Staubexplosions-Entlastungen: Schritt-für-Schritt-Anleitung zur Dimensionierung
Methode zur Abschätzung der erforderlichen Größe von Explosionsschutzklappen / Berstscheiben zur Minderung von Staubexplosionen
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| Abschnittszusammenfassung |
|---|
| 1. Einführung |
| 2. Voraussetzungen für die Dimensionierung von Staubexplosions-Entlastungen |
| 3. Einschränkungen der Methode |
| 4. Schritt-für-Schritt-Berechnungsverfahren |
| 5. Rohrleitungen für Staubexplosions-Entlastungen |
| 6. Andere Berechnungsmethoden |
Staubexplosions-Entlastungen sind eine entscheidende Ausrüstung, um die Sicherheit von Prozessen mit brennbaren Stäuben zu gewährleisten. Diese Seite erklärt Schritt für Schritt, wie die Größe einer Staubexplosions-Entlastung abgeschätzt wird.
1. Einführung
Es ist für einen Anlagenbetreiber verpflichtend, eine Risikobewertung für Staubexplosionen durchzuführen und alle erforderlichen Maßnahmen zur Vermeidung von Explosionen umzusetzen. Manchmal ist das verbleibende Risiko jedoch zu hoch, und Maßnahmen zur Explosionsminderung müssen implementiert werden, wie z. B. Explosionsschutzklappen an Trichtern, Silos, Filtern oder bestimmten Förderanlagen.Diese Seite erklärt, wie Explosionsschutzklappen aufgebaut sind, und stellt Näherungsmethoden zu deren Dimensionierung vor.
Die hier vorgestellten Methoden sind nicht präzise; sie dienen nur zur Veranschaulichung der Konzepte, die der Auslegung zugrunde liegen, oder als erste Näherung, z. B. für Budgetzwecke, DÜRFEN ABER NICHT FÜR DIE DETAILPLANUNG VERWENDET WERDEN. FÜR DIE TATSÄCHLICHE UMSETZUNG IST IMMER EIN ANERKANNTES UNTERNEHMEN MIT DER DIMENSIONIERUNG UND INSTALLATION DER KLAPPEN ZU BEAUFTRAGEN.
2. Voraussetzungen für die Dimensionierung von Staubexplosions-Entlastungen
Kenntnis der Explosionseigenschaften des Staubs
Um eine Explosionsschutzklappe zur Druckentlastung bei einer Staubexplosion dimensionieren zu können, muss bekannt sein, *wie* der Staub explodiert. Dazu müssen die Explosionseigenschaften des Materials gemessen werden. Insbesondere müssen folgende Parameter bekannt sein:
Kenntnis der Eigenschaften des zu schützenden Behälters
Die Dimensionierung der Explosionsschutzklappe variiert je nach Volumen, Form und Auslegungsdruck des zu schützenden Behälters. Daher müssen folgende Daten erhoben werden:
- Maximal zulässiger Betriebsdruck
- Volumen des Behälters
- Verhältnis Länge (Höhe) zu Durchmesser: L/D
3. Einschränkungen der Methode
Die vorgestellte Methode gilt nur unter folgenden Annahmen:
- Volumen zwischen 0,1 und 10.000 m³
- Statischer Ansprechdruck der Entlastung zwischen 0,1 und 1 bar<sub>ü</sub>
- Reduzierter Explosionsdruck zwischen 0,1 und 2 bar<sub>ü</sub> und muss mindestens dem doppelten statischen Ansprechdruck zuzüglich der Bersttoleranz der Klappe entsprechen
- P<sub>max</sub> zwischen 5 und 10 bar, wenn K<sub>St</sub> zwischen 10 und 300 bar·m·s⁻¹ liegt
- Längen/Durchmesser-Verhältnis L/D zwischen 1 und 20; bei vertikalen Trichtern (bei horizontaler Bauform ist diese Methode nicht anwendbar)
- Druck bei Zündung < 110 kPa und Sauerstoffkonzentration < 21 %
4. Schritt-für-Schritt-Berechnungsverfahren
4.1 SCHRITT 1: Erfassung der Staubexplosions-Kenndaten und Behälterkonstruktionsdaten
Wie oben erläutert
4.2 SCHRITT 2: Festlegung des L/D-Verhältnisses abhängig von der Position der Entlastung
Bei einem vertikalen, zylindrischen Trichter hängt das Höhen/Durchmesser-Verhältnis L/D von der Position der Entlastung ab, die typischerweise entweder oben oder seitlich installiert sein kann. Die "Länge" ist dabei die maximale Strecke, die die Flamme (L<sub>eff</sub>) zurücklegen muss, um den Behälter durch die Explosionsschutzklappe zu verlassen.effmuss zurücklegen, um den Behälter durch die Explosionsschutzklappe zu verlassen.
Falls ein Konus vorhanden ist, wird dessen Beitrag zur effektiven Flammenlänge mit 1/3 der Konushöhe angesetzt [SHAPA 1].
