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Unsere Fallstudien sollen einen Einblick geben, wie und warum statische Elektrizität die Zündquelle für schwere Feuer oder Explosionen im täglichen Betrieb darstellt.

Obwohl statische Elektrizität ein komplexes Thema ist, hoffen wir, dass diese Fallstudien Ihnen einen besseren Einblick in die statische Elektrizität geben und welche praktischen Maßnahmen auf der Grundlage international anerkannter Verfahrensregeln getroffen werden können, um das repräsentierte Brand- und Explosionsrisiko für Ihren Betrieb zu beseitigen.

Wenn Sie Fragen zu den abgedeckten Themen haben oder andere Aspekte der statischen Gefährdungen oder der statischen Kontrolle erörtern möchten, kontaktieren Sie uns bitte unter der Nummer, die Sie in der oberen Ecke des Bildschirms finden, schicken Sie uns eine E-Mail oder benutzen Sie das Schnellanfrageformular.

Elektrostatische Ladungen sind ein Thema, das nur schwer zu fassen ist. Daher hoffen wir, dass Ihnen unsere Fallstudienreihe einen Einblick in die Gründe dafür gibt, warum elektrostatische Ladungen bei alltäglich stattfindenden Tätigkeiten, wie auch der Handhabung und Verarbeitung brennbarer Produkte, eine Zündquelle darstellen und schwere Brände und Explosionen hervorrufen können.


bucket-de-1Diese Fallstudie befasst sich mit den Faktoren, die bei einem durch elektrostatische Ladungen ausgelösten Zündvorfall im Zusammenhang mit Toluol eine Rolle gespielt haben. Im vorliegenden Fall wurde ein Metalleimer über ein Metallfallrohr mit einem Durchmesser von 1,9 cm mit Toluol, einem äußerst regen Ladungserzeuger, befüllt.

In diesem  Szenario wurde durch den Bediener ein Ventil geöffnet, um mit Hilfe der Schwerkraft einen Metallbehälter mit Toluol aus einem Hochbehälter  zu füllen. Die Fließgeschwindigkeit betrug dabei ca. 22,7 Liter pro Minute. Der Bediener hängte zu diesem Zweck einen Metalleimer mit Drahthenkel und Kunststoffgriff über ein Absperrventil. Durch den Kunststoffgriff des Henkels wurde der Metalleimer gegen Erde isoliert.

Beim Öffnen des Ventils trat der Bediener vom Eimer weg, um das Toluol in den Eimer fließen zu lassen, wie er es zuvor bereits mehrmals getan hatte. Schon nach kurzer Zeit entzündete sich das Toluol. Der Bediener verließ den Ort des Geschehens und kam mit einem kleinen Feuerlöscher zurück, der sich jedoch als ungeeignet erwies. Daraufhin holte der Bediener einen größeren Feuerlöscher. Allerdings war das Feuer zu diesem Zeitpunkt bereits außer Kontrolle und der Bediener konnte das Ventil nicht schließen, um den Toluolstrom in den Eimer, der bereits überlief, zu stoppen.

Bei der Untersuchung des Vorfalls kam man zu der Erkenntnis, dass der Bediener das Ventil geöffnet hatte und sich anschließend von dem Metalleimer entfernt hatte. Der Bediener sagte aus: „Ich stand einfach da und schaute den Eimer an, als er plötzlich Feuer fing.“  Eine vom Bediener ausgehende Entladung wurde daher als Ursache für den Vorfall ausgeschlossen. Stattdessen zog man ein Strömungsstrom-Szenario in Betracht.

(I) Is = 2,5 x 10-5 ∙ v2 ∙ d2

(II) Is = 2,5 x 10-5 ∙ 1,10692 ∙ 0,019052

(III) Is = 0,01 μA

Mit:

Is = Strömungsstrom (A)
v = Geschwindigkeit (m/s)
d = Rohrleitungsdurchmesser (m)

Laut Berechnung hätte der Strömungsstrom 0,01 µA betragen müssen, allerdings gab es da noch einen Filter in der Leitung. Die Verweildauer des Toluols zwischen dem Leitungsfilter und dem Ausgang der Rohrleitung betrug unter einer Sekunde, was viel kürzer als die empfohlenen 30 Sekunden ist. Es kann daher bei vernünftiger Schätzung davon ausgegangen werden, dass der Strömungsstrom am Ausgang der Rohrleitung ca. 0,1 µA betrug. Auf jeden Fall aber lag der Strömungsstrom geschätzt zwischen 0,1 µA und 0,01 µA.

