Bij brandbare gassen hebben we het over gassen die in de natuur voorkomen (bijv. methaan), brandbare zuivere stoffen (bijv. waterstof) en verdampingsproducten van brandbare en vluchtige stoffen of vloeistoffen (bijv. aceton).
Bij het werken met ontvlambare en explosieve gassen is het van vitaal belang om de werklimieten van deze stoffen te kennen. Lees daarom altijd de bijbehorende veiligheidsinformatiebladen van de producten waarmee je gaat werken, om op de hoogte te blijven van de risico’s.
In dit artikel bespreken we de kenmerken van de volgende brandbare gassen: Ammoniak, Acetyleen, Butaan, Koolmonoxide, Waterstof, Methaan, Propaan, Ethaan, Ethyleen, Silaan en Chloortrifluoride.
Officiële definities van gassen en dampen
Per definitie, volgens het Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals (GHS): Een ontvlambaar gas is een gas dat een ontvlambaar bereik heeft bij STP (standaardtemperatuur en -druk) van 20℃ en 101,3 kPa. Dit worden als normale omstandigheden beschouwd.
- “Gassen” verwijst naar materialen die onder normale atmosferische omstandigheden in een gasvormige toestand verkeren. Voorbeelden hiervan zijn waterstof of methaan.
- “Dampen” verwijst naar de gassen boven een materiaal dat onder normale atmosferische omstandigheden vloeibaar is, maar onder deze atmosferische omstandigheden gassen uitstoot binnen het ontvlambare bereik.
Inerte gassen, oxidatiemiddelen en brandbare gassen
Gassen worden gewoonlijk ingedeeld in drie verschillende groepen:
- Oxidatiemiddelen
- Inerte gassen
- Brandbare gassen
Iets dat inert is, reageert gewoon niet met andere dingen, zoals de edelgassen helium, argon, krypton, neon en radon. Een ander bekend inert gas is kooldioxide.
Zuurstof is niet brandbaar en broomgas evenmin, maar beide zijn oxiderende stoffen en ondersteunen een krachtige verbranding. Broom, het enige vloeibare niet-metalen element, wordt pas gas bij 58℃, wat normaal gesproken nooit gebeurt op het aardoppervlak waar de hoogst gemeten temperatuur 56,7℃ was in Death Valley in 1913.
Met dit begrip van oxidanten en inerte gassen, richten we ons nu op het hoofdonderwerp: brandbare gassen.
Brandbaarheidslimieten – Wanneer ontbrandt een brandbaar gas?
Wat zijn LEL en UEL?
Wanneer een brandbaar gas zich in de juiste verhouding mengt met zuurstof en een ontstekingsbron tegenkomt, kan dit leiden tot explosies of brand.
Veel consumentenelektronica kan vlambogen produceren en kan daarom een ontstekingsbron worden. Daarom moeten operators in gevaarlijke omgevingen speciale apparatuur gebruiken, zoals onze intrinsiek veilige camera.
De onderste explosiegrens (Lower Explosion Limit – LEL) en bovenste explosiegrens (Upper Explosion Limit – UEL) zijn zoals je je kunt voorstellen – onder de LEL of boven de UEL vormt een anders brandbaar gas geen explosiegevaar. Waterstofgas heeft bijvoorbeeld een zeer breed bereik en creëert een explosieve atmosfeer als de concentratie in de lucht hoger is dan 4% terwijl deze onder de 76% blijft.
Ontvlambaarheidsgrenzen vs. Explosiegrenzen
De onderste ontvlambaarheidsgrens van een specifiek brandbaar gas bepaalt de minimale concentratie van het gas gemengd met lucht die nodig is om een brandbaar mengsel te vormen. Met andere woorden, alleen als een brandbaar gas in de juiste verhouding met zuurstof wordt gemengd, kan het ontbranden en brand veroorzaken. Het is echter belangrijk op te merken dat een mengsel van brandbaar gas en lucht niet noodzakelijkerwijs altijd tot verbranding leidt.
Voor veel stoffen zijn de ontvlambaarheidsgrenzen en explosiegrenzen identiek, daarom worden deze termen vaak door elkaar gebruikt.
Met dat in gedachten vragen mensen zich vaak af hoe meer dan 60% van de passagiers de val van 61 meter en het neerstorten van de met waterstof gevulde zeppelin Hindenburg in 1937 overleefden. Simpel gezegd ontbrandde het lekkende gas tijdens het opstijgen en kwam het in contact met de lucht boven de passagiers, waardoor het veel van de hitte met zich meenam.
Ja, het zijden en rubberen materiaal van het omhulsel verbrandde ook, maar het gas zelf was te geconcentreerd om per se te exploderen, het brandde op het raakvlak waar het de lucht ontmoette. Als het was geëxplodeerd, in plaats van alleen maar verbrand, zouden er geen overlevenden zijn geweest.
[Tabel] LEL & UEL voor verschillende brandbare gassen
De concentraties die nodig zijn om deze gevaarlijke niveaus te bereiken, variëren afhankelijk van het betrokken gas. Concentraties onder de LEL zijn te ‘arm’ om te exploderen; concentraties boven de UEL zijn te ‘rijk’. Laten we enkele van de meest voorkomende gassen bekijken:
| Gas (en dampen) | LEL % | UEL % | Opmerking |
|---|---|---|---|
| Aceton | 2,2 | 13 | Veelgebruikt als nagellakremover. |
| Acetyleen | 2,5 | 100* | *Katalyseert met sommige metalen en kan explosief ontleden zonder aanwezigheid van zuurstof bij drukken >15 psi. |
| Ammoniak | 15 | 28 | Gelukkig waarschuwt de sterke geur al voordat gevaarlijke concentraties worden bereikt. |
| Butaan | 1,8 | 8,4 | Veel gebruikt als draagbare kookbrandstof. |
| Koolmonoxide | 12,5 | 74 | Bijproduct van verbranding. |
| Dimethylether | 3,4 | 27 | Synthetische vervanger voor dieselbrandstof. |
| Di-ethylether | 1,7 | 36 | Te brandbaar voor anesthesie; veiliger alternatieven worden sinds de jaren 1960 gebruikt. |
| Ethaan | 3 | 15,4 | Voorloper van ethyleen in de chemische industrie. |
| Ethyleen | 2,7 | 36 | Wordt gebruikt voor de productie van kunststoffen. |
| Benzine | 1,2 | 7,1 | Opvallend klein explosief bereik! |
| Waterstof | 4 | 75 | Waterstof is het eenvoudigste atoom. |
| Methaan | 5 | 17 | Hoofdbestanddeel van aardgas. |
| Methylmercaptaan | 3,9 | 21,8 | Als stinkdieren vonken zouden maken, zou de geur nog het minste probleem zijn! |
| Propaan | 2,1 | 9,5 | Brandstof met een lage koolstofvoetafdruk. |
| Silaan | 1 | 100 | Pyroforisch gas dat geen zuurstof nodig heeft. |
| Chloortrifluoride | N.V.T. | N.V.T. | Net als zuurstof is ClF3 niet brandbaar, maar het zorgt ervoor dat alles waarmee het in contact komt brandbare bijproducten genereert. |
Belangrijke feiten over de meest opvallende brandbare gassen
Ammoniak (NH3)
Ammoniak is een brandbaar gas dat voornamelijk wordt gebruikt om kunstmest voor gewassen te produceren. Het wordt ook gebruikt als een commercieel koelmiddel vanwege de kosteneffectiviteit en efficiëntie; het is 3-20% efficiënter dan alternatieven, wat betekent dat het minder elektriciteit nodig heeft om dezelfde hoeveelheid koeling te produceren. Dit maakt het ideaal voor grote toepassingen zoals ijsbanen, voedselbereiding en -conservering en grote airconditioningbehoeften.
Dit brandbare gas is bijtend en giftig voor mensen als er grote hoeveelheden vrijkomen. Dankzij de kenmerkende en krachtige geur kunnen lekken snel worden opgespoord met weinig verlies van koelmiddel, wat geld bespaart op vervangingskosten.
Acetyleen (C2H2)
Vanwege de hoge explosiviteit kan acetyleen niet veilig verder worden samengeperst dan 15 psi (1 atmosfeer). Daarom wordt het opgeslagen en vervoerd in cilinders met een hogere druk, opgelost in aceton, dat het stabiliseert.
Om te voorkomen dat het acetyleen zich afscheidt van de aceton en geconcentreerd gas vormt, bevatten de cilinders een poreus materiaal. Het is cruciaal om de cilinder rechtop te houden om te voorkomen dat aceton in de regelaar terechtkomt, wat veiligheids- en kwaliteitsproblemen kan veroorzaken.
Butaan (C4H10) – Brandstof voor koken
Butaan is een goedkoop, kleurloos en overvloedig brandbaar gas. De blauwe vlammen zijn ideaal voor draagbare verwarming, zoals koken. Het is veilig genoeg om mee te koken en genereert voldoende warmte met een relatief kleine energieopbrengst. Butaan vervliegt niet gemakkelijk in koude omstandigheden, waardoor het een van de bekendste brandbare gassen is.
Isobutaan daarentegen wordt niet gebruikt als brandstof om mee te koken, maar voornamelijk als koelmiddel. Isobutaan is echter ook een uiterst brandbaar gas, vergelijkbaar met gewoon butaan. Zowel butaan als isobutaan hebben vier koolstofatomen, maar ze verschillen in de structuur: butaan heeft een rechte ketenstructuur, terwijl isobutaan een vertakte structuur heeft.
Koolmonoxide (CO)
CO, een giftig bijproduct van onvolledige petrochemische verbranding, is ontvlambaar en kan zelfs explosief zijn in concentraties van 12,5 tot 74% in lucht. De giftigheid van CO komt voort uit zijn vermogen om zich te binden aan hemoglobine in rode bloedcellen, waardoor deze niet voldoende zuurstof aan het lichaam kunnen afgeven en het CO niet effectief kan worden afgegeven.
Blootstelling aan niveaus van slechts 0,03% of 300 PPM kan dodelijk zijn, wat aanzienlijk lager is dan de concentratie die nodig is voor een explosie.
Waterstof (H2)
De meest voorkomende stoffen in het heelal zijn waterstof (dat kernreacties kan aandrijven) en helium (tenzij Dark Matter echt blijkt te zijn), respectievelijk ongeveer 73% en 25% van alle baryonische materie (gemaakt van protonen en neutronen). Al het andere past in die laatste 2%, inclusief alle overige 116 chemische elementen in het Periodiek Systeem.
Gezien het perspectief is dat makkelijker te begrijpen: sterren zijn groot en planeten zijn klein. De zon bestaat voornamelijk uit waterstof en helium en is 1,4 miljoen kilometer breed. Waterstof drijft de kernreacties aan waardoor de zon kan branden. De aarde heeft een diameter van slechts 12.000 km (minder dan 1% van de breedte van de zon) en is de dichtste van alle planeten in ons zonnestelsel.
Het mooie van waterstof is dat dit brandbare gas gemakkelijk te verkrijgen is en schoon verbrandt met alleen water en warmte als bijproduct. Het is een van de weinige brandbare gassen zonder koolstofvoetafdruk (afgezien van de productiekosten).
Methaan (CH4) – Aardgas
Aardgas bevat kleine hoeveelheden ethaan, butaan, pentaan, propaan en zelfs helium, maar het overgrote deel bestaat uit methaan. Al deze ‘aan’-en zijn geurloos, dus om veiligheidsredenen worden ze geparfumeerd met iets zeer opmerkelijks zoals ethylmercaptaan of methylmercaptaan, zodat lekken gemakkelijk worden opgespoord. Deze toevoeging geeft aardgas zijn karakteristieke ‘rotte eieren’ geur.
Propaan (C3H8)
12.000 mensen raakten maanden, en in sommige gevallen zelfs jaren, ontheemd terwijl ze hun huizen herbouwden nadat een propaanopslagplaats explodeerde tijdens een illegale overslag van brandstof van vrachtwagen naar vrachtwagen.
De daaropvolgende brand werd veroorzaakt door een Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion (BLEVE) toen de verbindingen en aarding faalden. Het bedrijf werd schuldig bevonden aan ontoereikende veiligheidsmaatregelen en alle bedrijven werden door de overheid gesloten. Verbazingwekkend genoeg gingen er slechts twee levens verloren.
Propaan leent zich voor draagbare brandstofbehoeften van auto’s en bussen tot sleepheftrucks, of als energiebron in landelijke gebieden. Dit komt omdat het gemakkelijk vloeibaar te maken is bij gewone druk en temperatuur en zelfs bij lage omgevingstemperaturen een gas blijft (in tegenstelling tot butaan).
