Staubexplosion

Im Mittelalter wurden die Mühlen außerhalb der Stadtmauern gebaut. Nur weit entfernt von den Häusern durfte das Korn zu Mehl verarbeitet werden. Denn schon damals kannte man die Gefahren des Mehlstaubs. Mischt sich der Staub durch Aufwirbeln mit der Luft entsteht ein brennbares Stoffgemisch. Durch Kontakt mit einer Zündquelle, kann sich das Gemisch entzünden und es kommt zu einer Explosion. Was genau ist jedoch eine Explosion.

Beide Typen der Explosionen sind die gleichen thermodynamischen Vorgänge. Durch die freiwerdende Energie steigen Druck und Temperatur rapide an, wodurch es zu einer Volumenausdehnung kommt und das umgebende Material sprengt. Einige Stoffgemischen können beiden Arten zugeordnet werden.

Staubexplosion – Einfach Erklärt

Eine besondere Art der Explosion ist die Staubexplosion. Sie zählt zu den Verbrennungsprozessen und ist eine exotherme Reaktion, bei der Energie frei wird. Anders als bei einer normalen Verbrennung passiert dies bei einer Staubexplosion explosionsartig, also schnell und plötzlich in einer Art Stichflamme. Die Staubexplosion kann sowohl eine Wärmeexplosion als auch eine Kettenverzweigungsexplosion sein.

Es gibt eine Vielzahl an brennbaren Stäuben, doch vor Allem organische Stoffe wie beispielsweise Kohle, Holz und Mehl oder anorganische Metallpulver aus Aluminium, Eisen und Magnesium.

Ursachen für eine Staubexplosion

Für die Entstehung einer Staubexplosion, müssen, wie bei einer Verbrennung, verschiedene Faktoren vorliegen. Bei der Staubexplosion spielen folgende Faktoren eine Rolle:

1. Brennbarkeit des Stoffes
2. Partikelgröße des Staubs (Zerteilungsgrad)
3. Sauerstoffanteil in der Luft

Bei Stäuben aus brennbaren Materialien kann es zu einer Entzündung der Stoffe kommen, wenn eine geringe Korngröße der Teilchen vorliegt. Die Größe der Partikel liegt dabei in der Regel unter 0,5 mm. Eine wichtige Voraussetzung für die Explosion ist nicht nur eine Zündquelle, sondern auch die ausreichende Dichte des Staubs in der Atmosphäre.

Die untere Explosionsgrenze wird dabei mit Hilfe der Staubdichte in der Luft (g/m³) angegeben. Liegt eine Staubablagerung von weniger als einem Millimeter vor, so kann durch das Aufwirbeln bereits ein gefährliches Staubgemisch mit hohem Explosionsrisiko entstehen.

Prävention

Der Explosionsschutz spielt eine wichtige Rolle bei der Prävention von Staubexplosionen. Dies umfasst sämtliche Regelungen, um die Sicherheit in Produktionsstätten zu gewährleisten und ein Entzünden von Staub-Luft-Gemischen zu verhindern.

Diese Maßnahmen kommen nicht nur in der chemischen Industrie zum Einsatz, sondern auch in Mühlen, Lagerhäusern für Getreide, der Textilindustrie und der holzverarbeitenden Industrie. Durch die hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit kommt es zu einem starken Abrieb der Materialien, wodurch sich die Gefahr für eine Explosion erhöht.

Staubexplosion – Versuchsaufbau

Eine Mehlstaubexplosion kann im Chemieunterricht auch ganz einfach mit den richtigen Geräten und unter Sicherheitsvorkehrungen demonstriert werden. Dazu gibt es eine Spezialanfertigung bestehend aus einem Metalltrichter, einer Kerze, einem Plexiglaszylinder, einem Pappdeckel und einer Luftzufuhr durch eine Schlauchverbindung. Als Chemikalie kann ersatzweise zum Mehl das Lycopodium-Pulver verwendet werden. Hierbei handelt es sich um die Sporen der Bärlapppflanze.

Abb.1: Versuchsaufbau MehlstaubexplosionQuelle: uni-goettingen.de

Staubexplosion – Durchführung des Versuchs

Das Lycopodium wird in den Metalltrichter gefüllt und die Kerze entzündet. Der Pappdeckel wird auf die obere Öffnung des Zylinders gelegt. Nun wird mit Hilfe eines Peleusball oder einer Sauerstoffflasche Sauerstoff in das Behältnis gelassen. Dadurch wird das Pulver zerstäubt.

