Konstruktiver Explosionsschutz nach Maß

Wie lassen sich die Auswirkungen von Staubexplosionen vermindern?

Wenn es staubt, kann durch die mikroskopisch feinen Partikel in der Luft schnell eine zündfähige Atmosphäre entstehen. Anwendungsspezifisch ausgelegte, konstruktive Explosionsschutzkomponenten wie Druckentlastungen oder Unterdrückungssysteme schützen effektiv vor den Folgen einer möglichen Staubexplosion und sichern so Produktivität und Funktionalität von Laboranlagen.

Konstruktiver Explosionsschutz nach Maß

Chemie, Pharmazeutik oder Nahrungsmittel – durch brennbaren Staub kann in labortechnischen Bereichen ebenso schnell eine zündfähige Atmosphäre entstehen wie in Produktionsanlagen der Verfahrens- und Prozesstechnik. Die Ursachen für den Staubgehalt in kritischen Konzentrationen sind so vielfältig wie meist unvermeidbar. Das Gefahrenpotenzial geht nicht nur von Staub, sondern auch von pulverförmigen Stoffen und grobkörnigem Schüttgut aus, wenn durch Abrieb Staub entsteht.

Damit ist nicht zu spaßen: Staubexplosionen stellen eine besonders große Bedrohung für Menschen, Laboreinrichtungen und Materialien dar. Denn wegen des extremen Druckanstiegs, den sie mit sich bringen, können sie eine verheerende Zerstörungskraft entwickeln. Betreiber und Sicherheitsverantwortliche benötigen daher einen wirkungsvollen konstruktiven Explosionsschutz, der die Folgen im Fall der Fälle effektiv eindämmt.

In sehr wenigen Einzelfällen werden Anlagen und Einrichtungen bereits so stabil ausgelegt, dass sie dem Druck einer Explosion ohne Beschädigung standhalten. Das bedeutet aber, dass sie für ein Vielfaches des regulären Prozessdrucks konstruiert und gebaut sein müssen – eine kostspielige Lösung.

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Druckentlastung entschärft Risiko

Sinnvoller und wirtschaftlicher für die allermeisten Anwendungen sind maßgeschneiderte Schutzsysteme. Welche Variante in welchem Umfeld jeweils die angemessene ist, zeigt eine detailliertere Betrachtung: Explosions-schutz-Berstscheiben bilden als konventionelle Druckentlastungen überall dort einen effektiven Basisschutz vor den Auswirkungen einer Explosion, wo das Entweichen von brennenden Stäuben und Partikeln bzw. Flammen und heißem Gas aus sicherheitstechnischer Sicht akzeptiert werden kann.

Das Volumen dieser Emission kann dabei ein Vielfaches der eigentlichen Anlagengröße betragen und die Einrichtung einer ausreichenden Sicherheitszone ist notwendig. Der Einsatz erfolgt darum ausschließlich in Außenbereichen oder mit einem nach außen führenden Abblaskanal, der dem entstehenden Druck standhalten muss.

Explosionsschutz-Berstscheiben werden jeweils entsprechend des Prozessdrucks und des für Behälter oder Anlage zulässigen Drucks ausgelegt. Wird ein definierter Ansprechdruck erreicht, birst die Druckentlastung unmittelbar – je nach Ausführung schon ab Überdrücken von 50 mbar. Dank der schnellen Reaktion und dem schlagartigen Freigeben einer großen Entlastungsöffnung sind die Anlagen und Behälter vor der Druckeinwirkung geschützt. Beschädigungen werden vermieden.

Für den Einsatz bei prozessseitigen Vaku-umdrücken verfügen Explosionsschutz-Berstscheiben von Bormann & Neupert by BS&B über eine patentierte Gestaltung, die sie auch gegenüber schwankenden Prozessdrücken unempfindlich macht. Edelstahl- und Verbundwerkstoffe für die Berstscheibe und angepasste Materialien für Dichtungen und Dämmung ermöglichen den Einsatz auch bei Prozesstemperaturen über 250 °C.

Für Umgebungen, in denen für das Austreten von Flammen keine notwendige Sicherheitszone zur Verfügung steht, sind flammenlose Druckentlastungen eine Alternative. Ein mehrlagiges Edelstahl-Filtergewebe verhindert das Austreten von Flammen und brennenden Partikeln und erlaubt zugleich, dass die Druckwelle entweichen kann.

Löschkanone bremst Explosion aus

Wenn es darum geht, die Auswirkungen von Staubexplosionen noch weiter zu minimieren, werden aktive, schnellwirkende Löschsysteme zur Explosionsunterdrückung eingesetzt. Die Systeme ersticken jede Flamme einer anlaufenden Explosion in Sekundenbruchteilen schon in der Entstehungsphase – lange bevor der Explosionsdruck seine Zerstörungskraft entfalten kann. Anwender profitieren dadurch, dass der unterbrochene Prozess schneller und nach geringem Instandsetzungsaufwand wieder aufgenommen werden kann und kein Prozessmedium in die Umwelt gelangt.

