Explosionsgrenze

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Gemische aus brennbaren Gasen, Dämpfen oder Stäuben mit Luft und damit dem in ihr enthaltenen Sauerstoff sind bei bestimmten, stofftypischen Mischungsverhältnissen explosionsfähig. Diese Mischungsverhältnisse bestimmen den Explosionsbereich, der durch seine zwei Explosionsgrenzen, der oberen und der unteren Explosionsgrenze (OEG bzw. UEG), beschrieben wird:

Explosionsgrenzen.svg

Explosionsgrenzen sind Grenzen des sogenannten „Explosionsbereiches“. Die untere Explosionsgrenze (UEG) bzw. die obere Explosionsgrenze (OEG) sind der untere bzw. obere Grenzwert der Konzentration (Stoffmengenanteil) eines brennbaren Stoffes in einem Gemisch von Gasen, Dämpfen, Nebeln und/oder Stäuben, in dem sich nach dem Zünden eine von der Zündquelle unabhängige Flamme gerade nicht mehr selbstständig fortpflanzen kann.

Man bezeichnet den Bereich unterhalb der unteren einschließlich der Explosionsgrenze selbst, in dem die Konzentration des brennbaren Stoffes zu gering ist, auch als zu mageres Gemisch. Der Bereich oberhalb und inklusive der oberen Explosionsgrenze wird als zu fettes Gemisch bezeichnet. Hier ist die Konzentration des brennbaren Stoffes zu hoch, um explosionsartig zu reagieren. Ein fettes Gemisch kann durch Luftzufuhr weiter verdünnt werden und so unter die OEG gelangen und damit explosionsfähig werden. Ein mageres Gemisch kann durch Zufuhr von Brennstoff, etwa durch Verdunsten oder Brenngaszufuhr, auffetten und damit explosionsgefährliche Stoffkonzentration erreichen. Die Explosionsgrenzen ändern sich ebenfalls bei Druck- und/oder Temperaturänderungen. Ebenso hat auch die Luftfeuchtigkeit einen nicht unerheblichen Einfluss.

Die Explosionsgrenzen werden auch als Zündgrenzen bezeichnet, sie sind u. a. temperatur- und druckabhängig. Bei Stäuben hat zusätzlich auch die Teilchengröße und die Teilchengrößenverteilung des Feststoffs einen Einfluss auf die Explosionsgrenzen.

Die Explosionsgrenzen sind keine physikalischen Konstanten, sondern sogenannte „sicherheitstechnische Kenngrößen“, die im Gegensatz zu den physikalischen Konstanten sehr stark von ihrer Bestimmungsmethode abhängig sind.

Es ist folglich im Rahmen einer Risiko- oder Gefährdungsbeurteilung darauf zu achten, dass bei deren praktischer Anwendung im Einzelfall ggf. zu verifizieren ist, ob in der real vorliegenden Anwendung tatsächlich auch die in der Literatur dargelegten Angaben zu den Explosionsgrenzen sicherheitstechnisch Anwendung finden können.

Wenn die Konzentration des brennbaren Stoffes in der Luft oberhalb der unteren Explosionsgrenze und unterhalb der oberen Explosionsgrenze liegt, wird das Gemisch unter atmosphärischen Bedingungen als explosionsfähige Atmosphäre bezeichnet. Unter anderen als atmosphärischen Bedingungen oder anderen Oxidationspartnern als Luftsauerstoff, wird allgemein vom explosionsfähigen Gemisch gesprochen. Im Allgemeinen wird unter atmosphärischen Bedingungen ein Umgebungstemperaturbereich zwischen −20 °C und 60 °C sowie ein Druckbereich zwischen 0,8 bar und 1,1 bar verstanden. [ATEX-Leitlinien, Richtlinie 94/9/EG] [Leitfaden für explosionsfähige Atmosphären].

Die Konzentration des brennbaren Gases oder Dampfes (Brennstoff zu Luft) wird in Vol.-% oder Mol-% angegeben. Im Gegensatz dazu wird bei der Zündgrenze die Luftzahl Lambda mit der Angabe des Gewichtsanteils (Luft zu Brennstoff) verwendet. Für ideale Gase gilt die folgende Beziehung: 1 Vol.-% = 1 Mol-% = 10.000 ppm. Das stöchiometrische Volumenverhältnis und Lambda=1 bedeutet ungefähr höchste Explosionsgefahr und beste Zündfähigkeit.

