BG RCI Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie Seminar Technische Grundlagen LE 02-03a Sicherheitstechnische Kenngrößen 1 Sicherheitskenngrössen: Stäube Referent: Günther Pellmont 2 Konfuzius: (551-479 a.c.) Der Mensch kann auf drei Arten klug werden. Durch Nachdenken: Das ist die edelste! Durch Nachahmen: Das ist die leichteste! Durch Erfahrung: Das ist die bitterste! 3 09.09.2013 1
Kaffeerösterei vor Ereignis (Schweiz) 09.09.2013 Seminar EXTG09371 431 - Technische Grundlagen - 4 Mahlen von Isosorbitdinitrat (Irland) 09.09.2013 Seminar EXTG09371 431 - Technische Grundlagen - 5 Nutsche mit Diazoverbindung (Schweiz) 09.09.2013 09.09.2013 Seminar EXTG09371 431 - Technische Grundlagen - 6 2
Staubexplosionstest (Schweiz) 7 Gefahrensystem: Definition Risiko: Risiko:R=W*A W = Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses A = Ausmass eines Ereignisses 8 Gefahrensystem: Risiko: R = R a + R c R a = Risiko der Anlage Störfälle: -technisches Versagen -Einwirkung von aussen -menschliches Versagen R c = Risiko der Chemie Gefährdung: -chemische Stoffe -Reaktionen -Energien 9 09.09.2013 3
Gefahrensystem: Umwelt R c = Risiko der Chemie R a = Risiko der Anlage Mensch Chemie R a + R c Anlage Risiko 10 Gefahrensystem: Umwelt R c < Risiko der Chemie R a < Risiko der Anlage Mensch Chemie R a + R c Anlage Ex-Schutz 11 Gefahrensystem: Exschutz heisst das Risiko verkleinern Verkleinern des Risikos der Chemie: R < R c Vorbeugender Explosionsschutz Verkleinern des Risikos der Anlage: R < R a Konstruktiver Explosionsschutz 12 09.09.2013 4
Gefahrendreieck 09.09.2013 Seminar EXTG09371 431 - Technische Grundlagen - 13 Gefahrendreieck Explosionsfähige Atmosphäre 09.09.2013 Seminar EXTG09371 431 - Technische Grundlagen - 14 Gefahren der Chemie: Brennstoffe explosionsfähige Stoffe brennbare Gase / Dämpfe brennbare Stäube Reaktionsgemische 09.09.2013 09.09.2013 Seminar EXTG09371 431 - Technische Grundlagen - 15 5
Kenngrössen: Abgelagerter Staub: Entzündbarkeit Brennprüfung (RT/100 C) spontane Zersetzung Glimmtemperatur Zersetzungstemperaturen: - Lütolf-Test (offenes Gefäss) - Grewer-Test (Frischluftstrom) - Kobler-Test (Mini-Autoklav) - Wärmestauversuche (Dewar) - Warmlagerversuche (Korb) Fallhammerprüfung Aufgewirbelter Staub: Explosionskenngrössen: p max und K St Untere Explosionsgrenze: UEG Zündtemperatur nach: BAM Mindestzündenergie: MZE Sauerstoffgrenzkonzentration: SGK 16 Brennverha lten: Gasflamme Streichholz Zigarettenglut Cereisenfunken 17 Brennprüfung: Substanz Platindraht (~1000 C) Form Auflage Glasrohr 18 09.09.2013 6
Brennverhalten: Art der Reaktion BZ Beispiele: Raumtemperatur und 100 C Keine Ausbreitung eines Brandes Ausbreitung eines Brandes Kein Anbrennen 1 Kochsalz Kochsalz Kurzes Entzünden und rasches Erlöschen Örtliches Brennen oder Glimmen mit höchstens geringer Ausbreitung Durchglühen ohne Funkenwurf (Glimmbrand) oder langsame flammenlose Zersetzung Abbrennen unter Flammenerscheinung oder Funkensprühen Verpuffungsartiges Abbrennen oder rasche flammenlose Zersetzung 2 Weinsäure Zinkstearat 3 d + Lactose d + Lactose 4 H-Säure (8-Amino-1- naphthol-3,6-disulfonsäure), Tabak H-Säure (8-Amino 1-naphthol-3,6- disulfonsäure) 5 Schwefel d + Lactose, Ammoniumdichromat 6 Schwarzpulver wird nicht geprüft 19 Zersetzungsprüfung: nach Lütolf dynamisch Gasuhr Schreiber Platindraht (~1000 C) Thermoelement Referenz Thermoelement Substanz 20 Zersetzungsprüfung: nach Lütolf isoperibol 21 09.09.2013 7
