Flammendurchschlagsicherungen

Eine Flammendurchschlagsicherung, auch Arrestor genannt, ist eine Vorrichtung, die Gas durchlässt, aber eine Flamme stoppt, um einen größeren Brand oder eine Explosion zu verhindern. Es gibt eine Vielzahl von Situationen, in denen Flammendurchschlagsicherungen eingesetzt werden. Wer sich mit der Auswahl von Flammendurchschlagsicherungen befasst, muss wissen, wie diese Produkte funktionieren und wo ihre Leistungsgrenzen liegen. Zu diesem Zweck bietet dieser Artikel eine Einführung in die Technologie und Terminologie von Flammendurchschlagsicherungen und die verfügbaren Produkttypen.

Geschichte der Flammendurchschlagsicherungen

Das Funktionsprinzip von Flammendurchschlagsicherungen wurde 1815 von Sir Humphry Davy, einem berühmten Chemiker und Professor an der Royal Institution in England, entdeckt. Ein Sicherheitsausschuss des englischen Kohlebergbaus hatte sich an Davy gewandt und um technische Unterstützung gebeten. Man brauchte eine Möglichkeit, um zu verhindern, dass die Öllampen der Bergleute Explosionen auslösten, wenn brennbares Gas namens Grubengas in die Schächte eindrang. Sir Humphry untersuchte das Gas, das hauptsächlich aus Methan bestand. Die Untersuchung konzentrierte sich darauf, wie Methan unter verschiedenen Bedingungen und mit unterschiedlichen Luftanteilen brennt. Davys Lösung bestand darin, die Lampenflamme mit einem hohen Zylinder aus fein gewebtem Drahtgeflecht, der so genannten Metallgaze, sicher zu umschließen. Zwei der frühesten Davy-Sicherheitslampen sind rechts abgebildet.

Es dringt genug Lampenlicht durch den Schirm, um nützlich zu sein. Die Luft für die Ölflamme um den Lampendocht tritt durch den unteren Teil des Schirms ein. Die heißen Abgase entweichen durch den oberen Teil. Wenn ein brennbares Methangemisch mit der Luft einströmt, brennt eine Methanflamme an der Innenseite des Schirms. Allerdings dringt weder die Methanflamme noch die Lampenflamme durch die engen Öffnungen des Schirms. Der Metalldraht absorbiert die Wärme der Flamme und strahlt sie dann mit einer viel niedrigeren Temperatur ab.

Moderne Flammensperren

Seit Sir Humphrys Zeiten sind Flammensperren in zahlreichen Varianten in vielen Industriezweigen eingesetzt worden. Sie funktionieren alle nach dem gleichen Prinzip: Sie entziehen der Flamme die Wärme, wenn sie versucht, durch enge Kanäle mit Wänden aus Metall oder einem anderen wärmeleitenden Material zu dringen. Die meisten Hersteller von Flammendurchschlagsicherungen verwenden z. B. Schichten von Metallbändern mit gewellten Wellen.

Flammendurchschlagsicherungen werden in vielen Industriezweigen eingesetzt, u. a. in der Raffinerie-, Pharma-, Chemie- und Petrochemieindustrie, in der Zellstoff- und Papierindustrie, bei der Ölexploration und -förderung, bei der Abwasserbehandlung, auf Mülldeponien, im Bergbau, bei der Stromerzeugung und beim Transport von Schüttgut. In einigen Fällen handelt es sich bei den Flammen um andere exotherme (wärmeerzeugende) Reaktionen als Oxidation. Zu den Prozessen, die brennbare oder reaktive Gase erzeugen, gehören das Vermengen, Reagieren, Trennen, Mischen, Bohren und Aufschließen. Bei diesen Prozessen kommen zahlreiche Gerätekonfigurationen und Gasgemische zum Einsatz.

