De maximale explosiedruk, de maximale drukstijgsnelheid en de onderste explosiegrens worden bepaald in een gestandaardiseerd testapparaat met een volume van 20 liter. De maximale drukstijgsnelheid (dp/dt)_max gemeten in de 20 liter-bol kan worden omgerekend naar andere volumes uit de K_st-waarde van het poeder via de kubische wet: (dp/dt)_max . V_1/3 = K_st

De maximale explosiedruk en de K_st-waarde beschrijven het explosiegedrag van een brandbaar stof/lucht mengsel in een gesloten systeem. De explosiegrenzen geven het bereik aan stofconcentraties aan, waarbinnen een explosie mogelijk is. In het algemeen wordt enkel de onderste explosiegrens bepaald.

Uit de opgemeten verbrandingsduur in de 20 liter-bol wordt een schatting gemaakt van de waarde van de minimale ontstekingsenergie.

Maximale explosiedruk

De meeste onderdelen van een procesinstallatie zijn niet bestand tegen de typische drukken, veroorzaakt door stofexplosies zonder drukontlasting. In principe kan een installatie versterkt worden, zodat zij niet meer zal begeven, maar meestal zijn hiervoor zo’n zware structuren vereist dat deze aanpak in het algemeen niet aan te raden is, zowel vanuit economisch standpunt, als wat betreft operatie en onderhoud van de installatie. Uitzonderingen zijn cilindrische buizen voor extractie van het stof, die drukvast kunnen gemaakt worden met aanvaardbare wanddiktes, en bepaalde types materieel dat reeds op zich zwaar is, zoals sommige molens.

Het gebeurt nochtans dat het concept van druk(stoot)vast ontwerpen wordt toegepast op een volledige procesinstallatie, b.v. indien de poeders zwaar toxisch zijn en daarom in geen enkele situatie kunnen toegelaten worden buiten de installatie. In zulke gevallen is het belangrijk de hoogste drukken te kennen die kunnen optreden, voor het geval er zich een stofexplosie zou voordoen in de installatie.

Maximale drukstijgsnelheid

De gebruikelijke procesinstallaties zijn normaal gesproken te zwak om bestand te zijn tegen de drukken die optreden bij opgesloten stofexplosies, zelfs indien deze zich niet volledig ontwikkelen. Bijgevolg is het primaire doel om een explosie te bestrijden nadat deze is geïnitieerd, de opbouw van vernietigende overdrukken tegen te gaan.

Welke techniek van bescherming er ook wordt toegepast, de heftigheid van de stofexplosie, i.e. de snelheid van warmteproductie in de ruimte, waar de explosie is geïnitieerd, is een factor, die bepaalt of een bepaald systeem afdoend zal werken.

Onderste explosiegrens

Voor een bepaald type explosief stof, verspreid in de lucht als een wolk, is er een goed gedefinieerde minimale hoeveelheid aan stof per volume-eenheid lucht, die maakt of een vlam zich kan voortplanten doorheen de stofwolk of niet. In theorie is het dus mogelijk om de kans op een stofexplosie te elimineren door er voor te zorgen dat de stofconcentratie de onderste explosiegrens nooit overschrijdt.

De maximale explosiedruk, de maximale drukstijgsnelheid en de onderste explosiegrens worden bepaald in een gestandaardiseerd testapparaat met een volume van 20 liter.

Het poedermonster wordt verspreid in de explosiekamer met perslucht via een speciaal distributiesysteem. De testen worden uitgevoerd met twee chemische detonatoren met elk een energie-inhoud van respectievelijk 1kJ voor de bepaling van de onderste explosiegrens en 5 kJ voor de bepaling van de maximale explosiedruk en drukstijgsnelheid. Het explosieverloop wordt gevolgd met piëzo-elektrische druksensoren. Uit de opgemeten curve van de druk in functie van de tijd worden de explosiedruk en de drukstijgsnelheid bepaald. De poederconcentratie wordt over een groot bereik gevarieerd tot er geen toename meer is in zowel explosiedruk als drukstijgsnelheid.

Het reactiegedrag in de 20 l-bol wordt geëvalueerd aan de hand van de gecorrigeerde explosiedruk.

Een eerste correctie van de gemeten explosiedruk is nodig om rekening te houden met de invloed van de ontstekers. Zelfs zonder explosief poeder in de 20 l-bol treedt een belangrijke overdruk op, veroorzaakt door de warmte die vrijkomt bij het ontsteken van de detonatoren. De invloed van de ontstekers op de gemeten explosiedruk vermindert naarmate het drukeffect van de explosie zelf belangrijker wordt.

Een tweede correctie, die enkel belangrijk is bij hogere explosiedrukken, correleert de gemeten explosiedruk in de 20 l-bol met deze die gemeten zou worden in het 1 m₃-vat, dat als internationale referentie geldt. Door de grotere oppervlakte/volume verhouding en daarmee gepaard gaand de grotere warmteverliezen zijn de explosiedrukken gemeten in de 20 l-bol iets lager dan die in het 1 m₃-vat.

Indien de totale explosiedruk groter is dan 0,5 bar, is het poeder/luchtmengsel explosief. Het is op basis van dit criterium dat de onderste explosiegrens wordt bepaald.

De maximale drukstijgsnelheid is afhankelijk van het volume van de explosiekamer. Door toepassing van de “kubische wet” kan hij omgevormd worden tot de K_st-waarde, die onafhankelijk is van het volume.

Op basis van de K_st-waarde wordt volgende indeling in stofklassen gemaakt:

Indien de explosiedruk groter is dan 0,5 bar, is het poeder/luchtmengsel explosief. Het is op basis van dit criterium dat de onderste explosiegrens wordt bepaald.

Vertrekkende van een explosieve poederconcentratie, wordt de concentratie stapsgewijze verlaagd tot er geen explosie meer optreedt. De poederconcentratie in g/m₃ die geen aanleiding geeft tot een explosie in tenminste drie testen, wordt gedefinieerd als de onderste explosiegrens.

Deze test wordt uitgevoerd op de fractie van het poeder met een korrelgrootte kleiner dan 63 µm.

• EN 14034: Determination of explosion characteristics of dust clouds: Part 1,2 and 3
• VDI-Richtlinien 2263, Blatt 1: Untersuchungsmethoden zur Ermittlung von sicherheitstechnischen Kenngrössen von Stäuben (1990)
• Kühner AG, Operating instructions for the 20 litre apparatus
• W. Bartknecht, Staub Explosionen: Ablauf und Schutzmassnahmen (1987)
• R.K. Eckhoff, Dust explosions in the process industries (1997)
• Handboek explosiebeveiliging, Kluwer-Editorial