Wenn man annimmt, dass das Toluol 30 Sekunden lang floss, dann wäre am Eimer eine Ladung von 3 µC entstanden, sofern der Eimer vollständig gegen Erde isoliert war.

Die potentielle Energie am Eimer lässt sich mit der folgenden Gleichung bestimmen:

Potentielle Energie (W) =

case-study-drawing-toluene-equation1

 

Mit:

(I) Q = Ladungsmenge des Eimers
(II) C = elektrische Kapazität des Eimers

Die potentielle Energie am Eimer beträgt somit:

case-study-drawing-toluene-equation2

 

 

Die Spannung am Eimer wiederum lässt sich mit der folgenden Gleichung bestimmen:

case-study-drawing-toluene-equation3

 


Bei einer Durchschlagfestigkeit der Luft von 3 x 106 V/m, hätte ein Funken vom Eimer problemlos eine Strecke von 50 mm überwinden können. Es ist also sehr wahrscheinlich, dass es zu einem Funkenschlag vom Drahthenkel zum Absperrventil gekommen ist.

Bei einem konservativeren Ansatz ergibt der niedrigere Wert des Strömungsstroms von 0,01 µA mit derselben Gleichung eine potentielle Energie in Höhe von 2,25 mJ, eine Spannung von 15 kV und einer Funkenstrecke von 5 mm.

Bei einer berechneten Mindestzündenergie von Toluol von 0,24 mJ ist eine Potentialentladung selbst mit der konservativsten angenommenen Energie von 2,25 mJ immer noch hoch genug, um die brennbaren Dämpfe, die von dem Toluol erzeugt wurden, zu entzünden.

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In der neuesten Artikelreihe von Newson Gale mit Fallstudien zu Bränden und Explosionen, die durch elektrostatische Ladungen hervorgerufen wurden, werden verschiedene Prozesse beleuchtet, bei denen die Gefahr einer elektrostatischen Aufladung von mobilen und fest installierten Anlagenteilen besteht.


Die vorliegende Fallstudie untersucht Faktoren, die bei der Zündung einer brennbaren Staubwolke während eines manuellen Pulververarbeitungsschritts eine Rolle gespielt haben. Ein Mitarbeiter sollte per Hand ca. 18 kg Pulver aus einem Polyethylen-Kunststofffass in einen metallischen Prozessbehälter umfüllen. Im Innern des Kunststofffasses befand sich ein brennbares Pulver mit einer Mindestzündenergie von 12 Millijoule. Das Fass wurde am oberen Rand durch einen Metallring bei der täglichen Nutzung in der Anlage gegen Schläge und Stöße geschützt.

Der Mitarbeiter schüttete das Pulver in den Prozessbehälter und stützte das Fass dabei auf dem Behälterrand ab. Als er im Anschluss an den Umfüllvorgang das Fass vom Behälter hob, entzündete sich die Staubwolke, die sich über dem Prozessbehälter gebildet hatte.

Es wurde angenommen, dass es aufgrund der elektrostatischen Aufladung des Metallrings zu einer Funkenentladung vom Ring kam, als dieser sich beim Entfernen des Fasses nah am Produktbehälter befand. Der Prozessbehälter war durch eine Festverbindung mit der Anlage geerdet.

Entzündung von Staubwolken durch statische Elektrizität

Zur Überprüfung dieser Theorie wurde ein Versuch durchgeführt, um zu bestimmen, wie viel elektrostatische Ladung durch den Pulverfluss möglicherweise erzeugt worden war. So wurden 18 kg desselben Pulvers aus einem ähnlichen Fass in einen Faradayschen Käfig gefüllt, an dem die entstehende Ladungsmenge gemessen wurde.

Am Faradayschen Käfig, der das Pulver aufnahm, wurde eine Ladung von 3,6 Mikrocoulomb gemessen. In diesem Fall hatte sich das Pulver aufgrund der Reibung zwischen dem Pulver und dem Kunststofffass aufgeladen. Zu dieser Reibung kam es, als das Pulver an der Innenfläche des Fasses herunterrutschte. An einer isolierten Stelle des Kunststofffasses wurde mit einem Feldstärkemesser ein Wert von 500 kV/m (die Maximalspannung, für die das Messgerät ausgelegt war) gemessen. Bei einer solchen Feldstärke hätte sich der Metallring durch Induktion aufgeladen.

