Labor für Explosionsprüfungen
In der modernen Industrie kommt der Prozesssicherheit eine zentrale Bedeutung zu, insbesondere im Umgang mit potenziell gefährlichen Stoffen und Gemischen.
Um Risiken zu minimieren und ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten, ist es unerlässlich, die sicherheitsrelevanten Parameter dieser Stoffe genau zu kennen.
Risikominderung
Die in der Literatur angegebenen Parameter basieren in der Regel auf Standardbedingungen, die erheblich von den Prozessbedingungen abweichen können und unter Sicherheitsgesichtspunkten kritisch geprüft werden sollten.
Unser PROTEGO®-Prüflabor bietet die Möglichkeit, verschiedene Parameter unter nicht-atmosphärischen Bedingungen zu bestimmen, wodurch sich der Einfluss Ihrer individuellen Prozessbedingungen (Druck, Temperatur, Oxidationsmittel, Inertgase usw.) ermitteln lässt.
Die Untersuchung von Explosionsdruck, Zündgrenzen, maximalem Explosionsdruckanstieg, Grenzsauerstoffkonzentration oder maximalem experimentellen Sicherheitsabstand unter realistischen Betriebsbedingungen liefert präzise Daten, die zur Risikominimierung beitragen und gleichzeitig Kosten durch Überdimensionierung vermeiden.
Normspaltweite MESG (Explosionsgruppe)
Die Bewertung der Zünddurchdringungsfähigkeit eines Stoffes erfolgt gemäß EN ISO/IEC 80079-20-1 in einem MESG-Messgerät; anschließend wird der Stoff auf der Grundlage der Versuchsergebnisse in eine der Explosionsgruppen IIA1, IIA, IIB1, IIB2, IIB3, IIB oder IIC eingestuft.
Quantifizierung von Bedingungen, die Explosionsgruppen verändern
Die Explosionsgruppe eines Stoffes dient dazu, die Eignung von Flammendurchschlagsicherungen oder Armaturen mit der Zündschutzart „druckfeste Kapselung“ (Ex d) für den jeweiligen Stoff zu beurteilen. Neben der Bestimmung der MESG von reinen Stoffen bietet das PROTEGO®-Prüflabor auch die Möglichkeit, den Einfluss von Temperatur, Druck, Inertgasen oder Oxidationsmitteln zu quantifizieren. Mögliche Anwendungsbereiche könnten beispielsweise die Bestimmung des erforderlichen Inertgasanteils sein, um die Explosionsgruppe eines bestimmten Stoffgemisches von IIC auf IIA zu ändern und damit eine kosteneffizientere Anlagenauslegung zu erreichen.
Untere und obere Entflammbarkeitsgrenze
Es können verschiedene Maßnahmen aus dem Bereich der primären Explosionssicherung Explosionssicherung An explosion protection is a flame arrester that prevents flame propagation into plant sections to be protected during explosions. ergriffen werden, um das Entstehen explosionsfähiger Atmosphären innerhalb einer Anlage zu verhindern. Eine der wichtigsten davon ist die Sicherstellung, dass die Zündgrenzen eines Stoffes oder Gemisches weder überschritten noch unterschritten werden.
Diese Parameter können bei Atmosphärendruck gemäß EN 1839:2017-04 unter Verwendung der Rohr- oder Bombenmethode bestimmt werden, wobei für erhöhte Drücke nur die Bombenmethode gemäß EN 17624:2022 anwendbar ist. Bei diesem Verfahren wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einen Explosionsdruck-Autoklaven geleitet und dort mittels Hochspannungsentladung, Explosionsdraht oder Gleitfunkenzündung gezündet.
Messung des dynamischen Drucks zur Zündsicherheit
Anhand der Messung des dynamischen Drucks in der Wand lässt sich feststellen, ob das Kriterium für die Entzündung des Gemisches (Druckanstieg um 5 % oder 2 % gegenüber dem Ausgangsdruck Ausgangsdruck Outlet pressure is the pressure at the outlet of the valve. ) erfüllt ist oder ob der Wert unter den Grenzwert fällt. Das Gemisch kann entweder durch ein Partialdruckverfahren oder durch vollständige Verdampfung der Flüssigkeitsströme und anschließende Homogenisierung mit dem Gas- oder Luftstrom erzeugt werden.
Bei der Anwendung von Explosionsgrenzwerten zur Gewährleistung einer sicheren Prozesssteuerung ist zu beachten, dass die im Labor ermittelten Kennzahlen nicht immer direkt auf den Prozess übertragbar sind. Dies kann auf unterschiedliche Umgebungsbedingungen zurückzuführen sein, insbesondere auf Temperatur und Druck, die einen entscheidenden Einfluss auf die Kennzahlen haben können.
Flammpunkt
Anhand des sogenannten „Flammpunkts“ lässt sich beurteilen, ob oder unter welchen Umgebungsbedingungen über einer Flüssigkeit eine explosionsfähige Atmosphäre entsteht. Dieser Sicherheitsparameter ist einer der ältesten und dient seit dem 19. Jahrhundert als Standard für die Explosionsrisikobewertung.
Zur Bestimmung des Flammpunkts wird eine Flüssigkeitsprobe mit definiertem Volumen unter einem konstanten Temperaturgradienten erhitzt und in bestimmten Zeitabständen mit einer geeigneten
Zündquelle
Zündquelle
Any source with enough energy to initiate combustion.
auf Entzündbarkeit geprüft. Die Art der Zündquelle, das Volumen und der Temperaturgradient werden durch die verwendete Norm festgelegt, was bedeutet, dass die ermittelten Werte innerhalb eines bestimmten Bereichs variieren können.
