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Einfluss von Inertgasen auf die sicherheitstechnischen Kennzahlen von Ethanol/Luft-Gemischen in geschlossenen Behältern

20.11.2018

In dieser Arbeit wurde der Einfluss der Verdünnung von Luft durch Inertgase auf die sicherheitstechnischen Kennzahlen von Ethanol/Luft-Gemischen untersucht. Die betrachteten Kennzahlen sind Explosionsdruck, maximale Druckanstiegsrate, Explosionsverzugszeit und Verbrennungsgeschwindigkeit. Sie sind insbesondere für die Auslegung konstruktiver Explosionsschutzmaßnahmen wie druckfeste Bauweise oder Druckentlastungsklappen von großer Bedeutung.

Die Versuche erfolgten in einem druckfesten 20 l-Kugelautoklaven bei 100°C bei Aus-gangsdrücken zwischen 0,25 bar und 1 bar. Es wurden Volumenanteile von Ethanol im Dampf-Luft-Gemisch zwischen 3,5 Vol% und 20 Vol% untersucht und der Inertgasanteil wurde zwischen 0 Vol% und 20 Vol% variiert. Neben den klassischen Inertgasen Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid wurde auch den Einfluss von "Abgas" auf das Explosionsverhalten untersucht. Hierbei handelte es sich um ein Gasgemisch, das bei einem vorhergehenden Versuch entstand, und im Sinne dieser Untersuchung nicht vollständig aus den Reaktionsgefäß entfernt wurde.

Es zeigte sich, dass unabhängig vom Inertgasanteil der maximale Explosionsdruck immer beim stöchiometrischen Ethanol/Luft-Verhältnis von 0,075 liegt. Außerdem ist der Explosionsdruck nur wenig von der Menge des zugesetzten Inertgases abhängig, solange man den unterstöchiometrischen Teil der Kurve betrachtet und die Ethanolkonzentration auf das gesamte Gemisch bezieht. Im überstöchiometrischen Bereich der Kurve ist die Wirksamkeit des Inertgases wesentlich ausgeprägter. Im untersuchten Konzentrationsbereich der Inertgase ergeben sich lineare Abhängigkeiten zwischen maximalem Explosionsdruck und der Menge des zugesetzten Inertgases. Ähnliche Ergebnisse wurden auch für die übrigen untersuchten Explosionsparameter gefunden.

Gafik Explosionsdruck in Abhängigkeit des Gasgemisches

Die Wirksamkeit der unterschiedlichen Inertgase kann miteinander verglichen werden. Im Falle der Druckanstiegsgeschwindigkeit ergibt sich folgendes Bild: Die Wirksamkeit der Inertgase nimmt bei gleichem Volumenanteil in folgender Reihenfolge zu: Stickstoff < Abgas < Wasser < Kohlendioxid. Diese Reihenfolge ist unabhängig von der untersuchten Kennzahl sowie von dem Volumenanteil Inertgas- und Ethanol. (Maria Mitu, Elisabeth Brandes, Werner Hirsch; Mitigation effects of the explosion safety characteristic data of ethanol/air mixtures in closed vessel, Process Safety and Environmental Protection, 117 (2018), 190-199)

Abbildung: Wirksamkeit der untersuchten Inertgase auf die Druckanstiegsrate der Explosion