Hybride Gemische 01.05.2016, 00:00 Uhr

Hybride Gemische

Bei der Auslegung explosionstechnischer Schutzmaßnahmen in der staubverarbeitenden Industrie sind genaue Kenntnisse der Eigenschaften der verarbeiteten brennbaren Stäube erforderlich. Brenn- und Explosionskenngrößen werden benötigt, um potenzielle Zündquellen zu bewerten oder konstruktive Explosionsschutzmaßnahmen auslegen zu können. 2015 haben wir in dieser Zeitschrift bereits über das „Das Verhalten sicherheitstechnischer Kenngrößen von Stäuben unter nicht-atmosphärischen Bedingungen“ [1] berichtet. Die damaligen Erkenntnisse wurden im Rahmen eines durch die BG RCI geförderten Forschungsvorhabens erlangt. Dieses Forschungsvorhaben wurde fortgeführt, um den in der Literatur verfügbaren Wissensstand über den Einfluss von Brenngasen auf explosionsfähige Staub/Luft-Gemische zu ermitteln und zu bewerten. Im Folgenden sind die wesentlichen Ergebnisse zusammengefasst.

Riesenexplosion

Riesenexplosion

In vielen Verfahren in der Industrie gibt es Prozessschritte, in denen aufgewirbelte brennbare Stäube und gleichzeitig auch brennbare Gase bzw. Dämpfe brennbarer Lösungsmittel vorliegen. Diese Gemische werden als hybride Gemische bezeichnet. Um dem Anwender einen Leitfaden zum Umgang und zur Berücksichtigung der zusätzlichen Gefährdung durch ein hybrides Gemisch zu geben, hat die DEKRA EXAM GmbH im Auftrag der Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie (BG RCI) ein Forschungsprojekt durchgeführt. Ziel war es, mithilfe einer ausgedehnten Literaturrecherche einen Überblick über den Stand des Wissens in diesem Bereich zu bekommen. Weiterhin wurden Empfehlungen für mögliche Abschätzmethoden erarbeitet. Darüber hinaus flossen in die Empfehlungen vor allem die Erfahrungen von Experten aus Prüflaboren benannter Stellen, Betreiber- und Berufsgenossenschaftlichen Laboren sowie von Forschungsinstitutionen wie der BAM und der PTB ein.

Vorliegen eines explosionsfähigen hybriden Gemischs

Wie bereits erwähnt, ist mit der An­wesenheit explosionsfähiger hybrider Gemische immer dann zu rechnen, wenn in einem System gleichzeitig aufgewirbelter brennbarer Staub und brennbare Gase bzw. Lösemitteldämpfe vorliegen. Eine Definition des Begriffs findet sich in der Richtlinie VDI 2263 Blatt 5 [2]. Demnach ist mit dem Vorhandensein eines hybriden Gemischs zu rechnen, wenn die Konzentration der Gas- bzw. Dampfphase > 20 % der unteren Explosionsgrenze (UEG) beträgt. Für lösemittelfeuchte Stäube wäre demnach mit einem explosionsfähigen hybriden Gemisch zu rechnen, wenn die Lösemittelbeladung des Staubs mehr als 0,5 Gew.-% beträgt. Dies kann jedoch nur für Stäube gelten, die bis zur Gewichtskonstanz getrocknet wurden. Allerdings wurde im Forschungsbeirat zu diesem Forschungsvorhaben diskutiert, ob die in der VDI-Richtlinie diskutierten Grenzwerte ausreichend konservativ sind. Zum Beispiel wird dieser Grenzwert in [3] infrage gestellt. Daher wird im Forschungsbericht empfohlen, bei Brenngaskonzentrationen ab 10 % der unteren Explosionsgrenze zunächst grundsätzlich zu untersuchen, ob sich die Explosionskenngrößen der Stäube signifikant ändern.

