Egle B — Explosies — Oorzaak En Gevolg — Part I
Opening of the document
Explosies: Oorzaak en Gevolg
AGS module Explosieven
Dr. Brecht Egle
Begle@its.jnj.com
Brecht@live.com Maart 2022
Inhoud Cursus
1. Inleiding
2. Oorzaken
3. Effecten
Extra: IED, HME
2
Deel 1:
Inleiding
3
Wat is een Explosie?
4
Wat is een Explosie?
Zeer snelle vrijstelling van energie met expansie van gas (drukgolf)
5
Wat is een Explosie?
Zeer snelle vrijstelling van energie met expansie van gas (drukgolf) Zeer plots fenomeen Energieopbouw vereist (diverse bronnen) Verschillende schademechanismen
AGS module Explosieven
Dr. Brecht Egle
Begle@its.jnj.com
Brecht@live.com Maart 2022
Inhoud Cursus
1. Inleiding
2. Oorzaken
3. Effecten
Extra: IED, HME
2
Deel 1:
Inleiding
3
Wat is een Explosie?
4
Wat is een Explosie?
Zeer snelle vrijstelling van energie met expansie van gas (drukgolf)
5
Wat is een Explosie?
Zeer snelle vrijstelling van energie met expansie van gas (drukgolf) Zeer plots fenomeen Energieopbouw vereist (diverse bronnen) Verschillende schademechanismen
Full text, so the search can find this document · 24 kB of text
Incidenten met explosiegevaar:
➢ Industrie
➢ Terrorisme/banditisme ➢ Transport ➢… 6
Oorzaken van Explosies
Chemisch
Andere
Fysisch
Nucleair
7
Gevolgen van Explosies
R
• Krater
• Hitte/brand
• Schokgolf
• Fragmentatie • Secundaire schade • (Penetratie) R
8
Koppeling Oorzaak – Gevolg: het TNT model
OORZAAK
GEVOLG
Chemische explosies
Fysische explosies
Nucleaire explosies
Schokgolf
Fragmentatie
Hitte/brand
Krater
Secundaire schade
Modellen
Berekenen
Conservatief
Overschatting
Tabellen
Berekenen
TNT equivalent
9
TNT-equivalentie: maat voor explosiekracht
Zet explosiebron om in equivalente massa TNT: Meq,TNT
Vaak uitgedrukt in % TNT of explosie efficiëntie (α): α x Mex = Meq,TNT Eenvoudig model, zeer breed toepasbaar, conservatieve schatting Minder accuraat als complexere modellen (bv. CFD), maar snel en makkelijk TNT is een gecondenseerd explosief!
10
Deel 2:
Oorzaken van Explosies
11
Chemisch
Andere
Fysisch
Nucleair
12
Deel 2: Oorzaken van Explosies
2.1 Chemische explosies Detonatie vs deflagratie Gecondenseerd: High explosives Gecondenseerd: Low explosives ADR transportklassen Volumetrisch: Gevoeligheid en ernst Volumetrisch: Vapour Cloud Explosie (VCE) Volumetrisch: Stofexplosie 2.2 Fysische explosies Drukvat explosie BLEVE Implosie Thermische explosie 2.3 Nucleaire explosies 13
2.1 Chemische Explosies
Vrijgave energie door snelle chemische reactie (of hoog oppervlak/volume) Meestal exotherme oxidatiereactie:
Brandstof
Ontsteking
Ook binnen zelfde
molecule
Oxidants
14
2.1 Chemische Explosies
Vrijgave energie door snelle chemische reactie (of hoog oppervlak/volume) Meestal exotherme oxidatiereactie Of explosieve decompositiereactie:
➢ Ethyleen oxide ➢ Ethylene ➢ Acetyleen ➢ > 92 % waterstofperoxide
15
2.1 Chemische Explosies
Ontsteking
Voldoende energie toevoegen om de explosiereactie te starten 1.
2.
Mechanisch:
Thermisch:
•
•
Impact: productie vonken. Vooral Mg,Al,Ti
legeringen met roestig metaal -> Thermietreactie Wrijving: wekt warmte op
•
•
•
•
Hete oppervlakten/deeltjes
Open vlam
Verbrandingsmotoren Schokgolven (adiabatische compressie)
16
2.1 Chemische Explosies
Ontsteking
Voldoende energie toevoegen om de explosiereactie te starten 3.
Elektrisch: •
•
•
•
•
Electrostatische ontlading
Bliksem
Hoogfrequente EM straling Elektrische schakelaars Gefocust licht
4.
Chemisch: •
•
•
Exotherme reacties
Decompositie
Polymerisatie
17
2.1 Chemische Explosies
Deflagratie vs Detonatie Subsonische reactiezone (< 300 m/s) Schokgolf sneller dan reactiefront Druk ≈ 10 bar
Insluiting nodig voor explosie
18
2.1 Chemische Explosies
Deflagratie vs Detonatie Supersonische reactiezone ( > 300 m/s), typisch 2000-9000 m/s
Schokgolf en reactiefront gekoppeld
Drukken ≈ 300.000 bar Veroorzaakt in elk geval een explosie Brisantie
19
2.1 Chemische Explosies
Deflagratie naar detonatie transfer (DDT) Deflagratie
Gassen doen
druk + temp. stijgen
Reactiesnelheid stijgt
Kettingreactie tot drukken/reactiesnelheden hoog genoeg zijn voor detonatie 20
2.1 Chemische Explosies
Deflagratie naar detonatie transfer (DDT) Brandende explosieven kunnen exploderen via dit mechanisme Factoren die DDT waarschijnlijker maken:
➢ Sterke vlamversnelling (turbulentie) ➢ Insluiting ➢ Porositeit materiaal (hoger: makkelijker DDT)
➢ Zeer krachtige ontstekingsbron
21
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Chemische
explosie
Low explosives (LE)
Pyrotechniek
Deflagratie
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met atmosferische zuurstof 22
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Low explosives (LE)
Chemische
explosie
Pyrotechniek
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met Atmosferische zuurstof 23
2.1 Chemische Explosies
HE: Primaire explosieven (ADR 1.1A, 1.1D) Makkelijk detoneerbaar (DDT) Gevaarlijk om te hanteren (schok/frictiegevoelig) Meestal in kleine hoeveelheden (≤ 1g)
Belangrijkste component in detonatoren
Veel voorkomende:
▪ Lood azide (lead azide, LA, PbN3) ▪ DDNP (diazodinitrophenol, DINOL)
▪ Kwik fulminaat (mercury fulminate)
▪ HMTD (Hexamethylenetriperoxidediamine)
▪ Aceton peroxide (AP; TCAP, CTAP, TATP)
24
2.1 Chemische Explosies
HE: Secundaire explosieven (ADR 1.1D,E,F) Matig gevoelig (varieert) Grootste groep explosieven Grote variatie in sterkte + toepassingsgebied
Enkele veel voorkomende:
▪ RDX (cyclotrimethylenetrinitramine) ▪ Nitroglycerine ▪ PETN (pentaerythritol tetranitraat, Pentriet) ▪ Nitroglycol ▪ HMX ▪ TNT (trinitrotolueen) ▪ Picrinezuur (TNP, picric acid) ▪ Tetryl
25
2.1 Chemische Explosies
HE: Tertiaire explosieven (ADR 1.4, 1.5, 1.6) Zeer ongevoelig Vooral ANFO, of bep. militaire munitie (IHE: FOX-7, NTO, TATB)
ANFO: Ammonium nitraat (poeder/korrels) + vloeibare brandstof (2-5%) Makkelijk te maken + goedkoop → gebruikt in grote hoeveelheden Veel gebruikt in commerciële toepassingen (mijnbouw) “Kunstmestbom”: ammonium nitraat verkrijgbaar als kunstmest (NPK 33-0-0)
Ammonium nitraat: explosie mogelijk bij brand ingesloten ruimte
26
2.1 Chemische Explosies
Explosive train
Initiatie explosieven: Explosive train Gevoeliger explosief om hoofdlading te detoneren
1
2
3
1.