Aus Sicherheitsgründen ist es wichtig zu prüfen, ob die verwendete Norm auf den zu prüfenden Stoff oder das zu prüfende Gemisch anwendbar ist, um einen konservativen Sicherheitsansatz zu verfolgen. Das Beispiel der Aceton-Ethylenglykol-Gemische in der Abbildung zeigt, dass die ISO 13736 im Vergleich zur ISO 1523 bei Gemischen mit geringen Anteilen an niedrigsiedenden Bestandteilen oder Verunreinigungen deutlich in Richtung einer unsicheren Seite abweicht.
Grenzkonzentration von Sauerstoff
Neben den bereits erwähnten Explosionsgrenzen Explosionsgrenzen Limits of explosion range. ist ein weiterer wichtiger Parameter für die primäre Explosionssicherung die sogenannte Grenzsauerstoffkonzentration. Dabei handelt es sich um die höchste Sauerstoffkonzentration in einem Gemisch aus Brennstoff, Inertgas Inertgas Non-flammable gas which will not support combustion and does not react to produce a flammable gas. und Luft, bei der keine Explosion Explosion Abrupt oxidation or decomposition reaction producing an increase in temperature, pressure, or in both simultaneously. auftreten kann.
Die LOC kann gemäß EN 1839:2017-04 unter Verwendung der Rohr- oder Bombenmethode bestimmt werden, wobei diese Norm auf Temperaturen bis zu 200 °C und atmosphärischen Anfangsdruck beschränkt ist. Soll die LOC bei erhöhten Anfangsdrücken bestimmt werden, ist dies nur mit der Bombenmethode in Anlehnung an EN 17624:2022 möglich, die die Bestimmung von Explosionsgrenzen bei Drücken bis zu 100 bar definiert.
Im Gegensatz zur Bestimmung der Explosionsgrenzen variiert der LOC nicht nur den Brennstoffanteil, sondern fügt auch ein Inertgas hinzu. Durch die Messung verschiedener Zusammensetzungen im ternären Gemisch erhält man Dreiecksdiagramme mit dem jeweiligen Explosionsbereich, wie in der Abbildung dargestellt.
Zündtemperatur
Um beurteilen zu können, ob die Erwärmung der Oberfläche einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise einer Pumpe oder eines Ventilators, in einer explosionsfähigen Atmosphäre eine Zündgefahr für das umgebende Medium darstellt, müssen sowohl die maximale Oberflächentemperatur des Geräts als auch die Zündtemperatur des Mediums bekannt sein.
Die Zündtemperatur eines Stoffes ist die Temperatur, bei der er sich auf einer heißen Oberfläche in Luftatmosphäre ohne zusätzliche Zündquellen wie elektrische Funken spontan entzündet.
Für diese Bestimmung können verschiedene Normen herangezogen werden, z. B. ISO-IEC 80079-20-1. Gemäß dieser Norm erfolgt die Bestimmung in einem Erlenmeyerkolben aus Borosilikatglas (V = 200 ml), der in einem Ofen erhitzt wird.
Der Erlenmeyerkolben wird ausgehend von einer Temperatur von 80 °C mit einem konstanten Temperaturgradienten erhitzt, und die Probe wird in definierten Volumina und in definierten Intervallen zugegeben. Bei einer bestimmten Oberflächentemperatur des Erlenmeyerkolbens entzündet sich die Probe. Ausgehend von dieser Temperatur werden Versuche bei sukzessive niedrigeren Temperaturen durchgeführt, um festzustellen, ob eine Entzündung noch auftritt, bis die Temperatur erreicht ist, bei der eine Entzündung zuverlässig ausgeschlossen werden kann. Auf der Grundlage dieser Temperatur wird die Probe in eine der Temperaturklassen von T1 bis T6 eingestuft.
Maximaler Explosionsdruck und Druckanstieg von Gasen und Dämpfen
Wenn die primären und sekundären Maßnahmen zur Explosionssicherung zur Vermeidung explosionsfähiger Atmosphären und wirksamer Zündquellen für eine bestimmte Anwendung keinen ausreichenden Schutz bieten, können tertiäre Maßnahmen zur Explosionssicherung zum Einsatz kommen. Diese Maßnahmen begrenzen die Auswirkungen einer Explosion durch konstruktive Vorkehrungen auf ein sicheres Maß. Dies lässt sich in erster Linie durch explosionsdruckfeste (stoßfeste) Konstruktionen, Druckentlastungsarmaturen und Entkopplungssysteme erreichen.
Der maximale Explosionsdruck (pmax) und die Druckanstiegsgeschwindigkeit (dp/dtmax oder KG-Wert) gehören zu den Faktoren, die für die korrekte Auslegung dieser Maßnahmen relevant sind. Diese Werte sowie die Explosionsgrenzen und die Sauerstoffkonzentrationsgrenze lassen sich in einem kugelförmigen Explosionsdruck-Autoklaven ermitteln, in dem der Stoff in gasförmiger oder dampfförmiger Form vorliegt und zur Explosion gebracht wird.
Die Grafik zeigt Beispiele für die Explosionsdruckkurven und deren erste Ableitungen für Wasserstoff, Ethylen und Methan in Luft. In Bezug auf den Explosionsdruck ist deutlich zu erkennen, dass die drei Stoffe relativ ähnliche Werte aufweisen, die entsprechenden Druckanstiegsraten jedoch sehr unterschiedlich sind. Es ist ersichtlich, dass Wasserstoff den mit Abstand höchsten KG-Wert aufweist, der mehr als zwölfmal so hoch ist wie der von Methan.
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