Ermittlung thermischer Sicherheitsabstände für Feuerbälle organischer Peroxide : experimentelle Untersuchungen und CFD-Simulationen

Abstract

Ziel der Arbeit ist die Bestimmung thermischer Sicherheitsabstände für Feuerbälle organischer Peroxide. Hierfür werden Feuerbälle flüssiger organischer Peroxide (OP) über Groß- und Kleinversuchsanordnungen erzeugt, vermessen und für weiterführende Sicherheitsbetrachtungen untersucht. Über den Wärmeeintrag variabler Schadenfeuer auf mit Di-tert-butylperoxid (DTBP) befüllte Stahlfässer können Feuerbälle mit Brennstoffmassen (𝑀) von 10 kg bis 168 kg charakterisiert werden. Die ermittelten Eigenschaften führen zu neuen semi-empirischen Bewertungsansätzen für die Feuerballberechnung basierend auf Modellen flüssiger Kohlenwasserstoffe. Der Durchmesser eines DTBP-Feuerballs ist bei maximaler Strahlungsleistung nach neuem Modell mit 𝐷 = 5.06 ·𝑀0.325 rund 18 % kleiner, die gesamte Brenndauer mit 𝑡 = 0.80 ·𝑀0.340 hingegen 95 % länger als bei flüssigen Kohlenwasserstoffen. Für die Feuerballhöhe verändert sich der Berechnungsansatz zu 𝐻 = 0.90 ·𝐷. Der Erwartungswert der oberflächengemittelten spezifischen Ausstrahlung (SEP) eines DTBP-Feuerballs beträgt 248 kW/m2. Unter Verwendung der experimentellen Modelle werden Berechnungsansätze zur konservativen Strahlungsbewertung vorgestellt. Für die Annahme einer normalverteilten SEP wird das 90 % - Perzentil mit 335 kW/m2 vorgeschlagen. Unter Berücksichtigung der Feuerballentwicklung sind zeitgemittelte Aussagen möglich: 𝐷 = 4.38 ·𝑀0.325, 𝐻 = 1.23 ·𝐷 und 𝑆𝐸𝑃 = 167 kW/m2 (oder 90 % - Perzentil mit 213 kW/m2). Für eine Gefahrenbewertung nach der integralen Strahlungsdosis werden die gemittelten Größen über eine Sinus-Modellfunktion in eine zeitabhängige Form überführt. Mit Hilfe der neuen Modelle ist eine thermische Sicherheitsbetrachtung von DTBP-Feuerbällen nun sowohl nach maximaler kurzzeitig auftretender Bestrahlungsstärke als auch über die auftretende Strahlungsdosis mit entsprechenden Grenzwerten möglich. Die signifikanten Unterschiede zwischen OP- und Kohlenwasserstoff-Feuerbällen werden zusätzlich auch anhand kleinskaliger Versuche mit DTBP und n-Heptan im Massenbereich von 2.4 kg bis 10.7 kg deutlich. Die Entstehung großer Kohlenwasserstoff-Feuerbälle basiert demnach meist auf einer BLEVE-Wirkung, weshalb der Durchmesser höher, und die Brenndauer aufgrund der großen Oberfläche kleiner ist. DTBP-Feuerbälle entstehen bei Umgebungsdruck aus ihrer explosionsartigen Selbstzersetzung heraus. Neben der experimentellen Arbeit werden mittels CFD-Berechnung DTBP-Feuerbälle von 10 kg bis 160 kg für die Großversuche, sowie von 2.4 kg bis 10.7 kg von DTBP und n-Heptan für die Kleinversuche simuliert. Die Reaktionsmodellierung mittels der Laminar Flamelet Methode erweist sich zusammen mit der URANS-Turbulenzmodellierung im Gegensatz zum Eddy Dissipation Modell als vielversprechend. Zwar ist die Vorhersage der Feuerballhöhen insgesamt unzureichend, doch Durchmesser, Brenndauer, SEP sowie die Unterschiede zwischen n-Heptan und DTBP werden durch die Simulation angemessen wiedergegeben. Ein kurzer Exkurs zum kostenlosen fireFoam-Löser mit LES-Turbulenzmodellierung bringt keine entscheidende Verbesserung hinsichtlich der Feuerballhöhe. Für eine Optimierung der Ergebnisse wird zukünftig eine Mehrphasensimulation vorgeschlagen. Alle Erkenntnisse sprechen nach Ansicht des Autors für eine Modifizierung der Lagerrichtlinien der DGUV ’Vorschrift 13’ für die OP-Gefahrgruppe Ia bei Metallfässern. So sollten aufgrund der durch die explosionsartige Zersetzung auftretenden Druck- bzw. Stoßwelle Mindestabstände von 30 m eingehalten werden und Betriebsgebäude in Wirkungsrichtung ohne Glasflächen auskommen. Für die Berechnung der thermischen Sicherheitsabstände in Abhängigkeit der korrigierten Abbrandrate 𝐴𝐾 wird ein variabler Faktor von 1.5 für 𝐴𝐾 = 300 kg/min bis zu 1 bei 𝐴𝐾 = 1200 kg/min vorgeschlagen.