2.
3.
Detonator
Booster
Hoofdlading
Detonator: primair explosief, onsteking via elektrische stroom of lont
27
2.1 Chemische Explosies
Explosieve organische verbindingen Meestal onstabiel Zeer onstabiel, (Uitz.: -NF2 )
Meestal vrij
stabiel
28
2.1 Chemische Explosies
Explosieve anorganische verbindingen (Per)Chloraat zouten Ammonium nitraat Metaal carbiden Waterstofperoxide (> 90 %)
Metaal azide zouten
Waterstofazide
Hydrazine zouten (nitraat, metaal complexen)
(Fulminaat zouten)
(Stikstof halides)
(Stikstof sulfide) 29
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Chemische
explosie
Low explosives (LE)
Pyrotechniek
Deflagratie
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met Atmosferische zuurstof 30
2.1 Chemische Explosies
LE: Pyrotechnisch materiaal (ADR 1.1, 1.3, 1.4 G) Meestal fysieke mengsels van brandstof en oxidants:
Buskruit (koolstof + zwavel + kalium nitraat)
Lucifer (zwavel + kalium chloraat)
Maar ook zuiver stoffen zoals nitrocellulose Kunnen zeer gevoelig zijn aan ontbranding door vonken, vlammen, … Insluiting/grote hoeveelheden: zeer destructief (vb. Vuurwerkramp Enschede)
31
2.1 Chemische Explosies
LE: Pyrotechnisch materiaal (ADR 1.1, 1.3, 1.4 G) Ook het meeste vuurwerk valt hieronder Compositie hangt af van gewenste effect (licht, geluid, rook, …) Vuurwerk type Ontstekingsas (first fire) Vertragingscompositie Rook effect Licht effect Geluid effect
Bestanddelen
Buskruit, (per)chloraat
Chromaten/metaaloxiden + brandstof Sublimerende kleurstof, witte fosfor,… Mg of Al poeder + oxidants Sas + picraten
Maar ook airbags, gordelspanners (natrium azide of stikstofrijke moleculen) 32
2.1 Chemische Explosies
TNT equivalentie voor gecondenseerde explosieven Meq,TNT = α x Mex
α=
𝑻𝑵𝑻 𝒆𝒒.(%)
𝟏𝟎𝟎
Explosief
TNT eq. (%)
Explosief
TNT eq. (%)
Lood azide
40
Picrinezuur
110
DDNP
105
Tetryl
130
Kwik fulminaat
51
ANFO
30-80*
TATP
80
Nitromethaan
101
RDX
150
C4
130
Nitroglycerine
140
PETN
145
HMX
150
AN
56
TNT
100
Dynamiet
105
Voor low explosives (vuurwerk, …): neem 40 % TNT (worst case) *: Afhankelijk van hoeveelheid + type toegevoegde brandstof
33
2.1 Chemische Explosies
TNT equivalentie voor gecondenseerde explosieven Meq,TNT = α x Mex
α=
𝑻𝑵𝑻 𝒆𝒒.(%)
𝟏𝟎𝟎
Vb: wat is de geschatte equivalente hoeveelheid TNT voor een explosie van 100 kg TATP?
TATP heeft een TNT equivalentie van 80 %:
α=
𝑇𝑁𝑇 𝑒𝑞.(%)
80
=
= 0.8
100
100
Meq,TNT = α x Mex = 0.8 x 100 kg = 80 kg
Een explosie van 100 kg TATP heeft de explosiekracht van ongeveer 80 kg TNT.
34
2.1 Chemische Explosies
(Legitiem) transport van explosieven: ADR klasse
Explosieven: ADR klasse 1
Ook pyrotechnische materialen vallen hieronder (vuurwerk) Uitgezonderd:
• Explosieven die gedesensitiseerd zijn met water/alcohol • Stoffen die een explosief mengsel kunnen vormen (bv. met lucht) maar zelf niet explosief zijn • Organische peroxiden: klasse 5.2 UN nummer begint met 0.
35
2.1 Chemische Explosies
(Legitiem) transport van explosieven: ADR klasse Subklasse 1.1
Massa explosie gevaar
1.2
Fragmentatie gevaar, maar geen massa explosie
1.3
Gevaar voor brand, maar weinig massa explosie/fragmentatie gevaar
1.4
Klein risico op lokale explosies, geen fragmentatie of massaexplosie
1.5
Ongevoelige explosieven (die wel massa explosie kunnen ondergaan)
1.6
Zeer ongevoelige explosieven die geen massa explosie kunnen ondergaan
Massa explosie: explosie waarbij gehele lading in zijn geheel kan exploderen Compatibiliteit A B C D E F G H J K L N S
Primair explosief
Primair explosief, in detonatoren Deflagrerend explosief Secundair explosief of buskruit of primair explosief met >2 veiligheidsmaatregelen Secundair explosief met aandrijflading Secundair explosief met eigen initiatiemogelijkheid Pyrotechnische stof Explosieve stof en witte fosfor Explosieve stof en brandbare vloeistof of gel Explosieve stof en toxische chemicaliën Explosieve stof die bijzondere incombabiliteit heeft (bv. Water) Enkel zeer ongevoelige explosieven Weinig gevaarlijke artikelen die bij brand geen significante hinder opleveren
36
2.1 Chemische Explosies
Hantering beperkte hoeveelheden gecondenseerde explosieven ❑ Zo veel mogelijk afstand houden ❑ Beschermende kledij (vooral ogen, vitale delen, oren) ❑ Fragmentatie in rekening nemen (glazen recipiënten,…) ❑ Contaminatie kan explosief extra onstabiel maken, vooral (sterke) zuren en metalen ❑ Opletten voor breken grote kristallen ❑ Wrijving/impact/hitte vermijden ❑ Statische elektriciteit ❑ Sublimatie op schroefdeksel ❑ Vermijd insluiting ❑ Vooral opletten bij: oude stalen, primaire explosieven, zelfgemaakte explosieven 37
2.1 Chemische Explosies
Interventie bij grote hoeveelheden ADR klasse 1 ❑ Evacueren als lading in brand staat ❑ Overspoelen met water (uitz. watergevoelige stoffen) ❑ Ontstekingsbronnen verwijderen bij lek
❑ Niet opruimen zonder raad expert
❑ Perimeter: zie deel 2 of ERG:
➢ ADR 1.1, 1.2, 1.3, 1.5: 800 m (lek) / 1600 m (brand) ➢ ADR 1.4, 1.6: 250 m (lek) / 500 m (brand) ➢ ADR 1.4S: 15 m 38
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Chemische
explosie
Low explosives (LE)
Pyrotechniek
Deflagratie
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met Atmosferische zuurstof 39
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: gevoeligheid LEL (Lower Explosive Limit): Minimale concentratie in lucht voor een explosie
UEL (Upper Explosive Limit): Maximale concentratie in lucht voor een explosie Zelfonstekingstemperatuur:
•
MCIT: ontstekingstemperatuur wolk (stof)
•
LIT: ontstekingstemperatuur laag (stof)
•
AIT: ontstekingstemperatuur damp (vloeistof/gas)
Minimale onstekingsenergie (MIE): Minimale elektrische energie om brandstoflucht mengsel te onsteken
40
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: gevoeligheid Vloeistof/Gas
LEL (%)
UEL (%)
Vlampunt (°C)
Zelfonsteking (°C)
MIE (mJ)
Aceton
2,6
12,8
-20
465
1,15
Acetyleen
2,5
100
-18
305
0,02
Ammoniak
15
28
11
651
680
CS2
1,3
50
-30
90
0,009
Cyclohexaan
1,3
8
-20
245
0,223
Diethyl ether
1,9
36
-45
180
0,19
Ethanol
3,3
19
13
363
0,65
Waterstof
4
75
-253
570
0,018
Methaan
5
15
-188
537
0,280
Methanol
6,7
36
11
464
0,140
Tolueen
1,27
6,75
4
480
0,24
Propaan
2,1
9,5
-104
450
0,250
CO
12,5
74
-191
609
<0,3
Ethyleenoxide
3
100
-55
429
0,062
Diesel
0,5
7,5
52-96
254-446
0,23
41
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: gevoeligheid
Stof (med Ø)
LEL (g/m3)
MCIT (°C)
MIE (mJ)
Cellulose (51)
100
500
250
Koffiepoeder (<10)
60
470
-
Melkpoeder (165)
60
460
75
Bruin steenkool (41)
30
420
160
Tarwemeel (65)
60
410
>100
Polyethylene (150)
150
480
-
Aluminium (23)
60
560
10
Zink (15)
400
540
750
Zwavel (180)
-
260
100-300
42
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: gevoeligheid Parameter
LEL/UEL
Zelfonstekingstemp.