Aufgrund der schnellen Ladungsentstehung durch Reibung wäre die Menge der elektrostatische Ladung, die am Metallring induziert worden wäre, durch die Fläche des Metallrings begrenzt gewesen. Im vorliegenden Fall hatte der Metallring eine Fläche von ca. 0,0641 m2.

Wäre die gesamte durch den Pulverfluss erzeugte elektrostatische Ladungsmenge (3,6 Mikrocoulomb) am Metallring induziert worden, hätte dies die maximale Ladungsdichte, die eine Oberfläche an der Luft aufnehmen kann, überschritten. Die maximale Ladungsdichte einer Oberfläche an der Luft entspricht 27 Mikrocoulomb pro Quadratmeter. Die Gesamtladungsdichte des Metallrings hätte in diesem Fall theoretisch 56 Mikrocoulomb pro Quadratmeter betragen.

(I): Ladungsdichte (σ) = Gesamtladung (Q) / Fläche (A)
Ladungsdichte (σ) = 3,6 x 10-6 / 0,0641
Ladungsdichte (σ) = 56 x 10-6 C/m2

Es kann angenommen werden, dass die maximale Ladungsdichte, d. h. die gesamte mögliche Ladung, die vom Metallring aufgenommen werden kann, bereits durch das schnelle Umfüllen des Pulvers vom Fass in den Prozessbehälter erreicht worden wäre. In dieser Studie wurde von einer geschätzten elektrischen Kapazität des Metallrings von 71 Pikofarad ausgegangen. Da alle Werte bekannt sind, kann die potentielle Energie der Funkenentladung geschätzt werden.

Es kann angenommen werden, dass die maximale Ladungsdichte, d. h. die gesamte mögliche Ladung, die vom Metallring aufgenommen werden kann, bereits durch das schnelle Umfüllen des Pulvers vom Fass in den Prozessbehälter erreicht worden wäre. In dieser Studie wurde von einer geschätzten elektrischen Kapazität des Metallrings von 71 Pikofarad ausgegangen. Da alle Werte bekannt sind, kann die potentielle Energie der Funkenentladung geschätzt werden.

Mit der oben angegebenen Formel (I), Q = σA, kann die maximale Ladung des Metallrings wie folgt berechnet werden:

=> 27 x 10-6 x 0,0641 = 1,7 x 10-6 C

Die Gesamtladungsmenge am Metallring hätte daher bei 1,7 Mikrocoulomb gelegen. Dementsprechend hätte der Metallring eine Spannung im Bereich von 24.000 Volt gehabt.

(II): Spannung = Gesamtladungsmenge / elektrische Kapazität des aufgeladenen Objekts
V = 1,7 x 10-6 / 71 x 10-12
V= 24 kV
Die mittlere Durchschlagspannung von Luft beträgt 3000 Volt pro Millimeter. Aufgrund der Spannung des Metallrings hätte es daher ab einem Abstand von 8 mm zu einer elektrostatischen Funkenentladung hin zum geerdeten Produktbehälter kommen können.

Die potentielle Energie des Metallrings kann mithilfe der folgenden Formel berechnet werden:
Potentielle Energie (W), = Q2/2C

Mit:

• Q = Ladungsmenge des Metallrings
• C = elektrische Kapazität des Metallrings

Die potentielle Energie des Metallrings beträgt demzufolge:

= (1,7 x 10-6)2 / (71 x 10-12).(2)
= (2,89 x 10-12) / (142 x 10-12)
= 20 Millijoule

Dieser Wert übersteigt die Mindestzündenergie des Pulvers in Höhe von 12 Millijoule.

Da die Mindestzündenergie des in der Luft verteilten Pulvers 12 Millijoule betrug, die Umstände des Prozesses bewiesen haben, dass es zu einer bedeutenden elektrostatischen Aufladung der Komponenten gekommen ist, und andere Zündquellen ausgeschlossen wurden, gilt es als gesichert, dass ein elektrostatischer Funke zur Zündung der Staubwolke um den geerdeten Prozessbehälters herum geführt hat.

