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Für den Fall der Fälle gerüstet

Konstruktiver Explosionsschutz
Für den Fall der Fälle gerüstet

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In Anlagen, in denen das Auftreten von Explosion nicht mit Sicherheit verhindert werden kann, sind die Anlagenteile so auszuführen, dass selbst bei auftretender Explosion niemand zu Schaden kommt. Eine Schutzmaßnahme ist die Explosionsdruckentlastung, für die verschiedene Lösungsansätze in Frage kommen. Neben den bekannten Berstscheiben können auch Ventile eingesetzt werden. Entlastungsventile der Baureihe EV sind eine wiederverwendbare und nahezu wartungsfreie Lösung, bei gleichzeitiger Reduktion der Flammenlauflängen.

Eine Explosion ist im physikalischen Sinn eine Verbrennung. Die große Gefahr geht jedoch von der hohen Reaktionsgeschwindigkeit aus. In Sekundenbruchteilen steigt die Temperatur an, und schlagartig entsteht der Explosionsüberdruck, der desaströse Schäden an Anlagenteilen anrichten kann und so die Mitarbeiter gefährdet. Im großen Unterschied zu einem Brand ist es aufgrund der hohen Dynamik nicht möglich, vor einer Explosion davonzulaufen. Dieser Umstand verleiht dem Feld des Explosionsschutzes eine sehr wichtige Bedeutung. Grob lassen sich die Maßnahmen des Explosionsschutzes in verschiedene Gruppen unterteilen. Zum einen zielen diverse Maßnahmen darauf ab, überhaupt die Möglichkeit einer Explosion auszuschließen. Dies kann geschehen, indem man verhindert, dass es zur Bildung einer explosionsfähigen Atmosphäre kommt oder auch durch die zuverlässige Verhinderung von wirksamen Zündquellen. Zum anderen gibt es jedoch Anlagen oder auch Betriebsfälle, in denen das Auftreten und Aufeinandertreffen der Voraussetzungen für eine Explosion nicht mit Sicherheit verhindert werden kann. Um auch in diesen Fällen Sicherheit zu schaffen, sind die Anlagenteile so auszuführen, dass selbst bei einer auftretenden Explosion niemand zu Schaden kommt. Da man die Ausführung in der Konstruktion der Anlage festlegt, nennt man diesen Bereich konstruktiven Explosionsschutz.

Kenndaten unerlässlich
Um derartige Schutzmaßnahmen entsprechend planen zu können, ist die Kenntnis der Natur der drohenden Explosion von wesentlicher Bedeutung. Im konstruktiven Explosionsschutz sind die explosionstechnischen Kenngrößen wie KSt/Kg und pmax-Wert für die korrekte Auslegung unerlässlich. Diese beiden Werte kennzeichnen die Dynamik einer Explosion. Sie können anhand des Diagramms erklärt werden. Die blaue Kurve zeigt exemplarisch die Entwicklung des Drucks über der Zeit im Verlauf einer Explosion in einem geschlossenen Behälter. Ausgehend vom Nullpunkt, in dem die Zündung stattfindet, steigt der Druck entlang einer steilen Kurve bis zu einem Maximum an, bevor er sich wieder asymptotisch gegen Null nähert.
Geht man von einer Zündung mit einem Gemisch optimaler Konzentration im geschlossenen Kessel aus, so wird am höchsten Punkt der Kurve der sogenannte pmax-Wert erreicht. Der pmax-Wert ist der maximale Explosionsüberdruck, der unter Laborbedingungen in einem geschlossenen Behälter erreicht werden kann und wird von Prüfstellen in einem definierten Verfahren ermittelt.
Ein weiterer Wert, der im Rahmen einer explosionstechnischen Untersuchung ermittelt werden kann, ist die sogenannte Explosionskonstante K (KSt für explosionsfähige Stäube, Kg für explosionsfähige Gemische von Gasen), eine Messgröße für die Steilheit des ersten Anstiegs der Druckkurve. Bei gleichem pmax-Wert können unterschiedliche Materialien unterschiedlich schnell dieses Maximum erreichen. Zündet man eine Explosion in einem Behälter mit genau 1 m³, so lässt sich die Explosionskonstante K direkt als größter Anstieg der Druckkurve (dp/dt max) ablesen.
Schutz durch Druckentlastung
Anhand des Diagramms lässt sich aber auch die Schutzmaßnahme der Explosionsdruckentlastung sehr einfach verstehen. Das Ziel der Entlastung ist es, den auftretenden Überdruck im Falle einer Explosion auf ein vorher festgelegtes Niveau, den sogenannten predmax oder reduzierten maximalen Explosionsüberdruck zu senken. Bei der Explosionsdruckentlastung werden bei einem definierten Ansprechdruck (pstat) Entlastungsflächen freigegeben, um den Überdruck in die Umgebung abzuführen (dargestellt durch die rote Kurve). Ausgehend vom Zeitpunkt der Zündung steigt der Druck an, bis der Ansprechdruck der Entlastungseinrichtung pstat erreicht ist. Bei diesem Wert wird die Entlastungsfläche freigegeben und der Druckanstieg verlangsamt sich. Die frühe Druckentlastung bewirkt, dass das erreichte Maximum deutlich niedriger liegt.
Die Größe der Enlastungsflächen wird aufgrund des geforderten predmax und weiterer Parameter nach den beiden europäischen Normen EN 14491 (Schutzsysteme zur Druckentlastung von Staubexplosionen) und EN 14994 (Schutzsysteme zur Druckentlastung von Gasexplosionen) berechnet.
Für die Entlastung kommen verschiedene Lösungsansätze infrage. Neben den bekannten Berstscheiben, die als aufplatzende Metallmembran ausgeführt werden, können auch Ventile eingesetzt werden. Hoerbiger-Entlastungsventile der Baureihe EV sind eine wiederverwendbare und nahezu wartungsfreie Lösung, bei gleichzeitiger Reduktion der Flammenlauflängen gegenüber Berstscheiben.
Flammenlose Druckentlastung
Bei der Explosionsdruckentlastung mit Berstscheiben oder Berstklappen treten erhebliche Flammenwirkungen im Außenraum auf. Prozessanlagen müssen teilweise auch im Inneren der Produktionshalle oder in anderen Bereichen angeordnet werden, wo die mehrere Meter austretenden Flammen im Explosionsfall eine große Gefahr darstellen. Für diese Bereiche bietet Hoerbiger die flammenlose Explosionsdruckentlastung an. Die Entlastungsventile EVN2.0 sind mit einem Flammenfilter ausgestattet und ermöglichen eine flammenlose Entlastung auch in geschlossenen Räumen.
Im Fall einer Explosion wird beim Überschreiten des statischen Ansprechdrucks ebenso, wie bei den Ventilen der EV-Serie, die Ventilplatte im Inneren angehoben und die Strömung um 90° in Umfangsrichtung umgelenkt. Der Flammenfilter ist am Außenumfang des Ventils angeordnet und teilt den heißen Gasstrom in kleine Teilströme auf, diese werden durch einzelne Kanäle mit definiertem Querschnitt und festgelegter Länge geführt. Bei dieser Technik wird die Wärme in das Filtermaterial übertragen und die Temperatur des Gases unter den Flammpunkt gebracht. An der Außenseite des Flammenfilters treten nur Rauch und Verbrennungsprodukte (Asche) aus.
Prüfung erforderlich
Jede flammenlose Entlastungseinrichtung muss gemäß der europäischen Norm EN 16009 (Einrichtungen zur flammenlosen Explosionsdruckentlastung) geprüft werden. Die wesentlichen Kriterien bei der Auslegung einer flammenlosen Entlastungseinrichtung sind in der daraufhin ausgestellten Baumusterprüfbescheinigung angeführt, wobei einer der wichtigsten Parameter die Entlastungsfähigkeit ist. Jede Entlastungseinrichtung, auch Berstscheiben, setzen dem abströmenden Gas einen gewissen Widerstand entgegen. Die Entlastungsfähigkeit wird als Flächenwirkungsgrad in Prozent angegeben. Dieser gibt an, welcher Anteil der physisch installierten Entlastungsfläche für die Entlastung wirksam ist. Auf Grundlage dieses Wertes wird die Nennweite der Entlastungseinrichtung vergrößert, um die geforderten Flächen aus der Berechnung zur Verfügung zu stellen. Mit dem Ziel, die bei einer Explosion auftretenden Auswirkungen auf ein vorausberechnetes, ungefährliches Niveau zu senken.

Daniela Held
Redakteurin, cav chemie anlagen verfahren
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