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FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WI RTSCHAFTS- UND VE RKE H RSMI NISTE RI UMS
NORDRH EIN-WESTFALE N
Herausgegeben von Staatssekretär Prof. Dr. h. c. leo Brandt
Nr.383
Dr. phil. habil. PaulHölemann
Ing. Rolf Hasselmann
Forschungsstelle für Azetyfen, Dortmund und Düsseldorf
Verlauf von Azetylenexplosionen in Rohren bei Gegenwart
von porösen Massen
Als Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-03239-7 ISBN 978-3-663-04428-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04428-4
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
.
A. Einleitung · · · · · s. 5
B. Bericht S. 8
I. Experimentelles · · · · · · S. 8
.
Ir. Ergebnisse der Messungen · · · · · · · · · S. 11
l. Mechanische Zermahlung S. 11
2. Chemischer Umsatz · S. 18
a) Versuche im leeren Rohr · · · · · · · · · S. 18
b) Versuche bei Gegenwart von Massen S. 22
3. Druckmessungen S. 26
a) Versuche im leeren Rohr S. 26
b) Versuche im Rohr bei Gegenwart von Sand · · · · · S. 32
c) Versuche im Rohr bei Gegenwart
.
.
anderer Massen · · · · · · · · S. 42
4. Temperaturmessungen · · · · · s. 49
C. Zusammenfassung · · · · · · · · · · · · · s. 53
.
D. Literaturverzeichnis . · · · · · · · s. 55
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
A. Ein lei tun g
Von der Tatsache, daß sich Explosionen in engen Räumen nicht oder nur
sehr schwer fortpflanzen können, macht man bei der Handhabung von kom
primiertem Acetylen in doppelter Weise Gebrauch. Zur Speicherung dieses,
auch in reinem Zustand recht leicht, evtl. unter Ausbildung von Explosi
onen zersetzlichen Gases werden Stahlflaschen verwendet, die mit einer
porösen Masse gefüllt sind. Diese Masse hat dabei nicht nur den Zweck,
das Aceton aufzusaugen, welches sich ebenfalls in der Flasche oefindet,
sondern soll vor allem auftretende ßxplosionsstöße auffangen und die Aus
breitung einer lokal eingeleiteten Zersetzung verhindern.
Während für den ersten Zweck eine leichte, möglichst hochporöse Masse
vorteilhaft ist, erfordert die zweite Funktion eine genügende Festigkeit
der Masse, einmal damit sie auftretenden Explosionsstößen auch mechanisch
gewachsen ist, und weiter damit nicht durch die während des Betriebes
unvermeidlich rauhe Behandlung der Flaschen die Masse zerstoßen wird und
sich mit der Zeit absetzen kann. Dadurch würden in der Flasche größere
Hohlräume gebildet, in denen eine explosible Zersetzung des Acetylens
so heftige Formen annehmen kann, daß die Masse ihr Fortschreiten nicht
mehr aufzuhalten vermag. Die Erhöhung der Festigkeit einer Masse erfor
dert auf der anderen Seite, daß die Wände zwischen den Poren genügende
Stärke besitzen. Dadurch wird aber im allgemeinen einer Steigerung der
Porosität eine gewisse obere Grenze gesetzt.
Aber nicht nur zur Füllung von Acetylenflaschen werden poröse Materia
lien benutzt, sondern es gibt auch eine Reihe von Vorschlägen, z.B. in
Rohrleitungen oder am Kopf von Acetylenflaschen Sicherheitspatronen an
zubringen (1), die mit porösen Stoffen gefüllt sind. Dazu wird in diesem
Falle vor allem Sa~d verwendet. Auch eingebaute Formstücke aus Sinter
metall wirken sich gleichartig aus. Diese Sicherheitspatronen sollen
verhindern, daß eine, in einem Teil der Apparatur auftretende explosible
Zersetzung sich durch das ganze System hindurch fortpflanzen kann. Hier
bei beruht die Wirkung der porösen Materialien wieder darauf, daß in den
engen Hohlräumen zwischen den einzelnen Körnern die Explosion durch die
intensive Wärmeableitung aufgehalten wird.