MIE
Temperatuur ↑
↓/↑
-
↓
Druk ↑
↓/↑
↓
↓
Ontstekingsenergie ↑
↓/↑
-
-
Vochtigheid ↑
↑/-
↑
↑
Zuurstofconc. ↑
-/↑
↓
↓
Partikelgrootte ↓
↓/-
-
↓
Turbulentie ↑
-
-
↑
43
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: ernst Snelheid drukstijging:
➢ Kst (stofexplosie) ➢ Kg (gas/dampexplosie) Pmax: Maximale explosiedruk
Met P = druk, t = tijd,
K = explosieconstante, V = vrij volume
Vooral belangrijk voor keuze installatie en explosieveiligheden
44
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: ernst Stof: indeling in klassen op basis van Kst (hoger → hevigere explosie) Klasse
Kst (bar-m/s)
0
0
1
0-200
2
201-300
3
>300
Stof (Ø)
Kst (bar-m/sec)
Zaagmeel (29 µm)
205
Poedersuiker (30 µm)
138
Polystyreen (155 µm)
110
Zwavelstof (20 µm)
151
Aluminium (29 µm)
415
Polyethyleen (10 µm)
156
45
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: ernst
Gas
Kg (bar-m/sec)
Waterstof
659
Methaan
64
Propaan
96
Ethanol
78
46
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: ernst
•
•
Parameter
Pmax
Kst of Kg
Temperatuur ↑
↓
-
Druk ↑
↑
↑
Vochtigheid ↑
-
↓
Zuurstofconc. ↑
↑
↑
Partikelgrootte ↓
↑
↑
Turbulentie ↑
-
↑
Stofexplosie: Pmax bij overmaat brandstof
Gasexplosie: Pmax bij stoechimetrische concentratie 47
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Chemische
explosie
Low explosives (LE)
Pyrotechniek
Deflagratie
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met Atmosferische zuurstof 48
2.1 Chemische Explosies
VCE (Vapour Cloud Explosion) Deflagreren/detoneren van brandstofwolk met overdruk (tot 10 bar)
Bv. na lek of in pijpleidingen/reactorvaten + ontsteking Insluiting nodig voor explosie (afgesloten ruimte, omringende gebouwen,…)
49
2.1 Chemische Explosies
VCE (Vapour Cloud Explosion) Gas verspreidt zich gemakkelijk, concentratie kan traag opbouwen Veel lagere MIE als stofexplosies (uitz. metaalstof, ammoniak) Meestal onzichtbaar (tenzij nevel) Meer turbulentie (obstakels, etc.): vlamsnelheid stijgt, mogelijk DDT
Drukstijging is relatief t.o.v. de begindruk!! → Pressure Piling
P0 → P1
P’0 → P’1
P’0 > P0
P’1 > P1
50
2.1 Chemische Explosies
VCE (Vapour Cloud Explosion): TNT equivalentie Harris-Wickens model, op basis van verbrandingsenergie van brandstof :
𝑴𝑻𝑵𝑻 =0.2
∆𝑯𝒄 𝑴𝒇𝒖𝒆𝒍
𝟒𝟔𝟖𝟎 𝒌𝑱/𝒌𝒈
Met ΔHc = verbrandingsenthalpie
(kJ/kg), Mfuel = ingesloten massa brandstof (kg), MTNT = equivalente massa TNT (kg)
α = 0.2 , 4680 kJ/kg = explosie energie van TNT Enkel massa van ingesloten brandstofwolk Worst-case scenario van geavanceerdere modellen Overdruk in brandstofwolk wordt gelijk aan 1 bar gesteld
Overschat zwakke explosies (overdruk < 1 bar)
51
2.1 Chemische Explosies
VCE (Vapour Cloud Explosion): TNT equivalentie Verbrandingsenthalpieën Stof
∆Hc [kJ/kg]
Waterstof
142900
Ammoniak
22518
Hydrazine
20847
Methaan
55675
Acetyleen
50042
Propane
50436
Ethanol
29713
Diethyl ether
36809
Aceton
30860
Azijnzuur
14570
52
2.1 Chemische Explosies
VCE (Vapour Cloud Explosion): TNT equivalentie Vb. Een propaanlek van 1000 kg heeft een gaswolk gevormd waarvan ongeveer 40 % zich verspreid heeft in een installatie (de rest is in open terrein).
Indien een ontsteking en explosie van deze gaswolk zou plaatsvinden, wat is dan de geschatte explosiekracht in eq. TNT?
𝑀𝑇𝑁𝑇 =0.2
∆𝐻𝑐 𝑀𝑓𝑢𝑒𝑙
4680 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Mfuel = 0.4 x 1000 kg = 400 kg
ΔHc = 50 436 kJ/kg 𝑴𝑻𝑵𝑻 =0.2
𝟓𝟎𝟒𝟑𝟔
𝒌𝑱
×𝟒𝟎𝟎𝒌𝒈
𝒌𝒈
𝟒𝟔𝟖𝟎 𝒌𝑱/𝒌𝒈
= 862 kg TNT
53
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Chemische
explosie
Low explosives (LE)
Pyrotechniek
Deflagratie
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met Atmosferische zuurstof 54
2.1 Chemische Explosies
Stofexlosies
Deflagratie brandbare stofwolk (Ø < 0.5 mm) met overdruk generatie
Door grote specifieke oppervlakte: snelle ontbranding Insluiting en dispersie is noodzakelijk voor explosie Stofexplosie pentagon:
Brandstof
Zuurstof
Dispersie
Insluiting
Ontsteking
55
2.1 Chemische Explosies
Stofexlosies
Meestal minder hevig dan gasexplosies (tragere verbranding) Zeer breed explosiedomein: LEL = 20-60 g/m3 , UEL = 2-3 kg/m3
Concentratie stof in wolk niet homogeen
LEL stofexplosie >> toxische concentratie stof Duidelijk zichtbaar: belemmert zicht Stofwolk slaat neer zonder turbulentie Stoflagen kunnen onopgemerkt blijven
Metaalstof (Al, Mg): zeer hevige explosies, lage MIE Aanwezigheid brandbaar gas (hybride mengsels): LEL↓ , MIE↓, overdruk ↑ 56
2.1 Chemische Explosies
Stofexlosies
Vaak eerst kleine primaire explosie: opgehoopt stof dwarrelt op en ontsteekt → Veel krachtigere secundaire explosie Stelregels, gevaar bij
➢ Stofophoping: zodra men erin kan schrijven of voetstappen zien ➢ Stofwolk: 25W lamp niet meer goed zichtbaar op 2 m afstand of eigen uitgestrekte arm niet meer zichtbaar
57
2.1 Chemische Explosies
Stofexlosies: TNT equivalentie Meestal minder hevig dan gasexplosies (tragere verbranding) Maar voor zelfde volume: meer brandstof i.v.m. VCE Vaak deel onverbrand stof naar buiten geslingerd: kan dan ontbranden
TNT equivalentie (α = 0,1):
𝑴𝑻𝑵𝑻 =0.1
∆𝑯𝒄 𝑴𝒇𝒖𝒆𝒍
𝟒𝟔𝟖𝟎 𝒌𝑱/𝒌𝒈
Stof
∆Hc [kJ/kg]
Hout
21700
Steenkool
32500
Zwavel
9163
Aluminium
61111
Met ΔHc = verbrandingsenthalpie
(kJ/kg), Mfuel = massa brandstof (kg), MTNT = equivalente massa TNT (kg)
58
Chemisch
Andere
Fysisch
Nucleair
59
Deel 2: Oorzaken van Explosies
2.1 Chemische explosies Detonatie vs deflagratie Gecondenseerd: High explosives Gecondenseerd: Low explosives ADR transportklassen Volumetrisch: Gevoeligheid en ernst Volumetrisch: Vapour Cloud Explosie (VCE) Volumetrisch: Stofexplosie 2.2 Fysische explosies Drukvat explosie BLEVE Implosie Thermische explosie 2.3 Nucleaire explosies 60
2.2 Fysische Explosies
Explosie door snelle expansie gas of snelle fasetransitie naar gas (of beide)
Geen explosieve chemische reactie
Geen vuur, tenzij ontvlambare stoffen Voorbeelden:
➢ Drukvat explosie ➢ BLEVE ➢ Thermische explosie
➢ (Implosie)
61
2.2 Fysische Explosies
Drukvat explosie
Falen recipiënt met gas dat onder (hoge) druk staat
Plotse drukstijging door snelle expansie → explosie Volume en druk in recipiënt bepalen de explosiekracht Door overvullen, chemische reactie, verwering vat, impact, brand, … Gasvormingsreactie Runaway reactie (T >> Tb) Decompositiereactie
62
2.2 Fysische Explosies
Drukvat explosive: TNT equivalentie Model van Baker (ideaal gas) :
𝜸−𝟏
𝑷𝟏 𝑽
𝑷
MTNT = 0.04
(1 – ( 𝟎) 𝜸 )
𝟒𝟔𝟖𝟎𝒌𝑱/𝒌𝒈 ×(𝜸−𝟏) 𝑷𝟏
Met P1 = Druk in vat (bar), V = volume
vat (L), P0 = atmosferische druk (bar), γ = warmte capaciteit ratio
➢ Meeste gecompresseerde gassen kunnen beschouwd worden als ideaal (N2, lucht, …) ➢ Uitzondering: vloeibare gassen zoals LNG, ammoniak,
propaan → BLEVE (zie verder)
Gas
γ
Waterstof
1,41
Argon
1,67
Helium
1,66
Lucht
1,4
CO2
1,3
Zuurstof
1,4
Stikstof
1,4
Ammoniak
1,31
63
2.2 Fysische Explosies
Drukvat explosive: TNT equivalentie Vb.: Een gascilinder van 80 L met stikstofgas op 200 bar is sterk gecorrodeerd en breekt open. Hoe sterk is de kracht van de explosive in eq. TNT?
𝛾−1
𝑃1 𝑉
𝑃
MTNT = 0.04
(1 – ( 0) 𝛾 )
4680 ×(𝛾−1)
𝑃1 200 𝑏𝑎𝑟 × 80 𝐿 1.013 𝑏𝑎𝑟 1.4−1 MTNT = 0.04 (1 – ( ) 1.4 ) = 0.266 kg TNT 4680 𝑘𝐽/𝑘𝑔×(1.4−1) 200 𝑏𝑎𝑟
! TNT = gecondenseerd explosief (overschatting) !
64
2.2 Fysische Explosies
Implosie
Falen recipiënt in zeer lage onderdruk (<< 1 bar) Atmosferische lucht stroomt snel inwaarts
Weinig energie vrijgave wegens klein drukverschil (<1 bar) Voor zeer lage drukken:
𝑀𝑇𝑁𝑇 =
0.1 𝑉𝑃0
4680 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Met V = volume recipiënt (L) ,
P0 = atmosferische druk (bar)
Na implosie mogelijk fragmenten van recipiënt uitwaarts geslingerd
65
2.2 Fysische Explosies
BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) Vloeistof boven kookpunt in drukvat, dat plots openbarst met explosieve verdamping (flashing) tot gevolg
Meestal door externe brand:
➢ Brand doet vloeistof verdampen: P stijgt ➢ Veiligheidsklep opent: uitdampen vloeistof ➢ Tot brand boven vloeistofniveau: Twand ↑ tot deze scheurt ➢ Explosieve flashing van deel resterende vloeistof
Vloeistof hoeft niet brandbaar te zijn (vuurbal mogelijk indien wel) 66
2.2 Fysische Explosies
BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) Veiligheidsklep kan indicatie gevaar zijn (continu open = veel verdamping) BLEVE onder controle houden: tank koelen! (10 L/min per m2)
Druk ontlasten indien mogelijk
Extern vuur blussen Typische tijd van begin brand tot BLEVE: 5-30 min, als tank geïsoleerd: tijd ↑ Hoger risico op BLEVE:
➢ Tank volledig verzwolgen door vuur
➢ Steekvlam op tank ➢ Contact vuur hoog op tank Mogelijke vrijgave toxische producten!
67
2.2 Fysische Explosies
BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) Belangrijke factor: Ts = Superheat limit voor explosieve flashing Ts = 0.895 Tc , met Tc = kritische temperatuur T< Ts : “koude” BLEVE: drukvat explosie T≥ Ts : “warme” BLEVE ➢ Berekening explosiekracht is complex ➢ Voor LPG en simpele KWS:
MTNT = 0.013 MKWS Andere effecten: zie volgend deel cursus
Stof
Tc (°C)
Ts (°C)
Propaan
97
87
Ammoniak
132
118
Methaan
-82
-73
Zuurstof
-119
-107
Lucht
-141
-126
Water
374
335
68
2.2 Fysische Explosies
Thermische explosie
Zeer plotse opwarming van vloeistof/vaste stof
Zeer snelle faseovergang vloeistof/vaste stof → gas Expansie veroorzaakt schokgolf Bv.: gesmolten staal + water, Hete olie + water,…
69
Chemisch
Andere
Fysisch
Nucleair
70
2.3 Nucleaire Explosies
Energie door fissie of fusie atoomkernen Enorme kracht (kiloton – megaton TNT equivalent) Effecten (afh type bom):
➢ Schokgolf (± 50%)
➢ Thermische straling (± 35%)
➢ Nucleaire straling (± 5%) ➢ Residuele straling (± 10%)
T ≈ 10 miljoen °C
71
2.3 Nucleaire Explosies
Basisprincipe fissiebom: Kritische massa bereiken (kettingreactie)
Principe thermonucleair(fusie) wapen: via fissie kernfusie initiëren
TNT equivalentie: kracht kernbom is standaard uitgedrukt in ton TNT.