In nachfolgender Tabelle sind für einige Gase bei Mischung mit Luft die untere und obere Explosionsgrenze angegeben. Weitere Zahlenwerte finden sich in Tabellenwerken und für manche Substanzen in den Sicherheitsdatenblättern.

Brennbare Gase UEG (mager)
in Vol.-%
stöchiometrisch
in Vol.-%
OEG (fett)
in Vol.-%
Kohlenstoffmonoxid 10,9 30 76
Methan 4,4 9,5 16,5
Wasserstoff 4 30 77
Ethin (Acetylen) 2,5 7,7 80
Propan 1,7 4,0 10,8
Monosilan 1,5 ? 98
Brennbare Dämpfe UEG (mager)
in Vol.-%
stöchiometrisch
in Vol.-%
OEG (fett)
in Vol.-%
Nitromethan 7,3 ? 22,2
Methanol 6,7 ? 36
Ethanol (Äthanol) 3,4 6,5 19
Benzin 1,4 ? 7,6
Kerosin 0,7 ? 5,0
Diesel 0,6 ? 7,5

Die Grenzen variieren mit der Temperatur und dem Druck, werden aber normalerweise in Volumenprozent bei 25 °C und atmosphärischem Druck ausgedrückt. Diese Grenzwerte sind sowohl für die Erzeugung und Optimierung von Explosionen oder Verbrennungen, wie in einem Motor, als auch für deren Verhinderung, wie bei unkontrollierten Explosionen von brennbaren Gas- oder Staubansammlungen, von Bedeutung. Bei Verbrennungsmotoren wie Benzin- oder Dieselmotoren ist es wichtig, das beste brennbare oder explosive Gemisch aus einem Kraftstoff und Luft (das stöchiometrische Verhältnis) zu erreichen.

Das Standardwerk ist nach wie vor das von Michael George Zabetakis, einem Spezialisten für Brandschutztechnik, unter Verwendung eines vom United States Bureau of Mines entwickelten Geräts ausgearbeitete Werk.

Die höchste Konzentration eines Gases oder Dampfes (Volumenprozent in der Luft), über der sich eine Flamme bei Vorhandensein einer Zündquelle (Lichtbogen, Flamme oder Hitze) nicht ausbreiten kann. Konzentrationen über der UEL sind "zu fett", um zu brennen.

Heftigkeit der Verbrennung

Die Verbrennung kann unterschiedlich heftig sein. Eine Deflagration ist die Ausbreitung einer Verbrennungszone mit einer Geschwindigkeit, die geringer ist als die Schallgeschwindigkeit im nicht reagierenden Medium. Eine Detonation ist die Ausbreitung einer Verbrennungszone mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit in dem nicht reagierenden Medium. Eine Explosion ist das Bersten oder Bersten eines Gehäuses oder Behälters aufgrund der Entwicklung eines Innendrucks durch eine Deflagration oder Detonation gemäß der Definition in NFPA 69.

Grenzwerte

Untere Entzündbarkeitsgrenze

Untere Entflammbarkeitsgrenze (LFL): Die niedrigste Konzentration (in Prozent) eines Gases oder Dampfes in der Luft, die in Gegenwart einer Zündquelle (Lichtbogen, Flamme, Hitze) einen Feuerblitz auslösen kann. Der Begriff wird von vielen Sicherheitsexperten als gleichbedeutend mit der unteren Explosionsgrenze (UEG) angesehen. Bei einer Konzentration in der Luft, die unter der unteren Explosionsgrenze liegt, sind Gasgemische "zu mager", um zu brennen. Methangas hat eine LFL von 4,4 %. Wenn die Atmosphäre weniger als 4,4 % Methan enthält, kann eine Explosion nicht stattfinden, selbst wenn eine Zündquelle vorhanden ist. Aus Sicht des Gesundheits- und Arbeitsschutzes gilt die UEG-Konzentration als unmittelbar lebens- oder gesundheitsgefährdend (IDLH), wenn es keinen strengeren Grenzwert für das brennbare Gas gibt.