Ethaan (C2H6)
Dit brandbare gas wordt in de meeste olievelden gescheiden van ruwe olie en vervolgens cryogeen behandeld zodat het ethaan condenseert als een vloeistof, waardoor gasvormig methaan (en dergelijke) achterblijft. Het wordt verder gedestilleerd om propaan (et al.) te verwijderen totdat alleen ethaan overblijft.
Ethaan wordt voornamelijk gebruikt voor de productie van ethyleen voor de plasticindustrie en wordt met stoom gekraakt om ethyleen te produceren. Experimenten met de productie van polyvinylchloride (PVC) zijn echter veelbelovend en leveren aanzienlijke kostenbesparingen op. Ook azijn (azijnzuur) kan, dankzij de overvloedige aanvoer, goedkoop worden gemaakt in Saoedi-Arabië. Sommige bedrijven bouwen nu motoren die kunnen schakelen tussen gewone diesel en ethaanbrandstof.
Dit brandbare gas wordt ook gebruikt als supersnel cryogeen koelmiddel om elektronenmicroscoopmonsters met water te bevriezen. Water zet gewoonlijk uit wanneer het bevriest, waardoor celwanden scheuren en blokvormige kristallisatie ontstaat die elektronenbundels reflecteert. Ethaan koelt het snel genoeg af om deze thermische tegenslag te omzeilen, waardoor de monsters veel bruikbaarder worden.
Ethyleen (C2H4)
De productie van ethyleen, voor >50%, wordt gebruikt om kunststoffen te maken (bijv. polyethyleen). Dit brandbare gas wordt geoxideerd om chemische oppervlakte-actieve stoffen te produceren die worden gebruikt om wasmiddelen vuil en olie van oppervlakken (handen, kleding) te laten verwijderen. Het is ook het belangrijkste bestanddeel dat we gebruiken om ethanol (alcohol) te maken buiten brouwen en distilleren.
Van het geoxideerde ethyleen kan door middel van hydrolyse ethyleenglycol worden gemaakt voor antivries in automotoren. Traditionele PVC-productie vindt plaats door oxychlorering, net als droge reinigingsvloeistof (perchloorethyleen), naast vele andere.
Dit gas ontwikkelt zich op natuurlijke wijze, maar is ook een essentieel enzym voor het rijpen van fruit, het op gang brengen van de groei van takken, scheuten en wortels en het vertellen van de bladeren wanneer ze moeten afvallen. Het kan echter gemakkelijker worden gemaakt dan het te verzamelen uit natuurlijke bronnen zoals planten.
In een ontdekking uit 2021 is een nieuw enzym (methylthio-alkaan reductase) ontdekt dat ethyleen vrijmaakt door zwavel op te vangen wanneer er te weinig zuurstof is. Dit zou ertoe kunnen leiden dat het een goedkope biologische bron wordt voor de plasticverwerkende industrie, waardoor er minder aardolie en fossiele brandstoffen nodig zijn.
Silaan (SiH4)
Dit pyrofore (en giftige) gas wordt gebruikt voor de afzetting van zuiver silicium bij de productie van elektronische halfgeleiders, omdat het relatief gemakkelijk loskomt van de zwakke waterstofbruggen. De pyrofore aard betekent echter dat het spontaan ontbrandt als het aan lucht wordt blootgesteld. De gevaren zijn ingebouwd, dus er moet altijd voorzichtig mee worden omgegaan.
Japanse fabrikanten van zonnecellen bedachten een manier om het gevaar te beperken door het te mengen met waterstofgas. Hun zonnecellen bleken zelfs stabieler te zijn dan voorheen, een gratis voordeel van doordacht gebruik.
Chloortrifluoride (ClF3) – het meest brandbare gas?
Hoewel het zelf niet echt brandbaar is, bestaat het uit twee zeer reactieve elementen, chloor en fluor, die er niet bepaald happig op zijn om aan elkaar gebonden te worden. Zie het als Superzuurstof, dat oxidatie op een gruwelijke schaal ondersteunt en zo ongeveer alles wat het aanraakt in vlammen kan doen uitbarsten. Voeg het bijvoorbeeld toe aan water en het genereert chloorgas en fluorwaterstofzuur, samen met immense hitte. Als het in aanraking komt met biologische materialen (zoals huid) zal het in hevige vlammen uitbarsten, maar zelfs gewoon zand of beton zal met gemak verbranden.