Wie moderne Flammendurchschlagsicherungen funktionieren

Flammendurchschlagsicherungen sind passive Geräte ohne bewegliche Teile. Sie verhindern die Ausbreitung der Flamme von der exponierten Seite des Geräts auf die geschützte Seite, indem sie ein gewickeltes, gewelltes Metallband als Flammenzellenelement verwenden.
Diese Konstruktion erzeugt eine Matrix gleichmäßiger Öffnungen, die sorgfältig konstruiert sind, um die Flamme zu löschen, indem sie die Wärme der Flamme absorbieren. Dies stellt eine Löschbarriere für das entzündete Dampfgemisch dar.

Flammenzellenkanal

Unter normalen Betriebsbedingungen ermöglicht die Flammensperre einen relativ freien Gas- oder Dampfstrom durch das Rohrleitungssystem. Wenn das Gemisch gezündet wird und die Flamme beginnt, sich durch die Rohrleitungen zurückzubewegen, verhindert die Flammensperre, dass sich die Flamme zurück zur Gasquelle bewegt.

Leitungsgebundene Deflagrations- oder Detonationssicherung

Die andere Hauptkategorie besteht aus leitungsgebundenen Flammensperren, die auch als Deflagrations- und Detonationssperren bezeichnet werden. (Laienhaft ausgedrückt, bedeutet Deflagration schnelles Brennen und Detonation Explosion). Diese Geräte werden in Rohrleitungen eingebaut, um den Durchgang von Flammen zu verhindern.

Die meisten Anwendungen von Flammendurchschlagsicherungen finden sich in Systemen, die Gase auffangen, die von Flüssigkeiten und Feststoffen abgegeben werden. Diese Systeme, die in vielen Industriezweigen verwendet werden, können als Dampfkontrollsysteme bezeichnet werden. Die Gase, die in die Atmosphäre abgeleitet oder über Dampfkontrollsysteme kontrolliert werden, sind in der Regel brennbar. Wenn die Bedingungen so sind, dass es zu einer Entzündung kommt, kann eine Flamme innerhalb oder außerhalb des Systems entstehen, die katastrophale Schäden verursachen kann.

1. Freiliegende Seite 2. Geschützte Seite 3. Flammenstabilisierung am Flammendurchschlagsicherungselement
4. Flammendurchschlagsicherungselement absorbiert und löscht die Flammenfront 5. Rohrleitungen

Eine Variante von Dampfkontrollsystemen wird als Dampfzerstörungssysteme bezeichnet. Dazu gehören Hochfackelanlagen, geschlossene Fackelanlagen, Brenner- und katalytische Verbrennungsanlagen sowie Abgaskessel.

Eine andere Art von Dampfkontrollsystemen, bei denen Inline-Flammensperren verwendet werden, sind Dampfrückgewinnungssysteme. Dazu gehören Dampfausgleichs-, Kühl-, Adsorptions-, Absorptions- und Kompressionssysteme.

Inline-Flammensperren werden jedoch manchmal auch in End-of-Line-Anwendungen eingesetzt. Zum Beispiel kann eine Inline-Einheit unter einem Tankentlüftungsventil an einem Flüssigkeitslagertank montiert werden. Das Ventil reduziert Emissionen und Produktverluste, während die Flammensperre den Tank vor Flammen in der Atmosphäre während der Entlüftung brennbarer Gase schützt.

Auswahl von Inline-Flammensperren
Die verschiedenen dynamischen Zustände, die zuvor für begrenzte Flammen erklärt wurden, können aufgrund der enormen Energien, die mit dem Detonationsdruck und der Flammengeschwindigkeit verbunden sind, sehr gefährlich für ein Prozesssystem sein. Die Dinge passieren schnell und können katastrophale Ausmaße annehmen. Diese vielfältigen dynamischen Zustände erhöhen die Herausforderung, ein oder mehrere Flammensicherungsprodukte bereitzustellen, die die Flamme stoppen und dem enormen Druck standhalten, der durch Explosionen in den geschlossenen Rohrleitungen verursacht wird.

