worden. Außerdem wurde die Überarbeitung genutzt, um Rückmeldungen aus der Praxis, insbesondere zur Aufstellung von ortsbeweglichen Druckgasbehältern, in die Neufassungen einfließen zu lassen. Die umfangreichen Ergänzungen führten dann auch zu einer Neustrukturierung der technischen Regeln, die vor allem der Verbesserung der Anwenderfreundlichkeit dienen soll. Der vorliegende Beitrag stellt die neugefassten Technischen Regeln zu Gasen vor und geht dabei insbesondere auf die aktuellen Ergänzungen und Änderungen ein.
Safety characteristics for explosion protection for mixtures of hydrogen and natural gas were studied in laboratory tests. Also calculations on the explosion zones for mixtures of hydrogen and natural gas were conducted. Moreover calculation methods for the safety characteristics of such mixtures were tested aiming to reduce the high effort for the experimental determination of safety characteristics prospectively. Admixture of up to 10 mole% hydrogen to natural gas has very low influence on safety characteristics for explosion protection. With increasing hydrogen fraction the mixtures become mainly more „critical“ considering explosion protection, an substantial influence on explosion protection occurs for hydrogen fractions of more than 25 mole%.
The hazardous potential of accidental heavy gas releases, especially those involving flammable and toxic gases, is widely known. In order to predict the area in which these gases are in hazardous concentrations, an estimation of the dispersion of these gases must be carried out. While the hazardous area for flammable heavy gases is determined by the lower flammability limit (ca. >1 vol%), the release of toxic heavy gases can result in a much larger hazardous area. Toxic gases, even in very low concentrations (ca. <3,000 ppm), have the potential to be highly damaging. State-of-the-art dispersion models, such as the VDI Guideline 3783, can be used to estimate the dispersion of heavy gases. However, VDI 3783 gives no method for the prediction of the height and width of a heavy gas cloud, which are both required for quantitative risk analysis as well as for a possible coupling of a Lagrangian particle model with the VDI 3783 heavy gas dispersion model. Therefore, further calculation methods were used to describe these dimensions and were evaluated against experimental studies of the length, width, and height of the heavy and neutral gas field. In addition to that the influence of the source height on the heavy gas dispersion was also examined
Many industrial processes are run at non-atmospheric conditions (elevated temperatures and pressures, other oxidizers than air). To judge whether and if yes to what extent explosive gas(vapor)/air mixtures will occur or may be generated during malfunction it is necessary to know the safety characteristic data at the respective conditions. Safety characteristic data like Explosion limits, are depending on pressure, temperature and the oxidizer. Most of the determination methods are standardized for ambient conditions.
In order to obtain determination methods for non-atmospheric conditions, particularly for higher initial pressures, reliable ignition criteria were investigated. Ignition tests at the explosion Limits were carried out for mixtures of methane, propane, n-butane, n-hexane, hydrogen, ammonia and acetone in air at initial pressures up to 20 bar. The tests have been evaluated according to different ignition criteria: visual flame propagation, temperature and pressure rising. It could be shown that flame propagation and occasionally self-sustained combustion for several seconds occurred together with remarkable temperature rise, although the pressure rise was below 3%. The results showed that the combination of a pressure rise criterion of 2% and a temperature rise criterion of 100 K seems to be a suitable ignition criterion for the determination of explosion limits and limiting oxidizer concentration at higher initial pressures and elevated temperatures. The tests were carried out within the framework of a R&D project founded by the German Ministry of Economics and Technology.
