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Gefahrenquelle statische Elektrizität in der chemischen Industrie

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  • An dieser Stelle mchten die Verfasser den Herren Oberregierungsrat Dipl.-Ing. J. Knapp, E. Altmann und G. Preschel dan-ken fr die ausgezeichnete kollegiale Zusammenarbeit, insbesondere bei der Entwicklung des speziellen Znderprf-standes.

    5. Zusammenfassung

    Sprengkapseln mit elektrischer Aus-lsung (SKE) werden in groer Zahl, z. B. in Schnellauslseeinrichtungen insbe-sondere fr Feuerlschanlagen unter und ber Tage, eingesetzt. Da diese Gegen-stnde, soweit sie vertrieben, anderen berlassen und verwendet werden, einer Zulassung nach 5 des Sprengstoff-gesetzes bedrfen, wurden die not-

    wendigen Anforderungen zusammen mit den zugehrigen Prfvorschriften formu-liert und kommentiert und eine fr die Prfung notwendige Meapparatur beschrieben.

    Literaturverzeichnis

    [1) Barteis und Ziegler: ber die sicherheitstechnischen Anforde-rungen an Sprengkapseln mit mechani-scher Auslsung fr gewerbliche Zwecke, Nobelhefte 44 (1978), S. 35-39

    [2) TOTAL - Foerstner GmbH + Co.: Explosionsunterdrckung in Behltern, technisches Firmeninformationsblatt

    [3) Walter Kidde GmbH, Lneburg: Sicherheit auf See, mageschneiderte Sicherheit und umfassender Feuerschutz, technische Firmeninformationsbltter

    [4) Ludwig Scheichl : Halone fr die Brandbekmpfung, Sonder-druck aus der "VFDB-Zeitschrift", Heft 4/ 1966, W. Kohlhammer Verlag, Stuttgart

    [5) Herrmann Ein Gert zur Prfung der Sicherheit elektri -scher Znder gegen Zndung durch elek-trostatische Aufladungen. Nobel Hefte 39 (1973), H. 2, S. 72-79

    [6) Gesetz ber explosionsgefhrliche Stoffe (Sprengstoffgesetz) vom 13. September 1976, BGBI. I, S. 2737

    [7) Erste Verordnung zum Sprengstoffgesetz (1. SprengV) vom 21. Juni 1983 (BGBI. I, S.744)

    [8) Bekanntmachung der Prfvorschriften fr Sprengstoffe, Znd mittel , Sprengzubehr sowie pyroteChnische Gegenstnde und deren Stze vom 12. 03.1982 Beilage zum Bundesanzeiger Nr. 59 vom 26. 03.1982

    Gefahrenquelle statische Elektrizitt in der chemischen Industrie

    Nachdruck aus "CHIMIA" 40 (1986) Nr. 1

    Martin G 10 r

    Die Elektrostatik hat seit ihrer Entdeckung durch Thales von Milet vor ca. 2600 Jahren die Menschen fasziniert. Die damals beobachtete Anziehung leichter Teilchen durch geriebenen Bernstein ist heute, im Zeitalter der Kunststoffe mit hochisolierenden Oberflchen, erneut aktuell geworden. Aber auch in der Zwischenzeit wurden die Leute immer wieder mit elektrostatischen Phnomenen konfron-tiert, sei es in Form von imposanten Gewitterblitzen in der Naturoder in Form von magisch anmutenden Experimenten, wie sie in den ver-gangenen Jahrhunderten oh nicht nur zu wissenschahlichen Zwecken unternommen, sondern auch zum Ergtzen und Erstaunen des Volks vorgefhrt worden sind. Bis in die Gegenwart hat die Elektrostatik etwas von diesem magischen Anschein beibehalten. Nur so ist erklrlich, da bis vor kurzem noch allzu oh der Elektrostatik die Schuld an Strungen oder Explosionen in all jenen Fllen zugeschoben wurde, in welchen keine anderen nachweisbaren Ursachen gefunden worden sind. In den letzten Jahrzehnten wurden groe Anstren-gungen unternommen, um die Erklrung und Voraussage elektrostatischerPhnomene in der industriellen Praxis auf eine wissenschah-liehe Grundlage zu stellen. Dieser Fortschrittsbericht soll einen berblick ber unsere Kenntnisse von durch elektrostatische Aufladun-gen verursachten Gefahren geben.

    1. Einleitung

    In der Physik wird dasjenige Spezialge-biet der Elektrizittslehre mit "Elektrosta-tik" bezeichnet, welches sich mit den Gesetzmigkeiten zwischen ruhenden Ladungen, elektrischen Feldern und Potentialen befat. Abweichend von einer streng physikalischen Definition wird jedoch heute immer dann von Elek-trostatik gesprochen, wenn infolge star-ker statischer elektrischer Felder irgend-weiche Ladungstrger bewegt werden. In diesem erweiterten Sinne umfat die Elektrostatik die Bereiche industrielle Anwendungen, Strungen und Gefahren.

    Beispiele fr industrielle Anwendungen, in denen man sich die Kraftwirkung von elektrischen Feldern auf geladene Teil -chen oder Trpfchen zu Nutzen macht, sind die elektrostatischen Kopier-, Beschichtungs-, Lackier- und Druckver-fahren sowie die elektrostatische Staub-

    Dr. M. Glor Zentrale Funktion Forschung, Physik Ciba-Geigy AG, Basel

    abscheidung und die elektrostatische Applikation von Pflanzenschutzmitteln.

    Strungen und Schden infolge elektro-statischer Aufladungen sind entweder direkt auf die Anziehung oder Abstoung aufgeladener Oberflchen (z. B. Textilien, Fertigung und Verarbeitung von Kunst-stoffen) zurckzufhren oder auf die Wir-kung von Gasentladungen, welche durch hohe elektrostatische Aufladungen aus-gelst werden knnen (Verblitzung von Filmen bei deren Herstellung, Zerstrung von Halbleiterbauteilen, Strung von Computern). Durch elektrostatische Aufladungen her-vorgerufene Gasentladungen sind zwar fr den Menschen unangenehm, aber im allgemeinen nicht unmittelbar gefhrlich. Bei Anwesenheit einerexplosionsfhigen Atmosphre werden derartige Gasentla-dungen jedoch zu einer Gefahr. Sie kn-nen als Zndquelle wirksam werden und Explosionen mit verheerenden Folgen initiieren. Aus der Sicht der Elektrostatik ist naturgem die Explosionsgefahr dort am grten, wo Stoffe gehandhabt wer-den, die sich sowohl hierbei hoch auf-

    laden als auch zur Entstehung einer explosionsfhigen Atmosphre beitra-gen. Dies trifft besonders fr den Umgang mit brennbaren nichtleitfhigen Flssig-keiten wie Kraftstoffe oder apolare Lsemittel und fr den Umgang mit brennbaren nichtleitfhigen Stuben zu. Daher sind insbesondere smtliche Produktionszweige der chemischen In-dustrie, der Petrol industrie sowie der Nahrungs- und Futtermittelindustrie betroffen. Leider wird dies durch einige spektakulre Explosionsereignisse hin-reichend besttigt.

    Im Zusammenhang mit der elektrostati-schen Aufladung von Flssigkeiten sind beispielsweise das Groereignis von Bit-burg in der Bundesrepublik Deutschland [1] und drei verheerende Grotanker-explosionen [2] , welche innerhalb eines Monats am Ende der sechziger Jahre stattfanden, zu erwhnen. Bild 1 vermit-telt einen Eindruck von der Heftigkeit und den Auswirkungen einer solchen Explo-sion. Nach der Zusammenstellung einer groen lgesellschaft fr die Jahre 1960-1969 konnten innerhalb dieser Zeit-

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  • spanne 116 Brnde oder Explosionen beim Fllen von Straentankwagen oder Lagertanks auf statische Elektrizitt zurckgefhrt werden [3) . Statistisch betrachtet bedeutet diese Zahl ein sol-ches Ereignis pro Monat. Die entspre-chende Zahl fr die Betankung von Flug-zeugen ist mit 53 derartigen Unfllen in 24 Jahren um einiges niedriger [4) . Inzwi-schen hat die Petrolindustrie groe Anstrengungen unternommen, um die Phnomene der Elektrostatik im Zusam-menhang mit dem Strmen und der Lage-rung von Kohlenwasserstoffen zu verste-hen und daraus Manahmen zu deren sicheren Handhabung in der Praxis abzu-leiten. Am Anfang stehen die Arbeiten von Klinkenberg et al. [5), denen bald eine Vielzahl von Publikationen anderer Auto-ren folgte (Literaturbersicht [4, 6)). Im Fall der chemischen Industrie mit einer im allgemeinen wesentlich greren Viel -falt an betrieblichen Operationen und Produkten ist es schwierig, vergleichbare Zahlen zu nennen. Basierend auf einem Rckblick ber die letzten 10 Jahre drf-ten in der Schweiz mehrere Brnde und Explosionen pro Jahr aufelektrostatische Aufladungen zurckzufhren sein. Eine erhebliche Gefahr stellt in diesem Indu-striezweig sowie auch in der Nahrungs-und Futtermittelindustrie nicht nur die mgliche Aufladung von Flssigkeiten, sondern auch die von pulverfrmigen Produkten dar. Die Explosionsfhigkeit von Gas- oder Dampf/Luft-Gemischen ist jedermann bekannt. Das Wissen um die Explosions-fhigkeit von Staub/Luft-Gemischen ist hingegen weniger weit verbreitet. Es mute erst zu einigen folgenschweren Staubexplosionen in der Europischen Nahrungsmittelindustrie und in der Ame-rikanischen Getreideindustrie (Bremen 1979, Metz 1981, USA 1976-1978) kom-men, bis sich jedermann der Mglichkeit und der Tragweite von Staubexplosionen bewut wurde Bild 2. Die ersten Berichte ber Staubexplosionen liegen zwar weit zurck Bild 3, sie stammen noch vom Ende des 18. Jahrhunderts [7) , die mei-sten Forschungsaktivitten auf diesem Gebiet haben sich jedoch lange aus-schlielich auf die Untersuchung von Gasexplosionen konzentriert. Erst in den letzten zwei Jahrzehnten hat sich das For-schungsinteresse auch den Staubexplo-sionen zugewendet. Nach einer Statistik des Berufsgenos-senschaftlichen Instituts fr Arbeits-sicherheit ereignet sich fast tglich eine Staubexplosion in der Bundesrepublik Deutschland [8). Dieser Statistik ist zu entnehmen, da 9 % aller 381 analysier-ten Ereignisse auf statische Elektrizitt als Zndquelle zurckzufhren sind. Wenn ausschlielich die Staubgruppe Kunststoffe betrachtet wird, erhht sich dieser Anteil auf 34 % von 47 analysier-ten Explosionen. Die Elektrostatik ist zu einer mehr und mehr ins Gewicht fallenden mglichen Zndquelle in Anlagen zur Verarbeitung

