Bestimmung Sicherheitstechnischer Kennzahlen im Explosionsschutz von definierten Zuckerfraktionen

Status:

abgeschlossen 01/2015

Zielsetzung:

Im Verlauf der Herstellung und Verarbeitung von Zucker entstehen bei den unterschiedlichen Verfahrensschritten Zuckerstäube, die bei ausreichender Konzentration in der Luft eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre bilden können. Die chemische Zusammensetzung des reinen Saccharose-Zuckers ist unabhängig vom Hersteller und vom Verfahren als nahezu konstant anzusehen. Die Sicherheitstechnischen Kenngrößen (EX-STK) für Zucker im Explosionsschutz werden im Wesentlichen durch die Staubkonzentration, Partikelform und -größe bestimmt. In diesem Projekt sollte durch systematische Bestimmung der EX-STK für verschiedene Korngrößenverteilungen und Partikeloberflächen ein Zusammenhang zwischen diesen Parametern ermittelt werden. Die Zielgrößen sind die untere Explosionsgrenze (UEG), der maximale Explosionsüberdruck (pex) und die Druckanstiegsgeschwindigkeit (dp/dt). Auf der Basis der experimentell ermittelten Zusammenhänge sollte ein einfaches Modell zur Vorhersage der EX-STK für Zucker entwickelt werden.

Aktivitäten/Methoden:

Analyse der Zuckerstäube in der GESTIS-STAUB-Ex-Datenbank und Aufstellung von Bandbreiten für Explosionskennzahlen. Aus dem handelsüblichen Saccharose-Kristallzucker wurden durch Mahlen und Sieben definierte Korngrößenfraktionen hergestellt. Für diese Fraktionen wurden auf der Grundlage der EN 14034 die Explosionskennzahlen pex, dp/dt und UEG im Labor bestimmt. Nach Ablauf der Explosionsreaktion sind Gasproben aus dem Verbrennungsraum auf Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Restsauerstoffgehalt analysiert worden. Über die Konzentration der gasförmigen Reaktionsprodukte konnten wichtige Informationen zum Umsatz der Reaktion gewonnen werden. Zusätzlich wurden die Verbrennungswärme durch Kalorimetrie und die spezifische Oberfläche (BET-Verfahren: Oberflächenbestimmung durch Adsorption von Gasen) der verschiedenen Fraktionen ermittelt. In einer zweiten Versuchsserie wurde die Veränderung der UEG durch systematische Variation der Feinstaubanteile untersucht.

Ergebnisse:

Es konnte gezeigt werden, dass der unter Standardbedingungen nach EN 14034 ermittelte Explosionsdruck pex für Saccharose-Kristallzucker mit einer Unsicherheit von ± 15 % direkt mit der reaktiven Oberfläche der Partikel korreliert. Damit reduzieren sich die beiden veränderlichen Werte Konzentration und Korngrößenverteilung auf die Größe der Oberflächenkonzentration. Aus dem ermittelten Diagramm kann für beliebige Saccharose-Korngrößenverteilungen der Explosionsdruck pex abgelesen werden. Eine Übertragung des Verfahrens auf die Druckanstiegsgeschwindigkeit dp/dt konnte in den Experimenten nicht gefunden werden. Die kinetische Größe dp/dt wird neben der Oberfläche zusätzlich durch die Masse der Partikel und die Dispergierung im Reaktionsraum beeinflusst. Die im Rahmen des Projektes bestimmten Sicherheitstechnischen Kenngrößen bestätigen und ergänzen die Daten im neu aufgelegten „Leitfaden zur Vermeidung von Staubexplosionen bei der Gewinnung und Verarbeitung von Zucker“ der Berufsgenossenschaft Rohstoffe und Chemische Industrie.

Stand: