Brandbare nevels met een hoog vlampunt

Transcriptie

1

2 Brandbare nevels met een hoog vlampunt

3 Overzicht Introductie Wat zijn brandbare nevels? Brandeigenschappen van nevels met een hoog vlampunt Vorming van brandbare nevels Nevels en zonering Meest recente studie: HSE - Joint-Industry Project (JIP) Brandbare nevels met een hoog vlampunt 3

4 Sprekers Ir. Ido Pat-El Ido.Pat-El at rhdhv.com Gerjon Drenth Gerjon.Drenth at rhdhv.com Brandbare nevels met een hoog vlampunt 4

5 Waarom aandacht voor brandbare nevels 37 bekende waarvan: incidenten met ontsteking van brandbare nevels 20 explosies 29 doden De Europese ATEX richtlijn 1999/92/EG verplicht werkgevers om werkplekken te identificeren en te classificeren waar een explosieve atmosfeer kan voorkomen. De eigenschappen van brandbare nevels met een hoog vlampunt, hoe deze ontstaan en hoe om te gaan in relatie tot zoneringen is tot dusver nog steeds onderwerp van discussie en onderzoek Brandbare nevels met een hoog vlampunt 5

6 Doel workshop Inzicht geven in brandbare nevels met een hoog vlampunt: Brandeigenschappen Hoe ontstaan ze Met deze kennis helpen om een inschatting te maken voor je eigen procesvoering of er een kans is op de vorming van een brandbare nevel. Een introductie te geven in wat er in recente normen, standaarden, richtlijnen staat met betrekking tot zonering van brandbare nevels. Dit om houvast te geven om zelf ermee aan de slag te gaan. Inzicht geven in de meest recente onderzoeken naar brandbare nevels in relatie tot zonering Brandbare nevels met een hoog vlampunt 6

7 Inhoud Introductie Wat zijn brandbare nevels? Brandeigenschappen van nevels met een hoog vlampunt Vorming van brandbare nevels Nevels en zonering Meest recente studie: HSE - Joint-Industry Project (JIP) Brandbare nevels met een hoog vlampunt 7

8 Wat zijn brandbare nevels? Een dispersie is een mengsel waarbij één stof fijn verdeeld is in een andere stof. Een nevel is een mengsel van vloeistofdruppeltjes in een gasfase. Een brandbare nevel bestaat uit fijn in lucht verdeelde druppeltjes van een vloeistof, waarbij een explosieve atmosfeer wordt gevormd Brandbare nevels met een hoog vlampunt 8

9 Over welke stoffen praten we? In de context van deze workshop praten we over brandbare nevels van vloeistoffen met een hoog vlampunt. Stoffen die bij kamer- of procestemperatuur onder hun vlampunt zitten. Voorbeelden: Diesel Hydraulische olie Smeerolie Etc Brandbare nevels met een hoog vlampunt 9

10 Lange geschiedenis van onderzoeken Ohnesorge, 1936 Burgoyne and Cohen, 1954 Zabetakis, et al. 1965; Cook et al Bowen, P.J., and Shirvill, L.C., 1994 Maragkos, A., and Bowen, P.J., 2002 Jagger, et al Santon, R.C., 2009 Gant S.E., et al Etc Brandbare nevels met een hoog vlampunt 10

12 Ontsteking van een brandbare nevel Druppelgrootte van een nevel heeft invloed op de brandgevoeligheid: Vlampropagatie LEL MIE MHST Brandbare nevels met een hoog vlampunt 12

13 Vlampropagatie Wanneer bij een ontsteking de warmte productie hoger is dan het warmte verlies, dan zal de verbranding zich voortzetten Brandbare nevels met een hoog vlampunt 13

14 Lower Explosion Limit (LEL) Minimale concentratie van een stof in lucht die nodig is om een verbranding van een stof te laten propageren. Druppelgrootte heeft invloed op LEL Druppels < 7-10 µm: druppels verdampen voor vlamfront, LEL is vergelijkbaar met gas mengsel Druppels > µm: invloed op LEL is wisselend afhankelijk hoe de testen zijn uitgevoerd: Stilstaande, laag momentum nevels: LEL neemt af naarmate druppelgrootte groter wordt. Momentum gedomineerde nevels of sprays: LEL neemt toe naarmate druppelgrootte groter wordt Brandbare nevels met een hoog vlampunt 14

15 Lower Explosion Limit (LEL) Brandbare nevels met een hoog vlampunt 15

16 Lower Explosion Limit (LEL) Laag momentum nevel Druppels vallen in opstijgende vlammen, turbulente effecten zorgen voor betere menging van brandstof in vlamfront. LEL in sommige tot 10% van de concentratie gezakt van het equivalente damp-lucht mengsel bij druppelgroottes > 120 µm Hoog momentum spray/nevel Druppels vallen minder snel verticaal, andere effecten spelen mogelijk een rol, niet geheel duidelijk waarom Brandbare nevels met een hoog vlampunt 16

17 Minimum Ignition Energy (MIE) MIE: Minimale energie van een vonk die nodig is voor ontsteking van een brandbare stof. Parameters die MIE beïnvloeden in een nevel: Druppelgrootte Concentratie van de brandstof in lucht Vluchtigheid van de stof Momentum van de nevel Brandbare nevels met een hoog vlampunt 17

18 Minimum Ignition Energy (MIE) Druppelgrootte: Hoe kleiner de druppels, hoe lager de MIE Brandbare nevels met een hoog vlampunt 18

19 Minimum Ignition Energy (MIE) Concentratie brandbare stof in lucht Energie nodig om een nevel te ontsteken veelal hoger dan voor een equivalente damp. Komt doordat er extra energie nodig is om druppels te verdampen en vervolgens te ontsteken. Nabij de LEL is in sommige gevallen de energie, nodig voor ontsteking, lager vergeleken met de MIE van het equivalent damplucht mengsel Brandbare nevels met een hoog vlampunt 19

20 Minimum Ignition Energy (MIE) Vluchtigheid brandbare stof Hoe vluchtiger de brandbare stof, hoe lager de MIE bij eenzelfde druppelgrootte. Dit komt doordat er minder energie nodig is om de nevel te verdampen en vervolgens te ontbranden Brandbare nevels met een hoog vlampunt 20

21 Minimum Ignition Energy (MIE) Momentum van de nevel Beperkt aantal experimenten, indicatie is dat de MIE bij eenzelfde druppelgrootte toeneemt wanneer de snelheid van de mist toeneemt Brandbare nevels met een hoog vlampunt 21

22 Minimum Hot Surface Ignition Temperature (MHST) MHST: De minimale temperatuur van het een heet oppervlak die nodig is om een (in dit geval) nevel te ontsteken. Conservatieve aanname is dat de temperatuur van hete oppervlak gelijk of hoger moet zijn dan de Auto Ignition Temperature (AIT), maar: Er zijn omstandigheden waarbij ontsteking kan optreden bij een T < AIT. Bijvoorbeeld door oxidative self heating in isolatiematerialen Brandbare nevels met een hoog vlampunt 22

23 Samenvatting brandeigenschappen Belangrijke eigenschappen die de brandbaarheid van een nevel beïnvloeden zijn: Druppelgrootte Momentum Concentratie van brandbare stof in lucht Energie nodig voor ontsteking van een nevel is vaak hoger vergeleken met de energie die nodig is voor ontsteking van de pure damp. In veel gevallen geldt dat de temperatuur van een heet oppervlak hoger moet zijn dan de AIT van de pure brandbare stof om een nevel te ontsteken Brandbare nevels met een hoog vlampunt 23

25 Hoe ontstaat een nevel? Verstuiving: Spray uit een vloeibaar reservoir onder druk Agiteren van een vloeistof (door: vullen, roeren, etc.) Stripping (snel bewegende luchtstroom over een vloeistofoppervlak) Condensatie van een verzadigde damp Brandbare nevels met een hoog vlampunt 25

26 Hoe ontstaat een nevel? Belangrijk eigenschappen: Druppelgrootte Hoe ver komt de spray Wat als de spray ergens tegenaan botst (impignement) Brandbare nevels met een hoog vlampunt 26

27 Spray uit een vloeibaar reservoir onder druk Druppels breken op in twee stappen: Primary breakup: Interne krachten in de spray en de gasstroom breken de vloeistof stroom op. Secondary breakup: Aerodynamische krachten en botsingen breken de eerste druppels op Brandbare nevels met een hoog vlampunt 27

28 Spray uit een vloeibaar reservoir onder druk Brandbare nevels met een hoog vlampunt 28

29 Spray uit een vloeibaar reservoir onder druk Brandbare nevels met een hoog vlampunt 29

30 Secondary Breakup Brandbare nevels met een hoog vlampunt 30

31 Spray uit een vloeibaar reservoir onder druk Druppels zelden van dezelfde grootte. De vorm van de nozzle is sterk bepalend voor de druppelgrootte en hoe de nevel zich verspreid. Empirische correlatie-modellen gebruikt om toch een gemiddelde druppel diameter te berekenen Hoe ver de nevel komt kan berekend worden met conservatieve vuistregels of met behulp van oplossen van fysische balansen. Moderne computer pakket zoals DNV Phast rekenen bovenstaande uit met versimpelde modellen Brandbare nevels met een hoog vlampunt 31

32 Spray uit een vloeibaar reservoir onder druk Impignement Brandbare nevels met een hoog vlampunt 32

33 Spray uit een vloeibaar reservoir onder druk Maragkos and Bowen (2002) experimenten: 20-80% van de spray weerkaatste. Het aantal druppels in de secundaire spray was een sterke functie van: Druk in het reservoir Afstand oppervlak tot lek Gat grootte Secundaire spray is makkelijker te ontsteken dan de primaire spray Brandbare nevels met een hoog vlampunt 33

34 Samenvatting nevelvorming Nevels ontstaan door verstuiving of condensatie van een verzadigde damp. Bij verstuiving is er een onderscheid tussen primair en secundaire opbreken van druppels. Kentallen zoals Weber (We) en Ohnesorge (Oh) kunnen gebruikt worden om te bepalen bij welke stromingscondities er een transitie is naar atomizatie bij een spray. Modellen ontwikkeld om een druppelgrootte en concentratie van de nevel te voorspellen. De nozzle size die als uitgangspunt wordt gebruikt is hierbij wel bepalend voor het resultaat Brandbare nevels met een hoog vlampunt 34

36 Nevels en zonering De Europese ATEX richtlijn 1999/92/EG verplicht werkgevers om werkplekken te identificeren en te classificeren waar een explosieve atmosfeer kan voorkomen. Het proces om te komen tot gevarenzone-indeling voor een explosieve atmosfeer gas is in diverse standaarden en industrie codes vastgelegd. Echter is dit voor een explosieve atmosfeer nevel welke ontstaan door het vrijkomen van brandbare vloeistoffen met een relatief hoog vlampunt niet of minder het geval Brandbare nevels met een hoog vlampunt 36

37 Richtlijn, wet, norm, standaard, EU Richtlijn 1999/92/EG - ATEX 153 (137) : Art. 2 Arbeidsomstandighedenbesluit : Art. 3.1 NPR :2017 [Concept] : Par. 4.8 IEC :2015 : Annex G Model code of safe practice Part 15:2015 : Par IChemE Hazards 26:2016 [HSE - JIP] : Paper Brandbare nevels met een hoog vlampunt 37

38 EU Richtlijn 1999/92/EG Artikel 2 Definitie: Voor de toepassing van deze richtlĳn wordt onder explosieve atmosfeer verstaan: een mengsel van lucht en brandbare stoffen in de vorm van gassen, dampen, nevels of stof, onder atmosferische omstandigheden, waarin de verbranding zich na ontsteking uitbreidt tot het gehele niet verbrande mengsel Brandbare nevels met een hoog vlampunt 38

39 Arbeidsomstandighedenbesluit Artikel 3.1 Begrippen: c. explosieve atmosfeer: een mengsel van lucht en brandbare stoffen in de vorm van gassen, dampen, nevels of stof, onder atmosferische omstandigheden waarin de verbranding zich na ontsteking uitbreidt tot het gehele niet verbrande mengsel; Brandbare nevels met een hoog vlampunt 39

40 Definitie - [NPR :2017] Par. 3.1 brandbare stof materie die van zichzelf brandbaar is of waaruit een brandbaar gas, brandbare damp of brandbare nevel kan vrijkomen Par. 3.4 brandbare nevel fijn in lucht verdeelde druppeltjes van een vloeistof, waarbij een explosieve atmosfeer wordt gevormd Brandbare nevels met een hoog vlampunt 40

41 Brandbare nevels - [NPR :2017 Par.4.8] Vloeistoffen die niet gevaarlijk zijn in relatie tot deze praktijkrichtlijn (omdat hun vlampunt aanzienlijk hoger is dan de temperatuur waarbij die vloeistof kan vrijkomen), zouden wel brandbare nevels kunnen veroorzaken wanneer zij onder druk vrijkomen Brandbare nevels met een hoog vlampunt 41

42 Brandbare nevels - [NPR :2017 Par.4.8] Het ontstaan van een explosieve atmosfeer is afhankelijk van de combinatie van de volgende parameters: dichtheid van de vloeistof; viscositeit van de vloeistof; oppervlakte spanning van de vloeistof; de grootte van de uitstroomopening; het vlampunt van de vloeistof Brandbare nevels met een hoog vlampunt 42

43 Brandbare nevels - [NPR :2017 Par.4.8] Nevels kunnen ontstaan door: Verstuiven van vloeistof De vloeistof wordt met kracht langs een scherpe rand geperst of in een sterk turbulente luchtstroom gespoten. Lekkages uit druksystemen kunnen op deze wijze aanleiding geven tot nevelvorming. Condensatie Als bij hoge temperatuur in dampvorm vrijgekomen stof afkoelt tot beneden zijn dauwpunt kan door condensatie een nevelwolk ontstaan Brandbare nevels met een hoog vlampunt 43

44 Brandbare nevels - [NPR :2017 Par.4.8] (Belangrijk!) Bij het uitwerken van de gevarenzone-indeling van brandbare nevels ten opzichte van damp-luchtmengsels geldt dat deze niet als brandbare damp-luchtmengsels kunnen worden beschouwd Brandbare nevels met een hoog vlampunt 44

45 Brandbare nevels - [NPR :2017 Par.4.8] OPMERKING 1. Experimenten hebben aangetoond dat kerosine bij kamertemperatuur, een drukverschil van 1,7 bar en een grootte van de uitstroomopening van 1 mm al resulteert in een explosieve atmosfeer. Onder deze omstandigheden zal de gevarenzone een radius hebben van 2 meter. [Bij drukken < 5 bar, uitgaan van EI15 tabel bij 5 bar voor radius] Experimenten uitgevoerd door: HSE - Joint-Industry Project (JIP) Brandbare nevels met een hoog vlampunt 45

46 Brandbare nevels - [NPR :2017 Par.4.8] OPMERKING 2. Voor een groot aantal nevels is het mogelijk om de afmetingen van een gevarenzone te bepalen met gevalideerde rekenmodellen (DNV Phast) onder verschillende omstandigheden. In deze rekenmodellen wordt als uitgangspunt genomen voor de LEL een concentratie van 43 g/m 3. Dit komt overeen met een substantiële zichtvermindering over een afstand van 1 meter. EI15 table C1: Fluid Category C -> LEL 43 g/m 3 = LEL 0,86 [vol %] Brandbare nevels met een hoog vlampunt 46

47 Brandbare nevels - [NPR :2017 Par.4.8] OPMERKING 2. De laatste studies (Gant, 2013) geven aan dat LEL een factor 10 lager moet liggen. (Dit betreft een nevel wolk die niet turbulent is maar rustig is) Voor een uitgebreide verhandeling over brandbare nevels wordt verwezen naar de bovenliggende norm NEN-EN-IEC :2015 bijlage G en naar de EI 15 (Energy Institute, 2015) Brandbare nevels met een hoog vlampunt 47

48 Flammable mists - [IEC :2015 Annex G] G.1 Hoe ontstaat een brandbare nevel G.2 Parameters van de brandbare nevel G.3 Makkelijk ontsteken van de brandbare nevel (druppel < 50 µm) G.4 Onderzoek de kans op het ontstaan van de brandbare nevel G.5 Viscositeit vloeistof bij secundaire gevarenbronnen van belang of er een brandbare nevel kan ontstaan, meestal druppel lekken Brandbare nevels met een hoog vlampunt 48

49 Flammable mists - [IEC :2015 Annex G] G.6 Wanneer uit de risicoanalyse is gebleken dat het mogelijk is om een brandbare nevel te laten ontstaan, dan: 1. dient de gevarenbron bij voorkeur te worden omhuld om het gevaar, van een brandbare nevel, te beperken. 2. indien het omhullen niet kan worden uitgevoerd, dan zal een gevarenzone-indeling moeten worden overwogen. De methode uit Annex B kan hiervoor niet worden gebruikt! Op de gevarenzonetekening dient de gevarenzone herkenbaar te worden gemarkeerd t.o.v. gas- en damp gevarenzones Brandbare nevels met een hoog vlampunt 49

50 Flammable mists - [IEC :2015 Annex G] G.7 Brandbare nevels die niet kunnen worden ontstoken vanwege de druppelgrootte kunnen mogelijk wel door een heet oppervlak worden ontstoken en zo een brandgevaar opleveren. G.8 Minimale concentratie van brandbare nevel is noodzakelijk welke een vermindering van het zicht tot gevolg heeft. Dit kan worden gedetecteerd en het gevaar kan worden gemitigeerd. G.9 In het inwendige van olie smeersystemen kan door opspatten of roeren een brandbare nevel ontstaan welke een gevarenzone vormt. Eventuele ontluchtingen moeten worden voorzien van mist extractors i.v.m. mogelijk brandgevaar Brandbare nevels met een hoog vlampunt 50

51 Flammable mists - [IEC :2015 Annex G] G.10 Aandacht dient geschonken te worden daar waar het de bedoeling is om brandbare vloeistoffen te vernevelen, zoals b.v. bij verf spuiten. Zie de speciale industrie standaarden die van toepassing zijn. G.11 Standaard IEC , voor de selectie van apparatuur in gevarenzones, voorziet niet in eisen t.a.v. brandbare nevels Brandbare nevels met een hoog vlampunt 51

52 Model code of safe practice Part 15 Par Mists and Sprays Deze moeten worden beschouwd als een category C vloeistof, zie tabel Brandbare nevels met een hoog vlampunt 52

53 Model code of safe practice Part Brandbare nevels met een hoog vlampunt 53

54 Model code of safe practice Part 15 A1.2 Mists or Sprays Daar waar een vloeistof meer dan 5 C onder het vlampunt: bij atmosferische druk of slechts onder een paar meter, vloeistofkolom in een opslagtank, de vloeistof als niet gevaarlijk kan worden beschouwd; wordt verpompt en onder druk is, de vloeistof moet worden beschouwd als category C, vanwege de mogelijk tot het vormen van een brandbare nevel, vanuit een gevarenbron Brandbare nevels met een hoog vlampunt 54

55 Model code of safe practice Part 15 Annex C Part 1: Achtergrond voor berekenen van de radius Er is een dispersie modelering (DNV PHAST) gebruikt om de radius vanuit de gevarenbron te definiëren. Er is gebruikt gemaakt van een standaard koolwaterstof compositie voor verschillende Fluid Categories (A, B, C, G(i), (G(ii)), zie tabel C1. De radius vanuit de gevarenbron geldt als afstand tot de LEL (43 g/m 3 ), voor Fluid Category C, zie tabel C4. Fluid Category C -> LEL 43 g/m 3 = LEL 0,86 [vol %] Brandbare nevels met een hoog vlampunt 55