The aim of this study is the determination of thermal safety distances of fireballs from organic peroxides. For this purpose organic peroxide (OP) fireballs were created and characterized by several small and large scale tests. In different tests, steel drums filled with 200 litres of Di-tert-butylperoxide (DTBP) are exposed to varying external fires leading to the formation of fireballs with fuel masses (𝑀) from 10 kg to 168 kg. The evaluated fireball characteristics lead to new semi-empirical evaluation models based on those of liquid hydrocarbons. Hence, the diameter of a DTBP-fireball at its maximum radiative power with 𝐷 = 5.06 ·𝑀0.325 is 18 % smaller, the duration with 𝑡 = 0.80 ·𝑀0.340 is 95 % longer. A modified approach for the fireballs height is 𝐻 = 0.90 ·𝐷. The conditional mean of the specific radiative emission (SEP) is 248 kW/m2. To ensure a conservative evaluation of radiation, the use of the percentile P90 SEP-value of the assumed gaussian distribution, 335 kW/m2, is proposed. Taking the whole fireball lifetime into account, the characteristics are also presented in their time-averaged formulation with 𝐷 = 4.38 ·𝑀0.325, 𝐻 = 1.23 ·𝐷 and 𝑆𝐸𝑃 = 167 kW/m2 (or P90-value: 213 kW/m2). To consider the thermal radiation dose, the time-averaged values are converted by a time-dependent sinus function. With all these methods, thermal safety distances can be evaluated using both, a maximum irrandiance and a thermal dose criterion. The significant differences of OP- and hydrocarbon fireballs are additionally emphasized by small scale tests using DTBP and n-heptane with masses ranging from 2.4 kg to 10.7 kg. The development of large hydrocarbon fireballs are usually based on BLEVE effects, leading to larger diameters and short burning times. DTBP fireballs are formed under atmospheric conditions through their explosive self-decomposition. Beside the experimental work, CFD-simulations for large DTBP fireballs (10 kg to 160 kg) and for small scale DTBP and n-heptane fireballs (2.4 kg to 10.7 kg) are performed. The reaction modelling using the Laminar Flamelet approach with URANS turbulence leads to the most promising results. Simulations using the Eddy Dissipation reaction Model performed less satisfactorily. Fireball diameters, durations, SEP and the differences between DTBP and n-heptane are successfully reproduced by means of CFD. Only the height is always overpredicted by using a single gas phase release. An additional approach with the LES-based solver fireFoam was not able to improve the results. For a real improvement in further investigantions the use of multiphase fuel release is proposed. Using all new facts, a possible modification of the german storage regulation DGUV ’Vorschrift 13’ for OP metal drums of the Gefahrgruppe Ia is proposed. Taking the shock/pressure wave of the explosive decomposition into account, minimum safety distances of 30 m are mandatory. Additionally, manufacturing buildings in impact direction should prevent windowed areas. Moreover, a linear factor for the calculation of the thermal safety distances, 1.5 for a burning rate of 300 kg/min and 1 for 1200 kg/min, is proposed to account for the high thermal radiation of OP fireballs.