Das sehr breite Spektrum des möglichen Verhaltens einer geschlossenen Flamme verursacht zwei besondere Probleme für Flammensicherungsprodukte. Erstens haben die Hochdruckdeflagration und die stabilen Detonationszustände eine sehr stabile Brennkinetik, und die Flamme bewegt sich sehr schnell. Daher muss die Flammensperre die Wärme der Flamme viel schneller absorbieren können, als dies bei normalen Nieder- bis Mitteldruckdeflagrationsbedingungen erforderlich ist. Zweitens setzen die momentanen Impulsdrücke, die durch die Schockwellen der übersteuerten Detonation verursacht werden, den Überspannungsableiter Kräften von bis zu 20995 kPa(g) (3000 psig) aus. Daher muss die Flammendurchschlagsicherung strukturell besser sein als Standard-Niederdruck-Deflagrationssicherungen.

End of Line or Vent-to-AtmosphereFlame Arrester

End of Line or Vent-to-AtmosphereFlame Arresters ermöglichen freie Entlüftung in Kombination mit Flammenschutz für vertikale Entlüftungsanwendungen. Sie verhindern die Ausbreitung von Flammen, indem sie die Wärme mit Hilfe von spiralförmig gewickelten Flammenzellen aus rostfreiem Stahl absorbieren und ableiten.
Flammendurchschlagsicherungen am Ende der Leitung werden z. B. bei Entlüftungen von Erdöltanks eingesetzt.

Die klassische Anwendung ist die Verhinderung des Eindringens von Feuer in die Atmosphäre in ein Gehäuse. Um 1920 wurden beispielsweise Flammensperren an den Entlüftungsöffnungen von Erdöltanks installiert. Sie verhindern, dass die Tanks explodieren, wenn das aus den Entlüftungsöffnungen strömende Gas von einem Blitz getroffen wird.

Umgekehrt verhindern einige Flammendurchschlagsicherungen am Ende der Leitung, dass ein Feuer in einem Gehäuse eine explosionsfähige Atmosphäre entzündet, z. B. in einer Raffinerie. Beispielsweise können Flammensperren in Lufteinlässen und Abgaskaminen von Öfen installiert werden.

Bild von Enardo

Auswahl von Flammensperren am Ende der Leitung
Flammensperren am Ende der Leitung sind für die Ausbreitung einer nicht begrenzten Flamme ausgelegt, die auch als atmosphärische Explosion oder nicht begrenzte Deflagration bezeichnet wird. Sie werden einfach auf den Prozess- oder Tankanschluss aufgeschraubt oder geschraubt. Diese Konstruktionen beruhen auf einer bewährten, aber einfachen Technologie. Die meisten verwenden ein einzelnes Element aus einem gewellten Metallband, das die Wärmeübertragung gewährleistet, die erforderlich ist, um die Flamme zu ersticken, bevor sie das Absperrelement durchdringt.

Die wichtigsten Punkte bei der Auswahl eines Ableiters für End-of-Line-Anwendungen sind wie folgt:

• Gefahrgruppenbezeichnung oder MESG-Wert des Gases
• Flammenstabilisierungseigenschaften des Ableiters im Vergleich zum Systempotenzial für die Flammenstabilisierung über längere Zeiträume
• Prozessgastemperatur
• Druckabfall über dem Ableiter bei Entlüftungsbedingungen, im Verhältnis zum maximal zulässigen Druck und Vakuum des Systems
• Konstruktionsmaterialien, die den Umgebungs- und Prozessbedingungen entsprechen – z. B. extrem kaltes Klima, Salznebel, chemisch aggressives Gas usw.
• Anschlussart und -größe
• Anforderungen an die Instrumentierung

API 2000 4.5.2 Konstruktionsoptionen für den Explosionsschutz besagt: