Verbranding van gassen en dampen

De meeste organische chemische verbindingen verbranden. Verbranding is een eenvoudige chemische reactie waarbij zuurstof uit de atmosfeer snel reageert met een stof en warmte produceert.

De eenvoudigste organische verbindingen zijn de zogenaamde koolwaterstoffen, en dit zijn de hoofdbestanddelen van ruwe olie/gas. De eenvoudigste koolwaterstof is methaan, waarvan elke molecule bestaat uit één koolstofatoom en vier waterstofatomen. Het is de eerste verbinding in de familie die bekend staat als alkanen. De fysische eigenschappen van alkanen veranderen naarmate het aantal koolstofatomen in het molecuul toeneemt: alkanen met één tot vier zijn gassen, alkanen met vijf tot tien zijn vluchtige vloeistoffen, alkanen met 11 tot 18 zijn zwaardere stookoliën en alkanen met 19 tot 40 zijn smeeroliën. Koolwaterstoffen met een langere koolstofketen zijn teer en was.

De eerste tien alkanen zijn:

_CH4 methaan (gas) _C6H14 hexaan (vloeistof)
_C2H6 ethaan (gas) _C7H16 heptaan (vloeistof)
_C3H8 propaan (gas) _C8H18 octaan (vloeistof)
_C4H10 butaan (gas) _C9H20 nonaan (vloeistof)
_C5H12 pentaan (vloeistof) _C10H22 decaan (vloeistof)

Alkenen zijn vergelijkbaar, maar hun moleculaire structuur bevat dubbele bindingen (voorbeelden zijn ethyleen en propyleen). Ze hebben meer energie per molecuul en branden dus heter. Ze zijn ook waardevoller bij de productie van andere chemicaliën, zoals kunststoffen. Alkynen bevatten drievoudige bindingen (voorbeeld is acetyleen) en worden gebruikt bij het lassen van metalen. De bovenstaande verbindingen staan allemaal bekend als alifaten, wat betekent dat de koolstofatomen allemaal in een lijn liggen. Aromatische koolwaterstoffen zoals benzeen hebben een moleculaire ringstructuur, dus minder waterstof per koolstofatoom en branden dus met een rokerige vlam.

Als koolwaterstoffen verbranden, reageren ze met zuurstof uit de atmosfeer om kooldioxide en stoom te produceren, maar als de verbranding onvolledig is omdat er onvoldoende zuurstof is, ontstaat er ook koolmonoxide.

Complexere organische verbindingen bevatten elementen zoals zuurstof, stikstof, zwavel, chloor, broom of fluor en als deze verbranden, zullen de verbrandingsproducten extra verbindingen bevatten. Zwavelhoudende stoffen zoals olie of kolen resulteren bijvoorbeeld in zwaveldioxide, terwijl chloorhoudende stoffen zoals methylchloride of polyvinylchloride (PVC) resulteren in waterstofchloride.

In de meeste industriële omgevingen waar explosie- of brandgevaar bestaat door de aanwezigheid van ontvlambare gassen of dampen, is het waarschijnlijk dat er een mengsel van verbindingen wordt aangetroffen. In de petrochemische industrie bestaan de grondstoffen uit een mengsel van chemische stoffen, waarvan vele op natuurlijke wijze worden afgebroken of door verwerking kunnen worden gewijzigd. Ruwe olie wordt bijvoorbeeld in veel materialen gescheiden door middel van fractionering (of gefractioneerde destillatie) en 'kraken'. Bij fractionering worden zeer vluchtige gassen verwijderd bij temperaturen waarbij ze alleen vluchtig zijn, vervolgens bij hogere temperaturen waarbij zwaardere verbindingen vluchtig zijn en vervolgens nog heter voor grotere koolwaterstoffen. Bij kraken worden grote koolwaterstofmoleculen door hitte en katalytische werking opgesplitst in kleinere koolwaterstofmoleculen.

Inert

Om explosies tijdens shutdowns en onderhoudswerkzaamheden te voorkomen, maken veel industriële processen gebruik van een inertiseringsprocedure. Vul een vat koolwaterstofgas met lucht en op een gegeven moment wordt het mengsel explosief en gevaarlijk. Gebruik een 2-fasenproces waarbij de koolwaterstof wordt vervangen door stikstof en vervolgens de stikstof wordt vervangen door lucht, en in geen enkele fase loop je het risico op een explosie. Dit wordt het purgen van een vat genoemd (bijvoorbeeld een brandstoftanker of opslagtanks op een olietanker). Het doorspoelen van koolwaterstoffen is gebruikelijk voordat onderhouds- of reparatiewerkzaamheden worden uitgevoerd. Voordat personeel het schip betreedt, moet het met ademlucht worden doorspoeld. Crowcon heeft speciale instrumenten om dit hele proces te bewaken om een efficiënte inertisering te garanderen en operators te waarschuwen voor de aanwezigheid van potentieel gevaarlijke mengsels van lucht, stikstof en koolwaterstoffen tijdens onderhoudswerkzaamheden.

Normen die LEL-concentratie definiëren

Veiligheidsprocedures zijn over het algemeen gericht op het detecteren van brandbaar gas voordat het de onderste explosiegrens bereikt. Er zijn twee veelgebruikte normen die de 'LEL'-concentratie voor ontvlambare stoffen definiëren: ISO10156 (waarnaar ook wordt verwezen in de vervangen norm EN50054) en IEC60079-20-1:2010. De IEC (International Electrotechnical Commission) is een wereldwijde organisatie voor standaardisatie. In het verleden werden de ontvlambaarheidsniveaus bepaald door één enkele norm: ISO10156 (Gassen en gasmengsels - Bepaling van het brandpotentieel en oxidatievermogen voor de selectie van cilinderafsluiters).

IEC en EU (Europese) normen (IEC60079 en EN61779) definiëren LEL-concentraties gemeten met een 'geroerde' gasconcentratie (in tegenstelling tot de 'stilstaand' gasmethode die wordt gebruikt in ISO10156). Van sommige gassen/dampen is aangetoond dat ze een vlamfront in stand kunnen houden bij lagere brandstofconcentraties wanneer ze worden geroerd dan wanneer ze stilstaan. Kleine verschillen in de 100%LEL volume resultaten. Dit wordt veroorzaakt doordat de gemiddelde afstand van een brandend molecuul tot een onverbrand molecuul iets kleiner is wanneer het gas wordt geroerd. De resulterende LEL's variëren een klein beetje tussen de twee normen voor sommige gassen/dampen.

De tabel op de volgende pagina toont enkele van de opmerkelijke verschillen in LEL-waarden tussen de twee normen. Het is duidelijk te zien dat 50% LEL van methaan in EN60079 overeenkomt met een volumeconcentratie van 2,2% in lucht, tegenover 2,5% volume zoals vermeld in ISO10156. Als een detector dus wordt gekalibreerd volgens EN60079 met een mengsel van 50% LEL methaan volgens ISO 10156, zou er een gevoeligheidsfout van 13,6% optreden, waardoor de kalibratie ongeldig zou kunnen worden. De fout kan zelfs groter zijn voor niet-lineaire infrarooddetectoren.

De Europese ATEX-richtlijn (die betrekking heeft op de certificering en het gebruik van apparatuur in ontvlambare atmosferen) bepaalt dat fabrikanten en gebruikers moeten voldoen aan de EN61779-norm. Het beleid van Crowcon is om de nieuwe LEL-waarden toe te passen in Europa en gebieden die zich houden aan de Europese normen. Aangezien de oude norm echter nog steeds wordt gebruikt in de VS en andere markten, blijven we in deze gebieden kalibreren volgens ISO 10156. ATEX/IECEx gecertificeerde Crowcon producten worden geleverd gekalibreerd volgens de IEC60079/EN61779 normen (d.w.z. methaansensoren worden zodanig gekalibreerd dat 100% LEL = 4,4% volume). UL/CSA gecertificeerde producten worden gekalibreerd volgens de ISO10156 norm (d.w.z. methaansensoren worden zodanig gekalibreerd dat 100% LEL = 5% volume) tenzij een klant anders bepaalt.

Alarmniveaus

Detectiesystemen voor brandbare gassen zijn ontworpen om alarm te slaan voordat gassen/dampen een explosieve concentratie bereiken. Meestal wordt het eerste alarmniveau ingesteld op 20% LEL (hoewel er industrieën zijn die de voorkeur geven aan 10% LEL; met name olie- en gasbedrijven). Het tweede en derde alarmniveau variëren afhankelijk van het soort industrie en de toepassing, maar worden gewoonlijk ingesteld op respectievelijk 40% LEL en 100% LEL.