Die prozentualen Messwerte von Monitoren für brennbare Luft sollten nicht mit den UEG-Konzentrationen verwechselt werden. Explosimeter, die für ein bestimmtes Gas ausgelegt und kalibriert sind, können die relative Konzentration der Atmosphäre zur LFL anzeigen - die LFL beträgt 100 %. Ein angezeigter LFL-Wert von 5 % für Methan entspricht beispielsweise 5 % multipliziert mit 4,4 % oder etwa 0,22 Vol.-% Methan bei 20 °C. Die Beherrschung der Explosionsgefahr wird in der Regel durch ausreichende natürliche oder mechanische Belüftung erreicht, um die Konzentration brennbarer Gase oder Dämpfe auf maximal 25 % ihrer unteren Explosions- oder Entflammbarkeitsgrenze zu begrenzen.

Obere Entzündbarkeitsgrenze

Obere Entzündbarkeitsgrenze (UFL): Höchste Konzentration (in Prozent) eines Gases oder eines Dampfes in der Luft, die in Gegenwart einer Zündquelle (Lichtbogen, Flamme, Hitze) einen Feuerschein erzeugen kann. Konzentrationen über der UFL oder UEL sind "zu fett", um zu brennen. Ein Betrieb oberhalb der UFL wird in der Regel aus Sicherheitsgründen vermieden, da eindringende Luft das Gemisch in den Brennbarkeitsbereich bringen kann.

Einfluss von Temperatur, Druck und Zusammensetzung

Die Entflammbarkeitsgrenzen von Gemischen aus mehreren brennbaren Gasen können mit Hilfe der Mischungsregel von Le Chatelier für brennbare Volumenanteile :

und ähnlich für UFL.

Temperatur, Druck und die Konzentration des Oxidationsmittels beeinflussen ebenfalls die Entflammbarkeitsgrenzen. Eine höhere Temperatur oder ein höherer Druck sowie eine höhere Konzentration des Oxidationsmittels (hauptsächlich Sauerstoff in der Luft) führen zu einer niedrigeren LFL und einer höheren UFL, so dass das Gasgemisch leichter explodieren kann.

Normalerweise liefert atmosphärische Luft den Sauerstoff für die Verbrennung, und die Grenzwerte gehen von der normalen Sauerstoffkonzentration in der Luft aus. Eine sauerstoffangereicherte Atmosphäre verbessert die Verbrennung, wodurch die LFL sinkt und die UFL steigt, und umgekehrt; eine Atmosphäre ohne Oxidationsmittel ist für jede Brennstoffkonzentration weder brennbar noch explosiv (außer für Gase, die sich auch ohne Oxidationsmittel energetisch zersetzen können, wie z. B. Acetylen). Wird der Anteil der Inertgase in einem Luftgemisch auf Kosten des Sauerstoffs deutlich erhöht, erhöht sich die LFL und verringert sich die UFL.

Kontrolle explosionsfähiger Atmosphären

Gase und Dämpfe

Die Beherrschung von Gas- und Dampfkonzentrationen außerhalb der Explosionsgrenzen ist ein wichtiger Aspekt der Sicherheit und des Gesundheitsschutzes am Arbeitsplatz. Zu den Methoden zur Begrenzung der Konzentration eines explosionsgefährdeten Gases oder Dampfes gehört die Verwendung von Spülgas, einem nicht reaktionsfähigen Gas wie Stickstoff oder Argon, um das explosive Gas zu verdünnen, bevor es mit der Luft in Kontakt kommt. Der Einsatz von Wäschern oder Adsorptionsharzen zur Entfernung explosiver Gase vor der Freisetzung ist ebenfalls üblich. Gase können auch in Konzentrationen oberhalb des UEL sicher aufbewahrt werden, obwohl ein Bruch im Lagerbehälter zu explosiven Bedingungen oder starken Bränden führen kann.

Stäube

Für Stäube gibt es ebenfalls obere und untere Explosionsgrenzen, wobei die oberen Grenzen schwer zu messen und von geringer praktischer Bedeutung sind. Die unteren Explosionsgrenzen für viele organische Stoffe liegen im Bereich von 10-50 g/m³ und damit weit über den aus gesundheitlichen Gründen festgelegten Grenzwerten, ebenso wie die UEG für viele Gase und Dämpfe. Staubwolken dieser Konzentration sind nur über eine kurze Distanz zu sehen und treten normalerweise nur innerhalb von Prozessanlagen auf.