Obgleich eine große Zahl von verschiedenartigen Massen für Flaschen bis
her vorgeschlagen worden sind, liegen in der Literatur keinerlei Angaben
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
darüber vor, welche Faktoren sich in sicherheitstechnischer Hinsicht als
besonders günstig erweisen und welchen Ansprüchen eine solche Masse im
einzelnen gewachsen sein muß. Auf der anderen Seite erscheint es zur
Weiterentwicklung der poröseL Masse aber sehr wichtig, eine gewisse Ent
scheidung darüber fällen zu können, welche Bestandteile sich als günstig
bzw. als ungünstig erweisen werden. Aus diesem Grunde wurden die im fol
genden beschriebenen Versuchsserien an einer Reihe von Materialien aus
geführt, die teils zur Füllung von Sicherheitspatronen, teils als Grund
stoffe für poröse Massen in den Flaschen in Frage kommen. Es konnte sich
dabei zunächst nur um grundlegende Versuche handeln, um überhaupt einen
Einblick in den Mechanismus und die Auswirkung des Vorganges zu erhalten,
der durch das Auftreffen einer explosiblen Acetylenzersetzung auf eine
solche Masse ausgelöst wird. Dabei wurden in erster Linie auch wieder
nur reine Substanzen verwendet, da das Verhalten von Gemischen solcher
Stoffe sicher wesentlich komplizierter ist.
Bei der Behandlung dieser FrageL sind die verschiedenartigsten Effekte
zu betrachten. Zunächst ergibt sich beim Auftreffen des Explosionsschla
ges auf die Masse eine rein mechanische Einwirkung, die dazu führt, daß
die Masse mehr oder weniger stark zertrümmert und zusammengestaucht
wird. Über Beobachtungen dieser Art an Kieselgel wurde unter anderem
schon in einer früheren Veröffentlichung kurz berichtet (2). Je nach der
Art des Materials dringt diese mechanische Wirkung bis zu verschiedenen
Tiefen in die Masse ein.
Parallel dazu findet durch das Auftreffen der heißen Zersetzungsgase auf
die Masseoberfläche eine Zersetzung des in den Zwischenräumen befindli
chen Acetylens statt, deren Eindringtiefe besonders von der Konzentration,
d.h. dem Druck im System abhängig ist. Dieses verschieden weitgehende
Eindringen wird sich z.T. aus dem chemischen Umsatz des Gases ersehen
lassen. Bei genügend hohem Druck ist damit zu rechnen, daß vor allem bei
kurzer Schicht diese vollständig von der Zersetzung durchlaufen wird, so
daß das am Boden der Schicht befindliche Gas ebenfalls zur Explosion
kommt. Die kritischen Druckgrenzen, die sich dabei ergeben, spielen für
die späteren Untersuchungen eine besondere Rolle.
Es ist im allgemeinen zu erwarten, daß bei verhältnismäßig niedrigen Aus
gangsdrucken der Druckstoß gewissermaßen in der Materialschicht aufge
fangen wird. Wenn es aber zu einer starken Zusammenstauchung der porösen
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Masse gekommen ist, und die Zersetzung weitgehend durch die Masse hin
durchdringen konnte, so muß die dämmende Wirkung einer derartig verfestig
ten Masseschicht unter Umständen zu besonders heftigen Explosionsstößen
im Raume hinter der Masse beitragen. Diese Effekte werden sich durch
Druckmessungen am Boden der Masseschicht unmittelbar beobachten lassen.
Da mit der Zersetzung immer eine beträchtliche Wärmeentwicklung verbun
den ist, spielt dieWärmeleitung durch eine solche Masse ebenfalls eine
erhebliche Rolle. Die Gefahr des Durchtretens der Zersetzung durch die
Masseschicht wird um so größer sein, je stärker die bei der Zersetzung
über und in der Masseschicht gebildete Wärmeenergie durch diese hindurch
fortgeleitet wird.