Het is zo corrosief dat het alleen kan worden opgeslagen in koper, nikkel of legeringen van koper en nikkel (“Monel”). Deze metalen zijn veilig omdat ze reageren om een op fluor gebaseerde legeringslaag te vormen die het onderliggende metaal beschermt tegen verdere interactie. In gasvorm veroorzaakt het irritatie van neus en luchtwegen, longontsteking, oedeem (vocht in de longen) en blootstelling vormt een ernstig medisch noodgeval.
Voorbeelden van explosieve gasatmosferen
Zoals eerder uitgelegd, heb je drie elementen nodig om een brand of explosie te veroorzaken: brandstof, zuurstof en een ontstekingsbron. Deze ontstekingsbron kan vonkende elektrische apparatuur zijn of een heet oppervlak met een hoge temperatuur.
Laten we ons eens verdiepen in echte scenario’s om te begrijpen hoe branden of explosies meestal ontstaan.
Methaan – Explosies in woningen
Methaanlekken zijn een constant gevaar. Dit gas is lichter dan lucht, waardoor het zich niet kan ophopen op lagere niveaus. Methaan, een bijproduct van bacteriële activiteit in rioolsystemen, kan zich echter ondergronds ophopen, wat een aanzienlijk explosierisico met zich meebrengt.
Spuitinstallaties – Industriële explosies
Industrieën die oplosmiddelen gebruiken, moeten strikte veiligheidsprotocollen hanteren. Spuitinstallaties maken bijvoorbeeld vaak gebruik van watergordijnen om spuitnevel op te vangen en naar een verwerkingsruimte te leiden. Bovendien zijn metalen onderdelen in sommige processen negatief geladen en verfspuiten positief geladen, waardoor de verf efficiënter wordt aangebracht.
Andere potentiële bronnen van lekkage:
- Tijdens het vullen van vaten, een kritisch punt voor lekdetectie en -preventie.
- Bij flenzen in leidingsystemen, waar handhaving van de afdichtingsintegriteit cruciaal is om lekkage te voorkomen.
- Rond kijkglazen in apparatuur, aangezien deze onderdelen kwetsbaar kunnen zijn voor lekkage als ze niet goed worden onderhouden of geïnstalleerd.
In de petroleumindustrie, waar met een verscheidenheid aan ontvlambare vluchtige stoffen wordt gewerkt, is uiterste voorzichtigheid geboden. Hun activiteiten zijn grotendeels afgesloten, zodat de meeste bijproducten worden opgevangen voor verdere verwerking, zoals kraken en destillatie, of opnieuw worden gebruikt voor energieopwekking of als extra grondstof.
Brandbare gassen en veiligheidsinformatiebladen
Het is van cruciaal belang dat u de veiligheidsinformatiebladen (MSDS) voor alle brandbare gassen waarmee u werkt grondig doorleest om brand, explosies en andere gevaren te voorkomen. In bijna alle gevallen is het wettelijk verplicht om de veiligheidsinformatiebladen (MSDS) te lezen voordat u met een brandbaar gas werkt.
Dit is vooral belangrijk voor nieuwe producten, omdat deze aanzienlijk andere kenmerken kunnen hebben dan producten waarmee u meer vertrouwd bent. Het veiligheidsinformatieblad (MSDS) voor een specifiek gas is meestal te vinden op de website van de fabrikant of leverancier, en ook op de NIH-website, die deel uitmaakt van het Amerikaanse ministerie van Volksgezondheid en Human Services.”
De takeaway
Kortom, inzicht in brandbare gassen is essentieel om gevaarlijke situaties te voorkomen. Deze gassen, die variëren van gewone huishoudelijke artikelen zoals nagellakverwijderaar tot essentiële industriële brandstoffen, spelen een belangrijke rol in verschillende toepassingen.
Elk type brandbaar gas, of het nu ammoniak, butaan of een ander gas is, heeft zijn eigen unieke eigenschappen en bijbehorende risico’s. Het strikt naleven van veiligheidsinformatiebladen is cruciaal om deze risico’s te beperken en gevaarlijke situaties te vermijden.
Door op de hoogte te blijven en voorzichtigheid te betrachten, kunnen we deze gassen effectief gebruiken en zorgen voor veiligheid en welzijn in zowel persoonlijke als professionele omgevingen.