Die Entflammbarkeitsgrenzen hängen auch von der Partikelgröße des betreffenden Staubs ab und sind keine intrinsischen Eigenschaften des Materials. Darüber hinaus kann eine Konzentration oberhalb der UEG plötzlich durch abgesetzte Staubansammlungen entstehen, so dass ein Management durch routinemäßige Überwachung, wie es bei Gasen und Dämpfen erfolgt, nicht sinnvoll ist. Die bevorzugte Methode zur Beherrschung brennbarer Stäube besteht darin, die Ansammlung von abgelagertem Staub durch Prozessabschirmung, Belüftung und Oberflächenreinigung zu verhindern. Allerdings können niedrigere Entflammbarkeitsgrenzen für die Auslegung der Anlage relevant sein.

Flüchtige Flüssigkeiten

Situationen, die durch die Verdampfung brennbarer Flüssigkeiten in den luftgefüllten Hohlraum eines Behälters verursacht werden, können durch ein flexibles Behältervolumen oder durch die Verwendung einer nicht mischbaren Flüssigkeit zum Füllen des Hohlraums begrenzt werden. Hydraulische Tankschiffe verwenden Wasserverdrängung beim Befüllen eines Tanks mit Erdöl.

Beispiele

Nachstehend sind die Entzündungs-/Explosionsgrenzen einiger Gase und Dämpfe aufgeführt. Die Konzentrationen sind in Prozent des Luftvolumens angegeben.

