Experimental determination and calculation of safety characteristics of gas mixtures containing ethylene oxide

In dieser Arbeit werden sicherheitstechnische Kenngrößen ethylenoxidhaltiger Gasgemische systematisch in Abhängigkeit verschiedener Einflussgrößen, mit einheitlichen Bestimmungsmethoden und auch bei höheren Betriebsbedingungen untersucht und Methoden für die Berechnung der in dieser Arbeit ermittelten Kenngrößen entwickelt bzw. weiterentwickelt. Durch die Bestimmung der Explosionsbereiche ternärer Gemische aus Ethylenoxid, einem Inertgas und Luft und der Stabilitätsgrenzkonzentrationen binärer Gemische aus Ethylenoxid und einem Inertgas wird zunächst ausführlich untersucht, in welchen Stoffmengenverhältnissen ethylenoxidhaltige Gemische überhaupt explosionsfähig sind. Die Kenntnis dieser Kenngrößen ist zur Ableitung sogenannter primärer Explosionsschutzmaßnahmen zur Vermeidung explosionsfähiger Gemische, z.B. durch Inertisierung, erforderlich. Insbesondere werden die Einflüsse von Ausgangstemperatur und Ausgangsdruck auf die Explosionsgrenzen systematisch untersucht. Dabei werden vor allem auch die praxisrelevanten höheren Betriebsdrücke berücksichtigt. Gerade für Explosionsgrenzen im Bereich der Zerfallsreaktion kann ein enormer Einfluss des Drucks festgestellt werden. Für die Berechnung der Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid wird das halbempirische Modell der konstanten Flammentemperaturen weiterentwickelt. Die Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid werden unter der modifizierten Annahme, dass das Profil der berechneten Flammentemperaturen entlang der Explosionsgrenzkurve für verschiedene Systeme unabhängig von Ausgangsdruck, Ausgangstemperatur und Art des Inertgases konstant ist, rechnerisch bestimmt. Dazu wird ein spezielles Rechenprogramm entwickelt, dass die Berechnung der Explosionsgrenzen für ein beliebiges Gemisch aus Brenngas, Inertgas und Luft bei beliebiger Ausgangstemperatur und beliebigem Ausgangsdruck ermöglicht, wenn der gesamte Explosionsbereich für ein einzelnes System aus Brenngas, Inertgas und Luft bekannt ist. Die Explosionsgrenzen und Stabilitätsgrenzkonzentrationen von Ethylenoxid können mit diesem Rechenprogramm mit einer durchschnittlichen Abweichung von weniger als 2 Mol-% berechnet werden. Durch die Bestimmung von Zündtemperaturen für den Zerfall von Ethylenoxid und von definierten Gemischen aus Ethylenoxid und einem Inertgas wird schließlich untersucht, bei welchen Temperaturen ein explosionsartiger Zerfall von Ethylenoxid durch eine heiße Oberfläche in einem geschlossenen System initiiert werden kann. Die Abhängigkeit vom Druck, vom Behältervolumen und vom Stoffmengenanteil an EO werden bei den Untersuchungen berücksichtigt. Anders als die nach standardisierten Verfahren bestimmte Zündtemperatur von Gasen, die in offenen Systemen und ausschließlich für Gemische mit Luft ermittelt wird, kann durch die Bestimmung der bisher nicht standardisierten Zündtemperatur für den Zerfall festgestellt werden, bei welcher Oberflächentemperatur es innerhalb eines geschlossenen Systems bei höheren Drücken und in Abwesenheit von Luft zu einem explosionsartigen Zerfall von chemisch instabilen Gasen kommen kann. Es zeigt sich, dass die Zündtemperatur des Zerfalls von Ethylenoxid bei höheren Drücken auch niedriger sein kann als die nach den Standardverfahren für offene Systeme bestimmte Zündtemperatur von Ethylenoxid. Außerdem zeigt sich, dass der Einfluss von Inertgasen auf die Zündtemperatur für den Zerfall von Ethylenoxid stark von der Art des Inertgases abhängig ist. Die Zündtemperaturen für den Zerfall von Ethylenoxid werden mit verschiedenen Modellen mit unterschiedlichem Grad an Vereinfachungen berechnet. Dabei wird rechnerisch die Wandtemperatur bestimmt, bei der es zu einem thermischen Durchgehen der Reaktion („Runaway“) kommt. Es zeigt sich, dass hinsichtlich der Genauigkeit und des Rechenaufwands eine transiente 