Zersetzungsprüfung: nach Grewer Schreiber Thermoelemente Drahtkörbchen Füllkörper Heizung Luft 22 Zersetzungsprüfung: nach Kobler (Mini-Autoklav) Druckmessung Schreiber Kapillarrohr Berstscheibe Thermoelement Heizblock temp. gesteuert 23 Zersetzungsprüfung: Wärmestauversuch 24 09.09.2013 8
Zersetzungsprüfung: Warmlagerversuch 25 Spontane Zersetzung: (Deflagration) 26 Fallhammerprüfung: nach Lütolf 27 09.09.2013 9
20l-Laborapparatur: nach Bartknecht Ringdüse Thermostatisierung chem.zünder Druckaufnehmer Auslassventil Staubvorratsbehälter 28 Staubexplosionsverfahren: Ventilbetätigung nach Bartknecht Druck [bar] Staubvorratsbehälter Explosionsbehälter Explosionsdruck [bar] Explosion t v Zeit [s] 29 Zeitlicher Druckanstieg Explosionsdruckverlauf in 20-l-Laborapparatur dp/dt ex p ex Explosionsdruck [bar] Zündung dt dp Zeit [s] 30 09.09.2013 10
Maximale Explosionskennzahlen bei "optimaler" Konzentration Explosionsdruck [bar s -1 ] p max 9.0 bar maximaler Explosionsdruck p max Explosionsdruckanstieg [bar m s -1 ] dp/dt max 150 bar/s max. zeitlicher Druckanstieg (dp/dt) max Staubkonzentration [g/m 3 ] 31 Kubisches Gesetz: 1/3-1 ( ) V = K [bar m s ] dp dt max - dp ( ) = dt ma x St maximaler zeitlicher Druckanstieg [bar/s] - V = Behältervolumen [m ] 3 32 Staubexplosionsklassen: K St -Wert [bar m s -1 ] Staubexplosionsklasse > 0 bis 200 St 1 > 200 bis 300 St 2 > 300 St 3 33 09.09.2013 11
Abhängigkeit der Explosionskenngrössen: (KG) Turbulenz Medianwert Vordruck Temperatur Feuchtigkeit 34 Turbulenz: KG 35 Medianwert: KG 36 09.09.2013 12
Vordruck: KG 37 Temperatur: KG 38 Feuchte: KG 39 09.09.2013 13
Mindestzündenergie: (MZE) 40 Abhängigkeit der Mindestzündenergie: Turbulenz Medianwert Induktivität Temperatur Feuchtigkeit 41 Turbulenz: MZE 42 09.09.2013 14
Medianwert: MZE 43 Vordruck: MZE 44 Temperatur: MZE 45 09.09.2013 15
Induktivität: MZE 46 Feuchte: MZE 47 Elektrodenabstand: MZE 48 09.09.2013 16
Mindestzündtemperatur: nach BAM 49 Andere Gefahren der Anlage: Zündquellen Korrosion Undichtheiten Materialermüdungen technisches Versagen menschliches Versagen Einwirkungen von Aussen etc. 50 Zündquellen: 1. triviale Zündquellen EN 1127-1 Rauchen Schweissen Schneiden 2. bei betrieblichen Störungen zu erwartende Zündquellen es folgen: 51 09.09.2013 17