72
Einde deel 2
73
➢ Industrie
➢ Terrorisme/banditisme ➢ Transport ➢… 6
Oorzaken van Explosies
Chemisch
Andere
Fysisch
Nucleair
7
Gevolgen van Explosies
R
• Krater
• Hitte/brand
• Schokgolf
• Fragmentatie • Secundaire schade • (Penetratie) R
8
Koppeling Oorzaak – Gevolg: het TNT model
OORZAAK
GEVOLG
Chemische explosies
Fysische explosies
Nucleaire explosies
Schokgolf
Fragmentatie
Hitte/brand
Krater
Secundaire schade
Modellen
Berekenen
Conservatief
Overschatting
Tabellen
Berekenen
TNT equivalent
9
TNT-equivalentie: maat voor explosiekracht
Zet explosiebron om in equivalente massa TNT: Meq,TNT
Vaak uitgedrukt in % TNT of explosie efficiëntie (α): α x Mex = Meq,TNT Eenvoudig model, zeer breed toepasbaar, conservatieve schatting Minder accuraat als complexere modellen (bv. CFD), maar snel en makkelijk TNT is een gecondenseerd explosief!
10
Deel 2:
Oorzaken van Explosies
11
Chemisch
Andere
Fysisch
Nucleair
12
Deel 2: Oorzaken van Explosies
2.1 Chemische explosies Detonatie vs deflagratie Gecondenseerd: High explosives Gecondenseerd: Low explosives ADR transportklassen Volumetrisch: Gevoeligheid en ernst Volumetrisch: Vapour Cloud Explosie (VCE) Volumetrisch: Stofexplosie 2.2 Fysische explosies Drukvat explosie BLEVE Implosie Thermische explosie 2.3 Nucleaire explosies 13
2.1 Chemische Explosies
Vrijgave energie door snelle chemische reactie (of hoog oppervlak/volume) Meestal exotherme oxidatiereactie:
Brandstof
Ontsteking
Ook binnen zelfde
molecule
Oxidants
14
2.1 Chemische Explosies
Vrijgave energie door snelle chemische reactie (of hoog oppervlak/volume) Meestal exotherme oxidatiereactie Of explosieve decompositiereactie:
➢ Ethyleen oxide ➢ Ethylene ➢ Acetyleen ➢ > 92 % waterstofperoxide
15
2.1 Chemische Explosies
Ontsteking
Voldoende energie toevoegen om de explosiereactie te starten 1.
2.
Mechanisch:
Thermisch:
•
•
Impact: productie vonken. Vooral Mg,Al,Ti
legeringen met roestig metaal -> Thermietreactie Wrijving: wekt warmte op
•
•
•
•
Hete oppervlakten/deeltjes
Open vlam
Verbrandingsmotoren Schokgolven (adiabatische compressie)
16
2.1 Chemische Explosies
Ontsteking
Voldoende energie toevoegen om de explosiereactie te starten 3.
Elektrisch: •
•
•
•
•
Electrostatische ontlading
Bliksem
Hoogfrequente EM straling Elektrische schakelaars Gefocust licht
4.
Chemisch: •
•
•
Exotherme reacties
Decompositie
Polymerisatie
17
2.1 Chemische Explosies
Deflagratie vs Detonatie Subsonische reactiezone (< 300 m/s) Schokgolf sneller dan reactiefront Druk ≈ 10 bar
Insluiting nodig voor explosie
18
2.1 Chemische Explosies
Deflagratie vs Detonatie Supersonische reactiezone ( > 300 m/s), typisch 2000-9000 m/s
Schokgolf en reactiefront gekoppeld
Drukken ≈ 300.000 bar Veroorzaakt in elk geval een explosie Brisantie
19
2.1 Chemische Explosies
Deflagratie naar detonatie transfer (DDT) Deflagratie
Gassen doen
druk + temp. stijgen
Reactiesnelheid stijgt
Kettingreactie tot drukken/reactiesnelheden hoog genoeg zijn voor detonatie 20
2.1 Chemische Explosies
Deflagratie naar detonatie transfer (DDT) Brandende explosieven kunnen exploderen via dit mechanisme Factoren die DDT waarschijnlijker maken:
➢ Sterke vlamversnelling (turbulentie) ➢ Insluiting ➢ Porositeit materiaal (hoger: makkelijker DDT)
➢ Zeer krachtige ontstekingsbron
21
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Chemische
explosie
Low explosives (LE)
Pyrotechniek
Deflagratie
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met atmosferische zuurstof 22
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Low explosives (LE)
Chemische
explosie
Pyrotechniek
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met Atmosferische zuurstof 23
2.1 Chemische Explosies
HE: Primaire explosieven (ADR 1.1A, 1.1D) Makkelijk detoneerbaar (DDT) Gevaarlijk om te hanteren (schok/frictiegevoelig) Meestal in kleine hoeveelheden (≤ 1g)
Belangrijkste component in detonatoren
Veel voorkomende:
▪ Lood azide (lead azide, LA, PbN3) ▪ DDNP (diazodinitrophenol, DINOL)
▪ Kwik fulminaat (mercury fulminate)
▪ HMTD (Hexamethylenetriperoxidediamine)
▪ Aceton peroxide (AP; TCAP, CTAP, TATP)
24
2.1 Chemische Explosies
HE: Secundaire explosieven (ADR 1.1D,E,F) Matig gevoelig (varieert) Grootste groep explosieven Grote variatie in sterkte + toepassingsgebied
Enkele veel voorkomende:
▪ RDX (cyclotrimethylenetrinitramine) ▪ Nitroglycerine ▪ PETN (pentaerythritol tetranitraat, Pentriet) ▪ Nitroglycol ▪ HMX ▪ TNT (trinitrotolueen) ▪ Picrinezuur (TNP, picric acid) ▪ Tetryl
25
2.1 Chemische Explosies
HE: Tertiaire explosieven (ADR 1.4, 1.5, 1.6) Zeer ongevoelig Vooral ANFO, of bep. militaire munitie (IHE: FOX-7, NTO, TATB)
ANFO: Ammonium nitraat (poeder/korrels) + vloeibare brandstof (2-5%) Makkelijk te maken + goedkoop → gebruikt in grote hoeveelheden Veel gebruikt in commerciële toepassingen (mijnbouw) “Kunstmestbom”: ammonium nitraat verkrijgbaar als kunstmest (NPK 33-0-0)
Ammonium nitraat: explosie mogelijk bij brand ingesloten ruimte
26
2.1 Chemische Explosies
Explosive train
Initiatie explosieven: Explosive train Gevoeliger explosief om hoofdlading te detoneren
1
2
3
1.
2.
3.