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    Bild 1. Ende der sechziger Jahre fanden mehrere Explosionen auf Grotankern statt, die - wie hier im Bild - zum Aufreien des Schiffsrumpfes gefhrt haben. Als Znd ursache werden elektrosta-tische Entladungen infolge des aufgeladenen Trpfchennebels beim Waschen der riesigen Rohl -behlter vermutet [2] .

    Bild 2. Die Zndempfindlichkeit von Staubwolken und die Heftigkeit von Staubexplosionen wurden whrend langer Zeit unterschtzt. Die Auswirkungen von Staubexplosionen bertreffen in mancher Hinsicht diejenigen von Gasexplosionen. In diesem Bild ist der Feuerball nach der Zn-dung einer Staubwolke, gebildet aus ca. 4 kg fein verteilten Pigmentpartikeln, festgehalten [55].

    und Lagerung von pulverfrmigen Stof-fen geworden. Dafrgibt es verschiedene Grnde. Die Erhhung der Transportge-schwindigkeiten und die Erhhung der Lagerkapazitten durch den Bau von

    Silos und Bunkern mit immer grer wer-denden Volumen sowie die Umstellung von Klein- auf Grogebinde (z. B. flexible Schttgutbehlter) zum Transport von Schttgtern haben zu hheren Auf-

  • ladungsraten bzw. zu einer vermehrten Ladungsakkumulation gefhrt. Die La-dungsakkumulation wird zustzlich be-gnstigt durch den hohen spezifischen elektrischen Widerstand der Kunststoffe, welche heute in zunehmendem Mae verarbeitet werden. Auerdem haben neue Untersuchungen gezeigt, da die Zndempfindlichkeit vieler Stube gegen elektrostatische Entladungen wesentlich hher ist als noch vor zehn Jahren ange-nommen wurde. Die Werte fr die Min-destzndenergie diverser organischer Stube, welche von verschiedenen Auto-ren [9, 10] in jngerer Zeit gemessen wur-den, sind teilweise hnlich denjenigen fr Gase und Dmpfe. Gerade wei l viele Faktoren darauf hindeu-ten, da die Gefahren durch elektrosta-tische Aufladungen in Staub verarbeiten-den Anlagen nicht unterschtzt werden drfen, ist die Versuchung gro, in Unkenntnis der wirklichen Ursache eines Schadensereignisses der Elektrostatik die Schuld in die Schuhe zu schieben. Selbstverstndlich ist ein solches Vor-gehen sehr riskant, weil so die wirkliche Ursache unerkannt bleibt und nicht not-wendigerweise die richtigen Manahmen getroffen werden. Folgeereignisse mit derselben Ursache knnen nicht aus-geschlossen werden. Dies trifft speziell fr Staub verarbeitende Anlagen zu, in denen noch mit vielen anderen mg-lichen Zndquellen gerechnet werden mu. Im Gegensatz zu Flssigkeiten erfordert die Verarbeitung von pulverfr-migen Stoffen wesentlich mehr bewegte Anlageteile, die zu mechanisch erzeug-ten Funken oder zu Erwrmung infolge von Reibung fhren knnen. Hufig gehrt zum Verarbeitungsproze eine Trocknungsoperation, welche eine exo-therme Reaktion und somit eine eventuell kritische Selbsterwrmung des Produkts bewirken kann. Unter dem Aspekt der Elektrostatik ist die Gefahrenbeurteilung bei den Flssigkei-ten einfacher und viel weiter fortgeschrit -ten als bei den Stuben. Dies hngt einer-seits damit zusammen, da die Explo-sionsgefahr bei den Gasen und Dmpfen viel offensichtlicher ist, und deshalb die Aufladung der Flssigkeiten zuerst im Brennpunkt der Interessen stand, wh-rend - wie schon erwhnt - die Untersu-chungen an den Stuben erst neueren Datums sind. Andererseits hat sich erwie-sen, da die Verhltnisse in bezug auf Ladungsakkumulation und Zndemp-findlichkeit bei den Stuben wesentlich komplizierter sind. Aufgrund der gegenwrtigen Aktualitt von Problemen im Zusammenhang mit Staubexplosionen wird in diesem Fort-schrittsbericht eher die Staubaufladung im Vordergrund stehen. Es ist allerdings noch nicht mglich, alle Fragen zur Gefahrenbeurteilung bei der Handha-bung und Verarbeitung von Stuben aus der Sicht der Elektrostatik zu beantwor-ten. Zunchst sollen deshalb die Grenz-bereiche der heutigen Kenntnisse und

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    Bild 3. Staubexplosionen haben schon im vorigen Jahrhundert zu schweren Zerstrungen von Gebuden und Anlagen gefhrt. Das Bild zeigt die Neue Wesermhle zu Hameln nach der Getreidestaubexplosion im Jahre 1887 [7] .

    die Tendenzen innerhalb dieser Bereiche aufgezeigt und dann die bisher gesicher-ten Befunde zusammengefat werden. Trotz der Komplexitt dieses Forschungs-gebietes wurden in den letzten zehn Jahren an Hochschulen und in der In-dustrie bei grundlegenden Untersuchun-gen umfangreiche Erfahrungen gesam-melt, welche in bersichtsartikeln und Bchern verffentlicht worden sind [11-18, 77].

    2. Elektrostatische Aufladungen in der industriellen Praxis

    Elektrostatische Aufladungen entstehen immer dann, wenn zwei Oberflchen von-einander getrennt werden, wovon min-destens eine hoch isolierend ist. Bei der Berhrung zweier Oberflchen findet eine Umverteilung von Ladungstrgern statt. Wenn der anschlieende mecha-nische Trennvorgang schnell genug ist im Vergleich zur Beweglichkeit der Ladungs-trger, befinden sich nach der Trennung die umverteilten Ladungen entgegen-gesetzten Vorzeichens auf beiden Ober-flchen. Da smtliche Transportprozesse

    sowie die meisten physikalischen Opera-tionen in der industriellen Praxis mit Trennvorgngen verbunden sind, kommt es hierbei je nach elektrischer Leitfhig-keit unweigerlich zu Aufladungen. Dies gilt sowohl fr Feststoffe als auch fr Fls-sigkeiten. Zur Illustration dieser allgemei-nen Aussagen mgen folgende Beispiele dienen : Der Mensch kann sich beim Gehen auf-laden, falls der Fuboden oder seine Schuhe nicht leitfhig sind. Wenn ein Pul-ver aus einem Sack ausgeschttet oder durch ein Rohr gefrdert wird, knnen das Pulver und der Sack oder das Rohr aufgeladen werden. Beim Sieben oder Einschtten durch einen Trichter ist eben-falls eine Aufladung des Pulvers und des Siebes bzw. des Trichters zu erwarten. Strmt eine Flssigkeit durch eine Rohr-leitung oder einen Schlauch, kann sich sowohl die Flssigkeit als auch die Rohr-leitung oder der Schlauch aufladen. Die Aufladetendenz wird stark erhht, falls sich Filter in der Rohrleitung befinden. Flssigkeiten werden auch durch Rhren, Verspritzen und Zerstuben aufgeladen.

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  • Besteht die Flssigkeit aus einem Mehr-phasengemisch - also z. B. bei Anwesen-heit suspendierter Feststoffteilchen oder Trpfchen einer nicht misch baren Fls-sigkeit - mu im allgemeinen mit einer um Grenordnungen hheren Aufladeten-denz gerechnet werden. Ebenso werden an Treibriemen und Frderbndern sowie beim Abrollen von Papier- und Plastik-fol~nbahnen hohe Auftadungen beob-achtet.

    3. Systematisches Vorgehen zur Gefah-renbeurteilung und zur Wahl von Ab-wehrm~nahmen

    Wie aus der vorangegangenen Aufzh-lung von Praxisbeispielen hervorgeht, entsteht in den meisten Fllen eine Auf-ladung durch Trennprozesse zwischen Produkten und Anlageteilen. Trotz der Vielfalt der verschiedenen Operationen lassen sich bezglich der Gefahrenbeur-teilung wesentliche Gemeinsamkeiten ableiten. Damit elektrostatische Aufladungen als Zndquellen wirksam werden knnen, mssen immer die gleichen Vorgnge ablaufen. Diese sind in Bild 4 schema-tisch dargestellt. Am Anfang steht ein Auf-lademechanismus durch irgendwelche Trennprozesse. Der Auflademechanis-mus kann zu einer Ladungsakkumulation fhren. Da jeder Auflademechanismus durch Trennprozesse zustandekommt, gibt es natrlich immer zwei Orte der Ladungsakkumulation. In der Regel sind dies das Produkt und die betroffenen Anlageteile. Ladungen knnen auf elek-trisch isolierten Leitern, auf Isolatorober-flchen oder als Raumladungen (Staub-wolke, Nebel, Staubschttung, Flssig-keit) akkumuliert werden. Die Hhe der akkumulierten Ladung wird durch die Raten der Ladungstrennung und der Ladungsableitung bestimmt. Erreicht die Ladungsakkumulation einen so hohen Wert, da das resultierende elektrische Feld an einem Ort im Raum den Wert der Durchbruchfeldstrke (in Luft ca. 3 MV/m) erreicht, ist mit dem Auftreten einer Gasentladung zu rech-nen. Je nach Energie der Gasentladung und Zndempfindlichkeit einer even-tuell anwesenden explosionsfhigen Atmosphre kann es zu einer Zndung kommen. Das in Bild 4 gezeigte Schema sieht auf den ersten Blick recht einfach aus. Die genaue Analyse eines Prozesses zeigt aber oft, da es nicht immer einfach ist, die einzelnen Schritte rtlich und zeitlich genau zu lokalisieren, weil diese unter Umstnden sowohl zeitlich als auch rt-lich zusammenfallen. Das Schema kann nicht nur zur Analyse von potentiellen Gefahren durch sta-tische Elektrizitt benutzt werden, son-dern auch zursystematischen Diskussion von mglichen Sicherheitsmanahmen. Das Ziel einer jeden dieser Sicherheits-manahmen besteht letztlich darin, zu verhindern, da entweder durch die Ladung auf dem Produkt oder auf den

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    Ladungsakkumulation Anlageteile

    Ladungsakkumulation Produkte

    r-------- ----------------------------------------- --------,

    Entladung

    Zndung

    Explosionsfhige Atmosphre L __________________________________________________________ _

    Bild 4. Falls elektrostatische Aufladungen zur Zndung einer explosionsfhigen Atmosphre fhren, laufen in jedem Fall dieselben Einzelschritte ab. Das Schema kann nicht nur zur systemati -schen Analyse eines Explosionsereignisses aus der Sicht der Elektrostatik, sondern auch zursyste-matischen Herleitung von Manahmen herangezogen werden.

    Anlageteilen die Zndung einer explo-sionsfhigen Atmosphre bewirkt wird. Um dieses Ziel zu erreichen, gengt es, die dargestellte Ereignisfolge an irgend-einem Ort zu unterbrechen, bevor es zu einer Zndung kommt. Dies kann grund-stzlich an drei verschiedenen Orten erfolgen und luft auf folgende Manah-men hinaus : (1) Das Niveau der akkumulierten Ladun-

    gen wird tief gehalten durch Vermin-derung der Ladungstrennungsraten (z. B. Begrenzung von Frderge-schwindigkeiten) und Steigerung der Ladungsrelaxation (Verwendung von leitfhigen Materialien und Erdung).

    (2) Aus Kenntnis der betrieblichen Ope-ration, der involvierten Produkte und der Anlagen kann vorausgesagt werden, mit welchen Entladungen (Entladungstyp, Energie) gerechnet werden mu. Aus Erfahrung ist hinrei-chend bekannt, da die zu erwarten-den Entladungen fr das ins Auge gefate explosionsfhige Gemisch nicht zndfhig sind.

    (3) Zndfhige Entladungen knnen nicht ausgeschlossen werden. Es sind andere Schutzmanahmen (z. B. Iner-tisierung) vorzusehen.

    Manahmen der ersten Art werden hauptschlich zur Verhinderung gefhr-

    lich hoher Aufladungen von Flssigkeiten und Anlageteilen angewendet. Da es sehr schwierig ist, die Aufladung von staub-frmigen Produkten unter Kontrolle zu halten, empfehlen sich bei den staubfr-migen Produkten die Manahmen der zweiten oder dritten Art. Es stellt sich hier-bei also die Frage, mit welchen Entladun-gen mu gerechnet werden und sind diese Entladungen zndfhig fr das betreffende explosionsfhige Gemisch.

    Selbstverstndlich werden hauptsch-lich in allen jenen Fllen Manahmen der dritten Art angewendet, in welchen das vorhandene explosionsfhige Gemisch besonders zndempfindlich ist, also z. B. bei der Handhabung von Stuben in Gegenwart von leicht entzndlichen Gas-oder Lsemitteldampf/Luft-Gemischen.

