Software für den Explosionsschutz

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1 1 / 10 ExTools von Christoph Cesana und Richard Siwek Software für den Explosionsschutz ExTools ist eine Software für Experten, welche Umrechnungen, Abschätzungen, Berechnungen und Einteilung für verschiedene brennstoff- und apparaturbezogenen Parameter durchführt. Sie enthält auch eine ausgedehnte Datenbank für Sicherheitskenngrössen von Flüssigkeiten und Gase. Die Informationen welche durch ExTools erhalten werden, helfen den Experten das Risiko in einer Anlage zu beurteilen. Die Anwendungen und Funktionen von ExTools werden beschrieben und Möglichkeiten anhand von Beispielen erläutert. 1. Ziel von ExTools ExTools ist eine Software für Experten, die Folgendes ermöglicht: Abschätzung der unter Normalbedingungen bestimmten Sicherheitskenngrössen (z.b. LEL, Pmax, Kmax, LOC, MIE, MIT), auf in der Anlage bezogenen Prozessbedingungen. Beurteilung der Zündgefahren (Reib-, Schleif- und Schlagfunken). Berechnungen (z.b. Behältervolumen, maximale Spaltweite für Zellenradschleusen, Normspaltweite (MESG) für Brennstoffe) oder Zuordnungen (z.b. Art von flexiblen Schüttgutbehälter (FIBC). Die erwähnten Umrechnungen, Abschätzungen, Berechnungen und Zuordnungen basieren auf verschiedene Forschungsarbeiten /5...7/ und Publikationen /8..13/. Da die Texte in ExTools nur in Englisch sind, werden im folgenden Text nur die Englischen Abkürzungen verwendet. Das Entwicklungsteam lehnt bei der Anwendung dieser Software jede Verantwortung ab.

2 2 / Anwendung von ExTools Mit Hilfe eines vereinfachten Beispiels dargestellt in Bild 1, wird die Anwendung von ExTools kurz beschrieben. Sprühtrockner Spray Dryer Filter Zellenradschleuse Zellenradschleuse Flexibler Schüttgutbehälter (FIBC) Mischer Bild 1. Vereinfachte Anlage: Sprühtrockner, Mischer, Filter und flexibler Schüttgutbehälter (FIBC)

3 3 / Zündkenngrössen: MIE, MIT Mit den das Zündverhalten beschreibenden Kenngrösse, Mindestzündenergie MIE, und Mindestzündtemperatur MIT, können verschiedene Prozesseinflüsse abgeschätzt werden: 1 MIE: Einfluss der Temperatur 5 MIT: Umrechnung von BAM - GG 2 MIE: Einfluss des Medianwertes 6 Zündgefahr von Reibfunken 3 MIE: Einfluss von Gas 7 Zündgefahr von Schleiffunken 4 MIT: Umrechnung von GG - BAM 8 Zündgefahr von Schlagfunken Für den Sprühtrockner (Bild 1) ist die Kenntnis des Temperatureinflusses auf die Mindestzündenergie MIE sehr wichtig, weil die Risikoanalyse sich auf die temperaturbezogene Mindestzündenergie. Bei Kenntnis der MIE bei Raumtemperatur (z.b. 10 mj), kann die MIE bei z.b. 200 C abgeschätzt werden (Bild 2). ExTools gibt auch Hinweise. Im Bild 2 lauten die Bemerkungen: Beachte: Dies ist eine Abschätzung! Setze mit Induktivität gemessene MIE-Werte ein. Bild 2. Abschätzung des Temperatureinflusses auf die Mindestzündenergie MIE

4 4 / 10 Zusätzlich kann mit Hilfe der MIE in Kombination mit der Mindestzündtemperatur MIT die Zündgefahr durch Funken abgeschätzt werden. Im Sprühtrockner mit Zerstäuberscheiben, kann die Scheibe bei einem Defekt eine Zündgefahr darstellen. Deshalb ist eine Zündgefahr durch Schleifund Schlagfunken gegeben wenn die abgeschätzte Äquivalentenergie des Funkens Ee gleich oder höher ist als die abgeschätzte, temperaturbezogene MIE (Bild. 3). Beachte: Bild 3. Diese Abschätzung ist nur eine Funktion der MIT! Setze mit Induktivität gemessene MIE-Werte ein. Setze MIT-Werte ein, die mit dem BAM-Ofen gemessen wurden. Abschätzung der Äquivalentenergie von Schleiffunken mit MIE und MIT sowie der Zündgefahr ausgehend von diesem Funken

5 2.2 Explosionskenngrössen: LEL, Pmax, Kmax, LOC 5 / 10 Mit den Explosionskenngrössen, untere Explosionsgrenze LEL, maximaler Explosionsüberdruck Pmax, maximale Explosionskonstante Kmax und Sauerstoffgrenzkonzentration LOC, können verschiedene Prozesseinflüsse abgeschätzt werden oder der LOC-Wert gemessen in Stickstoff (N2) kann umgerechnet werden auf einen LOC-Wert mit Kohlendioxid (CO2) oder umgekehrt: 1 LOC: Einfluss der Temperatur 5 LOC: Einfluss der Temperatur 2 Pmax: Einfluss der Temperatur 6 LOC: Umrechnung N2 - CO2 3 Pmax: Einfluss des Vordrucks 7 LOC: Umrechnung CO2 - N2 4 Kmax: Einfluss des Vordrucks 8 LOC: Abschätzung mit MIE und MIT Für die Abschätzung der explosionsfähigen Atmosphäre in einem Sprühtrockner ist die Kenntnis der temperaturbezogenen unteren Explosionsgrenze LEL erforderlich. Bild 4 zeigt, dass im Zerstäubungstrockner die bei Normalbedingungen gemessene untere Explosionsgrenze von LEL = 40g/m³ sich beispielweise bei einer Trocknertemperatur von 200 C auf LEL = 20 g/m³ reduziert. Beachte: Bild 4. Dies ist eine Abschätzung! Das Ergebnis ist auf die nächste ganze Zahl abgerundet. Temperatureinfluss auf die untere Explosionsgrenze LEL

