Die 10 gefährlichsten brennbaren Gase – Eigenschaften, LEL/UEL, Sicherheitsdatenblatt

Bei brennbaren Gasen unterscheidet man zwischen natürlichen Gasen (z. B. Methan), brennbaren Reinstoffen (z. B. Wasserstoff) und Verdunstungsprodukten von brennbaren und flüchtigen Stoffen oder Flüssigkeiten (z. B. Aceton).

Bei der Arbeit mit brennbaren und explosiven Gasen ist es wichtig, die Arbeitsgrenzen dieser Stoffe zu kennen. Lesen Sie daher immer die Sicherheitsdatenblätter der Produkte, mit denen Sie arbeiten werden, um über die Risiken informiert zu sein.

In diesem Artikel behandeln wir die Eigenschaften der folgenden brennbaren Gase: Ammoniak, Acetylen, Butan, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methan, Propan, Ethan, Ethylen, Silan und Chlortrifluorid.

Offizielle Definitionen von Gasen und Dämpfen

Gemäß Definition nach dem Global Harmonisierten System zur Einstufung und Kennzeichnung von Chemikalien (GHS): Ein brennbares Gas ist ein Gas, das bei Standardtemperatur und -druck (STP) einen Zündbereich von 20 ℃ und 101,3 kPa hat. Diese Bedingungen gelten als normal.

• „Gase“ sind Stoffe, die sich unter normalen atmosphärischen Bedingungen im gasförmigen Zustand befinden. Beispiele hierfür sind Wasserstoff oder Methan.
• „Dämpfe“ sind Gase, die sich über einem Stoff befinden, der unter normalen atmosphärischen Bedingungen flüssig ist, aber unter diesen atmosphärischen Bedingungen Gase im Entflammbarkeitsbereich abgibt.

Inerte Gase, Oxidationsmittel und brennbare Gase

Gase werden im Allgemeinen in drei verschiedene Gruppen eingeteilt:

• Oxidationsmittel
• Inerte Gase
• Brennbare Gase

Ein inertes Element reagiert einfach nicht mit anderen Elementen, wie z. B. den Edelgasen Helium, Argon, Krypton, Neon und Radon. Ein weiteres bekanntes inertes Gas ist Kohlendioxid.

Sauerstoff ist nicht brennbar, ebenso wenig wie Bromgas, aber beide sind Oxidationsmittel und fördern eine starke Verbrennung. Brom, das einzige flüssige nichtmetallische Element, wird erst ab 58 °C gasförmig, was normalerweise an der Erdoberfläche nie vorkommt, wo die höchste gemessene Temperatur 56,7 °C im Death Valley im Jahr 1913 war.

Nachdem wir nun verstanden haben, was Oxidationsmittel und Inertgase sind, konzentrieren wir uns auf das Hauptthema: brennbare Gase.

Zündgrenzen – Wann entzündet sich ein brennbares Gas?

Was sind UEG und OEG?

Wenn sich ein brennbares Gas im richtigen Verhältnis mit Sauerstoff vermischt und mit einer Zündquelle in Kontakt kommt, kann es Explosionen oder Brände verursachen.

Viele elektronische Geräte für den Verbraucher können Lichtbögen erzeugen, weshalb sie zu Zündquellen werden können. Aus diesem Grund müssen Bediener, die in Gefahrenbereichen arbeiten, spezielle Geräte verwenden, wie z. B. unsere eigensichere Kamera.

Die untere Explosionsgrenze (UEG) und die obere Explosionsgrenze (OEG) sind so, wie Sie sie sich vorstellen: Unterhalb der UEG oder oberhalb der OEG besteht bei einem ansonsten brennbaren Gas keine Explosionsgefahr. Beispielsweise hat Wasserstoffgas einen sehr großen Bereich und erzeugt eine explosionsfähige Atmosphäre, wenn die Konzentration in der Luft 4 % überschreitet, aber unter 76 % bleibt.

Flammability Limits vs. Explosion Limits

Die untere Entflammbarkeitsgrenze eines bestimmten brennbaren Gases bestimmt die Mindestkonzentration des mit Luft vermischten Gases, die erforderlich ist, um ein brennbares Gemisch zu bilden. Mit anderen Worten: Nur wenn ein brennbares Gas im richtigen Verhältnis mit Sauerstoff vermischt wird, kann es sich entzünden und einen Brand auslösen. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass ein Gemisch aus brennbarem Gas und Luft nicht unbedingt immer zu einer Verbrennung führt.