Detonator
Booster
Hoofdlading
Detonator: primair explosief, onsteking via elektrische stroom of lont
27
2.1 Chemische Explosies
Explosieve organische verbindingen Meestal onstabiel Zeer onstabiel, (Uitz.: -NF2 )
Meestal vrij
stabiel
28
2.1 Chemische Explosies
Explosieve anorganische verbindingen (Per)Chloraat zouten Ammonium nitraat Metaal carbiden Waterstofperoxide (> 90 %)
Metaal azide zouten
Waterstofazide
Hydrazine zouten (nitraat, metaal complexen)
(Fulminaat zouten)
(Stikstof halides)
(Stikstof sulfide) 29
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Chemische
explosie
Low explosives (LE)
Pyrotechniek
Deflagratie
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met Atmosferische zuurstof 30
2.1 Chemische Explosies
LE: Pyrotechnisch materiaal (ADR 1.1, 1.3, 1.4 G) Meestal fysieke mengsels van brandstof en oxidants:
Buskruit (koolstof + zwavel + kalium nitraat)
Lucifer (zwavel + kalium chloraat)
Maar ook zuiver stoffen zoals nitrocellulose Kunnen zeer gevoelig zijn aan ontbranding door vonken, vlammen, … Insluiting/grote hoeveelheden: zeer destructief (vb. Vuurwerkramp Enschede)
31
2.1 Chemische Explosies
LE: Pyrotechnisch materiaal (ADR 1.1, 1.3, 1.4 G) Ook het meeste vuurwerk valt hieronder Compositie hangt af van gewenste effect (licht, geluid, rook, …) Vuurwerk type Ontstekingsas (first fire) Vertragingscompositie Rook effect Licht effect Geluid effect
Bestanddelen
Buskruit, (per)chloraat
Chromaten/metaaloxiden + brandstof Sublimerende kleurstof, witte fosfor,… Mg of Al poeder + oxidants Sas + picraten
Maar ook airbags, gordelspanners (natrium azide of stikstofrijke moleculen) 32
2.1 Chemische Explosies
TNT equivalentie voor gecondenseerde explosieven Meq,TNT = α x Mex
α=
𝑻𝑵𝑻 𝒆𝒒.(%)
𝟏𝟎𝟎
Explosief
TNT eq. (%)
Explosief
TNT eq. (%)
Lood azide
40
Picrinezuur
110
DDNP
105
Tetryl
130
Kwik fulminaat
51
ANFO
30-80*
TATP
80
Nitromethaan
101
RDX
150
C4
130
Nitroglycerine
140
PETN
145
HMX
150
AN
56
TNT
100
Dynamiet
105
Voor low explosives (vuurwerk, …): neem 40 % TNT (worst case) *: Afhankelijk van hoeveelheid + type toegevoegde brandstof
33
2.1 Chemische Explosies
TNT equivalentie voor gecondenseerde explosieven Meq,TNT = α x Mex
α=
𝑻𝑵𝑻 𝒆𝒒.(%)
𝟏𝟎𝟎
Vb: wat is de geschatte equivalente hoeveelheid TNT voor een explosie van 100 kg TATP?
TATP heeft een TNT equivalentie van 80 %:
α=
𝑇𝑁𝑇 𝑒𝑞.(%)
80
=
= 0.8
100
100
Meq,TNT = α x Mex = 0.8 x 100 kg = 80 kg
Een explosie van 100 kg TATP heeft de explosiekracht van ongeveer 80 kg TNT.
34
2.1 Chemische Explosies
(Legitiem) transport van explosieven: ADR klasse
Explosieven: ADR klasse 1
Ook pyrotechnische materialen vallen hieronder (vuurwerk) Uitgezonderd:
• Explosieven die gedesensitiseerd zijn met water/alcohol • Stoffen die een explosief mengsel kunnen vormen (bv. met lucht) maar zelf niet explosief zijn • Organische peroxiden: klasse 5.2 UN nummer begint met 0.
35
2.1 Chemische Explosies
(Legitiem) transport van explosieven: ADR klasse Subklasse 1.1
Massa explosie gevaar
1.2
Fragmentatie gevaar, maar geen massa explosie
1.3
Gevaar voor brand, maar weinig massa explosie/fragmentatie gevaar
1.4
Klein risico op lokale explosies, geen fragmentatie of massaexplosie
1.5
Ongevoelige explosieven (die wel massa explosie kunnen ondergaan)
1.6
Zeer ongevoelige explosieven die geen massa explosie kunnen ondergaan
Massa explosie: explosie waarbij gehele lading in zijn geheel kan exploderen Compatibiliteit A B C D E F G H J K L N S
Primair explosief
Primair explosief, in detonatoren Deflagrerend explosief Secundair explosief of buskruit of primair explosief met >2 veiligheidsmaatregelen Secundair explosief met aandrijflading Secundair explosief met eigen initiatiemogelijkheid Pyrotechnische stof Explosieve stof en witte fosfor Explosieve stof en brandbare vloeistof of gel Explosieve stof en toxische chemicaliën Explosieve stof die bijzondere incombabiliteit heeft (bv. Water) Enkel zeer ongevoelige explosieven Weinig gevaarlijke artikelen die bij brand geen significante hinder opleveren
36
2.1 Chemische Explosies
Hantering beperkte hoeveelheden gecondenseerde explosieven ❑ Zo veel mogelijk afstand houden ❑ Beschermende kledij (vooral ogen, vitale delen, oren) ❑ Fragmentatie in rekening nemen (glazen recipiënten,…) ❑ Contaminatie kan explosief extra onstabiel maken, vooral (sterke) zuren en metalen ❑ Opletten voor breken grote kristallen ❑ Wrijving/impact/hitte vermijden ❑ Statische elektriciteit ❑ Sublimatie op schroefdeksel ❑ Vermijd insluiting ❑ Vooral opletten bij: oude stalen, primaire explosieven, zelfgemaakte explosieven 37
2.1 Chemische Explosies
Interventie bij grote hoeveelheden ADR klasse 1 ❑ Evacueren als lading in brand staat ❑ Overspoelen met water (uitz. watergevoelige stoffen) ❑ Ontstekingsbronnen verwijderen bij lek
❑ Niet opruimen zonder raad expert
❑ Perimeter: zie deel 2 of ERG:
➢ ADR 1.1, 1.2, 1.3, 1.5: 800 m (lek) / 1600 m (brand) ➢ ADR 1.4, 1.6: 250 m (lek) / 500 m (brand) ➢ ADR 1.4S: 15 m 38
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Chemische
explosie
Low explosives (LE)
Pyrotechniek
Deflagratie
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met Atmosferische zuurstof 39
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: gevoeligheid LEL (Lower Explosive Limit): Minimale concentratie in lucht voor een explosie
UEL (Upper Explosive Limit): Maximale concentratie in lucht voor een explosie Zelfonstekingstemperatuur:
•
MCIT: ontstekingstemperatuur wolk (stof)
•
LIT: ontstekingstemperatuur laag (stof)
•
AIT: ontstekingstemperatuur damp (vloeistof/gas)
Minimale onstekingsenergie (MIE): Minimale elektrische energie om brandstoflucht mengsel te onsteken
40
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: gevoeligheid Vloeistof/Gas
LEL (%)
UEL (%)
Vlampunt (°C)
Zelfonsteking (°C)
MIE (mJ)
Aceton
2,6
12,8
-20
465
1,15
Acetyleen
2,5
100
-18
305
0,02
Ammoniak
15
28
11
651
680
CS2
1,3
50
-30
90
0,009
Cyclohexaan
1,3
8
-20
245
0,223
Diethyl ether
1,9
36
-45
180
0,19
Ethanol
3,3
19
13
363
0,65
Waterstof
4
75
-253
570
0,018
Methaan
5
15
-188
537
0,280
Methanol
6,7
36
11
464
0,140
Tolueen
1,27
6,75
4
480
0,24
Propaan
2,1
9,5
-104
450
0,250
CO
12,5
74
-191
609
<0,3
Ethyleenoxide
3
100
-55
429
0,062
Diesel
0,5
7,5
52-96
254-446
0,23
41
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: gevoeligheid
Stof (med Ø)
LEL (g/m3)
MCIT (°C)
MIE (mJ)
Cellulose (51)
100
500
250
Koffiepoeder (<10)
60
470
-
Melkpoeder (165)
60
460
75
Bruin steenkool (41)
30
420
160
Tarwemeel (65)
60
410
>100
Polyethylene (150)
150
480
-
Aluminium (23)
60
560
10
Zink (15)
400
540
750
Zwavel (180)
-
260
100-300
42
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: gevoeligheid Parameter
LEL/UEL
Zelfonstekingstemp.
