Experimental determination and modeling of the safety related properties of the Tetrafluoroethylene decomposition

In Anlagen zur Herstellung und Polymerisation von Tetraflourethen (TFE) kommt es wegen der hohen Reaktivität und der Zerfallsfähigkeit des Gases weltweit immer wieder zu Schadensfällen. Besondere Bedeutung kommt dabei Selbstentzündungsprozessen durch Dimerisation und Polymerisation zu. In dieser Arbeit sind Vorschläge für die Nomenklatur von sicherheitstechnischen Kenngrößen (STK) von zerfallsfähigen Gasen gemacht worden, um diese von den STK brennbarer Gase deutlich abgrenzen zu können. Es werden verschiedene Versuchsaufbauten präsentiert, mit deren Hilfe sich verschiedene STK für zerfallsfähige Gase bei erhöhten Bedingungen von Temperatur und Druck bestimmen lassen, wie etwa die Mindestzündtemperatur für den Zerfall (MITD1) und der Explosionsdruck für den Zerfall (Pex,D). Diese Verfahren gehen weit über das seit 2010 existierende einfache Prüfverfahren auf die Eigenschaft chemisch instabil des Global Harmonisierten Systems zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien (GHS) hinaus. Die MITD ist dabei die STK mit der höchsten sicherheitstechnischen Relevanz beim industriellen Umgang mit TFE. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die MITD für vollständig beheizte Geometrien als auch für ein teilweise beheiztes Rohr bestimmt. Über den Ansatz von Semenov wurde die Druck- und Volumenabhängigkeit der MITD beschrieben. Zudem wurde erstmals ein komplexes Reaktionsschema zur Beschreibung der reaktiven Selbsterwärmung von TFE mithilfe einer Finite-Elemente-Methode (FEM) in ein numerisches CFD2–Modell integriert. Die Simulationsergebnisse wurden mit den experimentell bestimmten Werten der MITD in einen Druckbereich von 5 bar bis 20 bar für zwei Volumina von 0,2 dm³ und 3 dm³ validiert. Hier zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung. Eine weitere potentielle Zündquelle für den explosionsartigen Zerfall von TFE stellt die Erwärmung durch adiabatische Kompression im Anlagenbetrieb dar. Mit einem weiteren CFD-Modell ist es gelungen, die adiabatische Kompression von TFE in Verbindung mit anderen Gasen, wie etwa Luft und Stickstoff, zu simulieren. Die numerischen Berechnungen wurden mit umfangreichen Versuchsergebnissen validiert. Die dabei erzielten Ergebnisse zeigen eine deutlich bessere Eignung zur Vorhersage der Selbsterwärmung im Vergleich zu rein thermodynamischen Berechnungen. Die CFD-Modellierung ermöglicht nicht nur eine zeitliche sondern auch räumliche Auflösung der relevanten Größen, wie Temperatur, Druck als auch der Konzentration. Dadurch konnten neue Erkenntnisse über die notwendigen Kriterien für eine Zündung durch die adiabatische Kompression gewonnen werden. Beide CFD – Modelle stellen somit zusätzliche Werkzeuge zur sicherheitstechnischen Beurteilung von TFE-führenden Anlagenteilen dar.In production facilities for Tetrafluoroethylene (TFE) all over the world incidents occur repeatedly due to the high reactivity and the chemical instability of the gas. Here the selfignition processes caused by dimerization and polymerization are of particular importance. Within this work several suggestions for the nomenclature of safety related properties (STK) of chemically instable gases are presented in order to clearly distinguish them from the STK of flammable gases. Various setups are presented for the determination of different STK at elevated temperature and pressure, such as the minimum ignition temperature for decomposition (MITD) and the explosion pressure of the decomposition (Pex,D). These methods go far beyond the rather simple test method for the determination of the property “chemically unstable” of the Globally Harmonized System of Classification, Labeling and Packaging of Chemicals (GHS) which exists since 2010. The MITD represents the STK with the highest safety related relevance regarding the industrial use of TFE. In the context of this work the MITD was determined for fully heated geometries as well as for partially heated pipe. According to the theory of Semenov the pressure and volume dependency of the MITD is presented. Moreover a complex reaction scheme has been integrated in a numerical CFD-model to describe the reactive self-heating process of TFE using a finite-element-method (FEM) for the first time. The modeling results are validated by experimental data of the MITD within a pressure range from 5 bar to 20 bar, determined in two volumes of 0.2 dm³ and 3 dm³. Here a very good correlation could be found. Another potential ignition source for an explosive decomposition of TFE in plants is the adiabatic compression. Using a second CFD-model, the adiabatic compression of TFE in combination with other gases as air and nitrogen could be simulated and was validated by substantial experimental data. The hereby gained numerical results seem to be more suitable to predict the self-heating than a mere thermodynamic approach. The CFD-model provides not only the timely but also the spatial resolution of the relevant variables such as temperature, pressure and concentration. Thus new findings regarding the necessary criteria for an ignition caused by an adiabatic compression could be obtained. Both CFD-models of this work present additional tools for the safety related evaluation of plants containing TFE