Bei vielen Stoffen sind die Entzündungs- und Explosionsgrenzen identisch, weshalb diese Begriffe oft synonym verwendet werden.

Vor diesem Hintergrund wird oft gefragt, wie mehr als 60 % der Passagiere den Absturz und die Explosion des mit Wasserstoff gefüllten Luftschiffs Hindenburg im Jahr 1937 aus einer Höhe von 61 Metern überleben konnten. Einfach ausgedrückt entzündete sich das austretende Gas, als es aufstieg und über den Passagieren auf die Luft traf, wobei es einen Großteil der Hitze mit sich riss.

Ja, das seidige und gummierte Material der Hülle brannte ebenfalls, aber das Gas selbst war zu konzentriert, um an sich zu explodieren, und brannte an der Grenzfläche, wo es auf die Luft traf. Wäre es explodiert, anstatt nur zu brennen, hätte es keine Überlebenden gegeben.

[Tabelle] LEL & UEL für verschiedene brennbare Gase

Die Konzentrationen, die erforderlich sind, um diese gefährlichen Werte zu erreichen, variieren natürlich je nach den verschiedenen beteiligten Gasen. Konzentrationen unterhalb der LEL sind zu „mager“, um zu explodieren; Konzentrationen oberhalb der UEL sind zu „fett“. Sehen wir uns einige der häufigsten Gase an:

Wichtige Fakten über die bekanntesten brennbaren Gase

Ammoniak (NH3)

Ammoniak ist ein brennbares Gas, das hauptsächlich zur Herstellung von Düngemitteln für Nutzpflanzen verwendet wird. Aufgrund seiner Kosteneffizienz und Effizienz wird es auch als kommerzielles Kältemittel eingesetzt. Es ist 3–20 % effizienter als Alternativen, d. h. es wird weniger Strom benötigt, um die gleiche Kühlleistung zu erzielen. Daher eignet es sich ideal für große Anlagen wie Eislaufbahnen, die Zubereitung und Konservierung von Lebensmitteln und für umfangreiche Klimaanlagen.

Dieses brennbare Gas ist ätzend und für Menschen giftig, wenn große Mengen freigesetzt werden. Durch seinen charakteristischen und starken Geruch können Lecks schnell und mit geringem Kältemittelverlust lokalisiert werden, wodurch Kosten für den Austausch eingespart werden.

Acetylen (C2H2)

Aufgrund seiner hohen Explosivität kann Acetylen nicht über 15 psi (1 Atmosphäre) hinaus sicher komprimiert werden. Aus diesem Grund wird es in Zylindern bei höheren Drücken gelagert und transportiert, gelöst in Aceton, das es stabilisiert.

Um zu verhindern, dass sich das Acetylen vom Aceton trennt und konzentriertes Gas bildet, enthalten die Zylinder ein poröses Material. Es ist wichtig, den Zylinder aufrecht zu halten, um zu verhindern, dass Aceton in den Regler gelangt, was zu Sicherheits- und Qualitätsproblemen führen könnte

Butan (C4H10) – Kochgas

Butan ist ein billiges, farbloses und reichlich vorhandenes brennbares Gas. Seine blauen Flammen sind ideal für den mobilen Heizbedarf, z. B. beim Kochen. Es ist sicher genug zum Kochen, erzeugt ausreichend Wärme und hat dennoch eine relativ geringe Energieausbeute. Butan verflüchtigt sich bei Kälte nicht leicht, was es zu einem der bekanntesten brennbaren Gase macht.

Iso-Butan hingegen wird nicht als Brennstoff zum Kochen verwendet, sondern hauptsächlich als Kühlmittel. Iso-Butan ist jedoch auch ein extrem brennbares Gas, ähnlich wie normales Butan. Sowohl Butan als auch Iso-Butan haben vier Kohlenstoffatome, unterscheiden sich jedoch in ihrer strukturellen Anordnung: Butan hat eine geradkettige Struktur, während Iso-Butan eine verzweigte Struktur hat.

Kohlenmonoxid (CO)

CO ist ein giftiges Nebenprodukt unvollständiger petrochemischer Verbrennung. Es ist brennbar und kann in Konzentrationen von 12,5 bis 74 % in der Luft sogar explosiv sein. Die Toxizität von CO entsteht durch seine Fähigkeit, sich an das Hämoglobin in den roten Blutkörperchen zu binden, wodurch diese daran gehindert werden, dem Körper ausreichend Sauerstoff zuzuführen und das CO effektiv freizusetzen.

Eine Exposition gegenüber Konzentrationen von nur 0,03 % oder 300 ppm kann tödlich sein, was deutlich unter der für eine Explosion erforderlichen Konzentration liegt.

Wasserstoff (H2)

Die häufigsten Stoffe im Universum sind Wasserstoff (der Kernreaktionen antreiben kann) und Helium (es sei denn, Dunkle Materie existiert tatsächlich), die etwa 73 % bzw. 25 % der gesamten baryonischen Materie (aus Protonen und Neutronen) ausmachen. Alles andere fällt unter die letzten 2 %, einschließlich aller übrigen 116 chemischen Elemente im Periodensystem.

Aus der richtigen Perspektive ist das einfacher zu verstehen – Sterne sind groß und Planeten sind klein. Die Sonne besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium und ist 1,4 Millionen Kilometer breit. Wasserstoff treibt die Kernreaktionen an, die die Sonne zum Brennen bringen. Die Erde hat einen Durchmesser von nur 12.000 km (weniger als 1 % der Breite der Sonne) und ist der dichteste aller Planeten in unserem Sonnensystem.

Das Tolle an Wasserstoff ist, dass dieses brennbare Gas leicht zu gewinnen ist und sauber verbrennt, wobei nur Wasser und Wärme als Nebenprodukt entstehen. Es ist eines der wenigen brennbaren Gase, das keinen CO2-Fußabdruck hat (abgesehen von den Produktionskosten).

Methan (CH4) – Erdgas

Erdgas enthält geringe Mengen an Ethan, Butan, Pentan, Propan und sogar Helium, aber der überwiegende Teil besteht aus Methan. Alle „ane“-Gase sind geruchlos, daher werden sie aus Sicherheitsgründen mit einem stark wahrnehmbaren Geruch wie Ethylmercaptan oder Methylmercaptan versetzt, damit Lecks leicht erkannt werden können. Dieser Zusatz verleiht Erdgas seinen charakteristischen „faulen Eiern“-Geruch.

Propan (C3H8)

12.000 Menschen wurden für Monate, in einigen Fällen sogar für Jahre, vertrieben, da ihre Häuser wieder aufgebaut werden mussten, nachdem ein Propandepot bei einem illegalen Kraftstofftransfer von LKW zu LKW explodiert war.

Der daraus resultierende Großbrand wurde durch eine Siedeverzugsexplosion (BLEVE) ausgelöst, als die Anschlüsse und die Erdung versagten. Das Unternehmen wurde wegen unzureichender Sicherheitsmaßnahmen für schuldig befunden und alle seine Betriebe wurden von der Regierung geschlossen. Erstaunlicherweise kamen nur zwei Menschen ums Leben.

Propan eignet sich für den mobilen Kraftstoffbedarf von Autos und Bussen bis hin zu Gabelstaplern oder als Energiequelle in ländlichen Gebieten. Dies liegt daran, dass es sich bei normalen Drücken und Temperaturen leicht verflüssigen lässt und auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen gasförmig bleibt (im Gegensatz zu Butan).

Ethan (C2H6)

Dieses brennbare Gas wird in den meisten Ölfeldern vom Rohöl getrennt und dann kryogen behandelt, sodass das Ethan als Flüssigkeit kondensiert und gasförmiges Methan (u. a.) zurückbleibt. Es wird weiter destilliert, um Propan (u. a.) zu entfernen, bis nur noch Ethan übrig bleibt.

Ethan wird hauptsächlich zur Herstellung von Ethylen für die Kunststoffindustrie verwendet und durch Dampfspaltung zur Herstellung von Ethylen verwendet. Allerdings sind experimentelle Versuche zur Herstellung von Polyvinylchlorid (PVC) vielversprechend und führen zu erheblichen Kosteneinsparungen. Aufgrund des reichlichen Angebots kann in Saudi-Arabien auch Essig (Essigsäure) kostengünstig hergestellt werden. Einige Unternehmen bauen derzeit Motoren, die zwischen herkömmlichem Diesel und Ethan-Kraftstoff umschalten können.

Dieses brennbare Gas wird auch als superschnelles kryogenes Kühlmittel verwendet, um wasserhaltige Elektronenmikroskop-Proben einzufrieren. Wasser dehnt sich normalerweise aus, wenn es gefriert, wodurch Zellwände aufbrechen und eine blockartige Kristallisation entsteht, die Elektronenstrahlen reflektiert. Ethan kühlt es schnell genug, um dieses thermische Missgeschick zu umgehen, wodurch die Proben viel nützlicher werden.

Ethylen (C2H4)

Ethylen wird zu über 50 % zur Herstellung von Kunststoffen (z. B. Polyethylen) verwendet. Dieses brennbare Gas wird oxidiert, um chemische Tenside herzustellen, die in Reinigungsmitteln dafür sorgen, dass Schmutz und Öl von Oberflächen (Hände, Kleidung) gelöst werden. Ethylen ist auch der Hauptbestandteil, der außerhalb der Brauerei und Destillerie zur Herstellung von Ethanol (Alkohol) verwendet wird.

Das oxidierte Ethylen kann durch Hydrolyse zu Ethylenglykol für Frostschutzmittel in Automotoren verarbeitet werden. Die traditionelle PVC-Produktion erfolgt durch Oxychlorierung, ebenso wie die Herstellung von Reinigungsflüssigkeit (Perchlorethylen) und vielen anderen Produkten.

Dieses Gas entsteht auf natürliche Weise, ist aber auch ein lebenswichtiges Enzym für die Reifung von Früchten, das das Wachstum von Ästen, Trieben und Wurzeln auslöst und den Blättern signalisiert, wann sie abfallen müssen. Es lässt sich jedoch einfacher herstellen, als es aus natürlichen Quellen wie Pflanzen zu sammeln.

In einer Entdeckung aus dem Jahr 2021 wurde ein neues Enzym (Methylthioalkanreduktase) entdeckt, das Ethylen freisetzt, indem es Schwefel abfängt, wenn es an Sauerstoff mangelt. Dies könnte dazu führen, dass es zu einer günstigen Bioquelle für die kunststoffverarbeitende Industrie wird und den Bedarf an Erdöleinsatzstoffen und fossilen Brennstoffen reduziert.

Silane (Silicane) (SiH4)

Dieses pyrophore (und giftige) Gas wird für die Abscheidung von reinem Silizium in der elektronischen Halbleiterfertigung verwendet, da es sich relativ leicht von seinen schwachen Wasserstoffbindungen löst. Aufgrund seiner pyrophoren Natur kommt es jedoch zu einer Selbstentzündung, wenn es der Luft ausgesetzt wird. Die Gefahren sind von Natur aus gegeben, sodass stets ein vorsichtiger Umgang erforderlich ist.

Japanische Hersteller von Solarzellen haben einen Weg gefunden, die Gefahr zu mindern, indem sie es mit Wasserstoffgas mischen. Ihre Solarzellen erwiesen sich als noch stabiler als zuvor, ein kostenloser Vorteil einer durchdachteren Handhabung.

Chlortrifluorid (ClF3) – das brennbarste Gas?

Obwohl es selbst nicht brennbar ist, besteht es aus zwei hochreaktiven Elementen, Chlor und Fluor, die nicht besonders darauf bedacht sind, miteinander verbunden zu werden. Man kann es sich als eine Art Super-Sauerstoff vorstellen, der Oxidationsprozesse in einem schrecklichen Ausmaß unterstützt und in der Lage ist, so gut wie alles, was er berührt, in Flammen aufgehen zu lassen. Wenn man es beispielsweise mit Wasser mischt, entstehen Chlorgas und Flusssäure sowie eine enorme Hitze. Wenn es mit biologischem Material (z. B. Haut) in Berührung kommt, geht es in einer kräftigen Flamme auf, aber selbst einfacher Sand oder Beton brennen mit Leichtigkeit.