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Unsere Fallstudien sollen aufzeigen, wie und warum elektrostatische Ladungen eine potentielle Zündquelle für schwere Brände oder Explosionen bilden und wie sie bei alltäglichen Operationen, wie auch der Förderung und Verarbeitung von brennbaren Produkten, entstehen. Obwohl die Elektrostatik als schwer fassbares Thema gilt, hoffen wir, dass Ihnen die Fallstudien einen besseren Einblick in die Ursachen von elektrostatischen Ladungen als Zündquelle sowie in die auf international anerkannten Verfahrensrichtlinien basierenden praktischen Maßnahmen zur Eliminierung von Brand- und Explosionsgefahren bieten können. Die Fallstudien befassen sich mit einer ganzen Reihe von Operationen im Zusammenhang mit entzündlichen Flüssigkeiten und Gasen sowie brennbaren Stäuben in EX/HAZLOC-Bereichen.


Absaugen von nicht-spezifikationsgerechtem Toluol aus einem Sammelbehälter

In dieser Fallstudie werden die Ursachen eines Brandes untersucht, zu dem es während des Einsatzes eines Saugwagens kam. Der Saugwagen wurde zu einem tief gelegenen Sammelbehälter geschickt, in dem hauptsächlich nicht-spezifikationsgerechtes Toluol enthalten war. Als die Absaugung des Toluols aus dem Pumpensumpf nahezu abgeschlossen war, kam es zur Zündung der Dämpfe und als Folge schließlich zu einem Brand. Die anschließende Untersuchung des Vorfalls ergab, dass der Benutzer den Saugwagen nicht geerdet hatte. Obwohl auch andere Zündquellen in Betracht gezogen wurden, führte die Tatsache, dass das Fahrzeug nicht geerdet war und es sich bei der geförderten Substanz um Toluol handelte, zu der Erkenntnis, dass ein Zündfunke die wohl plausibelste Ursache für den Brand war.

Damit es von der Oberfläche eines Metallobjekts zu einer elektrostatischen Funkenentladung kommen kann, muss die Spannung des geladenen Objekts die Durchschlagspannung der umgebenden Atmosphäre überschreiten. Diese Spannung entsteht, wenn an dem Objekt ein Überschuss an positiven oder negativen Ladungsträgern vorliegt. Ist die Spannung des Objekts hoch genug, entsteht schließlich durch die Luft hindurch ein leitfähiger Kanal zu einem weiteren Objekt. Dieser leitfähige Kanal bildet einen Fließweg für die elektrostatischen Ladungen. Die überschüssige Ladung überwindet in dem Bruchteil einer Sekunde, in dem sich dieser Kanal bildet, sehr schnell die Distanz zwischen den Objekten und gibt dabei Energie ab. Die freigesetzte Energie führt zur Bildung eines elektrostatischen Funkens. Liegt in der „Funkenstrecke“ (d. h. zwischen den Objekten) eine entzündliche Atmosphäre vor, dann ist die Wahrscheinlichkeit sehr groß, dass die Funkenenergie die Mindestzündenergie des dort vorhandenen Dampfes, Gases oder Staubs überschreitet.

Für die Entstehung einer Spannung müssen dem sich aufladenden Objekt, in diesem Fall dem Saugwagen, permanent elektrische Ladungen zugeführt werden. Bei einer wirksamen Erdung des Fahrzeugs hätte die überschüssige Ladung an die Erdmasse abgegeben werden können, wodurch die elektrostatische Aufladung des Fahrzeugs verhindert worden wäre. Fachsprachlich ausgedrückt lag zwischen dem Fahrwerk/Tank des Fahrzeugs und der Erde jedoch ein sehr hoher Widerstand vor. Ein konstanter Ladungsfluss ist elektrisch betrachtet ein Strom. Dabei gilt: je mehr Strom zum Fahrzeug fließt, umso größer ist die entstehende Spannung. Doch woher stammt dieser elektrische Strom? Der Saugvorgang kombiniert mit dem Ansaugen einer Substanz wie Toluol führt zu einem „Strömungsstrom“. Toluol hat einen sehr hohen spezifischen Widerstand. Wenn die Substanz schnell und wiederholt in Kontakt mit anderen Objekten und vor allem mit leitenden Objekten wie Metallen kommt, reißt sie Elektronen aus dem anderen Material heraus. Dies bedeutet, dass das Toluol mehr negative als positive Ladungsträger aufweist. Der Kontakt zwischen dem aufgeladenen Toluol und dem Fahrzeug führt dazu, dass außen am Fahrzeug dieselbe negative Ladung vorliegt.