    4. Produktaufladung

    4.1. Flssigkeiten

    Elektrisch isolierende Flssigkeiten laden sich beim Strmen durch Rohrleitungen auf, und zwar unabhngig davon, ob die Rohrleitungen aus Kunststoff oder leitf-hig und geerdet sind. Falls die Ladungs-abflurate im Lagertank geringer ist als der Aufladestrom durch die neu zuflie-ende Flssigkeit, kann es zu Entladun-gen im Lagertank kommen. Die hierbei

  • auftretenden Entladungen gehren in die Kategorie der Bschelentladungen (siehe Abschnitt 8.2). Zur Beurteilung der Gefahrensituation in einem Lagertank wird von vielen Autoren die Hhe der Flssigkeitsaufladung in Form von Oberflchenpotentialen auf der Flssigkeit angegeben. Diese Angaben beruhen auf Untersuchungen ber das Einsetzen zndfhiger Entladungen in Funktion des Oberflchen potentials. Gem einer Zusammenstellung aller Resultate bis 1981 durch Leonard [4) liegt das kritische Oberflchenpotential im Bereich zwischen 20 und 45 kV. In neue-ren Arbeiten [19, 20) wird dieser Bereich auf 25 bis 35 kV eingeschrnkt. Natrlich haben auch die Gre und Form des Lagertanks sowie allfllige innere Struk-turen (Einbauten etc.) einen Einflu auf das Einsetzen zndfhiger Entladungen. In diesem Zusammenhang wurde von Butterworth et al. [20, 21) mittels Modell-rechnungen die Feld- und Potentialver-teilung in Lagertanks bestimmt.

    Fr den Spezialfall der Fllung von Stra-entankwagen wurde der Zusammen-hang zwischen Produktleitfhigkeit, Str-mungsgeschwindigkeit, Ladungsdichte und Oberflchenpotential im Detail untersucht [19, 22, 23). Die daraus resul-tierenden Empfehlungen fr die sichere Handhabung brennbarer Flssigkeiten haben in mehreren nationalen Richtlinien [24-26) ihren Niederschlag gefunden. Allen diesen Empfehlungen liegt eine von verschiedenen Parametern (Leitfhigkeit der Flssigkeit, Rohrdurchmesser, Tank-gre etc.) abhngige Begrenzung der Strmungsgeschwindigkeit zugrunde. Hier mu noch darauf hingewiesen werden, da schon bei geringen Fest-stoffanteilen oder Anteilen von nicht mischbaren Flssigkeiten wesentlich hhere Aufladungen zu beobachten sind als bei reinen Flssigkeiten [27) .

    Auer beim Strmen werden Flssigkei-ten auch beim Verdsen aufgeladen und knnen somit einen aufgeladenen Trpf-chennebel ergeben. Wie eingangs erwhnt, hat dieses Phnomen bei der Reinigung von Grotankern [2) zu schwe-ren Explosionen gefhrt. Heute werden bei der Reinigung von Kesseln, Behltern und Fssern vermehrt Wasser oder Lse-mittel unter hohem Druck - bis zu einigen hundert bar - verwendet. ber die hierbei in Form von Trpfchennebeln entstehen-den Raumladungsdichten, Felder und Potentiale gibt es bisher nur wenige Ein-zeluntersuchungen [28, 29).

    4.2. Stu be Sobald der Pulverdurchgangswiderstand Werte oberhalb ca. 108 Q . m erreicht, mu unabhngig vom Material der Anla-geteile mit einer Aufladung von staubfr-migen Produkten bei deren Handhabung und Verarbeitung gerechnet werden. Dies gilt fr die meisten organischen Substanzen aufgrund ihrer schlechten elektrischen Leitfhigkeit. Da es nicht mglich ist, amorphe organische Sub-

    stanzen mit den Gesetzmigkeiten der Festkrperphysik zu beschreiben, be-steht immer noch Ungewiheit in bezug auf den eigentlichen Auflademechanis-mus bei diesen Materialien. Aber selbst beim Vorliegen einer Theorie zur Voraus-sage des Aufladeverhaltens von reinen Substanzen wre diese von untergeord-neter praktischer Bedeutung. Denn die meisten pulverfrmigen Substanzen in der Industrie sind nicht reine Substanzen und ihre Oberflchen sind nicht absolut sauber.

    Geringste Oberflchenvernderungen beeinflussen aber das Aufladeverhalten entscheidend. Dieser Sachverhalt, wei-cher fr die bekanntermaen schlechte Reproduzierbarkeit elektrostatischer Ef-fekte verantwortlich ist und den Experi-mentator oft in Verzweiflung bringt, kann wie folgt verstanden werden : Unter der Annahme, da an der Oberflche eines Feststoffs die Molekle einen Abstand von einigen zehntel Nanometer aufwei-sen, wird nur eine einzige Elementar-ladung als berschuladung pro 105

    Oberflchenmolekle gebraucht, um an der Grenzflche zur Luft die maximal

    mgliche Oberflchenladungsdichte von 2.7 10- 5 C/m2 (bei dieser Oberflchen-ladungsdichte erreicht die Feldstrke im Luftraum den Wert der Durchbruchfeld-strke) hervorzubringen. Fr pulverfr-mige Substanzen ist die Reproduzierbar-keit des Aufladeverhaltens oft um einiges schlechter als fr Feststoffoberflchen. Dies hngt damit zusammen, da die Net-toladung, welche metechnisch erfat wird, als Differenz hoch aufgeladener negativer und positiver Bestandteile des Pulvers verstanden werden mu. Somit kann auch der bei manchen Produkten mit schwacher Aufladetendenz beobach-tete Vorzeichenwechsel nach wiederhol-ter Messung erklrt werden.