MIE
Temperatuur ↑
↓/↑
-
↓
Druk ↑
↓/↑
↓
↓
Ontstekingsenergie ↑
↓/↑
-
-
Vochtigheid ↑
↑/-
↑
↑
Zuurstofconc. ↑
-/↑
↓
↓
Partikelgrootte ↓
↓/-
-
↓
Turbulentie ↑
-
-
↑
43
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: ernst Snelheid drukstijging:
➢ Kst (stofexplosie) ➢ Kg (gas/dampexplosie) Pmax: Maximale explosiedruk
Met P = druk, t = tijd,
K = explosieconstante, V = vrij volume
Vooral belangrijk voor keuze installatie en explosieveiligheden
44
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: ernst Stof: indeling in klassen op basis van Kst (hoger → hevigere explosie) Klasse
Kst (bar-m/s)
0
0
1
0-200
2
201-300
3
>300
Stof (Ø)
Kst (bar-m/sec)
Zaagmeel (29 µm)
205
Poedersuiker (30 µm)
138
Polystyreen (155 µm)
110
Zwavelstof (20 µm)
151
Aluminium (29 µm)
415
Polyethyleen (10 µm)
156
45
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: ernst
Gas
Kg (bar-m/sec)
Waterstof
659
Methaan
64
Propaan
96
Ethanol
78
46
2.1 Chemische Explosies
Volumetrische explosieven: ernst
•
•
Parameter
Pmax
Kst of Kg
Temperatuur ↑
↓
-
Druk ↑
↑
↑
Vochtigheid ↑
-
↓
Zuurstofconc. ↑
↑
↑
Partikelgrootte ↓
↑
↑
Turbulentie ↑
-
↑
Stofexplosie: Pmax bij overmaat brandstof
Gasexplosie: Pmax bij stoechimetrische concentratie 47
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Chemische
explosie
Low explosives (LE)
Pyrotechniek
Deflagratie
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met Atmosferische zuurstof 48
2.1 Chemische Explosies
VCE (Vapour Cloud Explosion) Deflagreren/detoneren van brandstofwolk met overdruk (tot 10 bar)
Bv. na lek of in pijpleidingen/reactorvaten + ontsteking Insluiting nodig voor explosie (afgesloten ruimte, omringende gebouwen,…)
49
2.1 Chemische Explosies
VCE (Vapour Cloud Explosion) Gas verspreidt zich gemakkelijk, concentratie kan traag opbouwen Veel lagere MIE als stofexplosies (uitz. metaalstof, ammoniak) Meestal onzichtbaar (tenzij nevel) Meer turbulentie (obstakels, etc.): vlamsnelheid stijgt, mogelijk DDT
Drukstijging is relatief t.o.v. de begindruk!! → Pressure Piling
P0 → P1
P’0 → P’1
P’0 > P0
P’1 > P1
50
2.1 Chemische Explosies
VCE (Vapour Cloud Explosion): TNT equivalentie Harris-Wickens model, op basis van verbrandingsenergie van brandstof :
𝑴𝑻𝑵𝑻 =0.2
∆𝑯𝒄 𝑴𝒇𝒖𝒆𝒍
𝟒𝟔𝟖𝟎 𝒌𝑱/𝒌𝒈
Met ΔHc = verbrandingsenthalpie
(kJ/kg), Mfuel = ingesloten massa brandstof (kg), MTNT = equivalente massa TNT (kg)
α = 0.2 , 4680 kJ/kg = explosie energie van TNT Enkel massa van ingesloten brandstofwolk Worst-case scenario van geavanceerdere modellen Overdruk in brandstofwolk wordt gelijk aan 1 bar gesteld
Overschat zwakke explosies (overdruk < 1 bar)
51
2.1 Chemische Explosies
VCE (Vapour Cloud Explosion): TNT equivalentie Verbrandingsenthalpieën Stof
∆Hc [kJ/kg]
Waterstof
142900
Ammoniak
22518
Hydrazine
20847
Methaan
55675
Acetyleen
50042
Propane
50436
Ethanol
29713
Diethyl ether
36809
Aceton
30860
Azijnzuur
14570
52
2.1 Chemische Explosies
VCE (Vapour Cloud Explosion): TNT equivalentie Vb. Een propaanlek van 1000 kg heeft een gaswolk gevormd waarvan ongeveer 40 % zich verspreid heeft in een installatie (de rest is in open terrein).
Indien een ontsteking en explosie van deze gaswolk zou plaatsvinden, wat is dan de geschatte explosiekracht in eq. TNT?
𝑀𝑇𝑁𝑇 =0.2
∆𝐻𝑐 𝑀𝑓𝑢𝑒𝑙
4680 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Mfuel = 0.4 x 1000 kg = 400 kg
ΔHc = 50 436 kJ/kg 𝑴𝑻𝑵𝑻 =0.2
𝟓𝟎𝟒𝟑𝟔
𝒌𝑱
×𝟒𝟎𝟎𝒌𝒈
𝒌𝒈
𝟒𝟔𝟖𝟎 𝒌𝑱/𝒌𝒈
= 862 kg TNT
53
2.1 Chemische Explosies
Klassering
Gecondenseerde explosieven Snelle (auto-oxidatie) reactie
High explosives (HE)
Detonatie
Primair: gevoelig
Secundair: matig gevoelig
Tertiair: ongevoelig
Chemische
explosie
Low explosives (LE)
Pyrotechniek
Deflagratie
Aandrijfstoffen
VCE: vapour cloud explosion
Stofexplosie
Volumetrische explosieven Reactie met Atmosferische zuurstof 54
2.1 Chemische Explosies
Stofexlosies
Deflagratie brandbare stofwolk (Ø < 0.5 mm) met overdruk generatie
Door grote specifieke oppervlakte: snelle ontbranding Insluiting en dispersie is noodzakelijk voor explosie Stofexplosie pentagon:
Brandstof
Zuurstof
Dispersie
Insluiting
Ontsteking
55
2.1 Chemische Explosies
Stofexlosies
Meestal minder hevig dan gasexplosies (tragere verbranding) Zeer breed explosiedomein: LEL = 20-60 g/m3 , UEL = 2-3 kg/m3
Concentratie stof in wolk niet homogeen
LEL stofexplosie >> toxische concentratie stof Duidelijk zichtbaar: belemmert zicht Stofwolk slaat neer zonder turbulentie Stoflagen kunnen onopgemerkt blijven
Metaalstof (Al, Mg): zeer hevige explosies, lage MIE Aanwezigheid brandbaar gas (hybride mengsels): LEL↓ , MIE↓, overdruk ↑ 56
2.1 Chemische Explosies
Stofexlosies
Vaak eerst kleine primaire explosie: opgehoopt stof dwarrelt op en ontsteekt → Veel krachtigere secundaire explosie Stelregels, gevaar bij
➢ Stofophoping: zodra men erin kan schrijven of voetstappen zien ➢ Stofwolk: 25W lamp niet meer goed zichtbaar op 2 m afstand of eigen uitgestrekte arm niet meer zichtbaar
57
2.1 Chemische Explosies