Bei dem hier untersuchten Vorfall kam eine Neoprenschlauchleitung mit eingebetteter Metalldrahtspirale zum Einsatz. Wäre die Metalldrahtspirale über die metallischen Schlauchkupplungen mit dem Fahrzeug verbunden gewesen, dann hätte die Schlauchleitung über ihre gesamte Länge dieselbe Spannung wie das Fahrzeug gehabt. Um elektrostatische Ladungen als Zündquelle durch „harte Zahlen“ zu belegen, müssen wir einige der physikalischen Kennzahlen des Vorgangs betrachten.

Der Strömungsstrom einer durch eine Leitung (dazu gehören auch Schlauchleitungen) fließenden, widerstandsbehafteten Flüssigkeit kann mit der folgenden Gleichung geschätzt werden:

Strömungsstrom IS = (2,5×10-5)(v2)(d2)

Mit:

v = Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit (Meter pro Sekunde)
d = Innendurchmesser der Schlauchleitung (Meter)

Die Durchflussrate beim Saugvorgang betrug 500 Gallonen pro Minute, was einer Fließgeschwindigkeit von 3,9 Metern pro Sekunde entspricht. Der Innendurchmesser der Schlauchleitung betrug 4 Zoll, was 0,102 Metern entspricht. Der Strömungsstrom hätte demnach ungefähr 3 Mikroampere (3 x 10-6 A) betragen. Der Widerstand zwischen dem Fahrzeug und der Erde wurde auf mindestens 1 x 1010 Ohm geschätzt. Der Großteil des Widerstands wäre durch die Fahrzeugreifen und den Asphalt, auf dem das Fahrzeug stand, erzeugt worden.

Die Spannung am Fahrzeug wird mindestens den folgenden Wert erreicht haben:

V = R x I

Mit: V = Spannung des kombinierten Systems aus Fahrzeug und Schlauchleitung

I = Strömungsstrom, erzeugt durch das aufgeladene Toluol
R = Widerstand des kombinierten Systems aus Fahrzeug und Schlauchleitung in Bezug auf die Erde
V = (1×1010)(3×10-6)
Mindestspannung des Fahrzeugs = 30.000 Volt

Da es im Innern des Sammelbehälters zur Zündung der Dämpfe kam, muss die Entladung zwischen der Schlauchleitung und einem Metallteil des Pumpensumpfs stattgefunden haben. Um diese Theorie zu untermauern, müssen wir uns die Schlauchleitung genauer ansehen. Wie bereits erwähnt, bestand die Schlauchleitung aus Neopren und verfügte über eine eingebettete Metalldrahtspirale. Die Metallspirale hatte also keinen physischen Kontakt mit anderen externen Objekten. Neopren hat einen hohen spezifischen Widerstand und eine Durchschlagfestigkeit, die mehrfach höher ist als die von Luft. Für einen Durchschlag müssen in der Regel 10.000 Volt pro Millimeter Funkenstrecke vorhanden sein. Die Neoprenschicht war 2 mm dick. Demzufolge muss für jeden Millimeter Abstand zwischen der Metallspirale und dem Metallteil des Pumpensumpfs eine ausreichend hohe Spannung für die Entladung eines Funkens vorgelegen haben und die Energie dieses Funkens wiederum muss über der Mindestzündenergie des Toluols gelegen haben. Für den Durchschlag durch das Neoprenmaterial mussten mindestens 20.000 Volt vorhanden sein. Da die Spannung des kombinierten Systems aus Fahrzeug und Schlauchleitung geschätzt mindestens 30.000 Volt betrug, standen weitere 10.000 Volt für die Entladung zwischen der Neoprenoberfläche und dem Pumpensumpf zur Verfügung. Darüber hinaus muss sich an irgendeinem Punkt der Operation ein Spalt zwischen der Schlauchleitungsoberfläche und dem Pumpensumpf gebildet haben. Über diesen Spalt, der mit Toluoldämpfen gefüllt war, hat sich dann ein vollständiger Funken entladen.

Das letzte fehlende Puzzleteil ist die potentielle Energie des Funkens. Wir können die für die Funkenentladung verfügbare Energie von der folgenden Gleichung ableiten:

Potentielle Funkenenergie (Joule) = ½ x elektrische Kapazität des geladenen Objekts x Quadrat der Spannung des Objekts
E = ½ CV2

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