Explosionsunterdrückung Einsatzfälle und richtiges Engineering IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz Easyfair / Schüttgut Basel Rahmenprogramm 6 Mai 2015 Schutzkonzepte Containment Pmax = Pred > 8bar Venting - Senkt den Druck - Günstig - Keine Flammenlöschung - Feuerball 8x Behältervolumen Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz Suppression - Senkt den Druck - Löscht Flamme - Dämmt Explosion 2 Explosionsunterdrückung (ISO 6184-4, EN 14373, VDI 2263-4 & NFPA 69) • Explosionsunterdrückung von Kidde entwickelt (Graviner) • Zuerst von Kidde eingesetzt • Die meisten Versuche von Kidde durchgeführt (Testvolumina 0.25m3 – 700m3) • Weltweit angewendet mit verschiedenen Produkten an verschiedensten Anlagesystemen • Erstmalige Verwendung von Computerprogrammen zur Berechnung der Explosionsunterdrückung (Doktorarbeit von P.E. Moore, Graviner) Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 3 Zeitlicher Verlauf des Explosionsdrucks Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 4 Der Ablauf Prinzip: Wärmeentzug aus der Verbrennungszone, so dass die Temperatur unter die Mindestzündtemperatur des Produktes fällt Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 5 Reduzierter Explosionsüberdruck PRED Die Bestimmung des reduzierten Explosionsüberdruckes PRED, erfordert Wissen und die Berechnung von vier Einzeldruckkomponenten zu folgender Formel: PRED = Pred + PN2 + Pocl + Peql Pred - Druckbeitrag aus der Verbrennung des Brennstoffes während der Explosion bevor das Unterdrückungssystem die Flammen vollständig abgeschwächt und gelöscht hat. Diese Druckkomponente wird mittels der proprietären IEP Software berechnet, welche ATEX zertifiziert ist und auf den Grundlagen der Thermodynamik eines Verbrennungsprozesses beruht in Interaktion mit dem Explosionsunterdrückungspulver KIDDeX. PN2 - Druckbeitrag des in den Löschern befindlichen Treibmittels. Dieser ist abhängig von der Anzahl, das Volumens und dem Druck des Löschers sowie dem Volumen des zu schützenden Apparates. Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 6 Reduzierter Explosionsüberdruck PRED Pocl - Druckbeitrag aus der Verbrennung in Volumenelementen, welchen vom Löschpulver schwer erreicht werden können. Dieser errechnet sich aus dem Verständnis des Ausbreitungskoeffizient einer Verbrennung und des Volumens welches vom Löschpulver im frühen Stadium des Ereignisses nicht erreicht wird. Peql - Druckbeitrag des Druckausgleiches einer Explosion in benachbarten/verbundenen Behältern. Dies erfordert die Berücksichtigung der Volumen dieser benachbarten Behälter und deren PRED . Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 7 Computer Model Die Im Systemzertifikat erwähnte Auslegungsprogramm „IEP Model v4.20“ ist das Resultat 30-jähriger Forschungsarbeit und deshalb „company confidential“. • Behältervolumen • L/D-Verhältnis • Explosionsparameter (KSt, Pmax, MZT) • Apparatefestigkeit (DF vs. DSF) • Prozessbedingungen (T & P) • Detektion-Parametrierung • Type und Anordnung der Löscher • Löschmittel und Wurfweite Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 8 Anwendungsgrenzen • Volumen 0.5 – 1000m3 • Max. Prozessdruck ≤ 2 bar • Prozesstemperatur -40 … 200°C • Max. Explosionsdaten Kmax Pmax ≤ 600 bar m s-1 ≤ 12 bar • Min. Zündtemperatur ≥ 200°C • Detektionsdruck 30 – 300mbar Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 9 Sprühtrockner VDI-2263 Bl.7 & Bl.7.1 • Berücksichtigung tieferer K-Werte infolge geringerer Konzentration • Schutz des Gesamten Volumens vs. Teilvolumen-Schutz • Brandschutz • Brandfrüherkennung durch CO-Messung Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 10 Sprühtrockner - Pex and Kex in Abhängigkeit der Staubkonzentration Aus Forschungsergebnissen vergangenener Jahre, wurde eine max. durchschnittliche Staubkonzentration von 250g/m3 abgeleitet • Mono-Produkt-Anlagen > Explosionsüberdruck Pex und die Explosionskonstante Kex werden im Labor bei 250g/m3 bezogen auf das zu trocknende Produkt bestimmt • Muli-Produkt–Anlage > Pex und Kex werden anhand existierender Nomogramme bei 250g/m3 für ST1 oder ST2 entnommen Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 11 Sprühtrockner - Pex and Kex in Abhängigkeit der Staubkonzentration 10 220 9 200 8 180 160 140 Kex [m·bar/s] Pex [bar] 7 6 120 5 100 4 3 2 80 60 40 1 20 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1000 0 Dust concentration [g/m³] 200 300 400 500 600 700 800 900 Dust concentration [g/m³] St 1: Pex = Pmax Pmax = 9 bar 100 St 1: Kex = *Kmax *Kmax = 120 m·bar·s-1 Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 12 1000 Sprühtrockner - Pex and Kex in Abhängigkeit der Staubkonzentration 11 325 10 300 9 275 8 250 225 Kex [m·bar/s] 7 Pex [bar] 6 5 4 3 200 175 150 125 100 2 75 1 50 25 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 1000 0 100 200 Dust concentration [g/m³] 400 500 600 700 800 900 Dust concentration [g/m³] St 2: Pex = Pmax Pmax = 10 bar 300 St 2: Kex = *Kmax *Kmax = 175 m·bar·s-1 Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 13 1000 Sprühtrockner - Vollschutz vs. Teilschutz • Vdesign = Vtot (stets für 250g/m3) wenn