  • Flüssigkeiten der Klasse IA mit einem Flammpunkt von weniger als 23 °C (73 °F) und einem Siedepunkt von weniger als 38 °C (100 °F) haben eine NFPA 704-Entflammbarkeitsklasse von 4
  • Flüssigkeiten der Klasse IB mit einem Flammpunkt von weniger als 23 °C (73 °F) und einem Siedepunkt von mindestens 38 °C (100 °F) sowie Flüssigkeiten der Klasse IC mit einem Flammpunkt von mindestens 23 °C (73 °F), aber weniger als 38 °C (100 °F), haben nach NFPA 704 eine Entflammbarkeitseinstufung von 3
  • Flüssigkeiten der Klasse II mit einem Flammpunkt von 38 °C (100 °F) oder mehr, aber weniger als 60 °C (140 °F) und Flüssigkeiten der Klasse IIIA mit einem Flammpunkt von 60 °C (140 °F) oder mehr, aber weniger als 93 °C (200 °F) haben nach NFPA 704 eine Entflammbarkeitsklasse von 2
  • Flüssigkeiten der Klasse IIIB mit einem Flammpunkt von 93 °C (200 °F) oder mehr haben nach NFPA 704 eine Entflammbarkeitseinstufung von 1
Stoff Entflammbarkeitsgrenze (%vol.) NFPA
Klasse
Flammpunkt
punkt
Mindestzündenergie (mJ)
@ Anteil in Luft, bei dem erreicht wird
Selbstentzündung
Temperatur
Untere Obere
Acetaldehyd 4.0 57.0 IA
0.37 175 °C
Essigsäure (eisig) 4 19.9 II 39-43 °C 463 °C
Essigsäureanhydrid II 54 °C
Aceton 2.6–3 12.8–13 IB
1.15 @ 4.5% 465 °C, 485 °C
Acetonitril IB 2 °C 524 °C
Acetylchlorid 7.3 19 IB 5 °C 390 °C
Acetylen 2.5 100 IA Entzündbares Gas 0,017 @ 8,5%; 0,0002 @ 40%, in reinem Sauerstoff 305 °C
Acrolein 2.8 31 IB
0.13
Acrylnitril 3.0 17.0 IB 0 °C 0.16 @ 9.0%
Allylchlorid 2.9 11.1 IB
0.77
Ammoniak 15 28 IIIB 11 °C 680 651 °C
Arsin 4.5–5.1 78 IA Entzündbares Gas
Benzol 1.2 7.8 IB
0.2 @ 4.7% 560 °C
1,3-Butadien 2.0 12 IA
0.13 @ 5.2%
Butan, n-Butan 1.6 8.4 IA
0.25 @ 4.7% 420-500 °C
n-Butylacetat, Butylacetat 1–1.7 8–15 IB 24 °C 370 °C
2-Butanol 1.7 9.8 29 °C 405 °C
Isobutanol 1.7 10.9 22-27 °C 415 °C
n-Butanol 1.4 11.2 IC 35 °C 340 °C
n-Butylchlorid, 1-Chlorbutan 1.8 10.1 IB
1.24
n-Butylmercaptan 1.4 10.2 IB 2 °C 225 °C
Butylmethylketon, 2-Hexanon 1 8 IC 25 °C 423 °C
Butylen, 1-Butylen, 1-Buten 1.98 9.65 IA
Kohlenstoffdisulfid 1.0 50.0 IB
0.009 @ 7.8% 90 °C
Kohlenmonoxyd 12 75 IA
609 °C
Chlormonoxid IA Entzündbares Gas
1-Chlor-1,1-difluorethan 6.2 17.9 IA
Cyanogen 6.0–6.6 32–42.6 IA Entzündbares Gas
Cyclobutan 1.8 11.1 IA
426.7 °C
Cyclohexan 1.3 7.8–8 IB
0.22 @ 3.8% 245 °C
Cyclohexanol 1 9 IIIA 68 °C 300 °C
Cyclohexanon 1–1.1 9–9.4 II 43.9-44 °C 420 °C
Cyclopentadien IB 0 °C 0.67 640 °C
Cyclopentan 1.5–2 9.4 IB
0.54 361 °C
Cyclopropan 2.4 10.4 IA
0.17 @ 6.3% 498 °C
Decan 0.8 5.4 II 46.1 °C 210 °C
Diboran 0.8 88 IA
38 °C
o-Dichlorbenzol, 1,2-Dichlorbenzol 2 9 IIIA 65 °C 648 °C
1,1-Dichlorethan 6 11 IB 14 °C
1,2-Dichlorethan 6 16 IB 13 °C 413 °C
1,1-Dichlorethen 6.5 15.5 IA
Dichlorfluormethan 54.7 Nicht brennbar, -36,1 °C 552 °C
Dichlormethan, Methylenchlorid 16 66 Nicht brennbar
Dichlorsilan 4–4.7 96 IA
0.015
Dieselkraftstoff 0.6 7.5 IIIA >62 °C 210 °C
Diethanolamin 2 13 IB 169 °C
Diethylamin 1.8 10.1 IB
312 °C
Diethyldisulfid 1.2 II 38.9 °C
Diethylether 1.9–2 36–48 IA
0.19 @ 5.1% 160-170 °C
Diethylsulfid IB
1,1-Difluorethan 3.7 18 IA
1,1-Difluorethylen 5.5 21.3
Difluormethan 14.4
Diisobutylketon 1 6 49 °C
Diisopropyläther 1 21 IB
