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Explosionsbereiche und Zündtemperaturen bei erhöhten Ausgangsdrücken

30.10.2005

Immer mehr Prozesse der chemischen Industrie werden bei erhöhten Ausgangsdrücken durchgeführt. Es ist hinlänglich bekannt, dass sich mit steigenden Ausgangsdrücken der Explosionsbereich deutlich auf-weiten und die Zündtemperatur drastisch sinken kann. Systematische Versuchsreihen vor allem an Gemischen brennbarer Komponenten liegen jedoch nicht in ausreichendem Maße vor. Deshalb werden z. Z. im Rahmen eines drittmittelfinanzierten Forschungsvorhabens Explosionsbereiche und vor allem Zündtemperaturen von Brennstoffgemischen bei erhöhten Ausgangsdrücken bestimmt, mit dem Ziel, Abschätzverfahren - ausgehend von den Daten der Reinstoffe - zu erarbeiten.

Für die Bestimmung des Explosionsbereiches (untere Explosionsgrenze (UEG), obere Explosionsgrenze (OEG) und Sauerstoffgrenzkonzentration (SGK)) wird die in Bild 1 skizzierte Apparatur eingesetzt:


Bild 1: Prinzipskizze der Apparatur zur Bestimmung von UEG, OEG und SGK

  1. Zündgefäß (9 l)
  2. Zündquelle (kapazitive Funkenentladung)
  3. Thermostatisierung
  4. Pressluft zum Erzeugen des Gemisches
  5. HPLC-Pumpe zum Dosieren der brennbaren Flüssigkeit
  6. Thermoelement zum Registrieren einer Entzündung
  7. Druckaufnehmer zum Registrieren einer Entzündung
  8. Druckaufnehmer zum Einstellen des Ausgangsdruckes

Als Kriterieum für eine Entzündung gilt ein Druckanstieg um mindestens 5% des Ausgangsdruckes oder eine Temperaturerhöhung um mindestens 100 K.

Die Bestimmung der Zündtemperatur wird mit der in Bild 2 skizzierten Apparatur durchgeführt:


Bild 2: Prinzipskizze zur Bestimmung der Zündtemperatur bei erhöhten Ausgangsdrücken

  1. Zündgefäß (0,5 l)
  2. Thermostatisierung
  3. Pressluft zum Erzeugen des Gemisches
  4. HPLC-Pumpe zum Dosieren der brennbaren Flüssigkeit
  5. Thermoelement zum Registrieren einer Entzündung
  6. Druckaufnehmer zum Einstellen des Ausgangsdruckes und zum Registrieren einer Entzündung

Als Kriterium für eine Entzündung gilt ein Druckanstieg um mindestens 5% des Ausgangsdruckes oder eine Temperaturerhöhung um mindestens 20 K.

Während die untere Explosionsgrenze weitgehend druckunabhängig ist, zeigt die obere Explosionsgrenze eine deutliche Druckabhängigkeit. Tabelle 1 zeigt dies exemplarisch für ausgewählte Reinstoffe.

Tabelle 1: Obere Explosionsgrenzen (OEG) exemplarischer Reinstoffe bei 1 bar und 10 bar

Substanz

OEG bei 
Umgebungsdruck
mol%

OEG bei10 bar

mol%

Temperatur

°C

1-Propanol

28,8

41,8

200

2-Propanol

14,5

39,3

200

Cyclohexan

10,5

39,6

200

n-Hexan

22,1

42,7

180

n-Hepten

26,4

40,5

180

Pentan

10,7

44,4

180

Aceton

16,2

22,5

180

Butanon

12,6*)

22,5

180

Methylpropionat

13,0*)

26,7

200

Ethylacetat

12,8*)

24,6

200

Ethanol

36,4

52,8

200

Methanol

54,1

59,4

200

*) bei 100°C

Die Zündtemperaturen weisen eine substanzabhängige Korrelation mit dem Druck auf. Die Bilder 3 und 4 zeigen dies beispielhaft.


Bild 3 und 4: Druckabhängigkeit der Zündtemperatur ausgewählter Reinstoffe

Die Zündtemperaturen werden bei hohen Brennstoffkonzentrationen (25 vol% bis 40 vol%) gefunden, die jedoch innerhalb des jeweiligen Explosionsbereiches liegen (Bild 5 und 6).

Die so für Reinstoffe ermittelten Daten werden die Grundlage für Abschätzverfahren für Brennstoffgemische sein.


Bild 5: Explosionsbereiche, Bereiche der Selbstzündung und Zündtemperaturen von n-Hexan bei 1 bar und 10 bar


Bild 6: Explosionsbereiche, Bereiche der Selbstzündung und Zündtemperaturen von n-Propanol bei 1 bar, 4 bar und 10 bar.