Bei den Versuchen wurde daher außer der Beobachtung der mechanischen Aus
wirkung der chemische Umsatz, die Druckentwicklung hinter der Masse
schicht, sowie der Temperaturanstieg am gleichen Ort einer eingehenderen
Untersuchung unterzogen.
Alle diese Effekte sind natürlich von den Versuchsbedingungen weitgehend
abhängig. Für die Heftigkeit der auf die Schicht auftreffenden Explosion
ist außer dem Druck vor allem noch die Länge des Rohres maßgebend, da
es für die "Härte" des Explosionsstoßes ausschlaggebend ist, ob es schon
zur Ausbildung von Stoßwellen gekommen ist oder nicht. Wie vergleichende
Versuche ohne Masse zeigen, treten in den verwendeten Rohren von 15 mm ~
solche Stoßwellen schon bei verhältnismäßig kurzen Anlaufstrecken und
(3).
relativ niedrigen Drucken auf Für das Eindringen und Hindurchtreten
der Zersetzung durch eine Masseschicht spielt natürlich außer der Schicht
höhe die Korngröße eine bedeutsame Rolle. Wie die Versuche zeigten, gilt
das gleiche auch für die Zertrümmerung und den Druckverlauf hinter der
Masse.
Als Materialien wurden sowohl harte, körnige Stoffe verwendet wie z.B.
Quarzsand und Siliciumkarbid, die vor allem zur Füllung von Sicherheits
patronen eine gewisse Bedeutung besitzen können, als auch hochporöse
Stoffe wie Holzkohle, Bimskies oder Kieselgel, von denen die beiden
ersteren einen wesentlichen Bestandteil der porösen Masse in Flaschen
darstellen. Darüber hinaus wurde eine Reihe von Stoffen verwendet, wie
.. 1)
Marmor, Kalkstein, gebrannter Kalk, Portlandzement, Koks und Olkohle
1. Rückstand bei der Vergasung von Kohlenstaub im Höchster Koker
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Forschungsberiohte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nora.rhein-Westfalen
um den Einfluß verschiedener Faktoren wie Weichheit, Spaltbarkeit und
Elastizität des Materials kennenzulernen. Ein besonders weiches Material
stellte das ebenfalls untersuchte, nicht gehärtete Phenolharz dar, bei
dem zusätzlich während aes Durchtretens der Explosion eine nicht uner
hebliche Zersetzung stattfindet. Schließlich wurden Versuchsserien mit
Aluminiumgrieß und gepreßtem Aluminiumdrahtnetz ausgeführt, um den Ein
fluß der Wärmeleitung näher zu kennzeichnen.
B. B e r ich t
I. Experimentelles
Die verwendeten Substanzen wurden mit Ausnahme von Phenolharz im Trocken
schrank bei 150°C getrocknet. Das mit Material gefüllte Explosionsrohr
wurde ca. 10 min mit einer Ölpumpe evakuiert. Für verschiedene Ver
suchsreihen erfolgte eine Behandlung des Zements bei ungefähr 600°C mit
CO2• Zur Erzielung möglichst gleichmäßiger Bedingungen wurden die Sub
stanzen vor jedem Versuch eingewogen. Die angewandten Schichthöhen be
trugen 50 bzw. 100 mm. Für die Versuche wurden die Materialien in einer
Körnung von 0,75 - 1,0 mm sowie 1,8 - 2,0 mm verwendet, sie sind im fol
genden durch F (feine Körnung) und G (grobe Körnung) gekennzeichnet. Das
%.
angewandte Acetylen hatte einen Reinheitsgrad von 99,5 bis 99.6
Die Untersuchungen wurden mit ruhendem Gas in geschlossenen Rohren mit
einem Durchmesser von 15 mm durchgeführt. Die Anlaufstrecke für die Ex
plosionen im Gasraum, d.h. die Länge von der Zündstelle bis zur Masse
oberfläche, konnte durch Wahl verschiedener Rohrlängen (Anlaufstrecke +
Masseschicht) von 130, 190, 335 bzw. 830 mm verändert werden. Das Schema
der Versuchsanordnung gibt Abbildung 1 wieder.