Dimethylamin 2.8 14.4 IA Entzündbares Gas
1,1-Dimethylhydrazin IB
Dimethylsulfid IA
Dimethylsulfoxid 2.6–3 42 IIIB 88-95 °C 215 °C
1,4-Dioxan 2 22 IB 12 °C
Epichlorhydrin 4 21 31 °C
Ethan 3 12–12.4 IA Entzündbares Gas, -135 °C 515 °C
Ethanol, Ethylalkohol 3–3.3 19 IB 12.8 °C 365 °C
2-Ethoxyethanol 3 18 43 °C
2-Ethoxyethylacetat 2 8 56 °C
Ethylacetat 2 12 IA
460 °C
Ethylamin 3.5 14 IA
Ethylbenzol 1.0 7.1 15-20 °C
Ethylen 2.7 36 IA 0.07 490 °C
Ethylenglykol 3 22 111 °C
Ethylenoxid 3 100 IA
Ethylchlorid 3.8 15.4 IA
Ethylmercaptan IA
Heizöl Nr.1 0.7 5
Furan 2 14 IA
Ottokraftstoff (100 Oktan) 1.4 7.6 IB < -40 °C 246-280 °C
Glycerin 3 19 199 °C
Heptan, n-Heptan 1.05 6.7
0.24 @ 3.4% 204-215 °C
Hexan, n-Hexan 1.1 7.5
0.24 @ 3.8% 225 °C, 233 °C
Wasserstoff 4/18.3 75/59 IA Entzündbares Gas 0,016 @ 28%; 0,0012, in reinem Sauerstoff 500-571 °C
Schwefelwasserstoff 4.3 46 IA Entzündbares Gas 0.068
Isobutan 1.8 9.6 IA Entzündbares Gas 462 °C
Isobutylalkohol 2 11 28 °C
Isophoron 1 4 84 °C
Isopropylalkohol, Isopropanol 2 12 IB 12 °C 398-399 °C; 425 °C
Isopropylchlorid IA
Kerosin Jet A-1 0.6–0.7 4.9–5 II >38 °C, als Flugzeugtreibstoff 210 °C
Lithiumhydrid IA
2-Mercaptoethanol IIIA
Methan (Erdgas) ISO10156 5.0 14.3 IA Entzündbares Gas 0.21 @ 8.5% 580 °C
IEC60079-20-1 4.4 17
Methylacetat 3 16
Methylalkohol, Methanol 6–6.7 36 IB 11 °C 385 °C; 455 °C
Methylamin IA 8 °C
Methylchlorid 10.7 17.4 IA
Methyläther IA
Methylethyläther IA
Methylethylketon 1.8 10 IB
505-515 °C
Methylformiat IA
Methylmercaptan 3.9 21.8 IA
Brennspiritus 0.7 6.5 38-43 °C 258 °C
Morpholin 1.8 10.8 IC 31-37.7 °C 310 °C
Naphthalin 0.9 5.9 IIIA 79-87 °C 540 °C
Neohexan 1.19 7.58
425 °C
Nickel-Tetracarbonyl 2 34 4 °C 60 °C
Nitrobenzol 2 9 IIIA 88 °C
Nitromethan 7.3 22.2 35 °C 379 °C
Oktan 1 7 13 °C
Iso-Oktan 0.79 5.94
Pentan 1.5 7.8 IA
0,18 @ 4,4 %, als 2-Pentan 260 °C
n-Pentan 1.4 7.8 IA 0.28 @ 3.3%
iso-Pentan 1.32 9.16 IA 420 °C
Phosphin IA
Propan 2.1 9.5–10.1 IA Entzündbares Gas 0,25 @ 5,2 %; 0,0021, in reinem Sauerstoff 480 °C
Propylacetat 2 8 13 °C
Propylen 2.0 11.1 IA
0.28 458 °C
Propylenoxid 2.9 36 IA
Pyridin 2 12 20 °C
Silan 1.5 98 IA <21 °C
Styrol 1.1 6.1 IB 31-32.2 °C 490 °C
Tetrafluorethylen IA
Tetrahydrofuran 2 12 IB
321 °C
Toluol 1.2–1.27 6.75–7.1 IB 4.4 °C 0.24 @ 4.1% 480 °C; 535 °C
Triethylboran
Trimethylamin IA Entzündbares Gas
Trinitrobenzol IA
Terpentin 0.8 IC 35 °C
Pflanzliches Öl IIIB 327 °C
Vinylacetat 2.6 13.4
Vinylchlorid 3.6 33
Xylole 0.9–1.0 6.7–7.0 IC 27-32 °C 0.2
m-Xylol 1.1 7 IC 25 °C 525 °C
o-Xylol IC 17 °C
p-Xylol 1.0 6.0 IC 27.2 °C 530 °C

ASTM E681

Bild einer Flamme von R-32 in der Nähe seiner LFL in einer 12-Liter-Apparatur nach ASTM E-681.

In den USA ist die ASTM E681 die gebräuchlichste Methode zur Messung von LFLs und UFLs. Dieser Standardtest ist für Gase der HAZMAT-Klasse 2 und für die Bestimmung der Entflammbarkeitsklassifizierung von Kältemitteln erforderlich. Diese Norm verwendet visuelle Beobachtungen der Flammenausbreitung in 5 oder 12-Liter-Kugelglasgefäßen zur Messung der Entflammbarkeitsgrenzen. Als entflammbar gelten Bedingungen, bei denen sich eine Flamme außerhalb eines Kegelwinkels von 90° ausbreitet.