0-dimensionale numerische Simulation besonders gut für die rechnerische Bestimmung der Zündtemperatur für den Zerfall von Ethylenoxid in Abhängigkeit des Drucks und des Behältervolumens geeignet ist. Temperaturgradienten innerhalb des Behälters werden bei diesem Modell vernachlässigt und die Wärmeabfuhr wird ausschließlich durch die Temperaturdifferenz zwischen Wand und Reaktionsmasse, die Wärmeaustauschfläche und den inneren Wärmeübergangskoeffizienten bestimmt, der nach einem empirischen Ansatz für den Wärmeübergang an senkrechten Platten bei natürlicher Konvektion berechnet wird. Die Berücksichtigung von lokalen Abhängigkeiten innerhalb des Behälters durch ein 2-dimensionales Modell bringt trotz höheren Rechenaufwands keine weiteren ersichtlichen Vorteile.In this work safety characteristics of gas mixtures containing ethylene oxide are determined systematically in dependence of different parameters at elevated operating conditions and methods for calculation of these characteristics are developed further. By determining explosion regions of ternary mixtures containing ethylene oxide, inert gas and air and decomposition limits of binary ethylene oxide/inert gas mixtures flammable concentration ratios of gas mixtures containing ethylene oxide are identified at first. Acquirement of these safety characteristics is necessary for explosion prevention by inertisation. Especially the influence of initial temperature and initial pressure on explosion limits and decomposition limits is determined systematically. An enormous influence of the pressure can be found on explosion limits in the domain of the decomposition reaction. The semi empirical model of constant adiabatic flame temperatures is modified for an appropriate calculation of explosion limits and decomposition limits of ethylene oxide. They are calculated assuming that the temperature profile along the explosion region boundary curve is constant independent of initial temperature, initial pressure and type of inert gas. Based on this advanced model of constant adiabatic flame temperature profiles, a computer program is developed allowing the calculation of the explosion region for a system with any initial pressure, initial temperature and type of inert gas, if the explosion region of a single reference system is known. Determining minimum ignition temperatures of decomposition of pure ethylene oxide and ethylene oxide/inert gas mixtures the minimum temperature of a hot surface initiating an explosive decomposition of EO in a closed system is identified in dependence of initial pressure, vessel volume and EO-fraction. Contrary to the minimum ignition temperature determined according to DIN EN 14522 at atmospheric pressure, the minimum ignition temperature of decomposition determined in this work considers mixtures without air and at non atmospheric pressures. It is found that the minimum ignition temperature of decomposition of EO determined in a closed system at elevated initial pressures is even lower than the minimum ignition temperature determined in an open system according to DIN EN 14522. The influence of inert gases on the minimum ignition temperature of decomposition is strongly dependent on the type of inert gas used. The minimum ignition temperature of decomposition of ethylene oxide is calculated by finding the minimum wall temperature that causes a thermal “runaway”. Different models were used for this purpose. It can be shown that especially a zero-dimensional numerical simulation of the time-dependent pressure is appropriate concerning accuracy and complexity. Temperature gradients inside the vessel are neglected in this model. Heat loss is mainly determined by an overall heat transfer coefficient that is calculated with a correlation for free convection at vertical plates. A 2-dimensional model that considers local dependencies is much more complex but without greater benefit regarding the results