Die Apparatur bestand aus der Zündkammer K ( 65 mm lang, 15 mm ~ ), dem
Anlaufrohr Ra und dem mit Masse gefüllten Rohr Rm. In der Zündkammer
wurde unter Durchbrennen eines 10 mm langen Eisendrahtes die Explosion
ausgelöst, welcher im Zentrum der Zündkerze in Form einer Wendel befe
stigt war. Durch die Anordnung des Zünddrahtes sollte eine weitgehend
gleichbleibende Art der Zündung und damit ein möglichst gleichartiger
Ab~
lauf der Explosion erzielt werden. Die z.T. erheblichen Unterschiede in
den Zündzeiten bei den anfänglichen Versuchen sind darauf zurückzuführen,
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daß nur eine Zündspannung von 12 V an die Kerze angelegt wurde. Bei den
späteren Versuchen wurde die Spannung auf 24 V erhöht.
Das Anlaufrohr Ra sowie das Masserohr Rm bestanden aus hochwertigem
Chrom-Nickelstahl, um evtl. Störungen des Explosionsverlaufes durch Kor
rosion der Rohroberfläche zu vermeiden.
Den Abschluß des Rohres bildete das Endstück E, welches zur Aufnahme
eines Thermoelementes T bzw. eines Piezoquarzdruckfühlers P der Firma
Zeiß Ikon, Kiel, diente. Zur Einstellung des Versuchsdruckes diente ein
Feinmeßmanometer Ma der Firma Dreyer, Rosenkranz & Droop, Hannover. Die
Druckeinstellung erfolgte mit einer Genauigkeit von 0,05 Atm. Über die
Ventile V1_3 wurde das Rohr gefüllt bzw. nach der Explosion entspannt.
Ma
K
Ra
Um
E
v~
(T,P) )
u
A b b i 1 dun g 1
Schema der Versuchsanordnung
K: Zündkammer; Ra: Anlaufrohr; Rm: Masserohr; E: Endstück;
V1_3: Ventile; Ma: Feinmeßmanometer; Z: Zündkerze;
T: Thermoelement; P: Druckfühler; u: Quecksilbermanometer;
h: Gasmeßkolben; t: Gaspumpe
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Bei einer Reihe von Versuchen wurde hinter das Explosionsrohr eine Nach
kammer von 36,5 ml Inhalt geschaltet. Die Masseschicht wurde bei dieser
Anordnung am Ende des Rohres Rm durch eine Siebplatte gehalten. Die Druck
messung erfolgte dann am Ende der Nachkammer.
Die Messung der eingefüllten Acetylenmenge sowie die des nach der Explo
sion noch vorhandenen Gases erfolgte in den Meßkolben h aus der Druckdif
ferenz am Quecksilbermanometer u, welche nach der Entspannung in den vor
her evakuierten Kolben auftrat. Zur Entnahme 8iner Endanalyse nach der
Explosion diente die Quecksilberpumpe t.
Das Thermoelement T bestand aus einem Cr/Ni-Röhrchen, in welches isoliert
ein Konstantandraht eingeführt und am Ende zu einer Perle druckfest ver
schweißt war. Das Element war so angeordnet, daß die Spitze 1 mm von un
ten in die Masseschicht hineinragte. Zur Verstärkung der ca. 5 mV/100oC
betragenden Thermospannung diente ein Gleichspannungsverstärker GM 4530
der Firma Philips, Hamburg. Die dem Gerät entnommene, im Verhältnis
1 : 2750 verstärkte Spannung wurde einem Lichtpunktlinienschreiber RLt 1
der Firma Hartmann & Braun, Frankfurt/Main, zugeführt. Das eingebaute Meß
werk Hkk/464 hatte bei einer Eigenfrequenz von 220 Hz einen inneren Wider
stand von 960 Ohm und eine Empfindlichkeit von 5,06.10-4 Ampere/mm. Für
hohe Temperaturen konnte durch einen eingebauten Abschwächer am Gleich
spannungsverstärker die entnommene Spannung im Verhältnis 1 :3 reduziert
%.
werden. Die Genauigkeit der Temperaturmessung betrug: 2 Die Eichkurve
für das Thermoelement war bis 6000c mit Hilfe eines Pt-Pt/Rh-Elementes
aufgestellt worden. Der Vorschub des Registrierpapiers betrug im Mittel
%.