Zündquellen: EN 1127-1 Heisse Oberflächen Flammen und heisse Gase Mechanisch erzeugte Funken Elektrische Anlagen Elektrische Ausgleichsströme, kathodischer Korrosionsschutz Statische Elektrizität Blitzschlag 52 Zündquellen: EN 1127-1 Elektromagnetische Wellen im Bereich der Frequenzen von 104 Hz bis 3 x 1012 Hz (Hochfrequenz) Elektromagnetische Wellen im Bereich der Frequenzen von 3 x 1011 Hz bis 3 x 1015 Hz lonisierende Strahlung Ultraschall Adiabatische Kompression und Stosswellen Exotherme Reaktionen, einschliesslich Selbstentzündung von Stäuben 53 Zündquellen: wichtigste Zündquellen heisse Oberfläche elektrische Funken mechanische Funken Feuer, Flammen, Glut elektrostatischer Funken 54 09.09.2013 18
Zündquellen: Wirksamkeit Wirksamkeit einer E z > Mindestzündenergie: MZE elektrostatische Funken: MZE ohne Induktivität gemessen elektrische Funken: MZE mit Induktivität gemessen T z > Zündtemperatur: ZT T z > Start exotherme Zersetzung: T iso 55 Vorbeugender Explosionsschutz: (allgemein) durch Verringern des Brennstoffes: oder Sauerstoffes: oder Schutzmassnahme: Konzentrationsbegrenzung Inertisierung Vermeidung von zündwirksamen Zündquellen 56 Vorbeugender Explosionsschutz: (Stäube) durch Verringern des Sauerstoffes: oder Testmethoden: (abgelagerte, brennbare Stäube) Spontane Zersetzung: SZ ("Deflagration") Glimmtemperatur: GLT Zersetzungstemperaturen (Lütolf/Grewer/Miniautoklav/ Warmlager/etc.) Schwelpunkt Schlagempfindlichkeit Elektrostatisches Verhalten 57 09.09.2013 19
Vorbeugender Explosionsschutz: (Gase/Dämpfe) durch Verringern des Brennstoffes: oder Sauerstoffes: oder Testmethoden: (brennbare Gase/Dämpfe) Untere Explosionsgrenze: UEG Obere Explosionsgrenze: OEG Sauerstoffgrenzkonzentration: SGK Mindestzündenergie: MZE Zündtemperatur: ZT 58 Vorbeugender Explosionsschutz: durch Verringern des Brennstoffes: oder Sauerstoffes: oder Testmethoden: (aufgewirbelte, brennbare Stäube) Untere Explosionsgrenze: UEG Sauerstoffgrenzkonzentration: SGK Mindestzündenergie: MZE Zündtemperatur: ZT 59 Vorbeugender Explosionsschutz: durch Verringern des Brennstoffes: oder Sauerstoffes: oder Testmethoden: (Explosionsfähige Stoffe) keine Methode: kleine Mengen verwenden und grosse Sicherheits-und Schutzabstände einhalten keine Methode: Explosivstoffe besitzen meistens Sauerstoff im Molekül Schlagempfindlichkeit: Fallhammer Reibempfindlichkeit: nach BAM 60 09.09.2013 20
Vorbeugender Explosionsschutz: durch Verringern des Brennstoffes: oder Sauerstoffes: oder Testmethoden: (Reaktiongemische) keine Methode: kleine Mengen, kontinuierliche Verfahren verwenden keine normierten Methoden Thermisches Verhalten: T iso (Lütolf/Miniautoklav/Wärmestau im Dewar/Reaktionskalorimetrie/etc.) Prozessführung/ -überwachung 61 Vorbeugender Explosionsschutz: kann durch das Verringern des Brennstoffes: oder Sauerstoffes: oder eine Explosion nicht gesichert verhindert werden Konstruktiver Explosionsschutz Vorbeugender konstruktiver Exschutz 62 Konstruktiver Explosionsschutz: Konstruktive Massnahmen: Explosionsdruck(-stoss)feste Bauweise Explosionsdruckentlastung Explosionsunterdrückung explosionstechnische Entkoppelung 63 09.09.2013 21
