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Physikalisch-Chemische Sicherheitstechnik und Explosionsschutz

PTB-Mitteilungen 1/2011

Sicherheit bei mikrostrukturierten Reaktoren

Elisabeth Brandes, Hartmut Hieronymus

Die Mikroverfahrenstechnik (typische innere Abmessungen der Apparaturen < 1000 μm) erfährt zunehmend Interesse für industrielle Anwendungen. Grund hierfür sind verschiedene Vorteile gegenüber konventionellen chemischen Reaktoren wie ein erhöhter Wärme-  und Stofftransport und größere spezifische Phasengrenzen [1]. Hierdurch können im Zuge einer Prozessintensivierung höhere  Raum-Zeit-Ausbeuten und Selektivitäten und darüber hinaus eine sicherere Prozessführung erreicht werden. Dies trifft vor allem dann  zu, wenn als Oxidationsmittel reiner Sauerstoff, Distickstoffmonoxid (Lachgas) oder ähnliche Substanzen mit hohem Oxidationspotential  eingesetzt werden. Vielfach wird angenommen, dass Mikroreaktoren inhärent sicher gegenüber Deflagrations- und Detonationsvorgängen sind. Durchmesser der Reaktionskanäle von 0,5 mm und kleiner lassen Flammendurchschläge zumindest bei  Stoffen der Explosionsgruppen IIA und IIB für Gemische mit Luft als Oxidationsmittel und Umgebungsbedingungen (ca. 20 °C, ca. 1013  mbar) als ausgeschlossen erscheinen. Für die in der Mikroverfahrenstechnik bevorzugten Reaktionsbedingungen wie erhöhter Druck,  erhöhte Temperatur und vor allem Oxidationsmittel mit erhöhtem Oxidationspotential gilt dies jedoch nicht [2].

Auswirkungen von Turbulenzen auf die Druckentlastung von Gasexplosionen

Marco Poli, Swen Scheider, Detlef Arndt, Rainer Grätz,  Volkmar Schröder

Der Explosionsschutz in der chemischen Sicherheitstechnik beschäftigt sich mit der Entstehung von Explosionen und deren  Auswirkungen auf Anlagen, Produkte, Umwelt und Personen. Hierzu gehören sowohl gesetzliche Bestimmungen als auch technische  Lösungen. Sind hierbei Schutzmaßnahmen zur Vermeidung explosionsfähiger Atmosphären oder zur Vermeidung wirksamer Zündquellen nicht ausreichend können zumindest durch den konstruktiven Explosionsschutz die Auswirkungen einer Explosion auf ein unbedenkliches Maß beschränkt werden

Zündgefahrenbewertung von PEM-Brennstoffzellen hinsichtlich innerer explosionsartiger Verbrennungsreaktionen

Thomas Horn

Der Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-BZ) werden in der Anwendung als dezentrale Energieversorgungseinheit zukünftig vielversprechende Marktchancen eingeräumt. Um die Vorteile dieser innovativen Technologie auch in explosionsgefährdeten Bereichen,  wie beispielsweise in der Prozessindustrie, zu nutzen, ist die Entwicklung eines Explosionsschutzkonzeptes notwendig.

Mechanisch erzeugte Reib- und Schlagfunken im Vergleich

Felix Welzel, Thomas Grunewald, Michael Beyer, Rainer Grätz

Als mechanisch erzeugte Zündquellen gelten durch Reib- oder Schlagvorgänge entstandene abgetrennte Partikel erhöhter Temperatur bzw. Funken und ggf. zusätzlich entstehende heiße Oberflächen. Für die Entstehung von Funken existieren – abhängig von deren Entstehungsmechanismus – jeweils einige Grenzwerte, die jedoch bisher nicht vergleichbar waren. Ziel dieser Untersuchung war es, die Funkenentstehung sowie insbesondere die Zündwirksamkeit von mechanisch erzeugten Reib- und Schlagfunken gegenüber explosionsfähigen Wasserstoff/Luft- Gemischen unter möglichst ähnlichen Randbedingungen zu vergleichen und deren Unterschiede und Gemeinsamkeiten aufzuzeigen.

Zündung durch elektrische Entladungen

Detlef Markus, Tim Langer, Udo Gerlach, Frank Lienesch

Elektrische Zündquellen müssen bei der sicherheitstechnischen Beurteilung von explosionsgefährdeten Bereichen berücksichtigt werden.  Dabei kann es bei der Verwendung von elektrischen Geräten sowohl im Normalbetrieb als auch im Fehlerfall infolge einer Gasentladung zu einer Zündung kommen. Aber auch die elektrostatische Aufladung von Anlagenteilen infolge einer Ladungstrennung kann zu einer zündfähigen Entladung führen. Daher wurden verschiedene Schutzkonzepte zur Beurteilung der Zündfähigkeit von elektrischen Zündquellen erarbeitet. In diesem Beitrag werden Untersuchungen von drei verschiedenen Entladungsformen vorgestellt, bei denen durch eine Ermittlung der übertragenden Ladung, der in das Gasgemisch eingekoppelten Energiedichte oder der Dauer der Entladung Aussagen über die Zündfähigkeit getroffen werden können.

Gaswarnsysteme für den Explosionsschutz – Anforderungen an Explosionsschutz, Messfunktion und funktionale Sicherheit

Volkmar Lohse, Detlef Negendank, Martin Thedens

Gaswarnsysteme, aber auch einfachere Gaswarngeräte und -anlagen, finden in der Industrie breite Anwendung zur Gefahrenabwehr in
explosionsgefährdeten Bereichen im Sinne der Richtlinie 94/9/EG (ATEX 95) [1]. Hierfür werden meist Geräte zur Konzentrationsmessung von brennbaren Gasen mit einem Messbereich von 0 % bis 100 % der jeweiligen UEG eingesetzt. Ziel ist die rechtzeitige und zuverlässige Warnung vor unzulässig hohen Brenngaskonzentrationen unter Betriebsbedingungen. Sauerstoffmessgeräte, die bestimmungsgemäß für die Überwachung von Inertisierungsmaßnahmen verwendet werden, unterliegen ebenfalls den besonderen Anforderungen der ATEX-Richtlinie.

Messung und Festlegung explosionsgefährdeter Bereiche

Im Hinblick auf die Weiterentwicklung von Regelungen zum Explosionsschutz an Gefahrgutfahrzeugen wurden an der PTB Umschlagvorgänge an Tankfahrzeugen für brennbare Flüssigkeiten untersucht. Diese Arbeiten − unterstützt vom Bundesministerium für Verkehr (BMVBS) und von industriellen Projektbegleitern − zielten u. a. darauf ab, belastbare Grundlagen für die Festlegung von explosionsgefährdeten Bereichen zu erhalten  [1, 2, 3] . Nach der Betriebssicherheitsverordnung [ 4] muss der Anlagenbetreiber derartige Bereiche identifizieren und deren räumliche Ausdehnung sowie Häufigkeit und Dauer der Gefährdung einschätzen;  gegebenenfalls sind dann Zonen festzulegen, in denen Explosionsschutz erforderlich ist. Für industrielle Standardsituationen sind in einschlägigen Regelwerken sicherheitstechnisch anerkannte Maßgaben zur Zonenfestlegung genannt, siehe z. B. [5, 6]. Die Daten hinsichtlich der räumlichen Ausdehnung beruhen teils auf Erfahrungswerten, teils auf kaum noch rekonstruierbaren Abschätzungen. Inwieweit es sich in allen Fällen um konservative Einschätzungen handelt, ist meist nicht belastbar zu beantworten.