46,7 mm/sec bei einem Fehler von + 3,6
Zur piezoelektrischen Druckmessung bei der Explosion wurde dieselbe Meß
anordnung wie für die Messungen des Druckverlaufes bei der explosiblen
Zersetzung von gasförmigem Acetylen (4) verwendet.
Nach der Explosion war die Masse meistens beträchtlich zusammengestaucht,
wobei eine mehr oder weniger starke Zermahlung der Substanz stattgefunden
hatte.
Zur Bestimmung der mechanischen Zertrümmerung des eingefüllten Gutes wur
de nach der Entspannung die Masse mit einem Bohrer ausgebracht. Dabei
wurde die Substanz in einzelnen Schichten entnommen. Auf diese Weise ließ
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sich erkennen, wie sich die Explosion in verschiedenen Schichthöhen me
chanisch auf die Masse ausgewirkt hatte.
Die Masse war je nach den Versuchsbedingungen bis zu verschiedenen Tiefen
mit Ruß durchsetzt. Da die Entspannung des Gases nach der Explosion am
Boden der Schicht erfolgte, wurd~n nicht unbeträchtliche Rußmengen in
die Masses0hicht hineingeblasen. Die Eindringtiefe des Rußes wurde daher
nicht weiter ausgewertet.
Das ausgebrachte Material wurde normalerweise durch Glühen bei 8000C
von anhaftendem Ruß befreit. Bei Holzkohle, Koks, .Ölkohle und Harz erfolg
te die Reinigung vom RuB durch Abschwemmen mit einer wässri5en Lösung,
die sich durch eine geringe Oberflächenspannung auszeichnete. Die Lösung
trat am Boden eines senkrecht stehenden Frittenrohres ein und löste den
anhaftenden Ruß auf Grund der weitgehenden Benetzung des Materials ab.
Die Stärke der Zermahlung wurde durch eine Siebanlage festgestellt. Aus
den Analysenwerten wurde der gesamte Anteil an Material berechnet, dessen
Korngröße kleiner als die Ausgangskörnung war (K1). Ferner wurden die An
teile, bezogen auf das gesamte zertrümmerte Material ermittelt, deren
Korngröße kleiner als die Hälfte (K5) bzw. kleiner als ein Zehntel (K10)
der Ausgangskörnung war.
Der chemische Umsatz wurde aus der Endgasmenge und den Werten der Endgas
analyse bestimmt. Die Analysen wurden im Orsat-Apparat durch die bekann
%
ten Absorptionsmittel mit einer Genauigkeit von 0,5 durchgeführt. Da
die Umsätze des Acetylens zum Teil im Gasraum über der Masse, zum Teil
in dem mit Masse gefüllten Raum erfolgten, wurde der erstere Umsatz durch
Messungen im Rohr ohne Massefüllung bei gleicher Rohrlänge festgestellt.
11. Ergebnisse der Messungen
1. Mechanische Zermahlung
Die Beschaffenheit der Masseschicht nach erfolgter Explosion war zum Teil
sehr unterschiedlich. Bei einem Teil der Substanzen wie z.B. Marmor,
Kalkstein, Koks und Ölkohle wurde eine mehr oder weniger stark zusammen
gebackene Masse nach der Explosion vorgefunden. Andere Materialien wie
Kieselgel, Bimskies und Zement waren vor allem in der obersten Schicht
stark aufgewirbelt und zeigten einen gelockerten Zustand. Eine dritte
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