| Influence of Obstacles on Surface Explosions |
Schlüsselwörter:
Oberflächenexplosion; Explosion; Detonation; Deflagration; Flüssigkeitsoberfläche; Sicherheitstechnik
surface explosion; detonation; deflagration; heterogeneous system; safety technology
Sachgruppe der DNBAbstract
In order to optimise oxidation processes in the process industries recent development tend to replace air by pure oxygen and to raise the process pressure. Hereby extended hazard assessments become necessary. Previous investigations of systems consisting of a smooth resting combustible liquid below a gas phase of oxygen at elevated pressure showed that in such systems not only deflagrative reactions occur but also detonative reactions, the so called surface detonations. Up to now in these experiments it was mainly investigated under which initial conditions surface detonations are possible.
In the frame of the present work the processes in a heterogeneous system consisting of toluene and oxygen were investigated systematically. Thereby a differentiation of the whole combustion reaction in four stadia was established. These stadia are an ignition, a stadium of burning, a surface deflagration, and a surface detonation. With experiments in a 50 l spherical autoclave it could be proven that the mechanisms of such surface explosions differ essentially from the processes in explosions in a homogeneous system. Furthermore it could be shown, that in contrast to previous assumptions surface detonations can occur in the whole area of initial pressures investigated.
A further aim of the present work was to find out if it is possible to establish a safety concept to avoid surface detonations by simple mechanical obstacles. This has to be answered in the negative by the results of the present work. However the test series with different obstacles yielded further information about the mechanisms of surface explosions. This information led to the formulation of a new hypothesis. This hypothesis discusses the influence of the energy transfer from the flame into the liquid leading to a self accelerating process.
Um Oxidationsprozesse in der chemischen Industrie zu optimieren, wird verstärkt versucht, Luftsauerstoff durch reinen Sauerstoff zu ersetzen und den Prozessdruck zu erhöhen. Dadurch werden weitergehende sicherheitstechnische Betrachtungen notwendig. Bisherige Untersuchungen an Systemen bestehend aus einer glatten, ruhenden brennbaren Flüssigkeit unter einer Gasphase aus reinem Sauerstoff bei erhöhtem Anfangsdruck zeigten, dass in solchen Systemen nicht nur deflagrativ verlaufende Reaktionen, sondern auch detonative Reaktionen, sogenannte Oberflächendetonationen, auftreten. Bis dato wurde bei diesen Versuchsreihen hauptsächlich untersucht, unter welchen Anfangsbedingungen Oberflächendetonationen auftreten.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Vorgänge in einem heterogenen System, bestehend aus Toluol und Sauerstoff, systematisch untersucht. Dabei wurde eine Einteilung der gesamten Verbrennungsreaktion in unterschiedliche Stadien vorgenommen. Diese Stadien sind die Zündung, der Abbrand, die Oberflächendeflagration und die Oberflächendetonation. Mit Experimenten in einem 50 l Kugelautoklav konnte nachgewiesen werden, dass sich die Mechanismen bei einer solchen Oberflächenexplosion grundlegend von den Abläufen bei Explosionen in einem homogenen System unterscheiden. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass Oberflächendetonationen im Gegensatz zu bisherigen Vermutungen über den gesamten untersuchten Druckbereich auftreten können.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Arbeit war eine Untersuchung, ob mit einfachen, mechanischen Hindernissen ein sicherheitstechnisches Konzept zur Vermeidung von Oberflächendetonationen möglich ist. Dies muss nach den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit verneint werden. Die Versuchsreihen mit unterschiedlichen Hindernissen erbrachten jedoch weitere Informationen über die Mechanismen von Oberflächenexplosionen. Diese Informationen führten zur Formulierung einer neuen Hypothese. Diese Hypothese diskutiert den Einfluss des Energieeintrags von der Flamme in die Flüssigkeit und einen sich daraus ergebenden selbstbeschleunigenden Prozessverlauf.
| Betreuer | Steinbach, Jörg; Prof. Dr.-Ing. |
| Gutachter | Steinbach, Jörg; Prof. Dr.-Ing. |
| Gutachter | Plewinsky, Bodo; Priv.-Doz. Dr. rer. nat. |
| Upload: | 2001-06-29 |
| URL of Theses: | http://edocs.tu-berlin.de/diss/2001/hofmann_martin.pdf |