6 2.3 Anlagen: Anforderungen In diesem Teil können einige, für den Experten wichtige Anforderungen an Anlagen abgeleitet werden. 6 / 10 1 Volumen 3 Grenzspaltweite (MESG) 2 Zellenradschleuse 4 Flexible Schüttgutbehälter (FIBC) 5 Umdrehungsgeschwindigkeit und Zündgefahr Der Mischer unterhalb des Sprühtrockners in Bild 1 hat ein Mischwerk. Um die Zündgefahr ausgehend von diesem Mischwerk in Staub-Luft-Gemischen abschätzen zu können muss die Umdrehungsgeschwindigkeit der entsprechenden Komponente bekannt sein. Wie man aus dem Bild 5 entnehmen kann, ist bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 0.79 m/s, keine Zündgefahr durch mechanisch erzeugte Funken oder heisse Oberflächen gegeben, weil bekannt ist, dass keine Zündquellen in der Industriepraxis auftreten können, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit gleich oder kleiner 1 m/s ist. Beachte: Bild 5. Für rotierende Stahlteile in Staub-Luft-Gemischen. Berechnung der Umdrehungsgeschwindigkeit von sich bewegenden Teilen und Abschätzung der Zündgefahr

7 7 / 10 Unterhalb des Filters (Bild 1) ist ein flexibler Schüttgutbehälter (FIBC) installiert. Je nach Ihrem Einsatzort sollten sie im Hinblick auf Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladung verschieden Anforderungen erfüllen. ExTools hilft auch in diesem Fall den richtigen Schüttgutbehälter (FIBC) zu wählen (Bild 6). Beachte: Bild 6. FIBC Typ A: keine speziellen Anforderungen. FIBC Typ B: Durchschlagsspannung des FIBCs Wandmaterials < 4 kv. FIBC Typ C: Erdableitwiderstand von jedem Punkt auf dem FIBC (einschliesslich Tragschlaufen) < 100 MOhm. Anforderungen an FIBCs abhängig von MIE und Umgebung (MIE gemessen ohne Induktivität (L=0))

8 8 / Sicherheits-Kenngrössen für Flüssigkeiten und Gase ExTools enthält auch eine umfassende Datenbank für Flüssigkeiten und Gase. Diese soll Experten beim Beurteilen von Explosionsgefahren und beim Abschätzen der mit dem Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten und Gasen verbundenen Risiken unterstützen. 1 Safety Indices for Gases 3 Sicherheits-Kenngrössen für Gase 2 Safety Indices for Liquids 4 Sicherheits-Kenngrössen für Flüssigkeiten Die Datenbank der Sicherheits-Kenngrössen für Gase (125 Produkte) und für Flüssigkeiten (126 Produkte) ist in Englisch und Deutsch vorhanden. Ein Beispiel ist in Bild 7 dargestellt. Bild 7. Beispiel für Sicherheitskenngrössen von Propan

9 9 / 10 3 Danksagung Dank dem Sponsorbeitrag von verschiedenen Firmen (Bild 8) ist ExTools eine "Freeware" und kann an interessierte Personen weitergegeben werden. Bild 8. Hauptbild von ExTools

10 10 / 10 4 Literatur /1/ VDI-3673, Blatt 1, Entwurf: Verein Deutscher Ingenieure, Richtlinie VDI-3673/Blatt 1, Entwurf, Druckentlastung von Staubexplosionen, Dezember 2000, Beuth Verlag GmbH, Berlin. /2/ Bartknecht, W.: Explosionsschutz, Grundlagen und Anwendungen, Springer-Verlag, /3/ pren xxx: Entlastungssysteme für Staubexplosionen (in Vorbereitung beim CEN/TC305) /4/ NFPA 68: National Fire Protection Association, NFPA 68: Guide for Venting of Deflagrations 1998 Edition, Quincy, MA, USA /5/ Glarner Thomas: Temperatureinfluss auf das Explosions- und Zündverhalten brennbarer Stäube, Diss. ETH Nr. 7350, 1983 /6/ Georg Michael Schuber: Zünddurchschlagverhalten von Staub/Luft- und hybriden Gemischen durch enge Spalte, Diss. ETH Nr. 8399, 1987 /7/ Klaus Ritter: Die Zündwirksamkeit mechanisch erzeugter Funken gegenüber gas/luftund Staub/Luft-Gemischen, Dissertation, 1984 /8/ Bartknecht, W., Siwek, R.: Bedeutung der Mindestzündenergie und Mindestzündtemperatur, Teil 1 und 2: Mindestzündenergie und Zündtemperatur, Staub-Reinhaltung der Luft 54(1994) Heft 11, Springer-Verlag, 1994 /9/ Siwek, R., Cesana, Ch.: Ignition Behaviour, Process Safety Progress (Vol. 13, No. 5), February 1995 /10/ Jaeger, N, Siwek, R.: Prevent Explosions of Combustible Dusts, Chemical Engineering Progress, Vol. 95/No. 6, June 1999 /11/ Siwek, R.: Safety Characteristics, Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Elsevier Science Ltd.,1995 /12/ CENELEC R : Safety of Machinery Guidance and recommendations for the avoidance of hazards due to static electricity, 1999 E /13/ suvapro: Sicherheitstechnische Kenngrössen von Flüssigkeiten und Gasen, Suva, Zentraler Kundendienst, CH-6002 Luzern, Best.-Nr. 1469, 1999