Im Einzelfall kann es sogar sein, dass ein Staub unter Normbedingungen als nicht explosionsfähig eingestuft wird, durch die Zumischung geringer Mengen an Brenngasen aber eine Zündung des Ge­mischs möglich wird. Bemerkenswert an dieser Stelle ist eine Unter­suchung aus der Dissertation von Pellmont [4]. Dieser untersuchte zwei PVC-Stäube mit unterschiedlichen Medianwerten (125 und 20 µm). Der gröbere der Stäube gilt unter Standardbedingungen als nicht explosionsfähig. Bei den Untersuchungen in einem 1-m³-Explo­sionsbehälter (10 kJ Zündenergie, 600 ms Zündverzögerungszeit) zeigte sich, dass durch die Zufuhr von Propangas auch dieser Staub explosionsfähig wurde. Diese Unter­suchung zeigt, dass brennbare Stäube, die als „nicht explo­sionsfähig“ gelten, durch die Zugabe von brennbaren Gasen bzw. Dämpfen ein explosionsfähiges hybrides Gemisch bilden können. Dieser Zusammenhang ist in (Bild 1) dargestellt. Hierin bezeichnet „brennbar“ Stäube, die oxidierbar sind.

Bild 1 Entscheidungskriterien zum Vorliegen explosionsfähiger hybrider Gemische.

Bild 1 Entscheidungskriterien zum Vorliegen explosionsfähiger hybrider Gemische.

 

Ist das Gemisch aus brennbarem Staub und Brenngas explosionsfähig, ist der Einfluss des Brenngases auf die Explo­sionskenngrößen im Einzelnen zu ermitteln.

Der Einfluss einer brennbaren Gasphase auf die Explosionskenngrößen von Stäuben

Im Forschungsbericht wird der Einfluss von brennbaren Gasen oder Dämpfen auf folgende Explosionskenngrößen untersucht:

  •  Untere Explosionsgrenze,
  •   Sauerstoffgrenzkonzentration,
  •  Maximaler Explosionsdruck und KSt– bzw. KH-Wert für das hybride Gemisch,
  •   Mindestzündenergie,
  •   Zündtemperatur.

Zusätzlich wird im Forschungsbericht die Grenzspaltweite eines explosions­fähigen hybriden Gemischs thematisiert.

Im Folgendem wird der Einfluss brennbarer Gase und Lösungsmitteldämpfe auf die sicherheitstechnischen Kenngrößen aufgewirbelter Stäube anhand der unteren Explosionsgrenze und der Mindestzündenergie beispielhaft erörtert. Diese Kenngrößen sind bei der Bewertung von Explosionsschutzkonzepten auf der Basis „Vermeidung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre“ und „Vermeidung der Entzündung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre“ wichtige Entscheidungskriterien. Für eine detailliertere Darstellung der gewonnen Erkenntnisse und der weiteren Kenngrößen empfiehlt sich ein Blick in den Forschungsbericht. Dieser wird in den nächsten Monaten im Internet über www.dekra-exam.eu veröffentlicht.

Für die untere Explosionsgrenze eines Staubs unter dem Einfluss eines brennbaren Gases bzw. Lösemitteldampfs existiert eine Vielzahl von Literaturstellen. Hierzu findet sich in (Bild 2) die Darstellung dreier explosionsfähiger hybrider Gemische, untersucht von verschiedenen Autoren (s. [4 bis 6]). Die dargestellten Versuchsergebnisse wurden jeweils in einer 20-l-Laborapparatur gewonnen. Zu beachten ist hierbei jedoch, dass die Autoren jeweils unterschied­liche Zündquellen zur Zündung des explosionsfähigen hybriden Gemischs verwendeten. Bild 2 zeigt die Abhängigkeit der unteren Explosionsgrenze eines Staubs vom Brenngasgehalt. Der Bereich unterhalb der jeweiligen Trendlinie kennzeichnet dabei Bereiche, in denen kein explosionsfähiges Gemisch vorliegt. Mischungsverhältnisse oberhalb der Trendlinie weisen ein explosions­fähiges hybrides Gemisch aus.