    Mehrere Autoren haben Resultate ber die Aufladung von Stuben verffentlicht [30-36). Eine bersicht ber die Literatur bis 1970 wurde von Lapple [37) erstellt. Seither ist ein steigendes Interesse auf diesem Gebiet festzustellen [38-50). Bei-nahe alle Publikationen beziehen sich auf Untersuchungen an einem einzigen Pro-dukt. Jansen [38) machte Messungen an 20 verschiedenen Kunststoffpulvern und Boschung und Glor [49, 50) unter-

    As/kgr-----------,-----------,----------,,-----------ro

  • suchten das Aufladeverhalten von ca. 200 verschiedenen Industriestuben. Diese Messungen wurden mit einer Labo-ratoriumsapparatur, die den pneumati-schen Transport simuliert, durchgefhrt. Die spezifische Produktaufladung wurde in Funktion von Parametern wie Massen-flu, spezifische Oberflche, Luftge-schwindigkeit sowie Lnge, Durchmes-ser und Material der Frderleitung gemessen. Ohne Vernderung der Appa-rate parameter betrug der Variationsbe-reich bei den untersuchten Produkten 10-7 bis 10-3 C/kg, dabei war ein starker Einflu durch die spezifische Oberflche Bild 5 festzustellen. Aufgrund der Repro-duzierbarkeit der Resultate war es mg-lich, die Produkte nach ihrer Aufladeten-denz zu klassieren. Dieselbe relative Klas-sierung wurde auch mit einer anderen Methode erreicht, bei welcher die Pulver langsam auf eine schnell rotierende, konische Scheibe geschttet wurden [51]. Obwohl es offensichtlich mglich ist, Pro-dukte bezglich ihrer Aufladetendenz im Laboratorium zu klassieren, bestehen erhebliche Bedenken hinsichtlich einer Extrapolation dieser Resultate in die betriebliche Praxis. Die absolute Hhe der Produktaufladung hngt nicht nur von der Art des Produkts ab, sondern auch wesentlich von der durchgefhrten Ope-ration. Tabelle 1 gibt dazu einen berblick. Es bleibt grundstzlich die Hoffnung, da mindestens die Kenntnis einer relativen Aufladetendenz - wie sie im Laborato-rium bestimmt werden kann - fr eine Gefahrenbeurteilung in der Praxis von Nutzen ist. Leider stellt sich neuerdings auch eine derartige Prognose als frag-wrdig heraus.

    Tabelle 1. Spezifische Staubaufladung bei verschiedenen Industrieoperationen nach Gibson [13, 14] , Cartwright et al. [52] und Maurer [53] .

    Operation

    Sieben Ausschtten Frdern mit Schnecke Mahlen Mikronisieren Pneumatisch Frdern

    Spezifische Auf-ladung [C/kg]

    10-11- 10-9 10-9 -10-7 10-8 - 10- 6 10-7 - 10-6 10-7 -10-4 10-6 - 10-4

    Neue experimentelle Resultate und theo-retische berlegungen weisen darauf hin, da gerade Produkte mit einer eher mi-gen spezifischen Aufladung bei der Spei-cherung in einem Silo oder Grogebinde zu Gefahren Anla geben knnen (siehe Abschnitt 8.5).

    5. Mglichkeiten zur Ladungsbegren-zung bei Stuben und Flssigkeiten

    Nach dem heutigen Stand der Kenntnisse kann die elektrostatische Aufladung von Flssigkeiten viel besser vorausgesagt und begrenzt werden als diejenige von Stuben. Hierfr gibt es hauptschlich zwei Grnde : Zum einen wurden - wie schon eingangs erwhnt - in der Vergan-genheit viel mehr Anstrengungen unter-nommen, um die Gefahrenbeurteilung