Schwer entzündbare Gase und Dämpfe – Erweiterung der europäischen Norm EN 1839

Elisabeth Brandes, Joachim Milde und Volkmar Schröder

Ab Januar 2011 dürfen nach der europäischen Richtlinie 2006/40/EG über Emissionen aus Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen [1] bei neuen EG-Typzulassungen die PKW-Klimaanlagen nur noch Kältemittel enthalten, deren Global Warming Potential (GWP) kleiner 150 ist. Der  vorgeschlagene Ersatzstoff für das bisher verwendete R-134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan, GWP = 1430) ist 2,3,3,3-Tetrafluorpropen  (R-1234yf; GWP = 4). Im Gegensatz zu R-134a, das bei Umgebungsbedingungen keinen Explosionsbereich aufweist, kann 2,3,3,3- Tetrafluorpropen bei Umgebungsbedingungen explosionsfähige Gemische mit Luft bilden.


Die Neufassung der DIN EN 378-1 [2], die 2008 in Kraft getreten ist, klassifiziert Kältemittel nach deren Brennbarkeit in drei Kategorien: nicht entzündbar, geringe Brennbarkeit, größere Brennbarkeit.

CHEMSAFE 2011

Wolfgang Möller, Alexander Seifert

Anwender in Industrie, Handel, Handwerk und Behörden benötigen verlässliche, von Fachleuten bewertete Kenngrößen des Brand- und Explosionsschutzes, um Brand- und Explosionsgefahren beim Verarbeiten, Abfüllen, Lagern, Befördern und Entsorgen brennbarer Stoffe  beurteilen und angemessene Schutzmaßnahmen ergreifen zu können.

Diese Daten liefert die Datenbank CHEMSAFE. Sie wird von, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gemeinsam mit der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e. V. (DECHEMA) betrieben. CHEMSAFE enthält bewertete sicherheitstechnische Kenngrößen von brennbaren Flüssigkeiten, Gasen und Stäuben. Die Bewertung der brennbaren Gase und Stäube erfolgt durch die BAM, die der brennbaren Flüssigkeiten durch die PTB.

 

Herausforderungen an Dienstleistungen im Explosionsschutz

Ulrich Johannsmeyer, Uwe Klausmeyer

In vielen industriellen oder gewerblichen Anlagen, in denen mit brennbaren Stoffen gearbeitet wird, treten explosionsgefährdete Bereiche auf. In diesen Bereichen treiben Elektromotoren Pumpen, Ventilatoren und Förderanlagen an, Thermostate und Druckwächter regeln Prozesse, elektrische Heizungen erwärmen Produkte. Da nichtexplosionsgeschützte Geräte (elektrische als auch nichtelektrische) zu einer Zündquelle werden können, würde ihr Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zu einer erheblichen Gefahr für die  Beschäftigen, die Produktionsanlagen sowie die Umwelt werden. Über die Europäischen Richtlinien 94/9/EG und 1999/92/ EG wird der  Explosionsschutz europaweit seit geraumer Zeit auf eine einheitliche Grundlage gestellt. Zusätzlich wurden und werden mandatierte  Europäische Normen geschaffen, um die „grundlegenden Sicherheits- und Gesundheitsanforderungen“ der ATEX-Richtlinie 94/9/EG  erfüllen zu können und mit diesen harmonisierten Normen die so genannte Vermutungswirkung auf Erfüllung der Anforderungen in Anspruch zu nehmen.

 

Physikalisch-Chemische Sicherheitstechnik und Explosionsschutz in PTB und BAM

Michael Beyer, Heino Bothe und Thomas Schendler

BAM und PTB – gemeinsam für die Physikalisch-Chemische Sicherheitstechnik

Unter diesem Motto arbeiten die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und die PTB abgestimmt, aber mit eigenen Schwerpunkten, eng auf dem Gebiet des Brand- und Explosionsschutzes zusammen. Das Ziel dieser Zusammenarbeit ist die Gewährleistung sicherer Prozesse und Technik in einem sich ständig verändernden technischen und industriellen Umfeld. Das vorliegende Themenheft der PTBMitteilungen zeigt einen Ausschnitt aus dem gemeinsamen Aufgabengebiet mit dem Schwerpunkt des klassischen Explosionsschutzes.