Ende 2012 sind die der früheren Druckbehälterverordnung nachgeordneten Technischen Regeln TRG und TRB sowie weitere Technische Regeln zu Gasen, wie die TRAC, außer Kraft getreten. Deshalb wurde 2011 eine neue, dem Ausschuss für Gefahrstoffe (AGS) und dem Ausschuss für Betriebssicherheit (ABS) berichtende Projektgruppe 'Gase' ins Leben gerufen. Ihre Aufgabe ist die umfassende Behandlung von Tätigkeiten mit Gasen im Rahmen des technischen Regelwerks zur Betriebssicherheitsverordnung und zur Gefahrstoffverordnung unter Berücksichtigung der außer Kraft getretenen Technischen Regeln. Als Ergebnis der bisherigen Arbeiten wurden drei neue Technische Regeln zu Gasen verabschiedet: TRGS 407 'Tätigkeiten mit Gasen Gefährdungsbeurteilung', TRBS 3145/TRGS 725 'Ortsbewegliche Druckgasbehälter Füllen, Bereithalten, innerbetriebliche Beförderung, Entleeren' und TRBS 3146/TRGS 726 'Ortsfeste Druckanlagen für Gase'. Die TRGS 407 und die TRBS 3145/TRGS 725 sind bereits im Ministerialblatt veröffentlicht und können von der Internetseite der BAuA heruntergeladen werden. Die TRBS 3146/TRGS 726 ist in den Ausschüssen verabschiedet worden und ihre Veröffentlichung wird in Kürze folgen. Der Beitrag stellt diese neuen Technischen Regeln vor und geht dabei insbesondere auf die Neuerungen im Vergleich zum bisherigen Regelwerk ein.
Nach Außerkrafttreten der Druckbehälterverordnung und einer ganzen Reihe von technischen Regeln zu den Gasen mar es der Auftrag der neu gegründeten Projektgruppe „Gase" von AGS und ABS, die entstandenen Regelungsiücken zu schließen. Dies ist in einem ersten Schritt mit der Erarbeitung von drei neuen technischen Regeln zur Gefahrstoffverordnung und zur Betriebssicherheitsverordnung geschehen. Die drei Technischen Regeln sind bereits im Ministerialblatt veröffentlicht und können von der Internetseite der BAuA heruntergeladen werden. Der vorliegende Beitrag stellt diese neuen Technischen Regeln zu Gasen vor und geht dabei insbesondere auf die Neuerungen im Vergleich zum bisherigen Regelwerk ein. Ein kurzer Ausblick auf weitere geplante Arbeiten wird ebenfalls gegeben.
Validation of the new ignition source 'exploding wire' for dust explosion testing in the 20-L-sphere
(2014)
The safety characteristics Maximum Explosion Pressure pniB, Maximum Explosion Pressure Rise (dp/dt)™* and Lower Explosion Limit LEL are determined in closed vessels such as the 20-L-sphere according to international Standards. Dust ignition is carried out using pyrotechnical igniters which are defined in the Standards. Due to various disadvantages of pyrotechnical igniters the need for alternative ignition sources arises again and again. Studies at the Federal Institute for Material Research and Testing (BAM) with ignition units which were able to generate ignition energies up to 2000 J showed that the so-called “exploding wire” or “fuse wire“ is suitable as an alternative ignition source. The paper presents further test results for the Validation of the exploding wire for the determination of Pm» and (dp/dt)mx in the 20-L-sphere. The tests were performed with a new ignition unit and improved electrodes which allowed ignition energies up to 10000 J. The paper also analyses propagation of flame and electrical arc on basis of high speed camera recordings. Turbulence measurements with a LDA System in the 20-L-sphere allowed investigation whether the activation of the ignition sources has an influence on the turbulence field generated during dust dispersion and whether the influence differs depending on the ignition source.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
"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.
The present article is part of the topic collection "Environmental Protection and Industrial Safety". It covers plant and process safety, focusing on hazardous materials and process conditions.
COMSOL Multiphysics® was used as a tool for the better understanding of the evolution of flow patterns during the induced ignition of gases. A simplified model was developed for the scope, by coupling the weakly compressible Navier Stokes module and the convection and conduction module. The current paper presents the results of the performed simulations.
Zur Bemessung von Druckentlastungseinrichtungen bei Gasexplosionen in Umschließungen existieren derzeitig nur wenige wissenschaftlich fundierte Auslegungskriterien, die die konstruktiven Randbedingungen oder Prozessbedingungen der explosionsgefährdeten Anlagenteile ausreichend berücksichtigen. Aus diesem Grund werden in der Praxis häufig stark konservative Annahmen getroffen, die zu erheblichen Überdimensionierungen der Druckentlastungseinrichtungen führen können.
Aus sicherheitstechnischer Perspektive können gerade diese vermeintlichen Sicherheitsmargen zu einer erheblichen Beschleunigung des transienten Druckverlaufs und damit eher zu einer Unterdimensionierung führen oder sogar den Übergang von Deflagrationen zu Detonationen begünstigen.
Sowohl Messungen als auch erste Simulationen mit Hilfe von CFD-Modellen begründen die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen mit
explosionsgefährdeten Gasanlagen.
