Untersuchungen über den Druckverlauf bei der explosiblen Zersetzung von gasförmigem Azetylen

53 Pages·1954·5.548 MB·German

by  Dr. phil. habil. P. Hölemann, Ing. R. Hasselmann (auth.)

FORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UNO VERKEHRSMINISTERIUMS
NORORH El N-WESTFALEN
Herausgegeben von Staatssekretar Prof. Leo 8randt
Nr.ll0
Dr. phil. habil. P. Holemann
Ing. R. Hasselmann
Untersuchungen Ober den Druckverlauf bei der explosiblen
Zersetzung von gasformigem Azetylen
im Auftrage der
Forschungsstelle fur Azetylen, Dusseldorf-Dortmund
Als Manuskript gedruckt
SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH
ISBN 978-3-663-03299-1 ISBN 978-3-663-04488-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04488-8
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e d e run g
.
A. Einleitung · s . 5
. . . . .
B. Bericht · · · · · · · · · · S . 8
.
I. Experimentelles · · · · · · · S. 8
1 • Beschreibung der Explosionsapparaturen · · · · · S. 8
2. Messung des Druckverlaufes bei der Explosion · · s. 13
II. Ergebnisse der Messungen · · · · · · · · s. 17
1 • Zylindrische GefaBe · · · · s. 17
a) Druckmessungen · · · · · · · s. 17
.
b) Gasumsatz · · · · s . 25
2. Auswirkung von Rohrverengungen • · · • s. 26
3. Explosible Zersetzung in einer Rohrleitung S. 34
.
c. Zusammenfassung · · · · · · s • 37
.
D. Literaturverzeichnis · · · · · · · s . 40
Sei te 3
Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein Westfalen
A. E i n lei tun g
Unter Zugrundelegung der bekannten Zersetzungswarme des Acetylens von
54,19 kcal/Mol bei 250 C (1) sowie der spezifischen Warme ~er entstehen
den Zersetzungsprodukte Wasserstoff und RuB ist es im Prinzip moglich,
die bei der Zersetzung unter konstantem Volumen auftretenden Temperatu
ren zu errechnen (2). Dabei wird zunachst ein evtl. Warmeverlust vernach
lassigt und eine gleichmaBige Temperatur im umgesetzten Gas angenommen.
Flir eine exakte Auswertung ist zu berlicksichtigen, daB bei der hohen Tem
peratur nicht alles Acetylen umgesetzt wird und daB neben molekularem
Wasserstoff und RuB gewisse Mengen an atomarem Wasserstoff entstehen.
AuBerdem bildet sichein nicht unerheblicher Anteil an Methan. Die so er
rechneten Temperaturen liegen bei etwa 30000K.
Aus dieser Temperatur und der Gaszusammensetzung im Gleichgewicht laBt
sich weiterhin der zu erwartende Druck ermitteln, wenn die Zersetzung bei
konstantem Volumen vor sich geht. Der so gefundene Wert ist etwa elfmal
so €,ToB wie der Ausgangsdruck.
Eine genauere Diskussion des Ablaufs einer Explosion in einem geschlosse
nen GefaB zeigt, daB das Gas unmittelbar nach der vollstandigen Umsetzung
keine einheitliche Temperatur hat, sondern daB es in der Nahe der Zlind
stelle wesentlich heiBer sein muB als in der zuletzt umgesetzten Gasmen
ge (3). Trotzdem die Temperaturdifferenzen 5000 C und mehr betragen kon
nen, wirkt sich diese Erscheinung aber im allgemeinen nur in einer unwe
sentlichen Erniedrigung des Maximaldruckes aus.
Diese Rechnungen sind nur dann richtig, wenn wahrend der Zersetzung kei
ne Energieverluste durch Warmeleitung oder durch Warmestrahlung auftre
ten. Die berechneten Werte werden demgemaB am besten erreicht, wenn die
Zersetzung in einem kugelformigen Hohlraum stattfindet, und die Zundung
in der Mitte der Kugel erfolgt. AuBerdem muB naturlich die Zersetzung mit
der notigen Geschwindigkeit ablaufen, so daB die Warmeleitung langsam ge
genuber der Fortpflanzung der Zersetzung vor sich geht, und die Konvek
tion noch keine merkbare Rolle spielen kann.
Ein gewisser Warmeverlust wird selbst in diesen Fallen auftreten, da die
auBeren, zunachst noch nicht von der Zersetzung ergriffenen Gasschichten
infolge des schnellen Druckanstieges adiabatisch komprimiert werden und
dadurch eine erh6hte Temperatur annehmen. Demzufolge wird auch praktisch
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vom Beginn der Zersetzung ab ein gewisser Warmelibergang von den auBeren
Gasschichten auf die GefaBwandung stattfinden, der aber im allgemeinen
geringfligig gegenliber der insgesamt freiwerdenden Warme ist.