Hochempfindliche Drucksensoren erkennen einen kritischen Druckanstieg bereits im Millibarbereich und ermöglichen dem Unterdrückungssystem ein sofortiges Reagieren: Ihre Löschkanone bringt in wenigen Millisekunden ein hochwirksames, zugleich für Mensch und Umwelt ungefährliches Löschmittel in den Prozessbehälter ein und unterdrückt die Explosion auf einen anlagenspezifisch reduzierten und akzeptablen Druck.

Einfache Instandsetzung und intelligenter Auslass

Die aktiven Systeme bieten einen hohen, zuverlässigen Schutz. Zugleich gilt es bei der Entscheidung für eine Unterdrückung einige relevante Kriterien zu beachten: Alle Systeme von BS&B verzichten auf einen pyrotechnischen Auslöser. Die Löschkanone besteht aus einem Druckbehälter, der erst bei der Installation mit Stickstoff befüllt wird, und einer leicht austauschbaren Löschmittelpatrone. Keines der Bauteile ist für Transport und Lagerung als Gefahrgut eingestuft. Handling sowie Ersatzteillogistik und -management werden somit erheblich vereinfacht. Denn die bei konventioneller Gestaltung obligatorischen Sicherheitsvorschriften entfallen. Ersatzteile können vor Ort ohne Beschränkungen gelagert werden und eine schnelle Instandsetzung ist problemlos möglich. Benötigte Teile können zudem in entschieden kürzerer Lieferzeit zur Verfügung gestellt werden.

Besonders durchdacht ist die Gestaltung des Auslasses, durch den das Löschmittel verteilt wird. Damit die Funktionsfähigkeit des Systems hundertprozentig erhalten bleibt und es im Störfall zuverlässig und blitzschnell reagieren kann, haben die BS&B-Konstrukteure bei der Gestaltung der Löschmittelpatrone auf eine zusätzliche Austragsdüse verzichtet. Stattdessen formt die Berstscheibe, die im Regulärbetrieb Löschmittel und Druckbehälter trennt, im Moment des Ansprechens einen strömungs- und verteilungsoptimierten Auslass. Ein Verstopfen vorab durch Produkt- oder Prozesseinflüsse ist damit ausgeschlossen.

Ausbreitung durch Entkopplung stoppen

Dem gleichen technischen Funktionsprinzip wie Explosionsunterdrückungen folgen Systeme zur chemischen Explosionsentkopplung. Hier wird durch das Einbringen von Löschmittel eine Sperre errichtet, die zusätzlich das Ausbreiten der Explosion durch verbundene Rohrleitungen und Kanäle auf angrenzende Laborbereiche stoppt. So werden Effekte wie eine Flammenstrahlzündung verhindert, die ein noch höheres Zerstörungspotenzial entwickeln kann als die ursprüngliche Explosion.

Weitere Maßnahmen zur Eingrenzung von Explosionen sind mechanische Systeme: Beispiele für passive Varianten sind selbstbetätigte Schutzventile und Rückschlagklappen, für aktive Systeme fremdbetätigte Ventile und Schutzschieber. Chemische Entkopplungssysteme haben hier den Vorteil, dass sie sowohl bei runden als auch bei eckigen Leitungsquerschnitten eingesetzt werden können.

Fazit

Unabhängig davon, welches konstruktive Schutzsystem eingesetzt wird, ist die Auslegung entscheidend für die Gewährleistung von so viel Sicherheit wie nötig und der größtmöglichen Begrenzung des Risikos. Dabei müssen sich moderne Schutzsysteme am Bedürfnis der Betreiber orientieren und hohe Sicherheit mit langfristiger Wirtschaftlichkeit verbinden.

Je nach Rahmenbedingungen und gefordertem Schutzlevel bieten sich verschiedene Strategien an, um den konstruktiven Explosionsschutz umzusetzen:

  • Explosionsschutz-Berstscheiben bewahren Anlagen nach dem Prinzip einer Druckentlastung vor übermäßigem Druck; als Sollschwachstelle geben sie bei einer Explosion kontrolliert nach und lassen den Druck nach außen entweichen.

  • Chemische Explosionsunterdrückungssysteme bremsen eine Staubexplosion schon im Keim aus; das schnelle Einbringen von Löschmittel erstickt jede Flamme einer anlaufenden Explosion innerhalb von Sekundenbruchteilen in der Entstehungsphase. 

  • Nach der gleichen technischen Wirkungsweise begrenzen chemische Entkopplungen ein Ereignis räumlich; sie verhindern, dass die Flammenfront einer Explosion sich in verbundene Prozessbehälter und Leitungen ausbreitet.

Autor: Dr. Markus Roser
Bormann & Neupert by BS&B GmbH
http://www.bormann-neupertbsb.de

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