Stofexlosies: TNT equivalentie Meestal minder hevig dan gasexplosies (tragere verbranding) Maar voor zelfde volume: meer brandstof i.v.m. VCE Vaak deel onverbrand stof naar buiten geslingerd: kan dan ontbranden
TNT equivalentie (α = 0,1):
𝑴𝑻𝑵𝑻 =0.1
∆𝑯𝒄 𝑴𝒇𝒖𝒆𝒍
𝟒𝟔𝟖𝟎 𝒌𝑱/𝒌𝒈
Stof
∆Hc [kJ/kg]
Hout
21700
Steenkool
32500
Zwavel
9163
Aluminium
61111
Met ΔHc = verbrandingsenthalpie
(kJ/kg), Mfuel = massa brandstof (kg), MTNT = equivalente massa TNT (kg)
58
Chemisch
Andere
Fysisch
Nucleair
59
Deel 2: Oorzaken van Explosies
2.1 Chemische explosies Detonatie vs deflagratie Gecondenseerd: High explosives Gecondenseerd: Low explosives ADR transportklassen Volumetrisch: Gevoeligheid en ernst Volumetrisch: Vapour Cloud Explosie (VCE) Volumetrisch: Stofexplosie 2.2 Fysische explosies Drukvat explosie BLEVE Implosie Thermische explosie 2.3 Nucleaire explosies 60
2.2 Fysische Explosies
Explosie door snelle expansie gas of snelle fasetransitie naar gas (of beide)
Geen explosieve chemische reactie
Geen vuur, tenzij ontvlambare stoffen Voorbeelden:
➢ Drukvat explosie ➢ BLEVE ➢ Thermische explosie
➢ (Implosie)
61
2.2 Fysische Explosies
Drukvat explosie
Falen recipiënt met gas dat onder (hoge) druk staat
Plotse drukstijging door snelle expansie → explosie Volume en druk in recipiënt bepalen de explosiekracht Door overvullen, chemische reactie, verwering vat, impact, brand, … Gasvormingsreactie Runaway reactie (T >> Tb) Decompositiereactie
62
2.2 Fysische Explosies
Drukvat explosive: TNT equivalentie Model van Baker (ideaal gas) :
𝜸−𝟏
𝑷𝟏 𝑽
𝑷
MTNT = 0.04
(1 – ( 𝟎) 𝜸 )
𝟒𝟔𝟖𝟎𝒌𝑱/𝒌𝒈 ×(𝜸−𝟏) 𝑷𝟏
Met P1 = Druk in vat (bar), V = volume
vat (L), P0 = atmosferische druk (bar), γ = warmte capaciteit ratio
➢ Meeste gecompresseerde gassen kunnen beschouwd worden als ideaal (N2, lucht, …) ➢ Uitzondering: vloeibare gassen zoals LNG, ammoniak,
propaan → BLEVE (zie verder)
Gas
γ
Waterstof
1,41
Argon
1,67
Helium
1,66
Lucht
1,4
CO2
1,3
Zuurstof
1,4
Stikstof
1,4
Ammoniak
1,31
63
2.2 Fysische Explosies
Drukvat explosive: TNT equivalentie Vb.: Een gascilinder van 80 L met stikstofgas op 200 bar is sterk gecorrodeerd en breekt open. Hoe sterk is de kracht van de explosive in eq. TNT?
𝛾−1
𝑃1 𝑉
𝑃
MTNT = 0.04
(1 – ( 0) 𝛾 )
4680 ×(𝛾−1)
𝑃1 200 𝑏𝑎𝑟 × 80 𝐿 1.013 𝑏𝑎𝑟 1.4−1 MTNT = 0.04 (1 – ( ) 1.4 ) = 0.266 kg TNT 4680 𝑘𝐽/𝑘𝑔×(1.4−1) 200 𝑏𝑎𝑟
! TNT = gecondenseerd explosief (overschatting) !
64
2.2 Fysische Explosies
Implosie
Falen recipiënt in zeer lage onderdruk (<< 1 bar) Atmosferische lucht stroomt snel inwaarts
Weinig energie vrijgave wegens klein drukverschil (<1 bar) Voor zeer lage drukken:
𝑀𝑇𝑁𝑇 =
0.1 𝑉𝑃0
4680 𝑘𝐽/𝑘𝑔
Met V = volume recipiënt (L) ,
P0 = atmosferische druk (bar)
Na implosie mogelijk fragmenten van recipiënt uitwaarts geslingerd
65
2.2 Fysische Explosies
BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) Vloeistof boven kookpunt in drukvat, dat plots openbarst met explosieve verdamping (flashing) tot gevolg
Meestal door externe brand:
➢ Brand doet vloeistof verdampen: P stijgt ➢ Veiligheidsklep opent: uitdampen vloeistof ➢ Tot brand boven vloeistofniveau: Twand ↑ tot deze scheurt ➢ Explosieve flashing van deel resterende vloeistof
Vloeistof hoeft niet brandbaar te zijn (vuurbal mogelijk indien wel) 66
2.2 Fysische Explosies
BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) Veiligheidsklep kan indicatie gevaar zijn (continu open = veel verdamping) BLEVE onder controle houden: tank koelen! (10 L/min per m2)
Druk ontlasten indien mogelijk
Extern vuur blussen Typische tijd van begin brand tot BLEVE: 5-30 min, als tank geïsoleerd: tijd ↑ Hoger risico op BLEVE:
➢ Tank volledig verzwolgen door vuur
➢ Steekvlam op tank ➢ Contact vuur hoog op tank Mogelijke vrijgave toxische producten!
67
2.2 Fysische Explosies
BLEVE (Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion) Belangrijke factor: Ts = Superheat limit voor explosieve flashing Ts = 0.895 Tc , met Tc = kritische temperatuur T< Ts : “koude” BLEVE: drukvat explosie T≥ Ts : “warme” BLEVE ➢ Berekening explosiekracht is complex ➢ Voor LPG en simpele KWS:
MTNT = 0.013 MKWS Andere effecten: zie volgend deel cursus
Stof
Tc (°C)
Ts (°C)
Propaan
97
87
Ammoniak
132
118
Methaan
-82
-73
Zuurstof
-119
-107
Lucht
-141
-126
Water
374
335
68
2.2 Fysische Explosies
Thermische explosie
Zeer plotse opwarming van vloeistof/vaste stof
Zeer snelle faseovergang vloeistof/vaste stof → gas Expansie veroorzaakt schokgolf Bv.: gesmolten staal + water, Hete olie + water,…
69
Chemisch
Andere
Fysisch
Nucleair
70
2.3 Nucleaire Explosies
Energie door fissie of fusie atoomkernen Enorme kracht (kiloton – megaton TNT equivalent) Effecten (afh type bom):
➢ Schokgolf (± 50%)
➢ Thermische straling (± 35%)
➢ Nucleaire straling (± 5%) ➢ Residuele straling (± 10%)
T ≈ 10 miljoen °C
71
2.3 Nucleaire Explosies
Basisprincipe fissiebom: Kritische massa bereiken (kettingreactie)
Principe thermonucleair(fusie) wapen: via fissie kernfusie initiëren
TNT equivalentie: kracht kernbom is standaard uitgedrukt in ton TNT.
72
Einde deel 2
73