Konstruktiver Explosionsschutz: Brennbare Stäube: Konstruktive Massnahmen: Testmethoden: (aufgewirbelter Staub) Explosionsdruck (-stoss)feste Bauweise Maximaler Explosionsdruck: p max 64 Konstruktiver Explosionsschutz: Brennbare Stäube: Konstruktive Massnahmen: Explosionsdruckentlastung Testmethoden: (aufgewirbelter Staub) Maximaler Explosionsdruck: p max Maximaler zeitlicher Druckanstieg: (dp/dt) max resp. K st -Wert 65 Konstruktiver Explosionsschutz: Brennbare Stäube: Konstruktive Massnahmen: Explosionsunterdrückung Testmethoden: (aufgewirbelter Staub) Maximaler Explosionsdruck: p max Maximaler zeitlicher Druckanstieg: (dp/dt) max resp. K st -Wert 66 09.09.2013 22
Konstruktiver Explosionsschutz: Brennbare Stäube: Konstruktive Massnahmen: Explosionstechnische Entkoppelung Testmethoden: (aufgewirbelter Staub) Maximaler Explosionsdruck: p max Maximaler zeitlicher Druckanstieg: (dp/dt) max resp. K st -Wert 67 Gefahrensuche: Suchen nach allen möglichen Zündquellen drehende Teile: heisse Flächen Reib-/Schlagfunken heisslaufende Lager: heisse Flächen Fremdkörper in drehende Teile: Reib-/Schlagfunken elektrische Teile: elektrische Funken / heisse Flächen elektrostatische Aufladung: Funken-, Büschel-, Gleitstielbüschel-, Schüttkegelentladungen Einwirkungen von aussen Korrosion, Materialermüdungen, Undichtheiten, etc. 68 Zündquellen: triviale Zündquellen Rauchen Schweissen Schneiden Kenngrössen: Abgelagerter Staub: Entzündbarkeit Brennprüfung (RT/100 C) Selbständige Zersetzung Glimmtemperatur Zersetzungstemperaturen: Aufgewirbelter Staub: Zündtemperatur nach: BAM Mindestzündenergie: MZE 69 09.09.2013 23
Zündquellen: Kenngrössen: heisse Oberflächen Elektrische Ausgleichströme Elektromagnetische Wellen Abgelagerter Staub: Entzündbarkeit Brennprüfung (RT/100 C) Spontane Zersetzung Glimmtemperatur Zersetzungstemperaturen: Aufgewirbelter Staub: Zündtemperatur nach: BAM 70 Zündquellen: Kenngrössen: mechanische Funken Flammen, heisse Gase elektrische Funken Abgelagerter Staub: Entzündbarkeit Brennprüfung (RT/100 C) Spontane Zersetzung Zersetzungstemperaturen: Aufgewirbelter Staub: Zündtemperatur nach: BAM 71 Anlagenelemente: Aspiration pneumatische Förderung mechanische Förderung Elevator Walzwerk Schlagmühle Silo Filter 72 09.09.2013 24
Aspiration: Anlage Kenngrössen: Produkt heisse Oberflächen Reibfunken Brennprüfung Zersetzungsprüfung Zündtemperatur Grewer W.lager Mindestzündenergie 73 Pneumatische Förderung: Anlage Kenngrössen: Produkt heisse Oberflächen Glimmnestbildung Brennprüfung Zersetzungsprüfung Zündtemperatur Elektrostatische Funken Mindestzündenergie 74 Mechanische Förderung: Anlage Kenngrössen: Produkt bei ausreichend niedriger Umfangsgeschwindigkeit keine Zündquellen, aber Fremdkörper (Verstopfungs-, Glimmbrandgefahr) heisse Oberflächen Brennprüfung Zersetzungsprüfung Grewer W.lager 75 09.09.2013 25
Elevator: Anlage Keine Zündquellen, aber heisse Oberflächen Kenngrössen: Produkt Brennprüfung Zersetzungsprüfung Zündtemperatur 76 Walzwerk: Anlage glatte Walzen: keine Zündquellen, aber Reibungswärme heisse Oberflächen strukturierte Walzen mit Umfangsgeschwindigkeiten > 10 m/s sind Zündquellen Konstruktive Massnahmen: Kenngrössen: Brennprüfung Zersetzungsprüfung Explosionskenngrössen gemäss Massnahmen Produkt 77 Schlagmühle: Anlage Schlagmühlen gelten immer als Zündquellen (es gibt aber Ausnahmen) Konstruktive Massnahmen: Kenngrössen: Explosionskenngrössen gemäss Massnahmen Produkt 78 09.09.2013 26
Sil o: Anlage elektrostatische Funken aus anderen Anlageteilen: Glimmnestbildung Flammen, heisse Gase Kenngrössen: Brennprüfung Zündtemperatur Produkt Konstruktive Massnahmen: Mindestzündenergie Explosionskenngrössen gemäss Massnahmen 79 Filter: Anlage elektrostatische Funken aus anderen Anlageteilen: Glimmnestbildung Flammen, heisse Gase Konstruktive Massnahmen: Kenngrössen: Brennprüfung Zündtemperatur Mindestzündenergie Produkt Explosionskenngrössen gemäss Massnahmen 80 Literatur [1] W. Bartknecht: Explosionsschutz, Grundlagen und Anwendungen, Springer Verlag: Berlin, Heidelberg, New York, 1993 [2] VDI-Richtlinie 2263 "Staubbrände und Staubexplosionen, Gefahren Beurteilung Schutzmassnahmen", Mai 1992, VDI-Handbuch, Reinhaltung der Luft, Band 6 [3] W. Bartknecht: Explosionen, Ablauf und Schutzmassnahmen, 2. überarb. u. erg. Auflage, Springer Verlag: Berlin, Heidelberg, New York, 1980 [4] W. Bethold, U. Löffler: Lexikon sicherheitstechnischer Begriffe in der Chemie, Verlag Chemie: Weinheim, Basel, 1981 81 09.09.2013 27
Literatur [5] W. Bartknecht: Staubexplosionen, Ablauf und Schutzmassnahmen, Springer Verlag:Berlin, Heidelberg, New York, 1987 [6] Brenn-und Explosionskenngrössen von Stäuben; Erich Schmidt Verlag, Bielefeld, 1987 [7] Berufsgenossenschaft der chemischen Industrie, Richtlinie Nr. 11: "Richtlinien für die Vermeidung der Gefahren durch explosionsfähige Atmosphäre mit Beispielsammlung", Druckerei Winter, Heidelberg, 1986 [8] Europäische Norm EN 1127-1: "Explosionsfähige Atmosphären Explosionsschutz Teil 1: Grundlagen und Methodik", Europäisches Komitee für Normung, Brüssel, August 1997 82 Literatur [9] T. Redeker Die neuen europäischen Richtlinien 94/9/EG (ATEX 95) und 99/92/EG (ATEX 137) zum Explosionsschutz Bedeutung für Hersteller und Betreiber; PTB-Bericht ThEx-20, Braunschweig; August 2001 [10]VDI-Richtlinie 2263 Blatt 3: "Staubbrände und Staubexplosionen, Gefahren Beurteilung Schutzmassnahmen: Explosionsdruckstossfeste Behälter und Apparate Berechnung, Bau und Prüfung", Mai 1990, VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 6 [11] VDI Richtlinie 3673 Blatt 1: Druckentlastung von Staubexplosionen, Juli 1995, VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 6 83 Literatur [12] VDI-Richtlinie 2263 Blatt 4: "Staubbrände und Staubexplosionen, Gefahren Beurteilung Schutzmassnahmen: Unterdrückung von Staubexplosionen", April 1992, VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 6 [13] G. Schuber: Zünddurchschlagsverhalten von Staub/Luft-und hybriden Gemischen durch enge Spalte; Diss. ETH Zürich, Nr. 8399, 1987 [14] G. Pellmont: Explosions-und Zündverhalten von hybriden Gemischen aus brennbaren Stäuben und Brenngasen; Diss. ETH Zürich Nr. 6498, 1979 84 09.09.2013 28
LE 02-03 03 Sicherheitskenngrössen: Brennbare Stäube 85 09.09.2013 29