Es bildet sich ein Luft-Staub-Gemisch das durch die Entzündung der Kerzenflamme explodiert. Der Pappdeckel fliegt durch die freiwerdende Energie der Explosion vom Zylinder. Der Versuch verdeutlicht die Reaktivität von brennbaren Stoffen in Abhängigkeit vom jeweiligen Zerteilungsgrad.

Staubexplosion – Zerteilungsgrad und Stoßtheorie

Wir erinnern uns kurz zurück an die Stoßtheorie, die von Max Trautz und William Lewis entwickelt wurde. Diese Theorie bildet eine Grundlage in der Chemie und erklärt die unterschiedlichen Geschwindigkeiten bei chemischen Reaktionen.

Im Prinzip handelt es sich um ein mechanisches Modell, das den Ablauf chemischer Reaktionen auf Teilchenebene darstellen soll. Dabei geht man in der Theorie davon aus, dass die Teilchen einer unverformbaren Kugel ähneln und die chemische Reaktion somit ein Zusammenstoß zweier Teilchen ist.

In unserem Artikel zum Thema Verbrennung hast du bereits etwas über den Zerteilungsgrad lernen können und die Bedeutung für einen Verbrennungsprozess.

Im Bezug auf die Staubexplosion entsteht der Staub also durch das Zerkleinern fester Stoffe. Dadurch erhält der Sauerstoff eine größere Oberfläche, um mit dem Brennmittel zu reagieren.

Einfluss des Zerteilungsgrads nach der Stoßtheorie auf eine Staubexplosion

Für Verbrennungsreaktion spielt der Zerteilungsgrad eine besondere Rolle. Ist der Zerteilungsgrad allerdings zu gering, kann dies schnell gefährlich werden. Erinnern wir uns zurück an die Voraussetzungen für eine Verbrennung:

• Brennmittel
• Sauerstoff oder ein anderes Oxidationsmittel
• Erreichen der Entzündungstemperatur

Nehmen wir einen Baumstamm als Beispiel. Für eine Verbrennung wird ein Brennmittel, Sauerstoff und die Aktivierungsenergie benötigt. Versucht du nun den ganzen Baumstamm anzuzünden, wird dies kaum zu einer vollständigen Verbrennung führen, da der Sauerstoff nur mit der Außenseite des Baumstamms reagieren kann.

Anders sieht es aus, wenn du den Baumstamm zerteilst und beispielsweise Holzspäne oder Sägemehl versuchst anzuzünden. Durch den größeren Zerteilungsgrad des Holz ist eine größere Oberfläche vorhanden, die mit dem Sauerstoff reagieren kann.

Im Bezug auf die Stoßtheorie nach Trautz und Lewis bedeutet dies also, dass so mehr wirksame Stöße zwischen den Teilchen möglich sind. Je kleiner die Partikel des brennbaren Stoffs also sind, desto größer ist die gesamte Oberfläche sowie die Gefahr einer Explosion.

Staubexplosion – Beispiele

Es gibt eine Vielzahl an Beispielen für eine Staubexplosion. Doch zunächst solltest Du wissen, wie der Staub überhaupt entsteht. Bei industriellen Prozessen wie beispielsweise Brechen, Schleifen, Fresen oder Sägen erfolgt ein Abrieb der beteiligten Materialien. Dieser Abrieb besteht aus den feinsten Partikeln dieses Stoffs.

Die Rolandmühle: Staubexplosion durch Mehl

Die Bremer Rolandmühle ist eine industrielle Getreidemühle die jährlich etwa 350.000 Tonnen Getreide zu Mehlprodukten verarbeitet. Für die Bremer Wirtschaft ist sie eine der wichtigsten privaten Produktionsunternehmen, die sowohl regional also auch international orientiert ist. Vielleicht hast du schon einmal von der Mehlstaubexplosion in der Bremer Rolandmühle im Jahr 1979 gehört.

Durch einen Kabelbrand in einem Probenraum geriet ein Mehlstaubgemisch in Brand und löste eine Staubexplosion aus. Durch den Brand war es möglich, dass es auch an anderen Stellen zu weiteren kleinen Explosionen kam. Ursache dieser Staubexplosion war ein vorangegangener Kabelbrand.

Durch das Aufwirbeln des Weizenmehls bildete sich mit der Luft ein brennbares Stoffgemisch, das vermutlich mit einem glühendem Kabel in Berührungen gekommen war. Dadurch entzündete sich das Stoffgemisch und es kam zur Explosion.

Schließlich geriet ein Mehlsilo in Brand. Durch die Druckwelle der Detonation wurden die Dächer der Silos hochgerissen und Wände stürzten ein. Dieses Unglück brachte nicht nur einen Sachschaden in Millionen, sondern forderte ebenfalls einige Opfer.