Wesentlich andern sich die Verhaltnisse dann, wenn durch die Form des Ge
faBes der Warmelibergang von Anfang an einen betrachtlichen EinfluB aus
libt. Das ist um so mehr der Fall, je langgestreckter die GefaBe im Verhalt
nis zum Durchmesser sind. Der Warmeverlust wird sich demgemaB in engen
Rohrleitungen, besonders in Kapillaren, extrem stark auswirken. Demzufol
ge ist zu erwarten, daB beim Ablauf einer Explosion unter diesen Umstan
den die errechneten Temperaturen und somit auch die Maximaldrucke nicht
erreicht werden. Der Grenzfall liegt vor, wenn die abgeleitete Warmemen-
ge vergleichbar mit der pro Zeiteinheit gelieferten Warme wird, da dann
unter Umstanden eine weitere Fortpflanzung der Explosion verhindert wird.
Dieser Fall tritt immer in genligend engen Kapillarrohren ein, wenn der
Druck unterhalb einer bestimmten Grenze liegt (4).
Andererseits ist zu berlicksichtigen, daB sich bei der Fortpflanzung von
Explosionen in engen GefaBen und Rohrleitungen weitere Effekte liberlagern
konnen, wobei zunachst einmal die Reibung der sich bewegenden Gasmassen
an der Wand eine betrachtliche Rolle spielt. Sie behindert die gleichma
Bige und schnelle Druckausbreitung im gesamten System, so daB es beson
ders bei schnell ablaufenden Vorgangen zu erheblichen Druckunterschieden
kommen kann. Darliber hinaus treten bei genligend langen Rohrstrecken StoB
wellen auf, die schlieBlich zum Auftreten von Detonationen flihren (5).
Wahrend die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Explosion in reinem Acety
len in der GroBenordnung von einigen Metern pro Sekunde liegt, erreicht
die der Detonation bis 1600 m/sec (6).
Bei der hohen Fortpflanzungsgeschwindigkeit von StoBwellen und Detonati
onen findet naturgemaB keine gleichmaBige Ausbreitung des Druckes im Sy
stem mehr statt. Demzufolge treten dann in den Rohrleitungen auch einsei
tig gerichtete Druckkrafte auf, die es mit sich bringen, daB z.B. in axi
aler Richtung wesentlich andere Drucke gemessen werden konnen als in ra
dialer (7).
Die Bedingungen zur Ausbildung und Ausbreitung einer Explosion, zum Auf
treten von StoBwellen und zum tfuergang in eine Detonation sind von ver
schiedenen Faktoren abhangig, die in zwei Gruppen eingeteilt werden konnen.
Sette 6
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Die erste betrifft die explosiblen Eigenschaften des jeweiligen Mediums,
die zweite die Gestaltung des Raumes, in dem sich die Vorgange abspielen.
1m FaIle der explosiblen Acetylenzersetzung liegen die Verhaltnisse be
zliglich der ersteren Faktoren insofern einfach, als praktisch nur die Ab
hangigkeit yom Druck des Gases eine Rolle spielt. In Gasgemischen, d.h.
also z.B. in acetonhaltigem Acetylen, tritt als zweiter Faktor naturge
maB noch die Gaszusammensetzung hinzu.
Dagegen bietet die Art des Systems, in dem die Umsetzungen ablaufen, ei
ne auBerordentlich groBe Mannigfaltigkeit, so daB bei der Durchflihrung
yon Messungen zunachst ganz bestimmte Formen und Abmessungen gewahlt wer
den mlissen, um einen angenaherten Vberblick liber den EinfluB dieser Fak
toren zu erhalten. So lange man sich nur auf die Frage beschrankt, mit
welchen maximalen Drucken im gegebenen Fall zu rechnen ist, liegen die
Bedingungen noch YerhaltnismaBig einfach, da in diesem Fall im wesentli
chen die Frage zu klaren ist, ob unter den jeweiligen Umstanden liberhaupt
eine Explosion moglich erscheint, und unter welchen Bedingungen diese in
eine Detonation auszuarten yermag. 1m ersteren Fall kann der maximal zu
erwartende Druck bis zu etwa elfmal so groB sein wie der Ausgangsdruck.
1m zweiten Fall lassen sich allerdings nur schwer Aussagen tiber die maxi
male Druckhohe machen. Sie kann unter Umstanden das 50-fache des Ausgangs
druckes tibersteigen und yor allem an bestimmten Stellen im Rohr ausgespro
(7).
chene Maximalwerte annehmen
Am tibersichtlichsten liegen die Verhaltnisse bei kurzen, zylindrischen
GefaBen. Flir sie wird sich die Ausbildung yon StoBwellen am einfachsten
erkennen lassen. Komplizierter werden die Bedingungen, sobald sich im Sy
stem Verengungen befinden, wie es in technischen Anlagen praktisch immer
der Fall ist. Dort kommt es durch plotzlich auftretende Reibungskrafte
zum Abbremsen yon StoBwellen und durch Wirbelbildung zu erhohten Warme
yerlusten. Bei Zwischenschaltung genligend langer Rohrleitungen wird
schlieBlich das Auftreten yon Gasschwingungen besonders begtinstigt wer
den.
Die Versuche, liber die im folgenden berichtet wird, gliedern sich dement
aprechend in drei Teile. In der ersten Gruppe wurde der Verlauf yon Ace
tylenexplosionen in einfachen zylindrischen GefaBen yon ca. 100 ml Inhalt
beobachtet. Diese Messungen dienten gleichzeitig als Voryersuche zu an
schlieBend durchgeflihrten Untersuchungen liber den Verlauf der Zersetzung
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von Acetylen, das in Aceton gelost war. Die zweite Versuchsgruppe sollte
Hinweise liber den EinfluB von Rohrverengungen bzw. Verzweigungen geben.
Daran anschlieBend wurde in der dritten Gruppe eine Reihe von Messungen
in einer 6,75 m langen Rohrleitung von 12 mm 1. ¢ ausgeflihrt.
B. B e ric h t
I. Experimentelles
1. Beschreibung der Explosionsapparaturen
Der Ablauf von Acetylenexplosionen in einfachen zylindrischen Raumen wur
de in zwei verschiedenen DruckgefaBen beobachtet. Bei den Versuchen der er
sten Serie wurde das in Abbildung 1a dargestellte GefaB verwendet. Es be
stand im wesentlichen aus einem 328 mm langen Remanitrohr von 20 mm 1. ¢,
in das unten ein Gaszuflihrungsventil eing~schraubt wurde. Als Deckel wur
de ein Kopf aufgeschraubt, der in der Mitte den zur Druckmessung dienen
den Piezoquarzdruckflihler trug. Seitlich im Kopf war eine Bohrung zum Ein
setzen der Zlindkerze vorhanden. Ihr gegenliber befand sich eine we it ere
Bohrung, die ebenfalls zur Gaszu- bzw. Abflihrung diente, und in die ein
Ventil eingeschraubt war. Vor der letzteren Bohrung befand sich eine klei
ne Schutzkappe, die das MitreiBen des bei der Explosion gebildeten RuBes
verhindern sollte. Der obere Teil des Remanitrohres, sowie der Raum im
Kopf waren in einer Lange von 74,5 mm auf 21,5 mm ausgebohrt. Das GefaB
hatte ein Volumen von 109,7 ml.
Flir weitere Versuche der gleichen Serie, liber die aber erst in anderem
Zusammenhang ausflihrlicher berichtet werden soll, wurde ein GefaB verwen
¢
det, das in der ganzen Lange einen 1. von 21,5 mm besaB. Unten konnte
ebenfalls ein ahnlicher Kopf wie am oberen Ende aufgeschraubt werden, in
den sich der Druckf~hler frontal einschrauben lieB. In diesem GefaB lief
die Flarnrne auf den Druckflihler zu, wahrend sie im ersteren Fall vorn Druck
flihler fortwanderte. Das Volumen dieses GefaBes betrug 135 ml.
Flir die zweite Versuchsserie wurde das ebenfalls aus Remanit bestehende
GefaB 1b in Abbildung 1 von 40 mm ¢ und 80 mm Hohe verwendet. Auf dieses
GefaB war ein Kopf aufgesetzt, in den ebenfalls in der Mitte der Druck
flihler eingeschraubt war, wahrend eich seitlich davon die Zlindkerze be
fand. Weiterhin waren zwei Bohrungen vorgesehen, die zur Gaszu- und
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A b b i 1 dun g 1
MaBskizzen fur die verwendeten ExplosionsgefaBe
Ableitung dienten, und die durch Ventile unmittelbar im Deckel abgeschlos
sen werden konnten. Der Inhalt dieses GefaBes betrug 102,3 ml.
Zur Temperierung war das GefaB 1a mit einem Wassermantel umgeben, wahrend
das zweite GefaB in eine kleine Wanne eingesetzt werden konnte. Der Was
sermantel bzw. die Wanne wurden aus einem Thermostaten gespeist, wobei
die Temperatur auf ~ 0,050 C eingestellt werden konnte.
Zur Fullung der ExplosionsgefaBe mit Acetylen wurden diese an die in Ab
bildung 2 skizzierte Apparatur angeschlossen.
Das Acetylen wurde bei samtlichen Versuchen einer nur mit poroser Masse
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M
•
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E
A b b i 1 dun g 2
Anordnung der GasmeBapparatur
M: Manometer; V1_5: Ventile; E: ExplosionsgefaB; H1_6: Hahne;
U , 2: Quecksilbermanometer; K: Auffangkolben; p: zur Pumpe
1
geflillten, sonst normalen Acetylenflasche entnommen, um Storungen durch
die Anwesenheit von Acetondampfen zu vermeiden. Das Gas hatte einen Rein
%.
heitsgrad von 99,5
Vor der Flillung wurde die gesamte Apparatur mit Hilfe einer Olpumpe mog
lichst weitgehend evakuiert. AuBerdem wurde mehrmals Gas unter Druck bis
zum Ausgangsventil V5 zugegeben, zwischendurch entspannt und erneut eva
kuiert, um moglichst aIle Feuchtigkeitsreste und Fremdgase aus dem GefaB
zu entfernen. Der endgliltig im ExplosionsgefaB eingestellte Ausgangsdruck
wurde an dem Doppelkontrollmanometer M der Firma Dreyer, Rosenkranz und
Droop, Hannover, abgelesen. Die Genauigkeit der Druckeinstellung betrug
0,01 at. Das Manometer war vorher mittels eines Manometereichgerates nach
geprlift worden.
Nach SchlieBen der Ventile V3 und V4 wurde die Zlindkerze des GefaBes mit
den Zlindleitungen verbunden und auBerdem das Kabel flir den Druckflihler
angeschlossen. Nach durchgeflihrter Explosion wurden die GefaBe wieder an
die Apparatur der Abbildung 2 angeschlossen und die gesamten Leitungen
bis zum Ventil V2 und V4 zusammen mit den Auffangkolben K evakuiert. Dann
wurde das in dem ExplosionsgefaB gebildete Endgas entspannt und gemessen.
In gleicher Weise waren in gesonderten MeBreihen die bei den jeweiligen
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Versuchsdrucken und Temperaturen in die GefaBe eingeflillten Acetylenmen
gen ermittelt worden. Aus den Kolben konnten mit Hilfe einer Topplerpum
pe Gasproben entnommen werden, um die Zusammensetzung festzustellen.
Trotz des sorgfaltigen Evakuierens verblieben meist noch geringe Mengen
an Restgas bzw. Feuchtigkeit im ExplosionsgefaB, die bei dem GefaB 1b
praktisch zu vernachlassigen waren. Bei dem GefaB 1a dagegen hatte das
Abgas bei einer Reihe von Versuchen deutlich einen hoheren Gehalt an Koh
lenoxyd. Das dlirfte vor allem darauf zuruckzuflihren sein, daB das Ventil
V3 an der Unterseite der Bombe zusatzlich mit Hanf eingedichtet werden
muBte, um den Beanspruchungen bei der Explosion gewachsen zu seine Der
manchmal hohere CO-Gehalt dlirfte auf die Zersetzung des Hanfmaterials zu
rlickzuflihren seine Trotzdem waren auch in diesem Fall die Versuche bezug
lich des Zeit- und Druckablaufes gut reproduzierbar. Die evtl. Nachreak
tionen unter CO-Bildung setzten demnach e~st nach Erreichung des Druck-
maximums ein.
Auch dann, wenn die GefaBe mehrere Tage an der Luft gestanden hatten, er
gaben sich bei dem ersten Explosionsversuch hohere CO-Gehalte, offensicht
lich bedingt durch eine geringe oberflachliche Oxydation der Wand. Die
Versuche zeichneten sich dabei fast immer durch einen langsameren Druck
anstieg aus, und der erreichte Maximaldruck lag z.T. betrachtlich niedri
ger als im Normalfall.
Nach durchgeflihrtem Versuch wurden die GefaBe auseinander genommen, sorg
faltig von RuB befreit, mit Aceton gewaschen und grlindlich mit 8tickstoff
ausgeblasen, bevor sie wieder zusammengesetzt und an die Flillapparatur an
geschlossen wurden.
Die Zusammensetzung des Endgases wurde mit Hilfe eines Orsatapparates er
%,
mittelt. Die Genauigkeit der gefundenen Acetylengehalte betrug : 0,2
%
die des Wasserstoffgehaltes im Mittel + 0,3 und die des Methans eben
%.
falls + 0,2
Die Durchflihrung der zweiten Versuchsgruppe erfolgte in drei verschiede
nen Anordnungen. Diese sind schematisch in Abbildung 3 dargestellt. 80-
wohl die MeBkammer M, in die stirnseitig der Druckflihler D eingeschraubt,
als auch die Zlindkammer Z, in die ebenfalls stirnseitig der Zlinddraht mit
Hilfe einer Zlindkerze eingesetzt war, hatten eine lichte Weite von 15 mm
und eine Lange von 65 mm. 1m ersten Fall (Abb. 3, I) waren Zlindkammer und
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