Der "Durchmesser" ist ebenfalls ein effektiver Durchmesser, der über die Berechnung des effektiven Volumens ermittelt werden muss.
Hinweis: In einigen Fällen kann der längste Flammenweg von der Spitze des Trichters bis zum unteren Rand der Explosionsschutzklappe verlaufen. Dies kann z. B. bei Filtern der Fall sein.
4.3 SCHRITT 3: Berechnung der erforderlichen Entlastungsfläche der Explosionsschutzklappe
A = B *[1 + C * log10(L/D)]
B = [3,264 * 10-5 * Pmax * K<sub>St</sub> * Pred-0,569 + 0,27 * (Pstat – 0,1) * Pred-0,5] * V0,753
C = [–4,305 * log10(Pred) + 0,758]
Mit:
A = Erforderliche Entlastungsfläche in m²
V = Tatsächliches Volumen des Behälters in m³
K<sub>St</sub> = Druckanstiegsgeschwindigkeit der Explosion in bar·m/s
Pmax = Maximale Explosionsdruck in bar
Pred = Reduzierter Explosionsdruck in bar = reduzierter Explosionsdruck in bar (dies ist der angestrebte Maximaldruck im Behälter, der nach dem Öffnen der Explosionsentlastung erreicht wird)
Pstat = statischer Öffnungsdruck der Explosionsentlastung in bar (dies ist der Auslegungsdruck, bei dem die Explosionsentlastung öffnet)
L/D = L/Deff = Formverhältnis des durch die Explosionsentlastung geschützten Behälters
[SHAPA 2] erwähnt, dass ein Wirkungsgrad berücksichtigt werden muss, um die berechnete Entlastungsfläche zu korrigieren. Es ist daher entscheidend, die Entlastung gemeinsam mit dem Hersteller auszulegen, der dann in der Lage ist, den Wirkungsgrad der Explosionsentlastung zu bestimmen. Eine solche Auslegung sollte nicht allein durch Anlagenbetreiber durchgeführt werden.
Wenn der Wirkungsgrad beispielsweise 90 % beträgt, dann beträgt die tatsächlich erforderliche Fläche A/0,9
4.4 Beispiel zur Berechnung der Größe einer Staubexplosionsentlastung
Der zu schützende Trichter befindet sich am Ende einer pneumatischen Förderleitung. Es handelt sich um einen konischen Trichter mit einem Filter, für den die Anlage im Rahmen der Staubexplosionsrisikoanalyse festgestellt hat, dass er mit einer seitlichen Explosionsentlastung ausgestattet werden muss. Die Anlage möchte die erforderliche Größe der Entlastung überprüfen, um sicherzustellen, dass sie eingebaut werden kann, und sich einen Überblick über die Kosten verschaffen. Diese Arbeit wird während der Grundlagenplanung (Basic Engineering) durchgeführt, und das Unternehmen plant, ein spezialisiertes Unternehmen für die Bestätigung im Rahmen der Detailplanung (Detail Engineering) zu beauftragen.
Der Trichter weist folgende Abmessungen auf:
- D = 2 m Durchmesser
- Zylindrische Höhe HMantel = 3 m
- Die Position der Entlastung muss oberhalb des Produktpegels liegen, sie befindet sich 1 m vom oberen Rand des Trichters, HEntlastung = 2 m
- Kegelhöhe hKegel = 2,5 m
- Kegelauslassdurchmesser do = 0,25 m
SCHRITT 1: Ermittlung der Staubexplosionseigenschaften
Das gelagerte Produkt weist folgende Eigenschaften auf:
- Kst = 150 bar·m/s
- Pmax = 8,5 bar
Unter Berücksichtigung der mechanischen Festigkeit des Trichters wünscht die Anlage, dass die Entlastung bei 0,2 bar (Überdruck) öffnet und der Restdruck Pred 0,5 bar (Überdruck) nicht überschreitet.
SCHRITT 2: Bestimmung des L/D-Verhältnisses
- Effektive Flammenlänge Leff = 2,5/3 + 2 = 2,8 m (siehe Fall 2 in Abschnitt 4.2)
- Das effektive Volumen Veff = π·D²/4·HEntlastung + (2·π/3·(D²/4 + (D/2·do/2) + do²/4)/3) = 7,08 m³
- Der effektive Durchmesser beträgt dann Deff = 2·(Veff/Leff/π)^0,5 = 1,78 m
- Das Verhältnis L/Deff = 2,8/1,78 = 1,58
Die erforderliche Größe der Entlastung kann dann berechnet werden:
- V = 12,4 m³ (hier wird der obere Deckel zur Vereinfachung der Berechnung als flach angenommen)
- B = 0,66
- C = 2,05
- A = 0,94 m²
Es ist erforderlich, eine Entlastung mit einer Größe > 0,94 m² zu installieren, um den Trichter zu schützen.
WARNUNG: Die obige Berechnung dient nur der Veranschaulichung auf dieser Website und darf nicht für die Detailplanung verwendet werden. Jede andere Verwendung erfolgt auf eigenes Risiko des Nutzers. Die Detailplanung muss mit einem spezialisierten Unternehmen durchgeführt werden.
5. Explosionsentlastungskanäle für Staubexplosionen
Manchmal ist es erforderlich, die Explosionsflamme und die Druckwelle von der Ausrüstung wegzuleiten, z. B. aus einem Gebäude heraus. Dies erfolgt durch den Einbau eines Kanals am Auslass der Explosionsentlastung. Das Vorhandensein des Kanals ist ein wichtiger Auslegungsparameter, da er den tatsächlich erreichten reduzierten Explosionsdruck im geschützten Behälter beeinflusst.Nach der Berechnung der erforderlichen Entlastungsfläche mit der oben beschriebenen Methode ist es daher erforderlich, den reduzierten Explosionsdruck aufgrund der Anwesenheit eines Kanals zu korrigieren.Wenn der reduzierte Explosionsdruck zu hoch ist, muss die Auslegung der Entlastung angepasst werden.
In jedem Fall muss der Durchmesser des Kanals mindestens dem Durchmesser der Entlastung entsprechen. [SHAPA 2] erwähnt, dass der Kanal gerade verlaufen sollte.
Der reduzierte Druck bei Vorhandensein eines Kanals kann für Behälter mit einem maximalen Volumen von 100 m³ mit folgender Formel [Laurent] berechnet werden:
P'red/Pred = 1 + 17,3·(A/V^0,753)^1,6·(L/D)
Mit:
P'red = reduzierter Druck mit Kanal (bar, Überdruck)
Pred = reduzierter Druck ohne Kanal (bar, Überdruck)
L = Länge des Kanals (m)
D = Durchmesser des Kanals
Ein wichtiger zu berücksichtigender Punkt betrifft flammenlose Entlastung (Flammenrückschlagsicherungen) : Eine Studie [Gregoire] zeigte, dass die oben genannte Formel nicht direkt auf diese Art von Entlastungssystemen anwendbar ist, da die Fluiddynamik aufgrund des Vorhandenseins eines Filters vollständig anders ist. Diese Systeme bieten viele Vorteile, aber ihre Dimensionierung sollte definitiv ausschließlich den Herstellern überlassen werden, da nur diese über ausreichend Daten verfügen, um diese Entlastungssysteme korrekt auszulegen.
6. Andere Berechnungsmethoden
Die oben beschriebene Methode leitet sich tatsächlich von einer älteren Methode namens "Nomographen“-Methode ab. Dabei handelt es sich um ein grafisches Verfahren, das 1979 als deutsche VDI-Richtlinie eingeführt und seitdem mehrfach überarbeitet wurde. Diese Methode diente als Grundlage für weitere Normen in den USA, Frankreich usw.
[Laurent] berichtet, dass die oben genannten Gleichungen leicht modifiziert werden können, um die Turbulenz im Behälter zum Zeitpunkt der Explosion zu berücksichtigen, was ein sehr wichtiger Parameter ist, der diese beeinflusst.
Es wird ein Turbulenzkoeffizient τ eingeführt, wobei τ zwischen 0 und 3,5 liegen sollte:
Die NFPA empfiehlt folgende Formel [Agarwal]:
Av = a·(V^(2/3))·(Kst)^b·(Pred)^c
a = 5,71·10^(-4)·exp(2·Pstat)
b = 0,978·exp(-0,105·Pstat)
c = -0,687·exp(0,0226·Pstat)
Mit
Av = Erforderliche Entlastungsfläche in m^2
V = Leervolumen des Behälters in m^3
Kst = Kennwert der Staubexplosion in bar·m/s
Pred = Reduzierter Druck in bar (Überdruck) (maximaler Druck, der im Behälter während einer kontrollierten Explosionsentlastung erreicht wird); dieser sollte 2/3 des Berstdrucks des Behälters nicht überschreiten.
Pstat = Druck, bei dem die Entlastung öffnet, in bar (Überdruck); dieser muss > 0,1 bar (g) betragen (die obige Gleichung ist für niedrigere Drücke nicht gültig). Eine bewährte Praxis besteht darin, ihn 0,5 psi über dem Betriebsdruck des Trichters einzustellen.
Die Maßnahmen zur Vermeidung von Zündquellen sowie die gewählte Art der Explosionsminderung müssen in der Staubexplosionsrisikoanalyse (Dust Hazard Analysis, DHA) beschrieben werden, und die umzusetzen Maßnahmen sind zu erläutern. Die Ergebnisse der Risikoanalyse müssen von der Anlage umgesetzt werden.
Quelle
[SHAPA 1] Dimensionierung von Explosionsentlastungsöffnungen, SHAPA Technical Bulletin 10
[Agarwal] Staubexplosionen: Prävention und Schutz, Chemical Engineering Magazine