56 Model code of safe practice Part 15 Table C4: Hazard radii R 1 and R 2 for pressurised releases Fluid category C Release pressure (bar(a)) 1 mm Hazard radius R 1 (m) Release hole diameter 2 mm 5 mm 10 mm 1 mm Hazard radius R 2 (m) Release hole diameter , ,5 4, ,5 4, , , , mm 5 mm 10 mm Brandbare nevels met een hoog vlampunt 56

57 Model code of safe practice Part 15 Figure 3.6: Shape factors pressurised releases Brandbare nevels met een hoog vlampunt 57

59 HSE - Joint-Industry Project (JIP) Fluids Classification System Het doel is om brandbare vloeistoffen te categoriseren in een aantal klasse, op basis van de vloeistof eigenschappen en gebruikers condities. De parameters welke het meest relevant zijn voor het ontstaan van brandbare nevels zijn beschouwd en een classificatie systeem is ontwikkeld op basis van: - vlampunt; - gemak om te vernevelen (Ohnesorge) Brandbare nevels met een hoog vlampunt 59

60 HSE - Joint-Industry Project (JIP) Fluids Classification System Het gemak om te vernevelen is berekend als verhouding (Oh / Ohc). Van het Ohnesorge nummer van een brandbare vloeistof (Oh) met het kritische Ohnesorge nummer om te vernevelen (Ohc). Ohnesorge Ratio < 2 Ohnesorge Ratio 2 Flashpoint 125 C Release Class III Release Class IV 125 C > Flashpoint > 32 C Release Class II Release Class I Brandbare nevels met een hoog vlampunt 60

61 HSE - Joint-Industry Project (JIP) Brandbare nevels met een hoog vlampunt 61

62 HSE - Joint-Industry Project (JIP) De Release Class categorieën van het: Fluids Classification System Release Class Vluchtigheid Brandbare vloeistof Neiging tot vernevelen Voorbeeld I Meer Meer zoals commerciële brandbare vloeistoffen II Meer Minder zoals viskeuze oliën bij omgevingstemperatuur III Minder Minder zoals smeeroliën en hydraulische oliën bij omgevingstemperatuur IV Minder Meer zoals smeeroliën en hydraulische oliën bij hoge temperatuur Brandbare nevels met een hoog vlampunt 62

63 HSE - Joint-Industry Project (JIP) De resultaten van het CFD model van het JIP (Table 5) tonen aan, dat bij de LEL waarde van 43 g/m 3, de afstanden van de gevarenzone groter zijn dan de EI15! Dit is voornamelijk het geval bij lagere drukken Brandbare nevels met een hoog vlampunt 63

64 HSE - Joint-Industry Project (JIP) Table 5: Predicted hazard distances from CFD model compared to EI15 values for Category C fluids Release pressure (bar) Hazard Distance (m) for Release Hole Diameter of: 1 mm 2 mm 5 mm 10 mm EI15 CFD EI15 CFD EI15 CFD EI15 CFD 5 2 4,3 4 7, ,5 3,4 4,5 5, ,5 2,8 5 5, ,5 3,0 5 6, Brandbare nevels met een hoog vlampunt 64

65 HSE - Joint-Industry Project (JIP) Conclusie van het JIP: Dat het gebruikte CFD DNV Phase III JIP RR primary breakup model een redelijk goede voorspelling van de druppel grootte en de concentraties van brandbare nevels weergeeft. Het gebruikte CFD model is een stap de goede richting op om te komen tot een gevarenzone voor brandbare vloeistoffen met een hoog vlampunt Brandbare nevels met een hoog vlampunt 65

66 Samenvatting Workshop Fundamenten van brandeigenschappen en nevelvorming besproken. Laatste stand van zaken met betrekking tot zonering van nevels besproken. Inzichten verbeteren met recente onderzoeken hoe om te gaan met zonering van nevels maar nog steeds veel punten die onderzocht moeten worden Brandbare nevels met een hoog vlampunt 66

67 Brandbare nevels met een hoog vlampunt