Bild 2 Ausgewählte Versuchsergebnisse verschiedener Autoren zur Abhängigkeit der unteren Explosionsgrenze eines Staubs vom Brenngasgehalt.

Bild 2 Ausgewählte Versuchsergebnisse verschiedener Autoren zur Abhängigkeit der unteren Explosionsgrenze eines Staubs vom Brenngasgehalt.

Deutlich zu sehen ist , dass die untere Explosionsgrenze eines Staubs mit zunehmendem Brenngasgehalt abnimmt. Zudem wird ersichtlich, dass bereits mit einer explosionsfähigen Atmosphäre gerechnet werden muss, wenn die Konzentrationen der Einzelkomponenten unterhalb der unteren Explosionsgrenze der Einzelkomponenten liegen. Leider liegen keine Messergebnisse für Brenngasgehalte von 10 bis 20 % der unteren Explosionsgrenze des Brenngases vor, sodass diese konservativ abgeschätzt werden müssen.

Bartknecht [7] veröffentlichte für eine erste Abschätzung der unteren Explo­sionsgrenze des Staubs unter dem Einfluss eines brennbaren Gases Gl. (1):

 

 

Bei Verifizierung dieser Gleichung mit den zur Verfügung stehenden Daten aus verschiedenen Veröffentlichungen zeigt sich, dass diese Gleichung für eine ausreichend konservative Abschätzung herangezogen werden kann.

Untersuchungen für die Mindestzündenergie wurden in den verschiedensten Versuchsapparaturen durchgeführt. An dieser Stelle soll näher auf die Versuche von Pellmont [4] eingegangen werden. Pellmont führte in seiner Dissertation Versuchsreihen zur Bestimmung der Mindestzündenergie explosionsfähiger hybrider Gemische durch. Hierfür wurde ein 1-m³ Explosionsbehälter genutzt, die Zündquelle stellte eine Dreifachelektrodenstrecke dar. Unter anderem wurde von Pellmont ein hybrides Gemisch aus einem PVC-Pulver (Median: 20 µm) und Propangas genutzt. Der Brenngasgehalt variierte dabei zwischen 0 und 2,7 Vol.-%. Die Versuchsergebnisse sind in (Bild 3) dargestellt.

Bild 3 Versuchsergebnisse von Pellmont.

Bild 3 Versuchsergebnisse von Pellmont.

Durch die Zugabe des Brenngases sinkt die Mindestzündenergie des brennbaren Staubs rapide. Liegt sie in diesem Beispiel für den reinen Staub bei Werten > 1 000 000 mJ, so sinkt sie durch die Zugabe von 0,9 Vol.-% Propan auf ca. 10 000 mJ und bei 2,7 Vol.-% Propan auf 10 mJ. Werden die weiteren von Pellmont durchgeführten Versuche in die Betrachtung mit einbezogen, so zeigt sich eine lineare Abnahme der Mindestzündenergie eines Staubs bei zunehmendem Brenngasgehalt. Weiterhin zeigt sich, dass durch die Zugabe des Brenngases die zündfreudigste Staubkonzentration abnimmt. Abgelesen werden kann diese in der obigen Abbildung am Tiefpunkt der eingezeichneten Parabel. Für die Mindestzündenergie eines Staubs fasste Pellmont seine Versuchsergebnisse in der folgenden Abschätzmethode zusammen:

 

 

Die Verifizierung dieser Gleichung mit der zur Verfügung stehenden Literatur zeigte, dass damit eine Berechnung der Mindestzündenergie in guter Abschätzung möglich ist. Generell gilt für die Mindestzündenergie eines explosions­fähigen hybriden Gemischs, dass bereits bei geringen Brenngaskonzentrationen mit einem Einfluss des Brenngases auf die Kenngröße gerechnet werden muss. Wie bereits bei der unteren Explosionsgrenze ist zurzeit noch ungeklärt, ab welchem Brenngasgehalt konkret mit einem Einfluss gerechnet werden muss. Grundsätzlich ist daher zunächst anzunehmen, dass auch bei Brenngasgehalten < 20 % der unteren Explosionsgrenze des Brenngases ein Einfluss auf die Mindestzündenergie des Staubs vorliegen kann.

Analog zu den Betrachtungen zur unteren Explosionsgrenze und zur Mindestzündenergie wurden auch die weiteren sicherheitstechnischen Kenngrößen betrachtet. Auch für die weiteren Kenngrößen gilt, dass nicht exakt definiert werden kann ab wann ein Einfluss des Brenngases auf die jeweilige Kenngröße vorliegt. Für die Sauerstoffgrenzkonzentration zeigte Bartknecht [8] in Versuchen mit verschiedenen hybriden Gemischen in einem 1-m³-Explosionsbehälter, dass die Sauerstoffgrenzkonzentration des hybriden Gemischs von der kritischsten Einzelkomponente limitiert wird. Bei den von Bartknecht durchgeführten Messungen war dies jeweils die des Brenn­gases. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass die kritischste Einzelkomponente die Sauerstoffgrenzkonzentration des hybriden Gemischs bestimmt, unabhängig davon, welcher Stoff die kritischste Einzelkomponente ist. Diese Einschätzung kann ebenfalls auf die Grenzspaltweite übertragen werden.

Anders sieht dies bei den Kenngrößen maximaler Explosionsdruck, KSt-Wert bzw. für explosionsfähige hybride Ge­mische KH-Wert und der Zündtemperatur aus. Die vorhandene Literatur zeigt für den maximalen Explosionsdruck und den KH-Wert, dass diese Kenngrößen bei Anwesenheit eines Brenngases höher liegen können als dies für die Einzelkomponenten der Fall wäre. Da aber die Höhe der beiden Kenngrößen maßgeblich von der Turbulenz im System abhängen und noch nicht untersucht wurde, inwieweit die heute akzeptieren Randbedingungen für die Ermittlung der Staubkenngrößen auf die Kenngrößen des hybriden Gemischs übertragen werden können, empfiehlt der Forschungsbeirat den maximalen Explosionsdruck und den KH-Wert separat ermitteln zu lassen. Bei höheren Turbulenzen ist zu erwarten, dass diese Kenngrößen für explosionsfähige hybride Gemische deutlich über den Werten der Einzelkomponenten liegen.

Für die Zündtemperatur eines Staubs zeigte Addai [9] in Laborversuchen mit einen umgebauten Godbert-Greenwald- Ofen, dass diese bei Zufuhr eines Brenngases abnimmt. Aus den Versuchen von Addai lässt sich aufgrund des geringen Untersuchungsumfangs jedoch keine allgemein gültige quantitative Abschätzung formulieren.

Eine Zusammenfassung der oben formulierten Abhängigkeiten ist in der Tabelle aufgeführt.

Übersicht über die ermittelten sicherheitstechnischen Kenngrößen von hybriden Gemischen. Nähere Informationen zu den Randbedingungen und Anwendungsbereichen siehe Forschungsbericht.

Übersicht über die ermittelten sicherheitstechnischen Kenngrößen von hybriden Gemischen. Nähere Informationen zu den Randbedingungen und Anwendungsbereichen siehe Forschungsbericht.

Weiterhin finden sich hier auch die im Forschungsbericht formulierten Empfehlungen für die Praxis.

Zusammenfassung und Ausblick

Für die Auslegung von Explosionsschutzmaßnahmen und den sicheren Umgang mit brennbaren Stäuben muss der Anwender die sicherheitstechnischen Kenngrößen des gehandhabten Staubs genau kennen bzw. abschätzen. Dabei handelt es sich keinesfalls um Konstanten. Sie hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab. Physikalische Randbedingungen wie die Temperatur, der Druck oder die Sauerstoffkonzentration wurden bereits untersucht. Dieser Beitrag zeigt nun das Verhalten der sicherheitstechnischen Kenngrößen von Stäuben bei Anwesenheit brennbarer Gase bzw. brennbarer Dämpfe (hybride Gemische). Es zeigte sich, dass alle Explosionskenngrößen des Staubs durch das Vorhandensein eines brennbaren Gases kritischer werden. Dabei steht jedoch nicht in allen Fällen eine aus­reichend konservative Abschätzmöglichkeit zur Verfügung. Auch ist derzeit unbekannt, ab welcher Brenngaskonzentration ein wesentlicher Einfluss auf die jeweiligen Kenngrößen vorhanden ist. Der in der VDI-Richtlinie genannte Grenzwert von 20 % der unteren Explosionsgrenze wird dabei vom Forschungsbeirat als nicht ausreichend konservativ angesehen. Vielmehr wird empfohlen, bereits ab 10 % der unteren Explosionsgrenze des Gases ein explosionsfähiges hybrides Gemisch vorauszusetzen, wenn keine fundierten Erkenntnisse vorliegen. Zudem zeigte die Recherche, dass auch nicht explosionsfähige Stäube durch den Einfluss des brennbaren Gases bzw. Dampfs explosionsfähig werden können. In Zukunft gilt es zu untersuchen, ab welchen Brenngaskonzentration mit einem explosionsfähigen hybriden Gemisch zu rechnen ist. Insbesondere bei der Bestimmung der Druckanstiegs­geschwindigkeiten für hybride Ge­mische sollte der Einfluss der Turbulenz näher untersucht werden, da zu erwarten ist, dass dadurch die Dimensionierung konstruktiver Explosionsschutzmaßnahmen maßgeblich beeinflusst wird.  TS 520

 

 

Literaturverzeichnis

[1] Beck, M.; Hesener, U.; Kampe, B.: Das Verhalten sicherheitstechnischer Kenngrößen von Stäuben untern nicht-atmosphärischen Bedingungen. Bochum 2014.

[2] VDI 2263 Blatt 5: Staubbrände und Staubexplosionen – Gefahren, Beurteilung, Schutzmaßnahmen – Explosionsschutz bei Wirbelschichttrocknern. Berlin: Beuth Verlag 2014.

[3] Puttick, S.; Gibbon, H.: Solvents in powder. Symposium series, Nr. 150, IChemE 2004.

[4] Pellmont, G.: Explosion- und Zündverhalten von hybriden Gemischen aus brennbaren Stäuben und Brenngasen. Dissertation, ETH Zürich 1979.

[5] Khalil, Y.: Experimental investigation of the complex deflegration phenomena of hybrid mixtures of activated carbon dust/hydrogen/air, J. Loss Prevent. Process Industries (2013) Nr. 26, S. 1027-1038.

[6] Khalili, I.; Dufaud, O.; Perrin, L.; Franyois, H.: Hybrids mixtures explosions: Case study of oil cakes and hexane mixtures in biofuels industries. 13th international symposium on loss prevention in the process industries 2006.

[7] Bartknecht, W.: Explosionen, Ablauf und Schutzmaßnahmen. Berlin: Springer 1978.

[8] Bartknecht, W.: Untersuchung des Explo­sions- und Zündverhaltens brennbarer Stäube und hybrider Gemische. Schriftenreihe „Humanisierung des Arbeitslebens“ Bd. 64. Düsseldorf: VDI Verlag 1985.

[9] Addai, E. K.; Gabel, D.; Krause, U.: Experimental investigation on the minimum ignition temperature of hybrid mixtures of dust and gases or solvents, J. hazardous materials (2016) Nr. 301, S. 314-326.

Von Matthias Beck und Ute Hesener, Bochum

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