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    bei den Flssigkeiten in den Griff zu bekommen als bei den Stuben ; zum anderen sind bei den pulverfrmigen Pro-dukten die Probleme bei weitem kompli-zierter. Letzteres rhrt von der grundstz-lich verschiedenen Natur der Flssigkei-ten und Stube her. Um beispielsweise eine Anlage zur pneumatischen Frde-rung und Lagerung von Stuben zu charakterisieren, mssen viel mehr Parameter spezifiziert werden (Partikel-grenverteilung, spezifische Ober-flche, Dichte, Schttgewicht, Pulver-durchgangswiderstand, Massendurch-satz, Luftdurchsatz, Luftgeschwindigkeit, Dimensionen der Rohrleitung und des Lagersilos, Art des Siloeintrags etc.) als im Fall von Flssigkeiten. Ein anderer wesentlicher Unterschied zwischen der Aufladung von pulverfr-migen Substanzen und Flssigkeiten besteht darin, da die Stube meistens in dispergiertem Zustand aufgeladen werden (z. B. pneumatischer Transport). Wenn die aufgeladenen Staubteilehen in die Schttung hinunterfallen, wird nicht nur die Masse, sondern auch die Ladung, welche ja unmittelbar an die Feststoff-partikel gebunden ist, verdichtet, wo-durch eine hohe Raumladungsdichte in der Schttung entsteht. Auf diese Weise fhren selbst Produkte mit einer sehr geringen Aufladetendenz zu starken elektrischen Feldern oberhalb der Scht-tung. Im Gegensatz zu den Flssigkeiten, bei denen bei normalen Einfllungs- oder Entleerungsoperationen keine gelade-nen Trpfchenwolken auftreten, mu bei der grotechnischen Handhabung von pulverfrmigen Produkten mit Staubwol-ken gerechnet werden. Die Bildung von Staubwolken wird durch elektrostatische Aufladungen noch untersttzt, da die geladenen Staubpartikeln von der eben-falls aufgeladenen Schttung abgesto-en werden. Wesentliche Unterschiede zwischen den Stuben und Flssigkeiten gibt es auch hinsichtlich der Mglichkeit der Ladungs-begrenzung und der Ladungsableitung. Die gebruchlichsten Manahmen zur Minderung der Gefahren infolge stati-scher Elektrizitt bei den Flssigkeiten -nmlich die Beschrnkung der Str-mungsgeschwindigkeit und die Erh-hung der Leitfhigkeit durch Zugabe eines antistatischen Mittels in geringen Mengen - knnen bei den Stuben nicht angewendet werden. Wegen der hohen spezifischen Oberflche pulverfrmiger Substanzen wren groe Mengen von Antistatika notwendig, um eine Erhhung der Leitfhigkeit in einer Staubschttung zu bewirken. Auerdem wrde eine der-artige Oberflchenleitfhigkeit wohl dazu beitragen, da Ladungen schnell von der Schttung abflieen (Pulverdurchgangs-widerstand (; 108 (). m), aber es wrde nicht verhindert, da die Staubpartikeln bei kurzen Wandkontakten aufgeladen werden und eine aufgeladene Staub-wolke bilden.

    Da sich die bei den Flssigkeiten blichen Methoden zur Gefahrenminderung, wie Beschrnkung der Strmungsgeschwin-digkeit und Erhhung der Produkteleit-fhigkeit, bei der Handhabung und Ver-arbeitung von Stuben nicht anwenden lassen, mu nach anderen Wegen gesucht werden, sobald mit zndfhigen Entladungen zu rechnen ist. Grundstz-lich bieten sich die Methoden zur Ladungsneutralisation, welche bei der Papier- und Folienherstellung oder -be-druckung angewendet werden, als Alter-native an. In einer Staub verarbeitenden Anlage mu die Ladungsneutralisation ber einen viel greren Volumenbereich wirksam sein als im Fall hoch aufgelade-ner Papier- oder Folienoberflchen. Um dieser Anforderung Rechnung zu tragen, haben Larigaldie et al. [54] einen soge-nannten "elektrogasdynamischen Gene-rator" entwickelt. In diesem Generator werden die fr die Ladungsneutralisation bestimmten Ladungstrger nicht in Form von Ionen oder Elektronen mit der norma-lerweise hohen Rekombinationsrate er-zeugt, sondern in Form von geladenen Aerosoltrpfchen, welche anschlieend durch einen starken Luftstrom an die Orte hoher Raumladungsdichte geblasen wer-den. Trotz der offensichtlichen Verbesse-rung derartiger Ladungsneutralisatoren im Vergleich zu einfachen lonisatoren sind diese in Staub verarbeitenden An-lagen noch nicht weit verbreitet. Es ist weitere Forschungsarbeit erforderlich, um zu entscheiden, ob und bei welchen Operationen, Anlagen und Produkten in Wirklichkeit mit zndfhigen Entladun-gen ausgehend vom Produkt gerechnet werden mu. In jenen Fllen, wo dies jedoch zutrifft, knnten derartige Verfah-ren von groem Nutzen sein. Ihr Einsatz hngt aber natrlich auch von der Reali-sierbarkeit und Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu anderen Mglichkeiten des Explosionsschutzes ab.

    6. Beurteilung von Operationen und Materialien

    Oft ist es sehr schwierig, die Hhe der elektrostatischen Aufladung in der be-trieblichen Praxis vorauszusagen. Des-halb beruht die Gefahrenbeurteilung mei-stens darauf, abzuschtzen, ob bei den gegebenen Operationen und Materialien Entladungen auftreten und wie zndfhig diese sind. Fr eine bersicht mssen also die Gefahren infolge statischer Elek-trizitt nicht unter dem Gesichtspunkt einzelner betrieblicher Operationen dis-kutiert werden, sondern vielmehr unter dem des Vorkommens und der Znd-fhigkeit der verschiedenen Gasent-ladungsarten. Dieser Weg soll im folgen-den eingeschlagen werden. Der Bezug zur industriellen Praxis wird durch die Beschreibung der Bedingungen fr das Auftreten der einzelnen Entladungsarten hergestellt.

    Fortsetzung des Artikels in Heft 2/88