Produktrückführung vorhanden und ØKonz > UEG T • Vdesign = Vpartial (stets für 250g/m3) wenn keine Produktrückführung vorhanden und Økonz. < UEG T und keine Produktablagerungen vorliegen Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 14 Sprühtrockner - Teilschutz bzw. Ermitteln des Teilvolumens Zu schützendes Volumen = explosionsfähiges Volumen + Sicherheitsdistanz slurry air Dabei ist das explosionsfähige Volumen das grössere der beiden folgenden Volumina: • 1/3 des Gesamtvolumens • Konusvolumen Die Sicherheitsdistanz (Z) errechnet sich aus der Flammengeschwindigkeit sf und der Zeit bis zur erfolgten Unterdrückung tsupp , bzw. Z(m) = sf (m/s) * tsupp (s) Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 15 Sprühtrockner - Pmax in Funktion der Temperatur Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 16 Beispiel A Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 17 Konzept B – Bidirektionale LMS auf der Rohrleitung Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 18 Konzept C – EXU im Filter anstelle LMS auf der Rohrleitung Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 19 Hybrides Schutzkonzept Die Kombination von Explosionsdruckentlastung und Explosionsunterdrückung wird als eine „hybride“ Schutzeinrichtung bezeichnet und kann auf zwei Weisen erfolgen: Entlastung / Unterdrückung Die maximal geometrisch mögliche Entlastungsfläche wird nur auf ein Teil des explosionsfähigen Volumens angewendet und das restliche Volumen wird durch die Explosionsunterdrückung abgedeckt Vorteil: tieferer Pred durch ein wenig Unterdrückung Unterdrückung / Entlastung Das gesamte explosionsfähige Volumen wird von der Explosionsunterdrückung abgedeckt und zusätzlich wird ebenfalls auf das gesamte Volumen die minimalst mögliche Entlastungsfläche hinzugefügt Vorteil: tieferer Pred durch ein wenig Entlastung Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 20 Hybrides Schutzkonzept Entlastung / Unterdrückung ist interessant, • Nicht genug Entlastungsfläche vorhanden • Eingeschränkte Anwendung der flammenlosen Druckentlastungeinrichtung Unterdrückung / Entlastung für: • Nachrüstung von Altanlagen niedriger Festigkeit – Beispiel: Pred,supp = 0.4 bar Pred,vent = 2.4 bar Pred,hyb = 0.2 bar Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 21 Explosionsentkopplung (EN 15089) Jede Explosionsschutzlösung an Behältern erfordert eine explosionstechnische Entkopplung, um das Risiko einer Explosionsübertragung zu minimieren !!! Flammenübertragung zwischen verbundenen Behältern führen zu erhöhtem Explosionsszenario infolge „Flammenstrahlzündung“ Explosionsentkopplung ist wesentlich komplexer als Unterdrückung … Explosionsentkopplung Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 22 Weshalb entkoppeln? Vent Area=0.5m2 Vent Area=0.26m2 Air in V1=9.6m3 V2=4.4m3 DN300 – 30m long Air velocity ~16m/s Vent Area=0.5m2 Fan Air out Control Panel Vent Area=0.26m2 V1=9.6m3 V2=4.4m3 DN300 – 30m long Air velocity ~16m/s Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 23 Explosion Isolation Trials at FSA Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 24 No Isolation Isolation 1x2kg HRD Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 25 No Isolation Isolation 1x2kg HRD Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 26 No Isolation Isolation 1x2kg HRD Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 27 No Isolation Isolation 1x2kg HRD Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 28 No Isolation Isolation 1x2kg HRD Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 29 No Isolation Isolation 1x2kg HRD Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 30 No Isolation Isolation 1x2kg HRD Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 31 No Isolation Isolation 1x2kg HRD Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 32 No Isolation Isolation 1x2kg HRD Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 33 No Isolation Isolation 1x2kg HRD Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 34 No Isolation: Pressure vs. time 3.5 Flame Entry into Duct Flame Exit from Duct 3.0 V1 V2 Pressure / bar(g) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 Time / s Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 35 Isolation: Pressure vs. time 3.5 Flame Entry into Duct 3.0 V1 V2 Pressure / bar(g) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 Time / s Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 36 Chemical Barrier or Flame Barrier • Avoids flame propagation and therefore secondary explosions in interconnected vessels, as well as detonation inside the duct • Suppressor with 60bar nitrogen, vertical or horizontal mounting with 90° elbow (max. inclination 30°) • Can be used with the following explosion parameters: - Dusts & Gases: Kmax ≤ 500bar•m/s Pmax = 5-12barg Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 37 Design of Installation Position for active Isolation Devices Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 38 And now? [email protected] Schüttgut / Solids Basel IND EX® e. V. Workshop zum Industriellen Explosionsschutz 39
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