Da insbesondere bei turbulenten Verbrennungsvorgängen in den Normen Verbesserungspotential herrscht, wird bei der BAM zukünftig verstärkt dieses Thema in Forschungsarbeiten berücksichtigt.
Heavy gases in large quantities are used worldwide in various industries. Past incidents, such as the liquefied gas disaster in Viareggio (2009) have shown that these materials are difficult to handle in a safe manner. According to the German Hazardous Incident Ordinance (StörfallVO 2000 - 12. BIMSchV), plant operators with extended responsibilities must produce a report in which they verify that , in the event of an unintentional gas release, the surrounding area will not be aversely affected. Essential elements of this report are calculations of both the released mass flow and the gas dispersion. Using models such as the VDI guideline 3783 (state of the art in Germany) plant operators are able to predict the characteristics of likely gas dispersions. The presented experimental investigations were carried out at the BAM better understand heavy gas dispersion with high gas concentrations in the air (≥ 1 Vol.-%), as well as concentrations with approximately neutral density characteristics (≤ 3000ppm) in order to test the accuracy of the VDI guideline. The starting point for experimental trials was the heavy gas releases resulting from pipeline, vessel or standard gas bottle leaks, with mass flows of between 20 and 100 g s-1. Investigations on the gas-phase release process focused on the unsteady mass flow associated with releases from standard gas bottles. The experimental results will be used as comparative parameters for future simulations. The goal of these simulations is to develop a model with which calculation of the unsteady mass flow, based on the material characteristics for any gas, is possible.
The classification of flammable gas mixtures is based on either testing or calculation methods proposed by the revised international standard ISO 10156. This standard is used for classification of physical hazards in Chapters 2.2 and 2.4 of the UN Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS) and in the UN Recommendations on Transport of Dangerous Goods (TDG). The test methods of flammability and oxidizing potential in this standard were developed by BAM. Earlier versions of this standard are not based on triangular diagrams and on the reference combustible substance 'ethane'. The old material characteristics, especially in case of oxidizing potential, are based mostly on practical experience without any quantifiable test results. First time it is possible to compare experimental results from the CHEMSAFE database with the newly developed calculation method. In this paper the basic principles of the calculation methods are presented and the methods are validated by examples. A comparison of experimental flammability data with classification results gained by the calculation methods of ISO 10156 is demonstrated.
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. Such safety margins in venting areas can lead to a critical acceleration of the pressure rise. Finally, a gas explosion at turbulent conditions caused by oversizing of the venting area rather leads to an under-sized system and supports the deflagration to detonation transition (DDT). The present investigation was focused especially on the influence of certain obstacles as well as the effect of the initial pressures on the explosion venting behavior of methane-air-mixtures and of hydrogen-air-mixtures.
Ab Januar 2011 dürfen nach der europäischen Richtlinie 2006/40/EG über Emissionen aus Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen bei neuen EG-Typzulassungen die PKW-Klimaanlagen nur noch Kältemittel enthalten, deren Global Warnung Potential (GWP) kleiner 150 ist. Der vorgeschlagene Ersatzstoff für das bisher verwendete R-134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan, GWP = 1430) ist 2,3,3,3-Tetrafluorpropen (R-1234yf; GWP = 4). Im Gegensatz zu R-134a, das bei Umgebungsbedingungen keinen Explosionsbereich aufweist, kann 2,3,3,3-Tetrafluorpropen bei Umgebungsbedingungen explosionsfähige Gemische mit Luft bilden.
Die Neufassung der DIN EN 378-1, die 2008 in Kraft getreten ist, klassifiziert Kältemittel nach deren Brennbarkeit in drei Kategorien: nicht entzündbar, geringe Brennbarkeit, größere Brennbarkeit.
International ist eine analoge Klassifizierung für Kältemittel in der ISO 817:2005 zu finden. Gase geringer Brennbarkeit' und Flüssigkeiten die keinen Flammpunkt nach Norm aufweisen, aber einen Explosionsbereich in Luft haben, werden zur Gruppe der so genannten schwer entzündbaren Gase und Dämpfe(Flüssigkeiten) zusammengefasst.
Solche Gase werden unter anderem häufig als Kältemittel in Wärmepumpen und Klimaanlagen eingesetzt und werden daher in beträchtlichen Mengen in Verkehr gebracht.