Es ist so korrosiv, dass es nur in Kupfer, Nickel oder Kupfer-Nickel-Legierungen („Monel“) gelagert werden kann. Diese Metalle sind sicher, da sie reagieren und eine fluorhaltige Legierungsschicht bilden, die das darunter liegende Metall vor weiteren Wechselwirkungen schützt. In gasförmigem Zustand verursacht es Reizungen der Nase und der Atemwege, Lungenentzündungen und Ödeme (Flüssigkeitsansammlungen in der Lunge). Eine Exposition stellt einen ernsthaften medizinischen Notfall dar.

Beispiele für explosive Gasatmosphären

Wie bereits erläutert, sind drei Elemente erforderlich, um einen Brand oder eine Explosion auszulösen: Brennstoff, Sauerstoff und eine Zündquelle. Diese Zündquelle kann ein elektrisches Gerät sein, das Funken erzeugt, oder eine heiße Oberfläche mit hoher Temperatur.

Schauen wir uns nun Szenarien aus dem echten Leben an, um zu verstehen, wie Brände oder Explosionen typischerweise entstehen.

Methan – Explosionen in Haushalten

Methanlecks stellen eine ständige Gefahr dar. Dieses Gas ist leichter als Luft, sodass es sich nicht in niedrigeren Schichten ansammelt. Da Methan jedoch ein Nebenprodukt der bakteriellen Aktivität in Abwassersystemen ist, kann es sich unterirdisch ansammeln und ein erhebliches Explosionsrisiko darstellen.

Spritzlackieranlagen – Industrieexplosionen

Industrien, die Lösungsmittel verwenden, müssen strenge Sicherheitsprotokolle einhalten. So werden beispielsweise in Spritzlackieranlagen häufig Wasservorhänge eingesetzt, um Overspray aufzufangen und in einen Aufbereitungsbereich zu leiten. Darüber hinaus werden Metallteile bei einigen Prozessen negativ und Farbspritzgeräte positiv geladen, wodurch die Effizienz des Farbauftrags erhöht wird.

Andere potenzielle Leckagequellen:

• Beim Befüllen von Fässern, ein kritischer Punkt für die Erkennung und Vermeidung von Lecks.
• An Flanschen in Rohrleitungssystemen, wo die Aufrechterhaltung der Dichtungsintegrität entscheidend ist, um Leckagen zu vermeiden.
• Um Schaugläser in Geräten herum, da diese Komponenten anfällig für Leckagen sein können, wenn sie nicht ordnungsgemäß gewartet oder installiert werden.

Die Erdölindustrie, die mit einer Vielzahl von brennbaren flüchtigen Stoffen umgeht, erfordert äußerste Vorsicht. Ihre Betriebe sind weitgehend geschlossen, wodurch sichergestellt wird, dass die meisten Nebenprodukte für die weitere Verarbeitung, wie z. B. Cracken und Destillation, aufgefangen oder zur Energieerzeugung oder als zusätzlicher Rohstoff verwendet werden.

Entzündbare Gase und Sicherheitsdatenblätter

Es ist äußerst wichtig, die Sicherheitsdatenblätter (SDB) für alle entzündbaren Gase, mit denen Sie arbeiten, gründlich zu lesen, um Brände, Explosionen und andere Gefahren zu vermeiden. In fast allen Fällen ist es gesetzlich vorgeschrieben, die SDB zu lesen, bevor man mit einem entzündbaren Gas arbeitet.

Dies ist besonders wichtig bei neuen Produkten, da diese im Vergleich zu Produkten, mit denen Sie besser vertraut sind, deutlich andere Eigenschaften aufweisen können. Das Sicherheitsdatenblatt für ein bestimmtes Gas finden Sie in der Regel auf der Website des Herstellers oder Lieferanten sowie auf der NIH-Website, die Teil des US-Gesundheitsministeriums ist.“

The Takeaway

In conclusion, understanding flammable gases is vital in preventing hazardous situations. These gases, which range from common household items like nail polish remover to essential industrial fuels, play a significant role in various applications.

Each type of flammable gas, whether it’s ammonia, butane, or another, has its own unique properties and associated risks. Strict adherence to Safety Data Sheets is crucial in mitigating these risks and avoiding hazardous situations.

By staying informed and exercising caution, we can effectively utilize these gases, ensuring safety and well-being in both personal and professional environments.